一种单环磁通门传感器的设计与仿真

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1、第26卷第13期电子设计工程2018年7月Vol.26No.13ElectronicDesignEngineeringJul.2018一种单环磁通门传感器的设计与仿真陈浩，倪大成，任浩，郑华雄，李敏（宁波中车时代传感技术有限公司浙江宁波315021）摘要：文中提出了一种单环磁通门传感器并介绍了单环磁通门的工作原理。另外介绍了一种磁芯的等效电路模型，并以此为基础建立单磁芯磁通门传感器仿真模型，通过制作产品和仿真分析确定传感器设计的合理性。关键词：单环；电流传感器；仿真；激励信号；小电流测量中图分类号：

2、TM933.1文献标识码：A文章编号：1674-6236（2018）13-0123-05DesignandsimulationofasingleloopfluxgatesensorCHENHao，NIDa⁃cheng，RENHao，ZHENGHua⁃xiong，LIMin（NingboCRRCTimesTransducerTechnologyCo.，Ltd，Ningbo315021，China）Abstract:Thispaperdescribesasingleloopfluxgatesensora

3、ndexplainsitsprinciple.Inaddition，thispapercreatesasimulationmodelofcore.Basedonthismodel，weestablishedthesimulationmodelofsingleloopfluxgatesensorsuccessfully.Atlast，wealsoprovedthesingleloopfluxgatesensorbythewayofmakingaproductandsimulation.Keywords

4、:singleloopfluxgate；currentsensor；simulation；drivesignal；measuringsmallcurrent磁通门传感器本质上是一种利用法拉第电磁感应电动势。当原边通有电流I时，铁芯中产生磁场p应定律的测磁传感器。磁通门传感器要求磁铁芯高H。由于铁芯磁导率会因铁芯饱和程度变化，进而p导磁率，铁芯在激励信号作用下周期饱和，通过这种影响磁感应强度，感生电势随之而变，最终引起次边方式将被测信号调制，然后通过电路解调和处理输电流I的变化。因而可以通过采样电阻R

5、获取原边S[1-2]出。磁通门原理的传感器的分辨力一般能达到电流信号的变化。-8-9[3-5]10~10T，而霍尔元件很难测量1mT以下的弱[6]磁场。随着工业技术进步，越来越多的场合需要进行微小电流检测，霍尔传感器已无法满足需求，磁通门传感器的优势得以凸显。多数磁通门传感器采用双环原理，一环为激励[7-8]线圈，另一环为感应线圈，另外有追求高精度的多图1单环磁通门探头原理环磁通门传感器，也有为精度要求不高场合而设计的成本相对低廉的单环磁通门传感器，其激励线圈假定激励电压U（t）为一理想方波，采样电

6、阻Rs和感应线圈为同一组线圈。本文设计了一款单环磁远大于线圈内阻，则激励电路的回路（次边回路）方通门传感器，应用于漏电流测量领域。程为：dψU(t)=I(t)∙R+（1）1单环磁通门探头原理Sdt式中，ψ为激励绕组的磁通量。根据安培环路定理：单环磁通门探头的工作原理如图1所示，周期H(t)∙l=N∙I(t)（2）变换的激励信号激励磁芯，产生激磁磁场。根据法2式中，l是环形铁芯的平均磁路长度，N是激拉第电磁感应定律，磁场的变化会使线圈内产生感2磁绕组的匝数，（It）是激励回路中的瞬时电流，由于收稿日期

7、：2017-11-14稿件编号：201711091作者简介：陈浩（1991—），男，湖北黄冈人，助理工程师。研究方向：电量传感器研发。-123-《电子设计工程》2018年第13期ψ(t)=N∙φ(t)=N∙B(t)∙S（3）线性，因此式（5）为非线性方程。22B(t)=μ(i)∙H(t)（4）为了便于分析，可对磁化曲线进行分段拟合，如2SdI(t)图2（b）所示。因此式（5）可以改写为：故：U(t)=I(t)∙R+μ(i)∙N∙（5）S2ldt2SdI(t)U(t)=I(t)∙R+μ∙N∙j=1、2

8、、3…（6）Sj2其中μ（i）是铁芯的动态磁导率，S为铁芯的有效ldt截面积。式中μj为铁芯的相对磁导率。传感器的铁芯采用坡莫合金1J77卷制而成，其当原边电流I=0时，假定t=0时，方波处于上升p静态磁化曲线如图2（a）所示，由于铁芯磁特性的非沿，铁芯在负向饱和状态，在方波电压作用下，铁芯图2铁芯磁化曲线内的磁场将沿着A-P-Q-B-Q-P-A的路径周期性变于铁芯处于负向饱和，所以铁芯线圈的电感L1很小化，则分段列出激励回路电路方程为：（线圈电感与铁芯磁导率正相关，