磁通门传感器是一种具有很好综合性能的磁场测量传感器,在航空、航天、地质勘探、石油测井等要求高精度和高稳定性的领域得到了广泛的应用。磁通门传感器的饱和激励工作方式不仅造成功耗偏大也使得磁通门的建模难度增大。在磁通门传感器设计过程中,目前多采用有限元软件分析仿真的方法来确定设计参数,这种方法耗时长,网格剖分复杂。磁通门传感器的性能与探头、激励电路和信号处理电路相关,分别设计这三部分的方法很难获得最佳性能。为了获得最佳性能,在设计阶段对探头、激励电路和信号处理电路进行联合仿真是非常有必要的。由美国加州大学伯克利分校推出的电路分析软件(Simulation program with integrated circuit emphasis,SPICE)不仅在集成电路设计仿真领域发挥了巨大的作用,也能用来建立其他类型物理器件的模型,并对其进行仿真。要实现探头、激励电路和信号处理电路的联合仿真,建立精确的磁通门传感器SPICE模型是关键。本文主要研究磁通门传感器SPICE模型的建模方法。论文的主要创新性研究成果如下:(1)提出了利用初始磁化曲线、矫顽力和剩磁来确定磁芯磁滞回线模型参数的方法。磁通门建模的难点之一是磁芯磁特性的建模,尽管Brachtendorf建立的磁芯磁滞回线模型比较适合用SPICE实现,但确定其模型参数的计算非常复杂,且对初始值的选取要求苛刻。本文提出的方法仅采用初始磁化曲线、矫顽力和剩磁作为原始数据来确定模型参数,计算过程省去了非线性方程组的离散化求解过程,较大幅度地降低了计算的复杂度。(2)提出了一种考虑趋肤效应的磁芯磁滞回线SPICE建模方法。随着磁通门的工作频率增加,灵敏度增加,趋肤效应也越来越明显。考虑趋肤效应时需要计算瞬态的磁芯截面的磁场和磁感应强度的分布,而现有的磁滞回线SPICE模型假定磁芯截面磁场均匀,不能考虑趋肤效应。本文分析考虑涡流产生的磁场对磁滞回线的影响,得到的数学模型考虑了趋肤效应,基于该数学模型的磁芯磁滞回线SPICE模型与实验结果更加接近。(3)提出了基于磁场积分方程法的磁通门SPICE模型自动生成方法和基于磁标势积分方程法的磁通门SPICE模型自动生成方法。要实现探头、激励电路和信号处理电路的联合仿真,建立磁通门SPICE模型,不仅要在模型中综合考虑探头结构、磁芯参数、激励条件等因素的影响,还要求参数能够方便调整。针对这个问题,提出了基于磁场积分方程法的磁通门SPICE模型自动生成方法和基于磁标势积分方程法的磁通门SPICE模型自动生成方法。基于积分方程法的磁通门SPICE模型不仅计算速度快,而且综合考虑了磁通门的磁芯形状、磁芯磁性能、线圈位置、线圈绕线方式和激励条件等因素的影响,计算结果与实验和有限元软件结果一致。模型自动生成方法使得建模过程非常方便,只需输入磁通门的结构参数和磁芯材料参数,即可快速建立对应的磁通门SPICE模型。(4)提出了基于积分方程和插值方法的磁通门SPICE模型。与有限元法分析磁通门相比,基于磁场积分方程法和磁标势积分方程法自动生成的SPICE模型计算时间大大缩短,但对一些特定应用仍显得较慢。比如需要多次改变结构参数和激励参数反复仿真试验来确定最佳参数时,计算时间仍显得太长。基于积分方程和插值方法的磁通门SPICE模型在模型建立时通过积分方程法分析出电流与接收线圈磁通的关系,以及被测磁场与偏置电流的对应关系,在反复试验参数时不用计算每个网格的磁化状态就能得到接收线圈磁通,有效减少了待求解未知数,计算速度快。所建立的SPICE模型仿真结果与有限元软件仿真结果符合良好,尤其在激励电流较大或被测磁场较小的应用场合,模型仿真结果几乎与有限元仿真结果重合。本文得到国家自然科学基金课题、教育部高等学校博士学科点专项科研基金课题、西北工业大学基础研究基金项目、西安应用材料创新基金课题资助。采用本文的磁通门SPICE建模方法,以螺线管磁通门和平面磁通门为例建立相应结构的SPICE模型,用所建立的SPICE模型仿真了激励电压、被测磁场等条件改变时的接收线圈输出电压、二次谐波电压幅值,将这些SPICE模型仿真结果与实验或有限元软件仿真结果进行比较验证了模型的正确性。