弱磁场特别是地磁场的精确测量,在卫星姿态测量与控制、水下潜艇自主导航、地震预报、医疗设备、矿业选址等方面有着非常重要的作用。在众多的矢量磁传感器中,磁通门传感器在弱磁场测量中有着体积小、重量轻、灵敏度高等突出优势,因而在实际中被广泛应用。磁通门传感器是利用激励磁场和外界磁场使磁芯反复饱和而达到测量磁场的目的,主要由探头、激励电路和检测电路组成。磁通门传感器的核心部分是探头,而探头的核心部分是磁芯,因此磁芯模型的精确性对于分析和设计磁通门探头有着非常重要的意义。不同磁芯结构的磁通门探头,其工作机理和用途也大有不同。设计不同的磁芯结构和激励方式,以满足特殊场合磁性精确测量的需求。近年来,磁通门传感器朝着高性能、微型化、低功耗等方向发展,在提高磁通门传感器性能、降低磁通门传感器体积、减少复杂性和降低功耗等方面对磁通门探头的结构、输出信号的检测和处理方式等提出了更高的要求。论文围绕磁通门芯体模型参数的精确测定、磁芯结构的设计和磁通门输出信号处理等关键技术开展研究,主要内容如下:1.芯体模型参数的精确测定方面。采用生物地理学优化算法和果蝇优化算法优化描述磁芯磁滞特性的Jiles-Atherton(J-A)模型的参数。(1)针对生物地理学优化算法存在的搜索能力不强、易出现早熟现象等问题,采用Arnold映射产生初始种群和引入差分变异策略改进迁移方程提高算法的性能,仿真结果与遗传算法、粒子群算法、差分进化算法和生物地理学优化算法进行比较。(2)针对果蝇优化算法存在的易陷入局部极值和精度低、稳定性差的问题,采用动态变尺度步长产生果蝇的移动方向,改善算法性能,仿真结果与粒子群算法、果蝇优化算法进行比较。2.新型结构的磁通门探头的设计和仿真方面。(1)针对狭缝、小空间等狭小空间磁场的测量,设计“日字形”磁通门探头并研究其工作机理;利用有限元分析软件ANSYS对其进行仿真研究,验证工作机理的正确性。(2)针对狭缝、小空间等狭小空间点磁场的测量,设计“田字形”磁通门探头;对“田字形”磁通门探头的激励方式和工作机理进行分析;利用ANSYS软件对其进行仿真研究,验证“田字形”磁通门探头设计的合理性和工作机理的正确性。3.新型结构的磁通门探头的制作和测试方面。(1)以坡莫合金带材为磁芯材料加工制作“日字形”磁芯,制作“日字形”磁通门探头;实验测试“日字形”磁通门探头在正弦波和方波激励下的输出特性。(2)以坡莫合金薄膜为磁芯材料加工制作“田字形”磁芯,制作“田字形”磁通门探头;实验测试“田字形”磁通门探头在中间激励方式下的输出特性。4.同尺寸的“日字形”和“田字形”磁通门探头性能的研究方面。(1)制作与“田字形”同尺寸的“日字形”磁通门探头;(2)测试两种探头分别在对边激励方式和四周激励方式下的输出特性,分析两种探头的输出信号。5.磁通门探头输出信号处理方法和点磁场测量的研究方面。(1)利用软处理方法对探头输出信号进行处理,代替常规的模拟电路处理;(2)研究了平面点磁场测量的方法。研究结果表明:(1)生物地理学优化算法和果蝇优化算法均可用于优化磁芯J-A模型的参数,为磁芯磁滞模型参数的精确测定提供了理论依据;(2)“日字形”磁芯结构的磁通门探头能测量单方向磁场,“田字形”磁芯结构的磁通门探头能同时测量平面两个正交方向上的磁场,它们可用于狭缝、小空间等较窄场合点磁场的测量;(3)软处理方法代替常规的电路处理磁通门探头的输出信号,解决了多磁路磁通门输出信号复杂性的处理问题,提高了信号处理的效率,增加了信号处理的灵活性,同时降低了功耗。