院系：机械工程学院 项目编号：51
XXXX大 学
本科生科研训练与创新性实验项目中期检查
报 告 书
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校 教 务 处 校 团 委 校大学生科协
项目名称 项目基于非晶材料的磁通门传感项目编号 器设计 2013年9国家级 起始时间 学号 联系方式 联系方式 2012年5月 完成时间 月 51 级别 项目负责人 项目组其他成员 姓名 学号 项目进展情况: 1.按计划进行 2.进度超前 3.延迟 4.未进行 目前，此项目已经完成了前期的可行性研究，并在理论上进行了分析，前阶段工作概况及取得的成果 构建了初步的模型。具体内容如下： 1.迟滞时间差原理 磁芯的势能函数是一个双势阱函数U(x)，磁化函数x(t)由激励磁场和双稳态势能函数共同决定。磁芯的饱和状态分别对应于双势阱函数的两稳态点,如图 1所示。为了去磁化（U(x)从一种平衡态到另一种平衡态），激励磁场He(t)必须穿越开关门限值Hc即磁芯的矫顽力。当周期性励磁激励磁芯时，磁芯周期性地往返于双势阱函数的稳态点。设励磁 周期远大于磁芯状态的过渡时间，则过渡时间可以忽略。无外磁场时，励磁信号对称地激励磁芯，磁芯状态处于两稳态点的时间相等，且两者
前 阶 段 工 作 之和近似等于励磁周期，如图2-a；当存在直流磁场时，由于直流弱磁场的偏置作用而非对称地激励磁芯，将使势能函数倾斜，此时磁芯状态虽周期性地往返于双势阱稳态点，但处于两稳态点的时间并不相同，如图 2-b。 图 1 概 况 及 取 得 的 成 果 图2-a 图2-b 由微磁现象和平均场理论建立模型的动力学方程，方程描述了磁化函数 x(t)的动力学特性，U(x,t)为双稳态势能函数： （1）
e(t)代表激励磁场；Hx为外部恒定磁场；ζ 为系统时间常数；K 为无量纲的由温度决定的控制参数。势能函数的表达式为 （2） 这里，假定磁性的磁滞回线是陡峭的，即矩形比很高。这样，当外磁场 大于矫顽力Hc时，饱和状态间的切换即刻发生。这种情况下，传感器 近似工作在静态的非线性回线下，磁滞回线相当于一个施密特触发器。 前 2迟滞时间差型磁通门数学模型的建立 阶 磁通门现象是普遍存在的一种电磁感应现象，其原理服从法拉第电磁感段 应定律，其模型类似于变压器模型，变压器效应对被测磁场起调制作用。工 与变压器效应相比，磁通门信号e(Hx)非常微弱。所以，传统的方法中作 不能直接用单铁心探头的感应信号测量外磁场，而必须用选择法电路剔概 除变压器效应电势。根据法拉第电磁感应定律，感应电压信号为： 况 及 （3） 取 N为检测线圈匝数，S为磁芯的有效截面积，He为励磁场强度，Hx为外得 磁场强度，μ为动态磁导率。当材料的矩形比足够大时，磁芯的磁滞特的 性接近理想，则dμ/dt项将成为感应信号的主导项，信号的峰值点则成 对应于饱和状态点。理想磁芯应具有施密特触发器的特性，即饱和状态果 的切换即刻发生。实际上，新型磁性材料(如钴基非晶合金)可以达到近 乎理想的特性，钴基非晶合金静态磁滞回线如图3-a。当He>+Hc时，B达到正的最大值Bs，其值保持到He>-Hc时刻；只有He<-Hc时，B才达到负的最大值-Bs，其值保持到He=+Hc时刻。迟滞时间T+，是励磁信号
穿越上门限Hc+（t1时刻）并继续穿越下门限Hc-（t2时刻）的时间间隔，T+=t2-t1；迟滞时间T-，是励磁信号穿越下门限Hc-（t2时刻）并+前 继续穿越下门限Hc（t3时刻）的时间间隔T-=t3-t2。故HTD=ΔT= T+-T-。阶 无外部磁场时， HTD=0；存在外部磁场Hx时，HTD≠0，磁通门输出信段 号波形如图3-c所示。 工 作 概 况 及 取 得 图3 的 为了使系统工作在饱和状态下，必须满足下面的关系式： 成 果 的作用，则应把它们加到激励信号中以提高工作范围。结合图 3 得到 关系式(5) （4） Hem为激励磁场幅值。|Hx|为被测磁场的最大值。如果考虑环境噪声H n （5） 当励磁信号为正弦波时，其幅度为Hem，周期为Te。结合图3得到下式 （6）结合（5）得到 （7）
则正弦励磁的迟滞时间差表达式为： 前 阶 3.迟滞时间差型磁通门的灵敏度 段 灵敏度是磁通门传感器的关键参数之一，它表征了输出信号随被测磁场工 的变化情况。正弦激励的灵敏度表达式为： 作 概 况 及 （10） （9） （8） 取 表达式(2.32)是把HTD中Hx用工作值Hx+代换得出的。从表达式中可以得 看出，正弦励磁的灵敏度是随外磁场Hx变化的。值得强调的是：表达的 式的推导都是基于磁通门近似的静态非线性特性的基础上的，时间常数成 ζ是很小的。因此，表达式（10）很好地描述了传感器的时间特性。计果 算过程中并没有考虑退磁影响，实际上退磁作用没有显著修正模型结 构，只是导致响应的衰减。 4.迟滞时间差型磁通门测量电路 迟滞时间差型磁通门输出的感应电压信号为脉冲信号，其脉冲间隔与被测磁场的大小成正比关系。通过读取脉冲间隔即可测量外磁场。磁通门
前 阶 段 的感应电压信号经差分放大后经滤波环节滤除高频及工频干扰，将感应电压信号整形成方波信号后，通过计数器即获得时间差。因此，传感器测量电路十分简单，如图4。 图 4 工 V/I 转换部分产生稳定、非失真的励磁信号对磁通门进行激励；磁通门作 探头部分既可以采用开磁路结构以减小传感器体积，也可以采用闭磁路概 结构以提高传感器的灵敏度并降低传感器功耗；后续的测量电路不需要况 相敏检波及积分等环节，从而降低了装置的复杂性。采用数字化处理方及 法，有利于实现磁通门的数字化和集成化。 取 5. 迟滞时间差型磁通门与传统磁通门比较 得 的 成 果
在确定科研训练项目之后，指导老师就结合我们三位成员的时间问题问为我们初步制定了研究的基本计划。在大三上学期，我们主要的工作就是完成理论分析，根据理论来设计出初步的模型。在开始时候老师就为我们提供了一个参考方案，给我们讲解了此次训练的方向。为我们创造实践锻炼的机会，使我们在导师的传、帮、带下，把学习和研究紧密结合起来，从被动接受知识变为主动研究问题，从而熟悉研究步骤，学到研究方法。 在最初一个月的时间，由于很多专业课并没有开课，前阶很多知识没有学到，我们组的成员除了复习了之前所学的模拟电路和大段工学物理的知识以外，还提前自学了一点数字电路等其他专业课的知识，作中由于刚刚接触专业课程，又没有专门的老师辅导，在自学的时候，遇到遇到了很多问题。有些可能只是简单的理论或是定理，但由于我们缺乏经验，的难不能很好的理解。后在老师以及师兄的帮助下，得以解决。然后，我们题及结合图书馆和网络上的资源，与师兄讨论初步确定了此次研究的总体方解决向。方向确定之后，我们根据已整理出的理论依据，初步确定了理论模办法 型。 模型确定好后，我们紧接着开始了初步的仿真实验的阶段。由于此前我们一直只是理论学习，没有接触到任何实际的实验探究，所以并没有学习过任何的仿真软件。于是，又到了我们需要自学的时候了。在经过指导老师以及师兄的帮助和我们自己的摸索之后，我们现在基本上已经掌握了PSPICE、Proteus这样的常用仿真软件的使用，并对ANSYS有了初步的认识。虽没有开始对本项目的模型进行仿真，但已经可以通过这些软件处理实际中遇到的问题了。
孙斌：报名参加科研训练半年多了，虽然进展的很缓慢，但卜雄珠老师和杨波老师还是很耐心的指导我们每一阶段的工作，帮助我们查找大量的资料。反而是我们显得不是很积极，在此对两位老师说声抱歉。 其实在此期间收获还是很多的，我慢慢的领悟了之前书本知识的原理，也深切体会实际应用的困难。通过科研训练，我觉得不在乎知识层面上取得了多大的进步，而是思想上对将来实际的工作流程有一个初步的认知，这也正是学校为我们本科生开展科研训练的目的。希望在接下来的时间里我能和其他两位队员一起努力，在导师的带领下出色的完成对前阶段工作的自我评价 曹委：无论之前对科研训练有过什么样的猜测，这学期具体地参与进来才是真正认清它的开始。 和技术相关的话题一直都给人讳莫如深的固有印象，但现在，当自己终于有机会近距离地接触这个过程，才算真正明白事物都有其可以让人接近的一面。在这个训练项目中，从一开始仅有的对课题的粗浅认识，到渐渐了解磁通门传感器基于的原理，再到慢慢认识测量过程中各个环节应有的考虑，这样的过程可能并没有出奇的地方，但却是认识过程中必经的一环。 就目前而言，当然还谈不上什么明显的进步，但看到自己着手的事 任务。当然，这肯定需要我们付出更多的努力。 最后，再次感谢卜老师和杨老师！
情确实需要耐心和精力才能做好时，那么它也就无疑是值得的。 臧云歌：科研训练已经进行了半年多了，虽然前期只进行了理论研究，并没有在实验室实际的进行试验，但是，通过前期的理论研究，我们每个人都学到了很多知识。由于很多专业知识都没有学到，我们每个人都需要自己学习，通过这种自学的模式，我们掌握了很多技能。查文献，学软件都是平常课上接触不到的。正是因为科研训练，我们才有机会可以接触到这些课外的知识。 而另一方面，作为负责人，科研训练带给我的不仅仅是学习上的收获，还有人际交往方面的锻炼。虽然我们的组员都是一个班的同学，但是，作为组长，所担当的责任与组员又有所不同。我记得，刚开始的时候，老师跟我说过，做组长除了做好自己，还要懂得分配任务，要带领其他的组员一起做才称职。所以，科研训练教会我的不只是知识，还有如何担当责任。这必然是在日常学习中没有办法体会得到的。 接下来我们马上将会进行实际的试验了，由于之前刚刚接触科研训练，再加上大三专业课的数量与难度忽然增加，我们都有点不适应。组员起初出现了一点抵触情绪，但是，很快的就调整了过来。虽没有进行的很快，但每个人也都很认真地对待这件事情，特别在经过老师的教诲后，表现的也很积极。所以，我相信，我们在接下来的研究工作中，会更加努力的，将这项任务的完成。
接下来我们除了完成模型的仿真外，还将完成以下的任务 1） 具体结构设计； 包括磁通门的结构设计，磁测装置的设计。 （1）磁通门的设计包括对磁芯材料的选择，以及考察磁芯、绕组、励磁信号对测量结果的各种影响。最终进行磁通门的实体设计与制作。 项目（2）磁测装置包括硬件软件两部分，硬件电路方面初步考虑应后期用FPGA。 实施2） 实验研究：在理论分析可行的情况下，可通过实验验证方案是否进展可行； 计划 测试的内容将包括磁测装置的噪声、静态特性、分辨力、灵敏度的测试。 3） 改进设计； 根据测试的结果，进行设计的改进。 4) 确定最终成果，撰写研究报告 以上填写内容均真实可靠 项目成员签名：
指导老师意见 指导老师签名： 院（系）意见
