MEMS传感器的优化与动态试验
赵金龙+熊恒昌+高梓瑞+李志伟
摘 要：射频电磁弛豫特性传感器主要用于复合绝缘子老化状态检测，其检测结果的可靠性直接影响着电力系统的安全运行。因此，为提高复合绝缘子老化状态无损检测的准确性，本文从静态磁体结构、射频线圈、调谐电路三个方面进行了对射频电磁弛豫特性传感器的优化设计。
关键词：射频电磁；弛豫特性；优化设计
中图分类号：TN432 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）09-0154-01
1 静态磁体结构的优化电磁仿真与优化设计
1.1 产生垂直方向磁场的磁体结构的优化设计
产生垂直方向磁场的最简单的磁体结构就是轴向充磁的圆柱形磁体，在圆柱磁体的圆面上方可以产生一个垂直于圆面分布的磁场，但是仅仅只用一个圆柱形磁体，目标区域内的磁场往往不够均匀，磁场分散性大，而且磁场分布状态与永磁体的半径和高度有关。因此本文对单圆柱形磁体结构进行优化，通过调节圆柱磁体的半径和高度以及增加相应的匀场措施来获得最佳磁场分布的磁体结构。 如图1（a）（b）所示为圆柱形单边磁体结构的模型，中间是圆柱形钕铁硼（NdFeB35）的永磁体材料，磁体外围的物体是用来改善磁场分布的铁磁材料，位于磁体上方2mm处的红色区域是目标区域，其尺寸为5mm×5mm×2mm，中间的黄色线圈是射频线圈模型。
采用Ansoft Maxwell电磁产仿真软件，通过改变磁体的高度、磁体的半径以及铁磁材料（Steel_1008）的高度和边长，对不同尺寸结构的磁体进行扫描仿真，通过大量的仿真搜索，我们得到了均匀度最佳的磁体结构，为简单起见，这里只给出其中五个不同结构的磁体在目标区域中心线上的磁场均匀度的仿真结果。
1.2 产生水平方向磁场的磁体结构的优化设计
鉴于图1（b）中的单边磁体結构的优越性，可以考虑将这种磁体结构的尺寸进行缩小，由于绝缘子伞裙尺寸的限制以及传感器小型轻量化的要求，因此本文采用三个尺寸为10mm×10mm×30mm的长方体形永磁体磁棒组合成三磁棒磁体结构，其结构的优化过程可详细描述为：与产生垂直方向磁场的磁体结构章节类似，以磁体结构上表面2mm处尺寸为5mm×5mm×2mm的目标区域内的磁场均匀度为优化目标，可控制的变量为三个磁棒之间的相对位置以及左右两侧的磁体在YOZ平面上的旋转角度。
通过仿真我们得知，当三个磁棒中心的点坐标分别为：中间磁棒坐标（0mm，0mm，-1.2mm），左右两侧磁棒坐标（0mm，13.1mm，0mm），（0mm，-13.1mm，0mm），且右边磁棒在YOZ平面上以平行于x方向的中心轴为旋转轴，顺时针旋转41°，左边磁棒在YOZ平面上以平行于x方向的中心轴为旋转轴，逆时针旋转41°时得到的磁场均匀度最好。
2 射频线圈阻抗匹配设计
根据仿真结果得到的绕线结构是数值形式的，而且由于其结构的特异性，使得很难直接在PCB中直接绘制线圈的结构，因此本文借助于不同软件之间的模型转换，最终得到线圈的PCB模型。
3 调谐电路设计与调试
对于本文所设计的平面射频线圈，利用阻抗分析仪可以测得该线圈在频率为16.075MHz的交流激励下呈感性，线圈的电阻为1.10868Ω，电感为326.585nH，因此该射频线圈电路可以等效为感性阻抗负载。图2为调谐电路实体图。
4 结语
本文通过利用Ansoft Maxwell电磁产仿真软件等技术手段，通过对静态磁体结构的优化设计以及电磁仿真与优化设计、射频线圈以及调谐电路的设计，不仅原有的体积问题得到了改善，并且质量以及携带方面也做到了优化，最终得到了更加适用于复合绝缘子检测的传感器。
参考文献
[1]徐征，吴嘉敏.用于复合绝缘子伞裙老化状态检测的单边核磁共振传感器[J].电工技术学报，2016，（12）：118-125.
[2]徐征，程江艳，吴嘉敏，何为.用于复合绝缘子伞裙老化无损检测的单边核磁共振方法[J].中国电机工程学报，2014，（36）：6545-6553.
