自“十三五”科技创新发展规划提出以来,对深地、深空、深海的探索从未停止,磁传感器在其中扮演着重要的角色。磁通门传感器因为其工作稳定,结构简单等特点,是探测低频或直流磁场的主要手段。由于磁测需求不断提高,国际上掀起了对新型磁通门传感技术的探索浪潮,旨在研究结构更简单、指标更优良,适用范围更广的磁通门磁力仪。时间差(RTD)型磁通门传感技术是一种新型的磁通门磁测技术,它采用时间域的测量方法,有效规避了传统偶次谐波型磁通门无法避免的探头对称性误差,具有结构简单,功耗低等特点。自2005年以来,国际上开展了对RTD型磁通门传感器细致的研究,其中涉及到对传感器工作原理的分析,传感器敏感元件的结构、外围电路进行了设计,取得了一定得成果。但是磁芯的磁滞特性是磁通门传感器的基础,磁滞回线的内在波动特性限制了该传感器性能的进一步提升。因此,本文从磁芯的内禀参数矫顽力出发,以矫顽力的波动性表征磁滞回线的波动性,分析并量化了矫顽力的波动对传感器输出的影响,建立了RTD型磁通门传感器的动态磁滞模型。在此基础上对传感器灵敏度和噪声水平进行了研究,建立了RTD型磁通门传感器的近零磁场下的灵敏度模型和噪声传递模型;然后设计了RTD型磁通门传感器的探头结构和信号调理电路;最后对传感器性能进行了测试并提出一种能够有效提高传感器分辨率、降低其噪声水平的单频时间差方法。实验结果表明传感器输出时间差的波动范围为±0.5μs,艾伦方差的计算结果表明本文设计的RTD型磁通门传感的分辨率为0.064 nT,优于国外研制的RTD型磁通门传感器的性能指标,实现了对RTD型磁通门传感器性能提升的目标。(1)建立了磁芯的动态磁滞模型,直观地展示了外磁场和磁化强度之间的动态关系。RTD型磁通门传感器工作于时间域,是一种通过检测磁芯正负饱和状态时间差的装置,而矫顽力是其正负状态切换的阈值,因此针对这一特点采用郎之万方程对矫顽力的波动性进行了描述,进而建立了动态磁滞的统计模型,在此基础上量化了矫顽力的波动对时间差波动的影响,得出磁芯的磁噪声是RTD型磁通门传感器的主要噪声源的结论。(2)建立了工作于零磁场附近的RTD型磁通门传感器的灵敏度模型,它通过探头的物理设计参数(匝数、线圈长度、直径)、激励条件及磁芯的动态磁滞状态计算灵敏度,且计算结果的相对误差不超过4%。RTD型磁通门探头的灵敏度同时与激励条件、矫顽力和外磁场有关,而磁芯的矫顽力与激励条件的耦合关系为灵敏度的优化带来了困难。该模型在动态磁滞模型的基础上,采用变化的微分磁导率代替原灵敏度数学公式中的矫顽力,这使得矫顽力和激励条件退耦,实现了传感器灵敏度的快速计算并简化了传感器灵敏度的设计过程。(3)建立了系统的噪声传递模型,量化了矫顽力的波动对时间差输出的影响,提出了有效的降低噪声的办法。对RTD型磁通门传感器的噪声源进行分析,根据误差传递原则对RTD型磁通门传感器系统建立噪声传递模型,然后运用动态磁滞回线测量系统测量并量化矫顽力波动性对时间差的影响,最后结合噪声特性和系统性能参数的关系,并针对不同的噪声源提出有效的降低噪声的办法。(4)设计了RTD型磁通门传感器系统,并对其激励条件、磁芯材料的选择给出了建议,测试结果显示其时间差的波动在1us以内,最大灵敏度可以达到10μs/nT。根据传感器灵敏度和噪声性能相互制约的关系,对激励条件和磁芯材料进行了选择,设计了前置放大器电路、滤波器电路及滞回比较器电路,并采用软件计算时间差,完成了RTD型磁通门磁力仪的研制。最后,在完成对传感器系统的实验测试及其结果分析的基础上,针对RTD型磁通门传感器的噪声特性,提出了一种单频时间差(SFTD)方法。该方法能在保证探头灵敏度的同时抑制叠加在感应电压上的宽频电子噪声。实验结果表明:传感器输出时间差的波动范围为±0.5μs,同样激励条件下,优于国外研制的RTD型传感器的±1μs及吉林大学早期研制的RTD型传感器的±5μs;艾伦方差的计算结果表征系统分辨率能达0.064 nT,较传统的时间差检测方法而言系统分辨率提高了5倍。实现了对RTD型磁通门传感器的性能提升的目的。