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摘 要

Abstract： 3

第一章 绪论 5

1.1课题背景和研究意义 5

1.2平面线圈现状 6

1.3常见平面线圈 8

1.4 平面线圈的应用前景 10

第二章 平面线圈磁场分布理论分析 12

2.1平面线圈励磁原理 12

2.2线电流磁场分析 12

2.3空间中直导线的磁场分布 12

2.4方形平面线圈的空间磁场计算 13

2.5电流环的磁场计算 14

2.6圆形平面线圈的磁场计算 15

2.7 磁场强度H与磁感应强度B的关系 16

第三章 平面线圈磁场分布情况 17

3.1仿真软件简介 17

3.2建立初始平面线圈模型 18

3.3平面线圈导线粗细对磁场强度的影响 20

3.4 电流大小对磁场强度的影响 22

3.5 平面线圈磁场大小与线圈盘绕密度的关系 24

3.6平面线圈磁场大小与线圈匝数的关系 25

3.7双平面线圈磁场大小与两线圈间距离的关系 26

3.8平面线圈材料对磁场分布的影响 28

3.9基底材料对平面线圈激励磁场分布的影响 29

第四章 实物检验分析 31

4.1 实际电路器件选择 31

4.2仿真实验 31

4.3实物测量 33

4.4 实验结果 35

第五章 总结 37

参考文献： 38

致谢 40

摘要：

随着微机电技术、传感器等技术的发展，由于平面线圈具有体积小，灵活性高、平面化等优势，且易于采用PCB印制线制作，可以提高工艺制作的效率和精度，且参数分散性小，适合批量生产，且便于同后续处理电路集成。被越来越广泛地应用到微继电器、微传感器、换能器等领域之中。但是平面线圈也有着电阻大，电感值小等缺点，如何最大化利用平面线圈产生的磁场，如何使平面线圈尽可能产生更大的磁场成了需要研究的话题。本文通过利用麦克斯韦方程理论和毕奥-萨法尔公式对平面线圈的磁场分布进行了计算分析，主要计算了方形平面线圈和圆形平面线圈各点的磁场大小。使用Ansys Maxwell软件的3D建模环境对平面线圈进行建模仿真，主要分析了电流大小、方向、线圈间距、导线直径、周围环境条件等因素对平面线圈磁场分布的影响。并搭建实际电路，通过隧道磁电阻（TMR）效应，制作PCB电路印刷板利用磁电阻传感器测量磁场大小，进一步验证和完善了平面线圈的磁场分布理论。

Abstract：

With the development of micro-electro-mechanical technology and sensor technology, the planar coil has the advantages of small size, high flexibility and planarization, and is easy to be fabricated by PCB printed line. It can improve the efficiency and accuracy of process fabrication, and has small parameter dispersion, which is suitable for batch production and easy to integrate with subsequent processing circuits. It is more and more widely used in micro-relay, micro-sensor, transducer and other fields. However, the planar coil also has some shortcomings, such as high resistance and small inductance. How to maximize the magnetic field generated by the planar coil and how to make the planar coil produce as much magnetic field as possible has become a topic to be studied. In this paper, the magnetic field distribution of planar coil is calculated and analyzed by Maxwell equation theory and Biot-Safar formula. The magnetic field of square planar coil and circular planar coil is calculated. The 3D modeling environment of Ansys Maxwell software is used to model and simulate the planar coil. The effects of current, direction, coil spacing, wire diameter and surrounding conditions on the magnetic field distribution of the planar coil are analyzed. The actual circuit is constructed, and the PCB circuit printed board is made by tunneling magnetoresistance (TMR) effect. The magnitude of magnetic field is measured by magnetoresistance sensor, which further verifies and improves the theory of magnetic field distribution of planar coils.

关键词：平面线圈，传感器，磁场，磁电阻

KEY WORDS：Planar coil, sensor, magnetic field, magnetoresistance

第一章 绪论

1.1课题背景和研究意义

随着现代工业的发展，传感器技术得到了广泛的应用。非接触式和无磨损位移传感器是许多工业传感器的理想要求之一。不同的非接触式传感器技术包括电阻式、电容式和电感式。工业传感器以其可维护性、长寿命、高灵敏度和低成本成为工业应用中最受欢迎的传感器。然而，电感传感器有一个非常重要的缺点，即体积庞大和不够轻便。因此，有必要降低线圈体积和铁芯所占体积比^[1]。平面线圈可以有效地减小线圈的体积，并且可以相对容易地在印刷电路板基板上进行加工制作。

因为其很容易在印刷电路板上制造，平面线圈的性能也在MEMS传感器的应用中表现十分出色。通过线圈的平面化，可以将线圈高度降到最低，并且可以设计出具有较强柔性、灵活性和较大发展空间的多层结构。利用平面线圈的电磁特性，可以实现对非电量信号的检测，如位移、速度、尺寸等。

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