基于虚拟正交试验的磁感应测速线圈参数优化*

陈 龙， 狄长安， 谢 彤

(南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)



基于虚拟正交试验的磁感应测速线圈参数优化*

陈 龙， 狄长安， 谢 彤

(南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)

为提高磁感应线圈传感器测量弹丸高速运动的动态响应性能，研究了磁感应测速线圈系统特性与线圈几何参数之间的关系。根据正交试验设计的方法，基于Ansoft仿真软件,计算出不同几何参数下线圈特性的输出，并最终确定了一组用相对最优的线圈几何参数。实验测试结果表明:优化后的磁感应线圈提高了线圈输出的信噪比和输出灵敏度，有利于提高测速精度。

线圈传感器； 速度； 动态响应； 正交试验设计

0 引 言

枪弹测试实验中，往往需要准确测试弹丸初速度，感应式线圈靶是最常用的测速装置，其工作原理是：预先磁化的弹丸通过线圈靶时，线圈的磁通量将发生改变，产生感应电动势，即区截信号，通过定距测时的方法即可获得弹丸飞行的速度。当被测物体运动速度相对较快时，传感器感应线圈可视为一个由线圈电感与直流电阻串联后与分布电容并联组成的二阶系统，其固有频率与阻尼比主要与线圈的等效电阻、电感、电容等参数的直接影响[1，2]。为了提高磁感应线圈的测试灵敏度，有时需要增加磁感应线圈的匝数，但是增加线圈匝数往往会导致磁感应线圈的分布电容、电感和内阻随之增大，严重影响线圈的动态特性，所以,必须寻求有效的方法对线圈参数与特性的关系进行研究。

一般传统的线圈性能分析是利用控制变量法对线圈模型中各影响因素逐个进行分析，利用实验或者有限元软件计算相应的线圈影响参数，比较基本指标值获得各参数对于系统性能影响系数的敏感程度，从而得到传感器动态特性的影响因素。文献[3，4]通过实验测试的方法研究了线圈分布电容对线圈特性的影响，通过减小分布电容的方法提高感应线圈的灵敏度；文献[5]基于有限元仿真计算线圈的电感，根据电感计算公式，对线圈优化设计后使得传感器高频段灵敏度提高；文献[6]利用增加感应线圈的匝数提高传感器的灵敏度。

但是，由于感应线圈参数对其电阻、电容、电感值都会产生影响，且这些因素的影响很多是交叉、综合存在的[7，8]。与此同时，这些参数对传感器的系统特性影响不是简单的代数叠加，传统的敏感性分析方法在进行多因素多水平敏感性分析时显得不是特别合理。为此，为提高磁感应测速线圈的响应特性，本文以传感器的动态响应特性为目标，基于Ansoft仿真平台，采用针对多影响因素分析的正交试验方法对磁感应线圈性能进行影响因素分析，并对优化后的磁感应测速线圈进行了实验验证。

1 基于正交试验设计的参数优化

1.1 试验方案设计

为了分析感应线圈动态特性，选取了线圈的固有频率和阻尼比作为试验的考核指标，参考GJB 3196.31A第31部分《速度测试线圈靶法》，对于小口径枪弹现有的测速磁电式感应线圈设计方法[9]，确定了试验因素包括线圈匝数、线圈半径、导线铜丝内径、线圈层数以及每个因素的水平如下：1)线圈匝数：160，200，240；2)线圈半径：145，150，155 mm；3)导线铜丝内径(导线外径)：0.21(0.25)mm，0.26(0.31)mm，0.31(0.36)mm；4)线圈层数：10，15，20。试验考核指标采用阻尼比和固有频率两个指标，具体试验因素水平如表1所示。由于试验确定为4个因素，每个因素3个水平，这是4因素3水平的多指标，如果做全面试验需81次试验，而利用L9(34)正交表，它只需要进行9次实验，大大降低了实验的次数，提高了设计效率。

表1 因素水平

本试验利用Ansoft软件计算了9组不同参数的电容、电感值，利用公式计算不同因素下线圈的固有频率和阻尼比。考虑到线圈截面尺寸相对于线圈平均直径要小得多，可以近似将大尺寸小截面线圈看作长导体进行二维有限元建模。图1为利用Ansoft 2D静电磁模块根据试验方案1建立的感应线圈二维模型，其中导线材料为铜、区域I为导线外层绝缘漆，设置的材料为聚氨酯，区域II为导体周围的空气包围区域，圆形外侧设置边域边界条件。利用Ansoft软件也可以仿真计算出气隙中含磁铁线圈的电感和电容量,仿真分析计算结果如表2。

图1 感应线圈电容仿真二维模型Fig 1 Dimensional simulation model for induction coil capacity

1.2 试验分析

利用极差分析方法对上述仿真结果进行分析，结果如图2、图3所示，感应线圈参数对系统的阻尼比和固有频率的影响越大，不同水平相对应计算出的阻尼比或者固有频率数值之间的差异就大。若某个因素各水平对阻尼比或者固有频率均值的极差越大，则这个因素对阻尼比或者固有频率的影响就越敏感。以阻尼比为考核指标时，这4个因素影响程度排序为：导线铜丝内径>匝数>线圈半径>线圈层数；以固有频率为考核指标时，这4个因素影响程度排序为：匝数>线圈层数>导线铜丝内经>线圈半径。在一定程度范围内随着线圈匝数、线圈半径和线圈层数的增大，系统阻尼比逐渐增大。但是导线铜丝内径(导线外径)的影响略有不同，随着导线内外径的增大，系统的阻尼比减小。对于系统的固有频率，随着线圈匝数的增大而减小。而于线圈半径、导线铜丝内径和线圈层数的变化对系统固有频率影响不大。

表2 正交试验线圈参数仿真计算结果

图2 阻尼比的影响Fig 2 Impact of damping ratio

图3 固有频率的影响Fig 3 Impact of natural frequency

为了增大磁感应线圈输出电动势的灵敏度，需要增加线圈的匝数，但是由上述分析可得，增大线圈的匝数，线圈的固有频率会大大减小。综合考虑线圈输出灵敏度和线圈动态特性，最终感应线圈的参数:匝数为200；半径为166 mm；导线内径(外径)为0.31(0.36)mm；层数为20；固有频率为7.712 kHz；阻尼比为0.067。

3 实验验证

为了验证优化结果，实验采用优化后的线圈和传统线圈靶进行了对比试验。实验采用7.62 mm口径的突击步枪，利用NI公司的采集系统进行了传感器原始数据的采集，采样频率为1 MHz，记录时间为2 s。实验时结果如图4和图5所示。

图4 整体输出信号Fig 4 Overall output signal

图5 部分输出信号Fig 5 Part of output signal

通过原始信号如图4所示可以看出，优化后的感应线圈测速噪声明显小于传统参数的线圈靶。从图5可以得出，对于相同的测试条件，优化后的测速感应线圈信号在零点的斜率比传统线圈靶信号更陡峭，时间特征点判读更为准确，可以提高测速精度。

4 结束语

本文基于感应线圈等效电路模型，分别分析了导线参数、线圈半径和绕制方式对感应线圈电阻、电感和分布电容的影响，并以此为依据，利用Ansoft软件对线圈参数进行了正交实验分析，获得了对感应线圈特性最优的参数组合，实验对比了优化后的线圈与传统的测速线圈，结果表明：优化后的线圈参数具有较好的动态特性，有利于时间点的判断，减小测速误差。

[1] 蒋安林,周穗华,张晓兵,等.感应式磁传感器的设计[J].船电技术,2011(12):35-37.

[2] 谢 彤,狄长安,王耀辉.弹丸姿态对感应式线圈靶测速精度影响[J].传感器与微系统,2015,34(7):17-20.

[3] Qi Hongli,Zhao H,Liu W W,et al.Parameters optimization and nonlinearity analysis of grating eddy current displacement sensor using neural network and genetic algorithm[J].Journal of Zhejiang University:English Version a:Applied Physics and Enginee-ring,2009(8):1205-1212.

[4] 高剑森,王 帆.电感线圈分布电容对电学测量的影响与修正[J].煤矿机电,2010(6):46-47.

[5] 邵英秋,宋克非.宽频带感应式磁传感器线圈电感的研究[J].电子测量与仪器学报,2014(7):703-709.

[6] 邵英秋,程德福,王言章,等.高灵敏度感应式磁传感器的研究[J].仪器仪表学报,2012,33(2):349-355.

[7] 沈 勇,狄长安,王昌明,等.单个线圈靶速度测量分析[J].传感器技术,2001,20(12):10-12.

狄长安，通讯作者，E—mail:dichangan@njust.edu.cn。

Magnetic induction coil sensor parameter optimization based on virtual orthogonal test*

CHEN Long， DI Chang-an， XIE Tong

(School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

To improve dynamic response performance of projectile high speed movement measure by magnetic induction coil sensors,relationship between magnetic induction speed measuring coil system characteristics and coil geometry parameters is studied.According to method of orthogonal experimental design,based on Ansoft simulation software,calculate output of coil characteristics under different geometrical parameters,and finalized a set of relatively optimal coil geometry.Test results show that optimized magnetic induction coil improves signal to noise ratio and output sensitivity,help to improve speed measurement precision.

coil sensor; speed; dynamic response; orthogonal test design

10.13873/J.1000—9787(2016)12—0014—03

2016—01—29

中国博士后科学基金资助项目(2014M561647)

TP 212

A

1000—9787(2016)12—0014—03

陈 龙(1992-)，男，江苏南通人，硕士研究生，主要研究方向为智能传感器及动态测试技术。