陳 龍， 狄長(zhǎng)安， 謝 彤

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

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基于虛擬正交試驗(yàn)的磁感應(yīng)測(cè)速線圈參數(shù)優(yōu)化*

陳 龍， 狄長(zhǎng)安， 謝 彤

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

為提高磁感應(yīng)線圈傳感器測(cè)量彈丸高速運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，研究了磁感應(yīng)測(cè)速線圈系統(tǒng)特性與線圈幾何參數(shù)之間的關(guān)系。根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，基于Ansoft仿真軟件,計(jì)算出不同幾何參數(shù)下線圈特性的輸出，并最終確定了一組用相對(duì)最優(yōu)的線圈幾何參數(shù)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明:優(yōu)化后的磁感應(yīng)線圈提高了線圈輸出的信噪比和輸出靈敏度，有利于提高測(cè)速精度。

線圈傳感器； 速度； 動(dòng)態(tài)響應(yīng)； 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

0 引 言

槍彈測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，往往需要準(zhǔn)確測(cè)試彈丸初速度，感應(yīng)式線圈靶是最常用的測(cè)速裝置，其工作原理是：預(yù)先磁化的彈丸通過線圈靶時(shí)，線圈的磁通量將發(fā)生改變，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，即區(qū)截信號(hào)，通過定距測(cè)時(shí)的方法即可獲得彈丸飛行的速度。當(dāng)被測(cè)物體運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)較快時(shí)，傳感器感應(yīng)線圈可視為一個(gè)由線圈電感與直流電阻串聯(lián)后與分布電容并聯(lián)組成的二階系統(tǒng)，其固有頻率與阻尼比主要與線圈的等效電阻、電感、電容等參數(shù)的直接影響[1，2]。為了提高磁感應(yīng)線圈的測(cè)試靈敏度，有時(shí)需要增加磁感應(yīng)線圈的匝數(shù)，但是增加線圈匝數(shù)往往會(huì)導(dǎo)致磁感應(yīng)線圈的分布電容、電感和內(nèi)阻隨之增大，嚴(yán)重影響線圈的動(dòng)態(tài)特性，所以,必須尋求有效的方法對(duì)線圈參數(shù)與特性的關(guān)系進(jìn)行研究。

一般傳統(tǒng)的線圈性能分析是利用控制變量法對(duì)線圈模型中各影響因素逐個(gè)進(jìn)行分析，利用實(shí)驗(yàn)或者有限元軟件計(jì)算相應(yīng)的線圈影響參數(shù)，比較基本指標(biāo)值獲得各參數(shù)對(duì)于系統(tǒng)性能影響系數(shù)的敏感程度，從而得到傳感器動(dòng)態(tài)特性的影響因素。文獻(xiàn)[3，4]通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法研究了線圈分布電容對(duì)線圈特性的影響，通過減小分布電容的方法提高感應(yīng)線圈的靈敏度；文獻(xiàn)[5]基于有限元仿真計(jì)算線圈的電感，根據(jù)電感計(jì)算公式，對(duì)線圈優(yōu)化設(shè)計(jì)后使得傳感器高頻段靈敏度提高；文獻(xiàn)[6]利用增加感應(yīng)線圈的匝數(shù)提高傳感器的靈敏度。

但是，由于感應(yīng)線圈參數(shù)對(duì)其電阻、電容、電感值都會(huì)產(chǎn)生影響，且這些因素的影響很多是交叉、綜合存在的[7，8]。與此同時(shí)，這些參數(shù)對(duì)傳感器的系統(tǒng)特性影響不是簡(jiǎn)單的代數(shù)疊加，傳統(tǒng)的敏感性分析方法在進(jìn)行多因素多水平敏感性分析時(shí)顯得不是特別合理。為此，為提高磁感應(yīng)測(cè)速線圈的響應(yīng)特性，本文以傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性為目標(biāo)，基于Ansoft仿真平臺(tái)，采用針對(duì)多影響因素分析的正交試驗(yàn)方法對(duì)磁感應(yīng)線圈性能進(jìn)行影響因素分析，并對(duì)優(yōu)化后的磁感應(yīng)測(cè)速線圈進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的參數(shù)優(yōu)化

1.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了分析感應(yīng)線圈動(dòng)態(tài)特性，選取了線圈的固有頻率和阻尼比作為試驗(yàn)的考核指標(biāo)，參考GJB 3196.31A第31部分《速度測(cè)試線圈靶法》，對(duì)于小口徑槍彈現(xiàn)有的測(cè)速磁電式感應(yīng)線圈設(shè)計(jì)方法[9]，確定了試驗(yàn)因素包括線圈匝數(shù)、線圈半徑、導(dǎo)線銅絲內(nèi)徑、線圈層數(shù)以及每個(gè)因素的水平如下：1)線圈匝數(shù)：160，200，240；2)線圈半徑：145，150，155 mm；3)導(dǎo)線銅絲內(nèi)徑(導(dǎo)線外徑)：0.21(0.25)mm，0.26(0.31)mm，0.31(0.36)mm；4)線圈層數(shù)：10，15，20。試驗(yàn)考核指標(biāo)采用阻尼比和固有頻率兩個(gè)指標(biāo)，具體試驗(yàn)因素水平如表1所示。由于試驗(yàn)確定為4個(gè)因素，每個(gè)因素3個(gè)水平，這是4因素3水平的多指標(biāo)，如果做全面試驗(yàn)需81次試驗(yàn)，而利用L9(34)正交表，它只需要進(jìn)行9次實(shí)驗(yàn)，大大降低了實(shí)驗(yàn)的次數(shù)，提高了設(shè)計(jì)效率。

表1 因素水平

本試驗(yàn)利用Ansoft軟件計(jì)算了9組不同參數(shù)的電容、電感值，利用公式計(jì)算不同因素下線圈的固有頻率和阻尼比?？紤]到線圈截面尺寸相對(duì)于線圈平均直徑要小得多，可以近似將大尺寸小截面線圈看作長(zhǎng)導(dǎo)體進(jìn)行二維有限元建模。圖1為利用Ansoft 2D靜電磁模塊根據(jù)試驗(yàn)方案1建立的感應(yīng)線圈二維模型，其中導(dǎo)線材料為銅、區(qū)域I為導(dǎo)線外層絕緣漆，設(shè)置的材料為聚氨酯，區(qū)域II為導(dǎo)體周圍的空氣包圍區(qū)域，圓形外側(cè)設(shè)置邊域邊界條件。利用Ansoft軟件也可以仿真計(jì)算出氣隙中含磁鐵線圈的電感和電容量,仿真分析計(jì)算結(jié)果如表2。

圖1 感應(yīng)線圈電容仿真二維模型Fig 1 Dimensional simulation model for induction coil capacity

1.2 試驗(yàn)分析

利用極差分析方法對(duì)上述仿真結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2、圖3所示，感應(yīng)線圈參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的阻尼比和固有頻率的影響越大，不同水平相對(duì)應(yīng)計(jì)算出的阻尼比或者固有頻率數(shù)值之間的差異就大。若某個(gè)因素各水平對(duì)阻尼比或者固有頻率均值的極差越大，則這個(gè)因素對(duì)阻尼比或者固有頻率的影響就越敏感。以阻尼比為考核指標(biāo)時(shí)，這4個(gè)因素影響程度排序?yàn)椋簩?dǎo)線銅絲內(nèi)徑>匝數(shù)>線圈半徑>線圈層數(shù)；以固有頻率為考核指標(biāo)時(shí)，這4個(gè)因素影響程度排序?yàn)椋涸褦?shù)>線圈層數(shù)>導(dǎo)線銅絲內(nèi)經(jīng)>線圈半徑。在一定程度范圍內(nèi)隨著線圈匝數(shù)、線圈半徑和線圈層數(shù)的增大，系統(tǒng)阻尼比逐漸增大。但是導(dǎo)線銅絲內(nèi)徑(導(dǎo)線外徑)的影響略有不同，隨著導(dǎo)線內(nèi)外徑的增大，系統(tǒng)的阻尼比減小。對(duì)于系統(tǒng)的固有頻率，隨著線圈匝數(shù)的增大而減小。而于線圈半徑、導(dǎo)線銅絲內(nèi)徑和線圈層數(shù)的變化對(duì)系統(tǒng)固有頻率影響不大。

表2 正交試驗(yàn)線圈參數(shù)仿真計(jì)算結(jié)果

圖2 阻尼比的影響Fig 2 Impact of damping ratio

圖3 固有頻率的影響Fig 3 Impact of natural frequency

為了增大磁感應(yīng)線圈輸出電動(dòng)勢(shì)的靈敏度，需要增加線圈的匝數(shù)，但是由上述分析可得，增大線圈的匝數(shù)，線圈的固有頻率會(huì)大大減小。綜合考慮線圈輸出靈敏度和線圈動(dòng)態(tài)特性，最終感應(yīng)線圈的參數(shù):匝數(shù)為200；半徑為166 mm；導(dǎo)線內(nèi)徑(外徑)為0.31(0.36)mm；層數(shù)為20；固有頻率為7.712 kHz；阻尼比為0.067。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果，實(shí)驗(yàn)采用優(yōu)化后的線圈和傳統(tǒng)線圈靶進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用7.62 mm口徑的突擊步槍，利用NI公司的采集系統(tǒng)進(jìn)行了傳感器原始數(shù)據(jù)的采集，采樣頻率為1 MHz，記錄時(shí)間為2 s。實(shí)驗(yàn)時(shí)結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 整體輸出信號(hào)Fig 4 Overall output signal

圖5 部分輸出信號(hào)Fig 5 Part of output signal

通過原始信號(hào)如圖4所示可以看出，優(yōu)化后的感應(yīng)線圈測(cè)速噪聲明顯小于傳統(tǒng)參數(shù)的線圈靶。從圖5可以得出，對(duì)于相同的測(cè)試條件，優(yōu)化后的測(cè)速感應(yīng)線圈信號(hào)在零點(diǎn)的斜率比傳統(tǒng)線圈靶信號(hào)更陡峭，時(shí)間特征點(diǎn)判讀更為準(zhǔn)確，可以提高測(cè)速精度。

4 結(jié)束語

本文基于感應(yīng)線圈等效電路模型，分別分析了導(dǎo)線參數(shù)、線圈半徑和繞制方式對(duì)感應(yīng)線圈電阻、電感和分布電容的影響，并以此為依據(jù)，利用Ansoft軟件對(duì)線圈參數(shù)進(jìn)行了正交實(shí)驗(yàn)分析，獲得了對(duì)感應(yīng)線圈特性最優(yōu)的參數(shù)組合，實(shí)驗(yàn)對(duì)比了優(yōu)化后的線圈與傳統(tǒng)的測(cè)速線圈，結(jié)果表明：優(yōu)化后的線圈參數(shù)具有較好的動(dòng)態(tài)特性，有利于時(shí)間點(diǎn)的判斷，減小測(cè)速誤差。

[1] 蔣安林,周穗華,張曉兵,等.感應(yīng)式磁傳感器的設(shè)計(jì)[J].船電技術(shù),2011(12):35-37.

[2] 謝 彤,狄長(zhǎng)安,王耀輝.彈丸姿態(tài)對(duì)感應(yīng)式線圈靶測(cè)速精度影響[J].傳感器與微系統(tǒng),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] 高劍森,王 帆.電感線圈分布電容對(duì)電學(xué)測(cè)量的影響與修正[J].煤礦機(jī)電,2010(6):46-47.

[5] 邵英秋,宋克非.寬頻帶感應(yīng)式磁傳感器線圈電感的研究[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào),2014(7):703-709.

[6] 邵英秋,程德福,王言章,等.高靈敏度感應(yīng)式磁傳感器的研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2012,33(2):349-355.

[7] 沈 勇,狄長(zhǎng)安,王昌明,等.單個(gè)線圈靶速度測(cè)量分析[J].傳感器技術(shù),2001,20(12):10-12.

狄長(zhǎng)安，通訊作者，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

中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2014M561647)

TP 212

A

1000—9787(2016)12—0014—03

陳 龍(1992-)，男，江蘇南通人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橹悄軅鞲衅骷皠?dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)。