[发明专利]一种电磁流量传感器的磁路结构优化设计方法

说明书

本发明涉及一种电磁流量传感器的磁路结构优化设计方法。包括以下步骤：根据传感器实体样机，构建传感器初始有限元仿真模型；设计影响因素水平表，采用中心组合设计(CCD)方法设计试验方案并对试验方案仿真求解；根据设计变量输入和对应求解的响应值输出，构造优化所需的各响应的响应面目标函数；采用遗传算法对响应面目标函数非线性多目标优化，得到最优磁路结构参数；根据最优的磁路结构参数进行三维建模和有限元仿真求解，验证优化效果。本发明可以在系统功耗不变、动态特性一定的限制下，进行传感器磁路结构的综合优化设计，从而提高传感器测量精度、提高研发效率、降低生产成本，有利于实现传感器磁路结构的正向开发。

技术领域

本发明涉及流量传感器结构设计技术领域，尤其是涉及一种电磁流量传感器的磁路结构优化设计方法。

背景技术

电磁流量传感器具有结构简单、无压力损失、精度高、测量范围大、使用可靠等优点，广泛应用于工业、农业和医药等流量测量领域。电磁流量传感器要实现高精度测量，需要增强磁感应强度、提高磁场均匀性，使得电极两端的感应电动势信号增强。提升磁感应强度的方法一般有三种，一是提高励磁电流，二是增加线圈匝数，三是增加铁磁材料的用量。其中，提高励磁电流和增加线圈匝数均会增加系统功耗，会造成传感器功耗变大，发热严重。增加铁磁材料的用量，会增大传感器的电感值，导致传感器动态特性变差，影响有用信号的采集。因此，如何在系统功耗不变的条件下，开展传感器磁路结构优化设计方法研究，从而提升相同测量条件的传感器感应电动势信号，并保证一定的传感器动态特性，是一个亟需解决的问题。

国内外学者针对电磁流量传感器的磁路结构优化设计开展了大量的研究。但在现有的研究成果中，仅考虑单独优化磁路中的线圈结构或铁磁结构，未考虑同时改变线圈结构和铁磁结构的综合磁路结构优化。另外，实际应用中，通常对电磁流量传感器的动态响应时间有一定的要求，而现有的相关磁场分析文献中，仅研究了磁路结构参数与传感器内磁感应强度、磁场均匀度、感应电动势信号的关系，尚未有相关文献研究磁路结构参数与动态响应时间的关系。

系统功耗不变的要求下，励磁电流和线圈材质、阻值不变，此时影响传感器测量性能的磁路结构参数因素包括：线圈结构(线圈厚度、线圈高度、线圈内外尺寸长度和宽度、线圈匝数)、磁轭结构(磁轭宽度和长度)、极靴结构(极靴宽度和轴长)。由于影响因素较多，而且各因素的不同组合会形成不同的磁路，采用遍历仿真试验方法会耗费大量的时间，且无法揭示磁路结构各参数的本质特性规律。同时，实际工况中传感器测量性能存在多个评价指标：感应电动势信号、动态响应时间、磁感应强度、磁场均匀度。因此，电磁流量传感器磁路结构的综合优化设计是一个多参数多目标(多影响因素、多性能目标)的结构设计。

综合以上，电磁流量传感器的磁路结构优化设计存在以下两个技术难点：

1、针对多个影响因素，如何通过合理的试验设计减少试验次数，缩短试验周期，提高磁路结构的综合优化效率。

2、针对多个传感器测量性能评价指标，如何在系统功耗、动态响应时间的约束下，通过合理的函数建模与算法优化，得到满足要求的磁路结构参数。

发明内容

为解决这些技术难题，本发明的目的在于提出一种电磁流量传感器的磁路结构优化设计方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：根据未优化的电磁流量传感器实体样机测量管、线圈、磁轭、极靴的几何尺寸和材料属性，构建初始的三维有限元仿真模型，对传感器的磁场参数、电参数进行初始仿真求解；

步骤2：设计磁路结构的影响因素水平表，并采用中心组合设计(CCD)方法设计试验方案，对试验方案进行仿真求解与计算得到传感器的性能评价指标响应值；

步骤3：根据步骤(2)获取的各个响应值，构造反映磁路结构变量输入与响应输出关系的二次响应面目标函数；

步骤4：运用基于满意度函数准则的遗传算法，对二次响应面目标函数进行非线性多目标优化，得到最优传感器磁路结构参数；