[发明专利]用于电阻式无线无源应变传感器测量电路的优化设计方法

摘要

本发明涉及用于电阻式无线无源应变传感器测量电路的优化设计方法，包括：(1)根据基尔霍夫定律分析电阻式无线无源应变传感器测量电路特性，建立应变传感器电阻值与该电路总输入阻抗的关联关系式；(2)采用多目标优化模型来优化各参量来获得更显著的系统输入阻抗相位信息；(3)采用Matlab软件中自带的多目标优化函数gamultiobj来求解步骤(2)中的优化模型，解得设计变量A；(4)根据步骤(3)求得的设计变量A和Matlab软件生成的Pareto前端图，可得优化过后的不同应变电阻值时系统输入阻抗相位随频率变化关系，并与未优化之前的系统输入阻抗相位随频率变化关系进行对比，且说明采用优化后的参量对系统输入阻抗相位随频率变化关系的改善效果。

主权项

1.用于电阻式无线无源应变传感器测量电路的优化设计方法，其特征在于，包括：/n(1)根据基尔霍夫定律分析电阻式无线无源应变传感器测量电路特性，建立应变传感器电阻值与该电路总输入阻抗的关联关系式，其中：/n由基尔霍夫电压定律并利用等效输入阻抗法分析可得系统等效输入阻抗Z_in：/n /n其中：/nj为虚数单位；/nf为扫描频率；/nM为读出电感L₁和感知电感L₂之间的互感；/n 为输入端电压源电压值；/n 为流经读出线圈串联电阻R₁的电流值；/nR₁为读出线圈串联电阻值；/nR₂为感知线圈串联电阻值；/nR_x为应变片电阻值；/nL₁为读出线圈电感值；/nL₂为感知线圈电感值；/nC_p＝C₂+C_x，即谐振频率调节电容值C_x和感知电感分布电容值C₂之和；/n同时，相位频率最小点f_min可以通过以下的关系式子来表示：/n /n其中：/nf_res为传感器谐振频率；/n而感知电感的品质因数Q可以表示为：/n /n将式(2)中左边的式子代入式(1)后，则可以得到f_res处的阻抗相位表达式：/n /n其中：/nB为中间参数，是与耦合系数相关的一个参数，保持不变，其表达式如下：/n /n其中：/ntan(ω_res)为谐振频率点处相位的正切值；/nR_x,0为电阻应变传感器初始状态(即无应变状态)下的电阻值；/n(2)采用如下多目标优化模型来优化各参量来获得更显著的系统输入阻抗相位信息：/nFind A＝(L₁,L₂,C_x,R₂,f_res)/nMax Y(A)＝Q(A)/n /ns.t.C₂＝C₀ (6)/nR_x＝R_a (7)/nL_b≤L₁≤L_c (8)/nL_d≤L₂≤L_e (9)/nC_f≤C_x≤C_g (10)/nR_h≤R₂≤R_i (11)/nf_i≤f_res≤f_j (12)/n式中：/n设计变量A＝(L₁,L₂,C_x,R₂,f_res)是多参量约束优化函数的描述参数；/n目标函数Y(A)是品质因数，L(A)是系统输入阻抗相位随应变阻值变化率，目的是将优化问题转换为标准的优化模型；/n约束条件(6)是为了设定感知线圈电感分布电容值；/n约束条件(7)是为了设定应变片初始阻值大小；/n约束条件(8)是为了限定感知线圈电感自身电感值最小取值和最大取值；/n约束条件(9)是为了限定读出线圈电感自身电感值最小取值和最大取值；/n约束条件(10)是为了限定频率调节电容最小取值和最大取值；/n约束条件(11)是为了限定感知线圈串联电阻最小取值和最大取值；/n约束条件(12)是为了限定谐振频率最小取值和最大取值；/n(3)采用Matlab软件中自带的多目标优化函数gamultiobj来求解步骤(2)中的优化模型，解得设计变量A；/n(4)根据步骤(3)求得的设计变量A和Matlab软件生成的Pareto前端图，可得优化过后的不同应变电阻值时系统输入阻抗相位随频率变化关系，并与未优化之前的系统输入阻抗相位随频率变化关系进行对比，且说明采用优化后的参量对系统输入阻抗相位随频率变化关系的改善效果。/n