磁流体传感器特殊多介质组合电容建模与优化.pdf

华南理工大学学报(自然科学版) JournalofSouthChina of V01．35No．3 第35卷第3期 UniversityTechnology Science March2007 2007年3月 (Natural Edition) 磁流体传感器特殊多介质组合电容建模与优化米 曹 东 刘桂雄 邱东勇 程韬波 (华南理工大学机械工程学院，广东广州510640) 摘要：分析了磁流体传感器的结构特点，探讨了磁流体电容式传感中的共性技术．将组 合电容分解为多个电容的串并联形式，建立了电容的数学表达式，由此得到了特殊多介质 带缝隙半圆柱组合电容的传感模型．文中还以电容传感灵敏度和电容作为目标函数进行 多目标优化，通过分析电容目标函数的特点，将其转化为线性模型，最终将多目标函数的 优化问题分解为单目标优化问题，并利用坐标轮换法进行多维参数的优化，得到了较好的 优化效果． 关键词：磁流体传感器；多介质；半圆柱电容；建模；优化 中图分类号：TH701 文献标识码：A 磁流体既有固体磁性材料的强磁性，又有液体 1 多介质带缝隙半圆柱组合电容模型 的流动性，还具有许多其它固体和液体磁性材料所 没有的特殊性质…，其独特的性能引起了研究人员 1．1 磁流体传感器模型 的极大兴趣．目前，基于磁流体的传感模式较 图1所示为一种电容式磁流体传感器的结构简 多拉。6j，主要有电容式和电感式等，其中电容式是比 图．沉浸于腔体内的活动磁铁受重力、磁流体的浮 较常用的模式．电容式磁流体传感器采用特殊多介 力以及磁流体在活动磁铁磁场梯度作用下产生的磁 质带缝隙半圆柱组合电容，将磁流体作为其中一种 压力的作用而悬浮于磁流体中，并在腔体的径向保 介质，特殊电容通过感知外界被测信号实现传感任 持中问平衡位置．当受轴向惯性作用时，活动磁铁相 务．该特殊组合电容有别于传统的单介质平板或圆 对于圆柱形腔体轴向方向有运动趋势，并会产生一 柱型电容，其电容传感模型比较复杂，传感结构参数 定位移． 和磁流体特性与传感器性能息息相关，对其进行传 感建模与参数优化非常必要．但由于该类电容的特 殊性和复杂性，目前仍未有较准确的模型和计算方 法，这给传感器的优化设计带来了较大的困难．文中 o 以一种电容模型相对复杂的磁流体惯性传感器L7 j 为例，分析其传感建模技术与优化方法，以期为各类 图1 磁流体传感器结构简图 型磁流体传感器的推广应用打下理论基础． Schematicof fluidsensor Fig．1 diagrammagnetic l一磁体；2一腔体；3一检测电容；4～活动磁铁； 5～磁流体；6一线图；7一霍尔元件 收稿日期：2006—09—01 。基金项目：中国博士后科学基金资助项目(2005037579)； 1．2组合电容模型 广东省自然科学基金资助项目(0606051)；教育部博士学