一种融合传感器设计优化方法及设备与流程

本发明涉及传感器，具体而言，涉及一种融合传感器设计优化方法及设备。

背景技术：

1、传感器的设计和应用对各个行业都具有重要意义，包括医疗、汽车、航空航天、环境监测等领域。一个好的传感器可以提高设备的性能，准确地获取数据，从而为各种应用提供可靠的支持。

2、有限元仿真作为一种工程设计工具，常用来对传感器进行模拟和分析，通过将复杂的结构分解为许多小的有限元素，然后对每个元素进行分析计算，从而得出整个结构的分析数据，并根据得到的分析数据进行传感器的设计制造。但是，由于传感器的工作环境和工况多种多样，需要进行大量的仿真分析，因此需要消耗大量的时间和计算资源。

技术实现思路

1、本发明解决的问题是如何有效改善传感器设计效率。

2、为解决上述问题，本发明提供一种融合传感器设计优化方法，包括：

3、获取融合传感器的压电元件数据、弹簧数据、匹配基座数据和超声输入电压；

4、根据所述压电元件数据、所述匹配基座数据、所述超声输入电压以及预设的超声输出电压关系得到超声输出电压，并根据所述超声输出电压、所述超声输入电压以及预设的超声输出灵敏度关系得到超声输出灵敏度；

5、根据最大的所述超声输出电压得到对应的谐振频率，根据所述谐振频率以及预设的超声谐振频率关系得到超声谐振频率；

6、根据所述压电元件数据以及预设的振动输出灵敏度关系得到振动输出灵敏度；

7、根据所述压电元件数据、所述弹簧数据、所述匹配基座数据以及预设的振动工作频带关系得到振动工作频带；

8、将所述振动输出灵敏度、所述振动工作频带、所述超声谐振频率和所述超声输出灵敏度作为参数，并通过预设的多目标优化遗传算法，根据所述参数生成多个参数组；

9、根据预设的权重关系和全部所述参数组得到每个所述参数组对应的权重系数，并将最大的所述权重系数对应的所述参数组确定为最优参数组。

10、可选地，所述压电元件数据包括压电元件静态电容、压电元件厚度、压电元件声阻抗、压电元件阻抗和压电元件声波数；所述匹配基座数据包括匹配层声学阻抗、背衬块声学阻抗、匹配层厚度、匹配层声波数；所述根据所述压电元件数据、所述匹配基座数据、所述超声输入电压以及预设的超声输出电压关系得到超声输出电压，包括：

11、根据所述压电元件厚度、所述压电元件声阻抗、所述压电元件声波数和所述匹配层声学阻抗，通过匹配层声学阻抗关系，得到匹配层等效输入阻抗；

12、根据所述压电元件厚度、所述压电元件声阻抗、所述压电元件声波数和所述背衬块声学阻抗，通过背衬块声学阻抗关系，得到背衬块等效输入阻抗；

13、根据所述压电元件阻抗、所述压电元件静态电容、所述匹配层等效输入阻抗和所述背衬块等效输入阻抗，通过等效输出阻抗关系，得到所述压电元件的等效输出阻抗；

14、根据所述压电元件厚度、所述压电元件声波数、所述匹配层厚度、所述匹配层声波数、所述匹配层声学阻抗和所述压电元件声阻抗，得到匹配层至压电层的总传输矩阵，根据所述总传输矩阵得到第一传输矩阵参数和第二传输矩阵参数；

15、根据所述匹配层等效输入阻抗、所述背衬块等效输入阻抗、所述第一传输矩阵参数、所述第二传输矩阵参数、所述等效输出阻抗、所述超声输入电压和超声输出电压关系，得到所述超声输出电压。

16、可选地，所述匹配层声学阻抗关系满足：

17、；

18、所述背衬块声学阻抗关系满足：

19、；

20、所述等效输出阻抗关系满足：

21、；

22、所述超声输出电压关系满足：

23、；

24、其中，us为所述超声输出电压，uf为所述超声输入电压，zp1为所述匹配层等效输入阻抗，zp2为所述背衬块等效输入阻抗，zout为所述等效输出阻抗，zf为匹配层声学阻抗，n21为所述第一传输矩阵参数，n22为所述第二传输矩阵参数，ф为所述压电元件的等效放大倍数，rs为等效电路输入阻抗，t0为所述压电元件厚度、z0为所述压电元件声阻抗、k0为所述压电元件声波数、zb所述背衬块声学阻抗，x为所述压电元件电抗。

25、可选地，所述根据所述压电元件厚度、所述压电元件声波数、所述匹配层厚度、所述匹配层声波数、所述匹配层声学阻抗和所述压电元件声阻抗，得到匹配层至压电层的总传输矩阵，包括：

26、根据所述压电元件厚度、所述压电元件声波数和所述压电元件声阻抗，构建压电元件传输矩阵；

27、根据所述匹配层厚度、所述匹配层声波数和所述匹配层声学阻抗，构建匹配层传输矩阵；

28、根据所述压电元件声阻抗、所述背衬块声学阻抗以及预设的反射系数关系，得到反射系数；

29、根据所述压电元件传输矩阵、所述匹配层传输矩阵和反射系数，构建所述总传输矩阵。

30、可选地，所述压电元件传输矩阵满足：

31、；

32、所述匹配层传输矩阵满足：

33、；

34、所述反射系数关系满足：

35、；

36、所述总传输矩阵满足：

37、；

38、其中，n为所述总传输矩阵，n0为所述压电元件传输矩阵，n1为所述匹配层传输矩阵，n11和n12为所述总传输矩阵的元素，n21为所述第一传输矩阵参数，n22为所述第二传输矩阵参数，t0为所述压电元件厚度、z0为所述压电元件声阻抗、k0为所述压电元件声波数、zb所述背衬块声学阻抗，te为所述匹配层厚度、ze为所述匹配层声学阻抗、ke为所述匹配层声波数、γ为所述反射系数。

39、可选地，所述超声输出灵敏度关系满足：

40、；

41、所述超声谐振频率关系满足：

42、；

43、其中，f1为所述超声输出灵敏度，us为所述超声输出电压，uf为所述超声输入电压，f2为所述超声谐振频率，cf为所述谐振频率。

44、可选地，所述压电元件数据包括压电元件静态电容、压电片数量、背衬块等效质量和压电元件的压电常数；所述根据所述压电元件数据以及预设的所述振动输出灵敏度关系，得到振动输出灵敏度，包括：

45、根据所述压电元件静态电容、所述压电片数量、所述背衬块等效质量、所述压电常数，通过所述振动输出灵敏度关系，得到所述振动输出灵敏度；

46、所述振动输出灵敏度关系满足：

47、；

48、其中，f3为所述振动输出灵敏度，n为所述压电片数量，mb为所述背衬块等效质量，d为所述压电常数，c0为所述压电元件静态电容。

49、可选地，所述弹簧数据包括弹簧等效刚度；所述压电元件数据包括压电元件等效刚度和压电元件等效质量；所述匹配基座数据包括匹配基座等效刚度、匹配基座等效质量和背衬块等效质量；所述根据所述压电元件数据、所述弹簧数据、所述匹配基座数据以及预设的振动工作频带关系，得到振动工作频带，包括：

50、根据所述弹簧等效刚度、压电元件等效刚度、匹配基座等效刚度，通过预设的总等效刚度关系，得到总等效刚度；

51、根据所述总等效刚度、所述压电元件等效质量、所述匹配基座等效质量和所述背衬块等效质量，通过所述振动工作频带关系，得到所述振动工作频带；

52、所述总等效刚度关系满足：

53、；

54、所述振动工作频带关系满足：

55、；

56、其中，f4为所述振动工作频带，k为所述总等效刚度，me为所述压电元件等效质量，mf为所述匹配基座等效质量，mb为所述背衬块等效质量，ks为所述弹簧等效刚度，ke为所述压电元件等效刚度，kf为所述匹配基座等效刚度。

57、可选地，所述根据预设的权重关系和全部所述参数组得到每个所述参数组对应的权重系数，包括：

58、根据所述参数组中的所述参数与全部所述参数组中对应的所述参数和的比值，得到所述参数的参数占比重；

59、通过所述参数占比重和预设的信息效用值关系得到所述参数组的信息效用值；

60、根据所述信息效用值与全部所述参数组的所述信息效用值和的比值，得到所述参数组的权重系数；

61、所述信息效用值关系满足：

62、；

63、其中，dj为第j个所述参数组的所述信息效用值，pij为第j个所述参数组的第i个所述参数的所述参数占比重，n为所述参数组中的参数数量。

64、在本发明中，根据超声输出电压、超声输入电压和超声输出灵敏度关系可得到超声输出灵敏度，超声输出灵敏度可用于衡量融合传感器的距离测量的精度，通过输出灵敏度的高低可判断传感器检测的距离、分辨率和信噪比，高输出灵敏度的传感器可以检测到较远距离的目标并获得更清晰的信号。根据谐振频率和超声谐振频率关系可得到超声谐振频率超声谐振频率，通过超声谐振频率可判断融合传感器的灵敏度和稳定性，合适的谐振频率可以使传感器在特定频率下具有更高的检测灵敏度和抗干扰能力。根据压电元件数据和振动输出灵敏度关系可得到振动输出灵敏度振动输出灵敏度，通过振动输出灵敏度会影响融合传感器对振动信号的检测范围和分辨率，高输出灵敏度的融合传感器可以更精确地检测到微小的振动信号。根据压电元件数据、弹簧数据、匹配基座数据和振动工作频带关系可得到振动工作频带，振动工作频道的选择会影响融合传感器在不同频率下的检测性能和适用性，合适的工作频道可以使传感器在特定频率范围内具有更高的灵敏度和准确性。将振动输出灵敏度、振动工作频带、超声谐振频率和超声输出灵敏度作为参数生成初始的参数组，并通过多目标遗传算法生成多个对应的参数组，通过不同的参数组数据判断不同的参数组对应的融合传感器的综合性能，避免了通过构建有限元模型进行分析所消耗的大量的时间和计算成本，并可通过对多个参数组进行综合评分，选取评分最高的作为最优参数组，通过最优参数组实现对融合传感器的参数优化，从而根据该最优参数组设计出高性能的融合传感器，从而有效地提高了融合传感器的设计效率，同时有效地降低了传感器设计和制造的开发周期和成本。

65、本发明还提供一种计算机设备，包括存储有计算机程序的计算机可读存储介质和处理器，所述计算机程序被处理器执行时，实现如上所述融合传感器设计优化方法。

66、本发明提供的计算机设备与融合传感器设计优化方法相较于现有技术的优势基本相同，在此不再赘述。