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铁路占用检测技术是保障铁路运营安全的关键技术之一。单侧计轴传感器以其简单的结构、全面的功能、较高的可靠性，逐渐发展成为铁路占用检测领域中的重要设备，并受到越来越多学者的关注。单侧计轴传感器是根据列车经过时，感应线圈中感应电动势的变化来进行计轴的，无车轮时的感应电动势、有车轮时的感应电动势及有车轮时的感应电动势变化率是决定传感器性能的重要因素。基于此，本文以单侧计轴传感器为研究对象，以磁路解析法与磁场分析法对单侧计轴传感器参数变化时感应电动势的变化规律进行了研究，给出了单侧计轴传感器的参数优化方法。
基于磁路解析法给出了单侧计轴传感器感应电动势的解析表达式，为设备的设计优化提供指导方向。分析了单侧计轴传感器的计轴原理；针对由具有不规则几何结构的传感器、铁轨、车轮及它们空间位置关系构成的复杂三维结构，采用磁场分割法与解析法相结合的方法进行了磁通管的划分与磁阻的计算，建立了无车轮时与有车轮时的等效磁路网络模型；根据磁通管的分布特点，采用磁通管分类方法，对等效磁路网络模型进行了简化，并建立了磁路解析法的单侧计轴传感器感应电动势的数学模型，给出了无车轮与有车轮时感应电动势的解析表达式。通过仿真与实际测量，验证了磁路解析法的有效性。
为了更详细地分析参数变化时传感器空间磁场变化规律，建立了无铁轨无车轮、有铁轨无车轮、有铁轨有车轮三种情况下传感器空间磁感应强度分布的计算模型，提出了基于磁场分析法的感应线圈中感应电动势计算方法。建立了基于假想磁荷法的无铁轨、无车轮时铁芯内部与铁芯外部的磁感应强度计算模型；通过研究铁轨的涡流分布，给出了基于矢量格林公式的铁轨涡流在铁轨空间产生磁感应强度的计算方法；通过对车轮物理模型的二维简化，对运动车轮涡流场的状态进行分解，给出了车轮涡流场的稳态分量计算模型与瞬态分量计算模型，进而建立了车轮涡流在空间中产生的磁感应强度计算模型。通过仿真计算，对所提计算模型的正确性进行了验证。
为了研发出性能优异的单侧计轴传感器，采用改进的多种群遗传算法对传感器的参数进行了优化，给出了使传感器性能最优的参数匹配。通过磁路解析法与磁场分析法，确定了对单侧计轴传感器性能影响较大的关键参数。分析了各参数变化对无车轮时与有车轮时感应电动势的影响，给出了各参数与感应电动势及其变化率的函数关系；建立了关于感应电动势变化率、无车轮时感应电动势与有车轮时感应电动势的多目标优化模型，并基于加权组合法将多目标优化函数重构为单目标函数，通过判断矩阵法给出了各个分目标函数的加权因子；基于交叉率与变异率自适应方法、大变异方法，提出了基于改进多种群自适应遗传算法的单侧计轴传感器参数优化方法。通过仿真计算，对基于优化算法的参数匹配与其他的参数匹配的目标函数值进行了对比，验证了所提优化方法的可行性与有效性。
对优化后的传感器进行了性能测试，验证了所提优化方法的正确性。通过分析车轮与传感器感应线圈水平距离变化时感应线圈感应电动势的变化曲线，给出了传感器性能的评判方法；设计了传感器性能测试实验，通过高低温测试、电磁兼容测试、振动与冲击测试，验证了无干扰与有干扰条件下优化后传感器的综合性能对比于优化前的改善情况，从而证明了所提优化方法对改善传感器综合性能的有效性。
基于磁路解析法给出了单侧计轴传感器感应电动势的解析表达式，为设备的设计优化提供指导方向。分析了单侧计轴传感器的计轴原理；针对由具有不规则几何结构的传感器、铁轨、车轮及它们空间位置关系构成的复杂三维结构，采用磁场分割法与解析法相结合的方法进行了磁通管的划分与磁阻的计算，建立了无车轮时与有车轮时的等效磁路网络模型；根据磁通管的分布特点，采用磁通管分类方法，对等效磁路网络模型进行了简化，并建立了磁路解析法的单侧计轴传感器感应电动势的数学模型，给出了无车轮与有车轮时感应电动势的解析表达式。通过仿真与实际测量，验证了磁路解析法的有效性。
为了更详细地分析参数变化时传感器空间磁场变化规律，建立了无铁轨无车轮、有铁轨无车轮、有铁轨有车轮三种情况下传感器空间磁感应强度分布的计算模型，提出了基于磁场分析法的感应线圈中感应电动势计算方法。建立了基于假想磁荷法的无铁轨、无车轮时铁芯内部与铁芯外部的磁感应强度计算模型；通过研究铁轨的涡流分布，给出了基于矢量格林公式的铁轨涡流在铁轨空间产生磁感应强度的计算方法；通过对车轮物理模型的二维简化，对运动车轮涡流场的状态进行分解，给出了车轮涡流场的稳态分量计算模型与瞬态分量计算模型，进而建立了车轮涡流在空间中产生的磁感应强度计算模型。通过仿真计算，对所提计算模型的正确性进行了验证。
为了研发出性能优异的单侧计轴传感器，采用改进的多种群遗传算法对传感器的参数进行了优化，给出了使传感器性能最优的参数匹配。通过磁路解析法与磁场分析法，确定了对单侧计轴传感器性能影响较大的关键参数。分析了各参数变化对无车轮时与有车轮时感应电动势的影响，给出了各参数与感应电动势及其变化率的函数关系；建立了关于感应电动势变化率、无车轮时感应电动势与有车轮时感应电动势的多目标优化模型，并基于加权组合法将多目标优化函数重构为单目标函数，通过判断矩阵法给出了各个分目标函数的加权因子；基于交叉率与变异率自适应方法、大变异方法，提出了基于改进多种群自适应遗传算法的单侧计轴传感器参数优化方法。通过仿真计算，对基于优化算法的参数匹配与其他的参数匹配的目标函数值进行了对比，验证了所提优化方法的可行性与有效性。
对优化后的传感器进行了性能测试，验证了所提优化方法的正确性。通过分析车轮与传感器感应线圈水平距离变化时感应线圈感应电动势的变化曲线，给出了传感器性能的评判方法；设计了传感器性能测试实验，通过高低温测试、电磁兼容测试、振动与冲击测试，验证了无干扰与有干扰条件下优化后传感器的综合性能对比于优化前的改善情况，从而证明了所提优化方法对改善传感器综合性能的有效性。