CN118999767B - 用于宽频微弱振动传感的局域共振编码感知超材料系统 - Google Patents

Abstract

一种用于宽频微弱振动传感的局域共振编码感知超材料系统，由至少一个编码可调的超材料超胞模块组成，每个超材料超胞模块包括：若干阵列方式设置的超材料单胞，每个超材料单胞包括：基体、设置于基体中心的弹性元件以及垂直设置于弹性元件中心的换能块，多个周期有序排布的超材料单胞构成平面结构的超材料超胞模块。本发明采用局域振子频分多路复用的宽带增强编码方法，将局域共振编码技术和计算感知策略相结合，在带宽0‑12.5kHz范围内实现了宽频振动信息的增强感知的同时，具有结构模块化、体积小、成本低、工作频带宽、灵敏度高、调控灵活等优点。

Description

用于宽频微弱振动传感的局域共振编码感知超材料系统

技术领域

本发明涉及的是一种宽频微弱振动传感领域的技术，具体是一种用于宽频微弱振动传感的局域共振编码感知超材料系统。

背景技术

宽频微弱振动传感在精密机械工程、航空航天工程和深海探测工程等领域具有广泛的应用。在很多复杂情况下，实现宽频范围内微弱振动的增强感知是一项技术挑战。目前，局域共振超材料由于具有亚波长尺度的弹性波操纵特性被发展应用于弹性波的增强感知，来实现体积小和质量轻的弹性波感知结构设计。在针对弹性波感知的方法中，传统的局域共振超材料技术主要是对结构的动态等效参数进行设计，即通过改变结构的负等效质量或者负等效模量来实现对弹性波传输特性的灵活操纵，这些方法目前主要仅限于声波领域的增强感知，在振动感知领域仍处于起步阶段，尤其在几Hz到几十kHz的范围内如何实现宽频振动的增强感知仍存在大片技术空白。在常用于振动信号测量的压电式加速度计中，传统的振动感知策略主要基于非谐振式的设计，在这些传统的结构设计中，微弱振动信号没有被增强，因此传感器件难以兼顾高灵敏度和宽频感知特性，这极大地限制了其在极端环境下的微弱振动感知应用，比如机械装备早期故障诊断和远端异常振动监测等。

发明内容

本发明针对现有非谐振式振动传感器无法兼顾高灵敏度和宽频感知特性的难题，提出一种用于宽频微弱振动传感的局域共振编码感知超材料系统，采用局域振子频分多路复用的宽带增强编码方法，将局域共振编码技术和计算感知策略相结合，在带宽0-12.5kHz范围内实现了宽频振动信息的增强感知的同时，具有结构模块化、体积小、成本低、工作频带宽、灵敏度高、调控灵活等优点。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种用于宽频微弱振动传感的局域共振编码感知超材料系统，由至少一个编码可调的超材料超胞模块组成，每个超材料超胞模块包括：若干阵列方式设置的超材料单胞，每个超材料单胞包括：基体、设置于基体中心的弹性元件以及垂直设置于弹性元件中心的换能块，多个周期有序排布的超材料单胞构成平面结构的超材料超胞模块。

所述的编码可调是指：每个超材料单胞中预设的弹性元件的弹性参数、换能块的质量参数，多个超材料单胞组成定制化设计的弹簧-质量-阻尼机构。

所述的预设，优选按照每个超材料单胞的共振频率在0-12.5kHz范围内以十进制方式平均分布且各不相同。

所述的周期是指：各个超材料单胞在超材料超胞中以层排、列排、环排或者空间镶嵌组合的方式周期排布，不限制超材料单元的周期排布个数。

所述的有序是指：在周期排布的基础上，超胞中每个位置处的超材料单胞按照编码1至编码9的十进制编码方式在超胞中有序分布。

所述的弹性元件采用但不限于弹性梁、橡胶和弹簧实现。

所述的局域共振编码感知超材料系统中每个超材料单胞的振动输出位置，即单胞基体中心处弹性元件的顶部设有将振动信号转为电信号的换能器。

所述的局域共振编码感知超材料系统中进一步有设有信号处理器，该信号处理器采集所有超材料单胞的输出的振动信号，经感知重构计算实现局域振子频分多路复用的宽带增强编码。

所述的超材料超胞模块，其采用但不限于金属、塑料、橡胶等以3D打印、激光切割、数控加工、胶接等制造方法制成。

本发明涉及一种基于上述局域共振编码感知超材料系统的振动信息的宽带增强编码方法，采用换能器将基于预设的不同超材料单胞的共振信号转换为电信号，从而同步采集多通道振动信号后，通过多通道解调实现宽频振动信息的增强感知重构。

所述的多通道解调是指：对每个共振信号的电信号进行滤波降噪处理，通过自适应最小均方值解调被局域共振编码感知超材料调制的振动信号；每个单胞通道的工作频段互不重叠，通过多通道融合策略将多个单胞的工作频段进行融合，进而实现对宽频振动信号的解调与重构。

技术效果

本发明通过谐振式的局域共振编码超材料设计实现宽频振动信号的高灵敏传感，整体解决了现有非谐振式振动传感器无法兼顾高灵敏度和宽频感知特性的难题，在带宽0-12.5kHz范围内实现了宽频振动信息的增强感知，在灵敏度上相比于非谐振式的传感设计提升了两个数量级。

附图说明

图1为本发明超材料单胞示意图；

图2为本发明超材料超胞模块示意图；

图3为本发明的整体系统示意图；

图中：超材料单胞1、基体101、弹性元件102、换能块103、超胞模块2、局域共振编码感知超材料系统3。

具体实施方式

如图1所示，为本实施例涉及一种用于宽频微弱振动传感的局域共振编码感知超材料系统，由至少一个编码可调的超材料超胞模块组成，每个超材料超胞模块包括：若干阵列方式设置的超材料单胞1，每个超材料单胞1包括：基体101、设置于基体101中心的弹性元件102以及垂直设置于弹性元件102中心的换能块103，换能块103顶部设有圆柱结构的配重块，多个周期有序排布的超材料单胞构成平面结构的超材料超胞模块。

所述的超胞模块2可以采用3D打印、激光切割、数控加工、胶接等制造方法制成，材质可选用金属、塑料、橡胶等。超材料系统3也可以采用结构一体化制造方法制作。

所述的局域共振编码感知超材料系统的换能块输出端将振动信号转换为电信号，并连接数据采集系统用于采集电压信号。

所述的超材料单胞1可以按照编码策略定制化设计动力学参数，组成的超胞模块2可以产生宽频范围内定制化设计的零等效质量，经超胞模块2水平连接的局域共振编码感知超材料系统3实现面外振动的多重谐振增强感知。

在本实施例中，超材料单胞1设计为“弹簧-质量-阻尼”的谐振系统。超材料单胞1在超胞模块2中的排列方式是编码有序的。超胞模块2水平相邻连接组成局域共振编码感知超材料系统3，编码感知超材料系统3可以按需求组合为不同线构型、面构型和体构型。超胞模块2之内的超材料单胞1按照编码序列周期排列，不同超胞模块2之间的超材料单胞1的编码方式是根据振动感知频段定制化设计的。

本实施例对超材料单胞1的形状结构、超材料单胞1的编码排列方式、超胞模块2的形状结构、超胞模块2的排列放置方式、超材料系统3的构型不做具体的限定。

经过具体实际实验，在工程实验室的具体环境设置下，以按照0-12.5kHz频率区间验证超材料系统的振动感知性能，设置超胞厚度设置为2.5mm、面积为9平方厘米，在0-12.5kH范围内进行振动信号触发，在-20dB信噪比的范围内测量得到多频振动信号，其中单个谐波的平均重构误差小于3％。实现数据验证表明，本发明整体实现了宽频微弱振动信息的增强编码感知。

与现有的非谐振式振动感知技术无法在12.5kHz以下的宽频范围内兼顾高灵敏度和宽频感知特性相比，本系统可以在12.5kHz以下的宽频工作范围内，实现灵敏度提高2个数量级的宽频微弱振动传感，实现极端环境强噪背景下的微动增强感知功能，其传感灵敏度较高，工作范围较宽，对强噪背景的适应性较好，具有尺寸小、成本低、易于模块化、易改进等优点。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (6)

1.一种用于宽频微弱振动传感的局域共振编码感知超材料系统，其特征在于，由至少一个编码可调的超材料超胞模块组成，每个超材料超胞模块包括：若干阵列方式设置的超材料单胞，每个超材料单胞包括：基体、设置于基体中心的弹性元件以及垂直设置于弹性元件中心的换能块，多个周期有序排布的超材料单胞构成平面结构的超材料超胞模块；

所述的编码可调是指：每个超材料单胞中预设的弹性元件的弹性参数、换能块的质量参数，多个超材料单胞组成定制化设计的弹簧-质量-阻尼机构；

所述的预设，按照每个超材料单胞的共振频率在0-12.5 kHz范围内以十进制方式平均分布且各不相同；

所述的有序是指：在周期排布的基础上，超胞中每个位置处的超材料单胞按照编码1至编码9的方式在超胞中有序分布；

所述的局域共振编码感知超材料系统，通过信号处理器采集所有超材料单胞的输出的振动信号，经感知重构计算实现局域振子频分多路复用的宽带增强编码。

2.根据权利要求1所述的局域共振编码感知超材料系统，其特征是，所述的周期是指：各个超材料单胞在超材料超胞中以层排、列排、环排或者空间镶嵌组合的方式周期排布，不限制超材料单元的周期排布个数。

3.根据权利要求1所述的局域共振编码感知超材料系统，其特征是，所述的弹性元件采用弹性梁、橡胶和弹簧实现。

4.根据权利要求1或2所述的局域共振编码感知超材料系统，其特征是，每个超材料单胞的振动输出位置，即单胞基体中心处弹性元件的顶部设有将振动信号转为电信号的换能器。

5.一种基于权利要求1-4中任一所述局域共振编码感知超材料系统的宽带增强编码方法，其特征在于，采用换能器将基于预设的不同超材料单胞的共振信号转换为电信号，从而同步采集多通道振动信号后，通过多通道解调实现宽频振动信息的增强感知重构。

6.根据权利要求5所述的宽带增强编码方法，其特征是，所述的多通道解调是指：对每个共振信号的电信号进行滤波降噪处理，通过自适应最小均方值解调被局域共振编码感知超材料调制的振动信号；每个单胞通道的工作频段互不重叠，通过多通道融合策略将多个单胞的工作频段进行融合，进而实现对宽频振动信号的解调与重构。