[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

说明书

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。

技术领域

本发明属于无线无源应变传感器领域，具体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，可用于实现电阻式无线无源应变测量电路系统中各参量的优化设计。

背景技术

结构健康监测技术常用于评估系统结构健康和自身损害及老化程度，例如在基础设施健康评估、工业制造以及生物医疗等领域中有着广泛应用，能够提前对可能发生的结构损伤事故做出相应的预防措施，进而把人身和财产损失尽可能的降低。

而在所有的结构健康监测量中，应变是最常用的监测量，因为它可以直接反映结构所承担的负荷信息。常见的应变监测过程是利用应变传感器来获得关于被测系统应变特征信息，利用这些信息对结构健康程度进行评估，从而避免可能发生的结构性损害事故。然而，由于有些测量环境条件苛刻，限制了电池或有线连接的使用。例如，在环境没有外部接入点情况下，或者在封闭环境中植入测量设备的情况，必须避免使用电池和有线连接的传感器部件。因此，关于应变的无线测量方法研究很有价值。

现有的应变测量无线化方法主要包括四种：声表面波传感器、电感耦合特性、贴片天线以及数字图像技术。

然而，声表面波传感器、贴片天线应变测量方案的成本偏高，且对制造工艺和精度要求较高。基于数字图像技术的方案也需要专业的高频扫描和摄像设备，特别是测量过程需要在不同位置布局多个监测设备的情况下成本会极高。而基于电感耦合特性的无线化应变测量方案不仅能够实现非接触应变监测，而且理论上具有无限寿命、结构简单、性能可靠等特点，很适合应用于封闭空间以及机械动力旋转部件等测量环境。但是，由于电感耦合磁场随距离增加呈指数衰减，导致利用电感耦合特性设计的无线无源应变传感器将面临监测距离有限，进而应变特征信息实测效果不显著的问题。

现有的改善监测距离有限的方法主要包括以下几种：利用左手材料或中继线圈方案、优化传感器线圈的品质因数以及使用压电聚合物材料放大应变特征信息。

(1)利用中继线圈提高传感器读出性能。如论文Diego A.Sanz,CostantinoMitrosbaras,Edgar A.Unigarro,Fredy Segura-Quijano.Passive resonators forwireless passive sensor readout enhancement.Applied Physics Letters,2013,103(13):133502.中提出了利用中继线圈来提高无线无源传感器的读出性能。

(2)利用左手材料提高传感器读出性能。如论文Bingnan Wang,Koon Hoo Teo,Tamotsu Nishino,William Yerazunis.Experiments on wireless power transfer withmetamaterials.Applied Physics Letters,2011,98(25):254101.中提出了具有负磁导率的双层线圈结构的左手材料，该材料自身具有更大的电感值和电容值，从而改善了传感器的读出性能。