[发明专利]利用极化—相位—形变关系实现超表面双轴应变传感的方法

说明书

本发明公开了一种利用极化—相位—形变关系实现超表面双轴应变传感的方法。该方法通过分析超表面传感器的多种极化的反射数据来检测和评估待测结构的应变情况。相比于传统物理型传感方法，本方法可实现无线和双轴工作，便于应用在非接触、复杂环境中；相比于传统超表面型传感器基于频移或幅度变化的直接传感方法，该传感方法的应变传感灵敏度得到显著提高。本发明所设计的灯笼型超表面单元结构，具有高灵敏度的各向异性相位与形变的响应关系，借助相位与极化关系的推导，进而获得超表面的应变传感，可以对应力进行准确检测和预判。

技术领域

本发明涉及应力的一般计算(G01L1/24)，天线(H01Q15/00)领域，具体是利用极化—相位—形变关系实现超表面双轴应变传感的方法。

背景技术

超表面作为超材料的二维形式，近年来一直是研究的热点。通过分析可伸展或柔性超表面在应变情况下的电磁响应，实现对形变的检测和精确评估已成为应力传感的有效手段。较之传统物理应变传感器，基于超表面的无线应变传感器可提供非接触的精确应力检测，更适合用于诸多复杂环境的应力检测。目前，超表面应变传感的方法主要有两种：一种是感知由形变引起的谐振频率的偏移；另一种是感知由形变引起的透射、反射或吸收幅度的变化。随着相关技术的发展，这两种方法传感灵敏度的提升遇到了很大的限制。基于频移或幅度变化的直接传感方法，其灵敏度完全依赖于提高检测设备的灵敏度，因此该类方法的设计日益困难，应力检测的机制已经成为该领域的主要瓶颈。

发明内容

本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种利用极化—相位—形变关系实现超表面双轴应变传感的方法，克服了传统力学应变传感器和直接检测机制的诸多劣势，利用形变下超表面应变传感结构的各向异性相位响应，引发反射波出现多极化分量，从而实现对超表面应变的高灵敏检测与精确评估。

本发明提供了一种基于极化—相位—形变关系的超表面应变传感结构，其为二维超表面结构，由周期性排布的交叉灯笼型超表面单元结构组成，超表面的口径应根据实际需要和工作环境选取，不小于10×10的规模。超表面单元为亚波长尺寸，这是出于超表面工作稳定性的需要。

进一步改进，所述二维超表面结构为双层微带形式，其中上层金属印刷交叉灯笼型周期结构，用于反射入射波，在介质层另一金属层上印刷金属背板。

进一步改进，所述双层微带结构具有柔性或可拉伸性质，以使超表面结构易于获得应力形变，其中柔性针对压力形式，可拉伸针对拉力形式。

进一步改进，所述交叉灯笼型超表面单元结构由两个正交的灯笼型结构组成，两正交结构的中心重合。同向灯笼结构之间存在缝隙，即相邻单元之间不直接连接。

进一步改进，所述灯笼型结构呈灯笼型，其为双向镜像对称结构，即对XoZ和YoZ两个面都成镜像对称。该结构的两端为单条微带结构，中间为四条微带线，此二者通过一个梯形结构连接。四条微带线及它们之间的间隙完全相同。

进一步改进，所述两端的单条微带线在所述灯笼结构之间的缝隙处形成等效电容，该电容的值与微带线的宽度成反比，故采用单条微带线结构来减小该等效电容；同时，中间四条微带线形成引线电感，四条微带线呈并联结构，以减小该引线电感。如是，则形成小电容与小电感的串联谐振，从而提高等效电容和引线电感对形变的灵敏度，进而提高超表面对形变的灵敏度。

本发明还提供了一种利用极化—相位—形变关系实现超表面双轴应变传感的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)超表面放置于XoY平面上，超表面单元两正交方向沿x和y方向，即超表面单元沿x和y方向的结构相同，以确保在非形变时的原始状态最简化；

(2)超表面受力可为双轴方向，即方向沿着x或者y方向，此可以通过设计工程实施办法保证，以使超表面单一方向受力；

(3)入射电磁波沿+z方向入射，极化状态为与x/y成45°的斜极化状态；