本發(fā)明屬于檢測(cè)傳感領(lǐng)域,具體涉及一種適用于材料表面參數(shù)監(jiān)測(cè)的無源傳感網(wǎng)絡(luò)及傳感方法。
背景技術(shù):
人體體表的生理參數(shù)包括溫度、濕度、排汗量、PH值以及由心跳、呼吸和脈搏引起的體表變形等指標(biāo)。這些生理參數(shù)直接反應(yīng)了人體生命活動(dòng)的狀態(tài),通過對(duì)這些參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量,可以對(duì)人體健康狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè),或?qū)θ梭w疾病進(jìn)行診斷以及指導(dǎo)手術(shù)和用藥。
傳統(tǒng)上,對(duì)這類體表生理參數(shù)測(cè)量的方法多依賴于體外儀器,例如溫度計(jì)、濕度計(jì)或血壓計(jì)等。這類儀器的使用多需要使用人的手動(dòng)操作,自動(dòng)化程度和準(zhǔn)確度相對(duì)較低,且每次只能測(cè)得單一時(shí)刻、單一位置和單一參數(shù)的數(shù)據(jù)。而近年來,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了大量的用于體表生理參數(shù)監(jiān)測(cè)的可穿戴智能設(shè)備,例如智能手環(huán)、手表等。這類智能可穿戴設(shè)備的特點(diǎn)在于,可以實(shí)現(xiàn)人體體表生理參數(shù)的自動(dòng)化測(cè)量和存儲(chǔ),并且已經(jīng)達(dá)到了相對(duì)高的一個(gè)準(zhǔn)確度。
然而,當(dāng)前這些可穿戴設(shè)備的設(shè)備存在以下兩個(gè)重大的缺點(diǎn):
1、只能完成穿戴設(shè)備與皮膚接觸處的單一位置的參數(shù)測(cè)量,而不能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)多位置的同時(shí)采集或測(cè)量,或者不能形成測(cè)量網(wǎng)絡(luò);
2、這類采集設(shè)備需要持續(xù)的電源供應(yīng),因此需要內(nèi)置電源,但由于可穿戴設(shè)備的體積和重量均不能過大,因此電源的供電時(shí)間十分有限,進(jìn)而導(dǎo)致傳感器工作時(shí)間受到限制。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
為了解決體表多生理參數(shù)多點(diǎn)測(cè)量問題,并解決傳感器持續(xù)工作的能源供應(yīng)問題,本發(fā)明提出了適用于材料表面生理參數(shù)監(jiān)測(cè)的無源傳感網(wǎng)絡(luò)。本發(fā)明基于一種多方向發(fā)射的多角度超聲換能器,在該換能器周圍布置多個(gè)聲表面波傳感單元,以材料表面本身為聲信號(hào)傳輸信道,多角度超聲換能器為聲表面波傳感單元提供瞬時(shí)工作能源,并接收聲表面波傳感單元返回來的監(jiān)測(cè)信號(hào),進(jìn)而讀取分析所測(cè)量的材料表面參數(shù)數(shù)據(jù)。
本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種適用于材料表面參數(shù)監(jiān)測(cè)的無源傳感網(wǎng)絡(luò)。
本發(fā)明的適用于材料表面參數(shù)監(jiān)測(cè)的無源傳感網(wǎng)絡(luò)包括:控制電路、多角度超聲換能器和多個(gè)聲表面波傳感單元;其中,控制電路電學(xué)連接至多角度超聲換能器;多角度超聲換能器半嵌入待測(cè)材料表面;在多角度超聲換能器的周邊布置多個(gè)緊貼被測(cè)材料表面的聲表面波傳感單元;控制電路發(fā)出控制信號(hào)至多角度超聲換能器,控制信號(hào)的形式是電信號(hào);以多角度超聲換能器為通訊節(jié)點(diǎn),以待測(cè)材料表面作為通訊信道,以聲信號(hào)作為能量和信號(hào)的載體與布置在多角度超聲換能器周邊的各個(gè)聲表面波傳感單元進(jìn)行能量或信息傳輸;多角度超聲換能器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào);聲信號(hào)沿待測(cè)材料表面?zhèn)鞑ヂ暠砻娌▊鞲袉卧邮章曅盘?hào),感知所在位置周圍的被測(cè)材料表面參數(shù),并將攜帶被測(cè)材料表面參數(shù)信息的聲信號(hào)通過被測(cè)材料表面返回至多角度超聲換能器;多角度超聲換能器將聲信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)后傳輸至控制電路,控制電路分析并提取被測(cè)材料表面的信息,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)材料表面多點(diǎn)多參數(shù)的同時(shí)監(jiān)測(cè)。
控制電路包括:能量發(fā)出模塊和信號(hào)分析模塊;其中,能量發(fā)出模塊發(fā)出帶有能量的控制信號(hào),例如瞬時(shí)脈沖等,并傳輸至多角度超聲換能器;信號(hào)分析模塊處理多角度超聲換能器收到的聲信號(hào),提取和分析被測(cè)材料表面的信息。
多角度超聲換能器包括中心質(zhì)量層、主壓電晶片層和聲匹配層;其中,中心質(zhì)量層的形狀為多邊形棱臺(tái),多邊形棱臺(tái)的邊數(shù)為3~10個(gè),中心質(zhì)量層采用高密度材料;在多邊形棱臺(tái)形的中心質(zhì)量層的每一個(gè)側(cè)面分別設(shè)置一片壓電晶片,從而在多邊形棱臺(tái)的側(cè)面一周形成主壓電晶片層,在不同方向的壓電晶片保持互相獨(dú)立;在主壓電晶片層的外表面設(shè)置一層聲匹配層;從而形成多邊形倒梯臺(tái)形狀的多角度超聲換能器,多角度超聲換能器的上表面小于下表面,多角度超聲換能器的上部半嵌入被測(cè)材料表面;控制電路電學(xué)連接至主壓電晶片層;控制電路發(fā)出電信號(hào)至主壓電晶片層,引起中心質(zhì)量層外表面的各個(gè)互相獨(dú)立的壓電晶片振動(dòng),將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào),中心質(zhì)量層通過大的慣性,保證各個(gè)相互獨(dú)立的壓電晶片在振動(dòng)時(shí),多角度超聲換能器不會(huì)有大的位置偏移,聲匹配層降低了聲信號(hào)從多角度超聲換能器向被測(cè)材料表面?zhèn)鞑r(shí)的能量衰減,提高傳播效率;當(dāng)聲表面波傳感單元通過被測(cè)材料表面返回?cái)y帶被測(cè)材料表面參數(shù)信息的聲信號(hào)時(shí),通過聲匹配層降低傳播能量衰減,主壓電晶片層感受到振動(dòng),將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),并傳輸至控制電路。
聲表面波傳感單元包括:聲表面波換能部分和聲表面波傳感部分,二者之間通過導(dǎo)線連接;聲表面波換能部分接收沿被測(cè)材料表面?zhèn)鞑サ穆曅盘?hào),并將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳輸至聲表面波傳感部分,聲表面波傳感部分感知周圍被測(cè)材料表面的參數(shù),并將攜帶被測(cè)材料表面參數(shù)信息的電信號(hào)傳輸至聲表面波換能部分,聲表面波換能部分將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲信號(hào),并通過被測(cè)材料表面?zhèn)鬏斨炼嘟嵌瘸晸Q能器。聲表面波換能部分的上表面小于下表面,聲表面波換能部分的上部半嵌入至被測(cè)材料表面內(nèi)。
聲表面波換能部分包括聲阻抗匹配層、單元壓電晶片層和大質(zhì)量結(jié)構(gòu)層;其中,在單元壓電晶片層的前表面設(shè)置聲阻抗匹配層,在單元壓電晶片層的后表面設(shè)置大質(zhì)量結(jié)構(gòu)層;聲阻抗匹配層面對(duì)多角度超聲換能器,使得沿被測(cè)材料表面?zhèn)鞑サ穆曅盘?hào)低衰減地傳輸至聲表面波換能部分,提高聲表面波換能部分的接收效率;單元壓電晶片層感受到振動(dòng)并將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),傳輸至聲表面波傳感部分;來自聲表面波傳感部分的電信號(hào)引起單元壓電晶片層振動(dòng),將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲信號(hào),大質(zhì)量結(jié)構(gòu)層保證聲信號(hào)朝給定的向前方向傳播;聲阻抗匹配層使得聲信號(hào)低衰減地傳播至被測(cè)材料表面,提高傳播效率。
單元壓電晶片層為平板狀,阻抗匹配層的后表面和大質(zhì)量結(jié)構(gòu)層的前表面為平面,分別設(shè)置在單元壓電晶片層的前表面和后表面;阻抗匹配層和大質(zhì)量結(jié)構(gòu)層的上表面均小于下表面。聲表面波換能部分的上表面和下表面與前表面和后表面垂直。
聲表面波傳感部分包括壓電薄片層、敏感層和叉指電極;其中,壓電薄片層作為聲信號(hào)的傳播介質(zhì)采用壓電材料;敏感層和叉指電極分別設(shè)置在壓電薄片層上;叉指電極布置在壓電薄片層的中間,或者布置在壓電薄片層上位于敏感層的兩端;叉指電極采用金屬材料;叉指電極將單元壓電晶片層傳來的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲信號(hào)并在壓電薄片層的表面?zhèn)鞑?,敏感層感知周圍被測(cè)材料表面的參數(shù),當(dāng)參數(shù)(溫度、濕度)發(fā)生變化時(shí),敏感層與壓電薄片層相互作用,并影響聲信號(hào)表面波傳播特性;叉指電極將攜帶有被測(cè)材料表面參數(shù)信息的聲信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào),并傳輸至單元壓電晶片層。
被測(cè)材料可以是軟材料,也可以是硬材料;如果被測(cè)材料是軟材料,多角度超聲換能器和聲表面波換能部分的上表面緊貼被測(cè)材料表面,并施加壓力壓入軟材料內(nèi),使得軟材料變形發(fā)生凹陷,從而多角度超聲換能器和聲表面波換能部分的上面半嵌入被測(cè)材料表面內(nèi);如果被測(cè)材料是硬材料,則事先在被測(cè)材料表面預(yù)置與多角度超聲換能器和聲表面波換能部分相匹配的凹陷,從而使得二者的上面半嵌入被測(cè)材料表面內(nèi)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種適用于材料表面參數(shù)監(jiān)測(cè)的無源傳感網(wǎng)絡(luò)的傳感方法。
本發(fā)明的適用于材料表面參數(shù)監(jiān)測(cè)的無源傳感網(wǎng)絡(luò)的傳感方法,包括以下步驟:
1)控制電路發(fā)出控制信號(hào)至多角度超聲換能器,控制信號(hào)的形式是電信號(hào);
2)多角度超聲換能器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào);
3)聲信號(hào)沿待測(cè)材料表面?zhèn)鞑ィ?/p>
4)聲表面波傳感單元接收聲信號(hào),并將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào);
5)聲表面波傳感單元感知所在位置周圍的被測(cè)材料表面參數(shù);
6)聲表面波傳感單元將攜帶被測(cè)材料表面參數(shù)信息的聲信號(hào)通過被測(cè)材料表面返回至多角度超聲換能器;
7)多角度超聲換能器將聲信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)后傳輸至控制電路;
8)控制電路分析并提取被測(cè)材料表面的信息,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)材料表面多點(diǎn)多參數(shù)的同時(shí)監(jiān)測(cè)。
其中,在步驟2)中,多角度超聲換能器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào),具體包括以下步驟:
a)從控制電路發(fā)來的電信號(hào)至主壓電晶片層,引起中心質(zhì)量層外表面的各個(gè)互相獨(dú)立的壓電晶片振動(dòng),將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào);
b)中心質(zhì)量層通過大的慣性,保證各個(gè)相互獨(dú)立的壓電晶片在振動(dòng)時(shí),多角度超聲換能器不會(huì)有大的位置偏移;
c)聲匹配層降低了聲信號(hào)從多角度超聲換能器向被測(cè)材料表面?zhèn)鞑r(shí)的能量衰減,提高傳播效率。
在步驟3)中,多角度超聲換能器和聲表面波換能部分的上部半嵌入被測(cè)材料表面內(nèi),從而主壓電晶片層通過聲匹配層與被測(cè)材料表面進(jìn)行聲信號(hào)通訊傳播,以及單元壓電晶片層通過聲阻抗匹配層與被測(cè)材料表面進(jìn)行聲信號(hào)通訊傳播。
在步驟4)中,聲表面波傳感單元接收聲信號(hào),并將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),具體包括以下步驟:
a)聲阻抗匹配層面對(duì)多角度超聲換能器,使得沿被測(cè)材料表面?zhèn)鞑サ穆曅盘?hào)低衰減地傳輸至聲表面波換能部分;
b)單元壓電晶片層感受到振動(dòng)并將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),傳輸至聲表面波傳感部分。
在步驟5)中,聲表面波傳感單元感知被測(cè)材料表面參數(shù),具體包括以下步驟:
a)叉指電極將單元壓電晶片層傳來的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲信號(hào)并在壓電薄片層的表面?zhèn)鞑ィ?/p>
b)敏感層感知周圍被測(cè)材料表面的參數(shù),當(dāng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí),敏感層與壓電薄片層相互作用,并影響聲信號(hào)表面波傳播特性;
c)叉指電極將攜帶有被測(cè)材料表面參數(shù)信息的聲信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào),并傳輸至單元壓電晶片層。
在步驟6)中,聲表面波傳感單元將聲信號(hào)通過被測(cè)材料表面返回至多角度超聲換能器,具體包括以下步驟:
a)來自聲表面波傳感部分的電信號(hào)引起單元壓電晶片層振動(dòng),將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲信號(hào);
b)大質(zhì)量結(jié)構(gòu)層保證聲信號(hào)朝給定方向傳播;
c)聲阻抗匹配層使得聲信號(hào)低衰減地傳播至被測(cè)材料表面,提高傳播效率。
在步驟7)中,多角度超聲換能器將聲信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)后傳輸至控制電路,具體包括以下步驟:
a)通過被測(cè)材料表面返回的攜帶被測(cè)材料表面參數(shù)信息的聲信號(hào),通過聲匹配層使得降低能量衰減地傳播至主壓電晶片;
b)主壓電晶片層感受到振動(dòng),將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),并傳輸至控制電路。
在步驟8)中,控制電路處理分析,提取出被測(cè)材料表面的信息,具體包括:控制電路的信號(hào)分析模塊處理多角度超聲換能器收到的聲信號(hào),通過監(jiān)測(cè)返回的聲信號(hào)中波峰之間的時(shí)間差,或者聲信號(hào)的頻譜特性來判斷被測(cè)材料表面的內(nèi)部物質(zhì)的特征。
本發(fā)明的無源傳感網(wǎng)絡(luò)可以用于工程結(jié)構(gòu)表面參數(shù)測(cè)量或人體表面的生理參數(shù)監(jiān)測(cè)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):
利用聲信號(hào)在材料表面?zhèn)鞑ニp小的特點(diǎn),使用材料表面作為超聲傳輸信道,進(jìn)而解決了衰減、布線和抗干擾等問題;利用聲表面波傳感單元的瞬時(shí)工作特性,使用瞬時(shí)聲信號(hào)提供其工作能源,使得傳感器本身不再需要電池供應(yīng);利用多角度超聲換能器,結(jié)合多個(gè)聲表面波傳感單元,實(shí)現(xiàn)了材料表面多個(gè)參數(shù)的多位置同時(shí)測(cè)量,并形成了測(cè)量網(wǎng)絡(luò)。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的適用于材料表面參數(shù)監(jiān)測(cè)的無源傳感網(wǎng)絡(luò)的示意圖;
圖2為本發(fā)明的適用于材料表面參數(shù)監(jiān)測(cè)的無源傳感網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)連接及聲電轉(zhuǎn)換方式的結(jié)構(gòu)框圖;
圖3為本發(fā)明的適用于材料表面參數(shù)監(jiān)測(cè)的無源傳感網(wǎng)絡(luò)的多角度超聲換能器的示意圖,其中,(a)為軸側(cè)圖,(b)為側(cè)視圖;
圖4為本發(fā)明的適用于材料表面參數(shù)監(jiān)測(cè)的無源傳感網(wǎng)絡(luò)的多角度超聲換能器與聲表面波傳感單元通訊的示意圖;
圖5為本發(fā)明的適用于材料表面參數(shù)監(jiān)測(cè)的無源傳感網(wǎng)絡(luò)的聲表面波傳感單元的示意圖,其中,(a)為俯視圖,(b)為側(cè)視圖;
圖6為本發(fā)明的適用于材料表面參數(shù)監(jiān)測(cè)的無源傳感網(wǎng)絡(luò)用于檢測(cè)人體溫度的曲線圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖,通過具體實(shí)施例,進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
如圖1所示,本實(shí)施例的適用于材料表面參數(shù)監(jiān)測(cè)的無源傳感網(wǎng)絡(luò)包括:控制電路3、多角度超聲換能器1和多個(gè)聲表面波傳感單元2;其中,控制電路電學(xué)連接至多角度超聲換能器1;多角度超聲換能器1半嵌入待測(cè)材料表面4;在多角度超聲換能器的周邊布置多個(gè)緊貼被測(cè)材料表面的聲表面波傳感單元2。信號(hào)連接及聲電轉(zhuǎn)換方式如圖2所示。
如圖3所示,多角度超聲換能器包括中心質(zhì)量層13、主壓電晶片層12和聲匹配層11;其中,中心質(zhì)量層13的形狀為8邊形棱臺(tái),中心質(zhì)量層13采用高密度材料;在多邊形棱臺(tái)形的中心質(zhì)量層的每一個(gè)側(cè)面分別設(shè)置一片壓電晶片,從而在多邊形棱臺(tái)的側(cè)面一周形成主壓電晶片層12,在不同方向的壓電晶片保持互相獨(dú)立;在主壓電晶片層的外表面設(shè)置一層聲匹配層13;從而形成多邊形倒梯臺(tái)形狀的多角度超聲換能器,多角度超聲換能器的上表面小于下表面。在本實(shí)施例中,控制電路3設(shè)置在中心質(zhì)量層13的上表面。
如圖4所示,多角度超聲換能器1以被測(cè)材料表面作為通訊信道,與聲表面波傳感單元2聲信號(hào)傳輸。
如圖5所示,聲表面波傳感單元包括:聲表面波換能部分和聲表面波傳感部分;聲表面波換能部分包括聲阻抗匹配層21、單元壓電晶片層22和大質(zhì)量結(jié)構(gòu)層23;其中,在單元壓電晶片層22的前表面設(shè)置聲阻抗匹配層21,在單元壓電晶片層的后表面設(shè)置大質(zhì)量結(jié)構(gòu)層23。聲表面波傳感部分包括壓電薄片層24、敏感層25和叉指電極26;其中,壓電薄片層24作為聲信號(hào)的傳播介質(zhì)采用壓電材料;敏感層25和叉指電極26分別設(shè)置在壓電薄片層上;叉指電極26布置在壓電薄片層上位于敏感層25的兩端。
無源傳感網(wǎng)絡(luò)可貼于人體體表,如腹部、背部、上肢或者下肢等位置,傳感網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)是多角度超聲換能器結(jié)構(gòu)1,該節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)提供脈沖能量并處理返回來的聲信號(hào)。在多角度超聲換能器結(jié)構(gòu)1周圍,布有多個(gè)聲表面波傳感單元2,多角度超聲換能器結(jié)構(gòu)1和聲表面波傳感單元2之間以人體為通信信道,以聲波為能量和信號(hào)的載體進(jìn)行能量或信息傳輸。聲表面波傳感單元2可實(shí)現(xiàn)對(duì)多種生理參數(shù)的測(cè)量,以腹部為例,可監(jiān)測(cè)的參數(shù)包括但不限于體溫,心跳信號(hào),呼吸信號(hào),膀胱信號(hào)等。
當(dāng)人體生理參數(shù)發(fā)生定量變化時(shí),會(huì)導(dǎo)致聲表面波傳感部分的敏感層的物體特性變化,或者直接導(dǎo)致聲表面波傳感部分本身物理特性發(fā)生變化,由此導(dǎo)致聲表面波傳感部分的波速或者共振頻率也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的定量變化,因此可以通過監(jiān)測(cè)返回的聲信號(hào)中波峰之間的時(shí)間差,或者聲信號(hào)的頻譜特性來判斷生理信號(hào)的特性。另外,當(dāng)叉指電極布置在壓電薄片層上位于敏感層的兩端時(shí),可檢測(cè)信號(hào)中的波速變化;當(dāng)叉指電極布置在壓電薄片層的中間時(shí),可檢測(cè)信號(hào)中的共振頻率變化。
這里以對(duì)人體溫度的檢測(cè)為例,說明本發(fā)明所用的聲表面波傳感單元對(duì)體表信號(hào)的檢測(cè)原理:
當(dāng)人體體表溫度發(fā)生變化時(shí),會(huì)導(dǎo)致聲表面波傳感部分構(gòu)成材料的聲波波速發(fā)生變化,聲表面波傳感部分上叉指電極的幾何間距也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。這些變化會(huì)導(dǎo)致聲表面波傳感部分的共振頻率發(fā)生定量的變化,也會(huì)導(dǎo)致聲表面波傳感部分在返回給換能器的信號(hào)中,波峰與波峰之間的時(shí)間差(亦即波速)發(fā)生變化。而如圖6所示,體表溫度的變化,與聲表面波傳感單元的頻率變化或者波速的變化之間呈定量的關(guān)系,故可以從聲表面波傳感部分返回的信號(hào)中,通過頻譜分析或者測(cè)量峰峰時(shí)間差,來反算人體體表溫度。
除用于人體表面外,該測(cè)量網(wǎng)絡(luò)還可用于工程結(jié)構(gòu)表面,例如:可將該測(cè)量網(wǎng)絡(luò)設(shè)于飛行器上,用于檢測(cè)飛行各部分的是否受到鳥撞擊或者損傷;可將該網(wǎng)絡(luò)設(shè)于大跨度橋梁的拉索上,用于檢測(cè)拉索的拉力及振動(dòng)情況;可將改網(wǎng)絡(luò)設(shè)于石油管道上,用于檢測(cè)漏油及油量傳輸情況。
最后需要注意的是,公布實(shí)施例的目的在于幫助進(jìn)一步理解本發(fā)明,但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解:在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi),各種替換和修改都是可能的。因此,本發(fā)明不應(yīng)局限于實(shí)施例所公開的內(nèi)容,本發(fā)明要求保護(hù)的范圍以權(quán)利要求書界定的范圍為準(zhǔn)。