CN110428954B - 基于三阶宇称时间对称的无源型无线传感系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于三阶宇称时间对称的无源型无线传感系统，所述系统包括一个非谐振源线圈、三个谐振频率相同的谐振线圈(包括发射线圈、中继线圈和接收线圈)以及一个非谐振负载线圈。每个谐振线圈通过在绝缘非磁性材料框架侧面上多重绕匝导线并加载电容器来实现对单个线圈谐振频率的调控。并通过利用基于三阶宇称‑时间对称非厄米系统的物理性质，通过调节所述线圈之间的耦合距离，使系统处于三阶奇异点处。当外加的微小扰动作用在任意一个谐振线圈上时，所述三阶系统的频率响应随外加扰动的立方根变化而变化，微小扰动的效果被显著放大，所述系统的感应灵敏度显著增强。

Description

基于三阶宇称时间对称的无源型无线传感系统
技术领域
本发明涉及无线探测技术及无线传感器(sensor)技术领域，具体来说涉及基于三个谐振线圈耦合谐振行为进行无线感知的系统。
背景技术
在许多工业及医学领域中，物理或化学量的监测技术对我们来说十分重要。然而，很多情况下测试对象与传感器之间无法使用导线建立直接的连接，例如医疗上的眼内压力监测，汽车工业中的轮胎压力监测以及高温压力传感等技术领域。因此，在测量技术领域中无线传感器对实现这些苛刻条件中的非接触测量有着潜在的优势。近年来，基于电感—电容(LC)谐振电路的无源型无线传感器已在诸多测量领域被提出，如应用在压力，应力和药物释放等方面。这类无源型无线传感器一般由电感和电容器件组成谐振体。通过外界因素改变谐振体中的电感量或电容量，使之产生共振频率的移动，外界因素的扰动因而被监测到。然而，由于传感器固有分辨率的限制，无源型无线传感器的灵敏度成为其在超灵敏探测中的限制因素之一，因此实现超高灵敏度的无线感知系统已成为目前亟待解决的问题。
非厄米(Non-Hermitian)系统是一种系统能量可以和外界环境发生交换的开放物理系统。非厄米简并，也叫奇异点(Exceptional Points)，是指所述系统与外界环境相互作用的情况下，系统参数空间的本征值以及相应的本征矢量同时发生了简并，为设计开放物理系统提供了一种新的途径。在光学领域，利用奇异点附近相变突变的性质可以发掘损耗诱导透明，激光模式可选择性等一些奇异的现象。当外部微扰作用在二阶奇异点时，系统的本征频率发生移动，随扰动量的平方根变化而变化。类似地，当扰动作用在n(n为大于2的整数)阶奇异点时，系统的本征频率劈裂随扰动的1/n次方变化而变化。即当扰动作用在高阶奇异点(三阶及其以上)时，微扰的影响更进一步被放大，系统的灵敏度进一步增强。
值得注意的是，近年来，关于二阶奇异点的研究集中在激光技术和光子结构理论的领域中，而高阶奇异点的研究目前局限在耦合的声学和光学谐振腔中。因此，利用高阶奇异点的物理性质有望实现超高灵敏度的无源型无线感知系统。
发明内容
鉴于上述情况，本发明提供一种基于三阶宇称时间对称的无源型无线传感系统，其包括非谐振源线圈、三个谐振频率相同的谐振线圈(发射线圈、中继线圈和接收线圈)以及非谐振负载线圈；借此，三阶奇异点可通过调节基于宇称-时间(Parity-Time，PT)对称的三个相同谐振频率的谐振线圈的系统的损耗和各个谐振线圈之间的耦合距离实现。外加扰动通过微调谐振线圈的谐振频率来实现，以令系统的频率偏移随扰动量的立方根的变化而变化，进而使任何一个谐振线圈的谐振频率发生微小扰动使得整个三线圈系统的各本征频率发生显著变化，实现对微小扰动的超高灵敏的无线探测。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是提供一种基于三阶宇称时间对称的无源型无线传感系统，其包括：非谐振源线圈、非谐振负载线圈、以及PT对称且谐振频率相同的三个谐振线圈，所述谐振线圈包括发射线圈、中继线圈及接收线圈；所述发射线圈、所述中继线圈和所述接收线圈依次设于所述非谐振源线圈与所述非谐振负载线圈之间；所述非谐振源线圈与所述发射线圈相邻设置，所述发射线圈与所述中继线圈相邻设置，所述中继线圈与所述接收线圈相邻设置，所述接收线圈与所述非谐振负载线圈相邻设置；其中，所述系统通过调节所述非谐振线圈和一个所述谐振线圈之间的耦合距离以实现三阶奇异点；所述系统通过微调所述谐振线圈的谐振频率以实现外加扰动；令所述系统的频率响应随所述外加扰动的立方根的变化而变化，增强所述系统的灵敏度。
在所述无源型无线传感系统的实施例中，所述谐振线圈为工作于深亚波长尺度的磁美特材料单元结构体；所述磁美特材料单元结构体包括绝缘介质基板、金属导线以及集总参数电子元件；其中，所述金属导线以多重绕匝的方式缠绕在所述绝缘介质基板上，所述集总参数电子元件与所述金属导线连接并装配于所述绝缘介质基板上；所述磁美特材料单元结构体通过调整所述集总参数电子元件调谐谐振频率。。
在所述无源型无线传感系统的实施例中，所述磁美特材料单元结构体的频率调谐范围是1kHz至100MHz。
在所述无源型无线传感系统的实施例中，所述绝缘介质板为绝缘非磁性框架。
在所述无源型无线传感系统的实施例中，所述金属导线的材质选自实心铜导线、利兹线或紫铜管。
在所述无源型无线传感系统的实施例中，所述集总参数电子元件包括固定电容器和可调电容器；所述可调电容器改变电容值以调谐所述谐振线圈的谐振频率。
在所述无源型无线传感系统的实施例中，所述谐振线圈的线圈尺寸小于工作波长的1/1000。
在所述无源型无线传感系统的实施例中，所述系统还包括交流源及负载；所述交流源的功率为1mW～1kW且与所述非谐振源线圈电性连接；所述负载与所述非谐振负载线圈电性连接
在所述无源型无线传感系统的实施例中，所述非谐振源线圈、所述非谐振负载线圈通过金属导线以多重绕匝制成。
本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：
(1)本发明基于三阶非厄米宇称-时间对称系统的物理性质，在没有真实增益的情况下，利用传统的三个谐振线圈也能使系统处于三阶奇异点。
(2)当外加的微小扰动作用在任意一个谐振线圈上时，本发明所述三阶系统的频率劈裂随扰动量的立方根变化而变化，扰动的影响被显著放大，所述系统的灵敏度进一步增强。
本发明的这些和其它目的、特点和优势，通过下述的详细说明和权利要求得以充分体现，并可通过所附权利要求中特地指出的手段、装置和它们的组合得以实现。
附图说明
图1是本发明磁美特材料单元结构体的绝缘介质板平面结构示意图。
图2是本发明磁美特材料单元结构体的绝缘介质板侧视结构示意图。
图3是本发明基于磁美特材料单元结构体制备而成的谐振频率可微调的谐振线圈立体结构示意图(图中未显示电容器)。
图4是传统的基于单个谐振线圈的无源型无线传感系统示意图。
图5是单个谐振线圈的反射系数随谐振频率变化的实验结果(深色线)和计算结果(浅色线)图。
图6是单个谐振线圈的谐振频率随可调电容器变化的实验结果(点线)和计算结果(浅色线)图。
图7是本发明基于三个谐振线圈的三阶宇称时间对称的无源型无线传感系统(以下简称为三阶PT对称系统)架构示意图。
图8是本发明三阶PT对称系统的频率响应随着加在中继线圈的扰动变化而变化的实验结果(深色线)和计算结果(浅色线)图。
图9是本发明三阶PT对称系统的频率响应随着加在接收线圈的扰动变化而变化的实验结果(深色线)和计算结果(浅色线)图。
图10是本发明三阶PT对称系统的频率偏移随着加入外加的扰动变化而变化的实验结果(点)图。
图11是本发明图9的对数坐标表示图。
图12是本发明三阶PT对称系统的灵敏度放大倍数随着加入外加的扰动变化而变化的实验结果图。
附图标记与部件的对应关系如下：
网络分析仪10；端口Port1；端口Port2；源线圈20；负载线圈30；发射线圈40；接收线圈50；中继线圈60；绝缘介质板70；底板71；顶板72；立壁73；折板731；底部开口74；顶部开口75；矩形开口76；金属导线80。
具体实施方式
在这里将公开本发明的详细的具体实施方案。然而应当理解，所公开的实施方案仅仅是本发明的典型例子，并且本发明可以通过多种备选形式来实施。因此，这里所公开的具体结构和功能细节不是限制性的，仅是以权利要求为原则，作为向本领域技术人员说明不同实施方式的代表性原则。
为利于对本发明的了解，以下结合附图及实施例进行说明。
请参阅图1至图12，本发明提供一种基于三阶宇称时间对称的无源型无线传感系统，用以实现对微小扰动的超高灵敏的无线探测。本发明无源型无线传感系统包括一个非谐振源线圈、基于宇称-时间(Parity-Time，PT)对称且谐振频率相同的三个谐振线圈以及一个非谐振负载线圈，所述三个谐振线圈分别定义为发射线圈、中继线圈和接收线圈，所述发射线圈、所述中继线圈和所述接收线圈依次设于所述非谐振源线圈与所述非谐振负载线圈之间；所述非谐振源线圈与所述发射线圈相邻设置，所述发射线圈与所述中继线圈相邻设置，所述中继线圈与所述接收线圈相邻设置，所述接收线圈与所述非谐振负载线圈相邻设置。
借此，本发明通过调节所述系统的非谐振线圈和谐振线圈之间的耦合距离以实现具有三阶奇异点的无源型无线传感系统；进而，所述系统通过微调单个所述谐振线圈的谐振频率形成外加扰动，使所述系统的频率偏移随所述外加扰动量的立方根的变化而变化，从而任何一个谐振线圈的谐振频率发生微小扰动，将使得整个基于三个谐振线圈的无源型无线传感系统的某个模式相应的本征频率发生显著变化，实现对微小扰动的超高灵敏的无线探测。
于本发明实施例中，所述无源型无线传感系统还包括与所述非谐振源线圈电性连接的交流源以及与所述非谐振负载线圈电性连接的负载。其中，所述交流源功率较佳为1mW～1kW。
于本发明实施例中，所述系统的非谐振线圈包括所述非谐振源线圈及所述非谐振负载线圈，所述非谐振线圈是由金属导线以多重绕匝方式制成；具体地，所述非谐振源线圈是由金属导线绕匝于所述发射线圈外部的线圈结构，所述非谐振负戴线圈是由金属导线绕匝于所述接收线圈外部的线圈结构。应被理解的是，本发明无源型无线传感系统中的非谐振线圈不限于前述设置方式，具体可视无源型无线传感系统实际状况调整为其他能够实现无线感应的设置方式。其中，所述非谐振线圈的金属导线的较佳选材为实心铜导线、利兹线或紫铜管。
于本发明实施例中，所述系统的谐振线圈是基于磁美特材料单元结构体制备而成的谐振频率可微调的谐振线圈，具体地，所述磁美特材料单元结构体工作于深亚波长尺度，所述磁美特材料单元结构体的频率调谐范围是1kHz至100MHz，所述谐振线圈的线圈尺寸小于磁美特材料单元结构体工作波长的1/1000。如图1、图2及图3所示，所述磁美特材料单元结构体包括绝缘介质板70以及支持1瓦特以上功率的金属导线80和集总参数电子元件(图未示)。所述金属导线80以多重绕匝方式绕匝于所述绝缘介质板70上；所述集总参数电子元件与所述金属导线80连接并装配于所述绝缘介质基板70上；所述磁美特材料单元结构体通过调整所述集总参数电子元件调谐谐振频率。
进一步地，所述绝缘介质板70为绝缘非磁性材料框架，较佳为有机玻璃板，所述有机玻璃板的材质较佳为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)；所述谐振线圈的金属导线80较佳选自实心铜导线、利兹线或紫铜管；所述集总参数电子元件较佳由固定电容器和可调电容器组成。
具体地，本发明谐振线圈可采用如图1、图2所示的绝缘介质板70进行制备，但不限于此。图1、图2分别显示了本发明磁美特材料单元结构体的绝缘介质板70的平面结构与侧视结构示意图；其中，所述绝缘介质板70包括相对设置的底板71及顶板72，所述底板71与所述顶板72之间设有立壁73连接，所述立壁73缩进位于所述底板71与所述顶板72的边缘内侧，所述立壁73的外面与所述底板71边缘及所述顶板72边缘共同界定形成所述金属导线80的绕匝空间；所述绝缘介质板70于所述立壁73的内面之间设有贯通所述底板71及所述顶板72的空窗部，所述空窗部包括形成于所述底板71上的底部开口74以及形成于所述顶板72上的顶部开口75。
更具体地，于本发明实施例中，本发明磁美特材料单元结构体的绝缘介质板70成形为立体矩形结构；其中，所述底板71及所述顶板72成形为正方形板，所述立壁73是由四个平面形状呈L形的折板731围立构成，所述折板731的转角处成形为R角结构，使所述金属导线80服贴地绕匝于所述立壁73的外面上；所述折板731的板体端部之间不连接地与所述底板71及所述顶板72构成矩形开口76。
以下说明本发明基于三阶宇称时间对称的无源型无线传感系统的具体实施例。
实施例1：一种基于磁美特材料单元结构体制备而成的谐振频率可微调的谐振线圈。
一种可用于f0＝144.5kHz工作频率下大功率电动汽车无线电能传输的磁美特材料单元结构体，其是由有机玻璃板(绝缘介质板)、利兹线(金属导线)和电容器(集总参数电子元件)组成。
其中，本发明磁美特材料单元结构体采用的有机玻璃板结构如图1、图2所示，其材质为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。该有机玻璃板的几何参数如下：板的长度为120mm，板的宽度为120mm，板的总厚度为31mm；其中，顶板、底板的厚度均为3mm，可用于绕匝金属导线的厚度为19mm；且板中间部位挖空形成边长为76mm、厚度为31mm的空窗部。
其中，所述利兹线是以聚氨酯漆包线为芯线的涤纶丝包线，所述利兹线的规格为0.1×50股。于本发明实施例中，利兹线的几何参数如下：每股导线的截面直径约为0.95mm，铜芯截面积约为0.393mm2；且本发明实施例1中所使用的利兹线总长度约为34m。
其中，所述电容器由固定电容器和可调电容器并联组成。所述固定电容器为1nF、耐压值220V以上的金属化聚酯膜直插电容器。所述可调电容器是4～9pF范围内可调的微调电容器。
所述磁美特材料单元结构体的制备主要步骤包括：
采用所述利兹线在所述有机玻璃板侧面进行多重密绕，绕制79匝，再于所述利兹线的首尾端焊接电容。
定义所述基于磁美特材料单元结构体制备的三个完全相同的谐振线圈(如图3示)分别为发射线圈、中继线圈和接收线圈。
实施例2：一种传统的基于单个谐振线圈的无源型无线传感系统。
传统的基于单个谐振线圈的无源型无线传感系统如图4所示，通过KeysightE5071C网络分析仪的1端口连接到非谐振源线圈，非谐振源线圈通过远场辐射激发发射线圈，通过调节发射线圈上的可调电容可调节发射线圈的谐振频率，记录相应的反射参数S11，如图5所示。其中定义所述图中的ε表示单个谐振线圈调节电容之后的谐振频率相对应原谐振频率f0＝144.5kHz的偏移值(取绝对值)。单个谐振线圈的谐振频率随可调电容的变化而变化，如图6所示。其中拟合结果与实验结果吻合度高。
实施例3：一种三个谐振线圈(实施例1)组成的三阶PT对称的无源型无线传感系统。
如图7所示，所述系统包括一个Keysight E5071C网络分析仪10、一个非谐振源线圈20、依实施例1制成的发射线圈40、中继线圈60和接收线圈50以及一个非谐振负载线圈30。
其中所述非谐振线圈(源线圈20、负载线圈30)是由利兹线(金属导线)组成。其中，所述利兹线是以聚氨酯漆包线为芯线的加聚酰亚胺薄膜(PI膜)涤纶丝包线，所述利兹线的规格为0.1×500股。于本发明实施例中，利兹线的几何参数如下：每股导线的截面直径约为2.87mm，铜芯截面积约为3.9mm2；且本发明实施例3中非谐振源线圈20所使用的利兹线总长度约为3.2m。
所述非谐振源线圈20的制备主要步骤包括：采用实施例3所述利兹线在实施例1的发射线圈40上进行多重密绕，绕制7匝。
所述非谐振负载线圈的制备主要步骤包括：采用实施例3所述利兹线在实施例1的接收线圈50上进行多重密绕，绕制7匝。
基于三个谐振线圈的三阶PT对称的无源型无线传感系统如图7所示，通过Keysight E5071C网络分析仪10的端口Port1连接到源线圈20，源线圈20通过远场辐射激发发射线圈40后，发射线圈40通过磁场近场耦合将电能传递至中继线圈60，中继线圈60通过磁场近场耦合将电能传递至接收线圈50，接收线圈50通过远场辐射将电能传递给负载线圈30，最后将负载线圈30连接至所述网络分析仪10的端口Port2，通过调节中继线圈60或者接收线圈50上的可调电容来记录不同的反射参数S11。
其中d1、s12、s23、d2分别表示源线圈20与发射线圈40之间距离、发射线圈40与中继线圈60之间距离、中继线圈60与接收线圈50之间距离、接收线圈50与负载线圈30之间距离。并固定距离参数d1＝0、d2＝0、s12＝8cm和s23＝8cm。
其中，图8、图9中的ε表示单个谐振线圈调节电容之后的谐振频率相对应原谐振频率f0＝144.5kHz的偏移值(取绝对值)。
其中所述三阶PT对称的无源型无线传感系统的反射参数S11随加在中继线圈上的ε变化而变化的结果如图8所示。其中所述三阶PT对称的无源型无线传感系统反射参数S11随加在接收线圈上的ε变化而变化的结果如图9所示。对比图8和图9可以发现，当ε很小时，所述三阶PT对称的无源型无线传感系统的反射参数S11最低值对应的频率相对应原谐振频率f0＝144.5kHz会发生明显的频率偏移。此外，当ε作用在中继线圈上时，所述系统反射参数S11最低值对应的频率向高频移动；当ε作用在接收线圈上时，所述系统反射参数S11最低值对应的频率向低频移动。
其中所述三阶PT对称的无源型无线传感系统的反射参数S11最低值对应的频率相对应原谐振频率f0＝144.5kHz的频率偏移(绝对值)随ε的变化如图10所示。其中图11是图10的横坐标和纵坐标均转换成对数坐标得到的结果。可以发现，所述频率偏移(绝对值)很好地满足斜率为1/3的条件，证明了所述系统的频率偏移(绝对值)随ε的三分之一次方变化而变化。
图12表示所述三阶PT对称的无源型无线传感系统的灵敏度放大倍数随施加的扰动ε的变化而变化。可以发现，ε越小所述系统的灵敏度放大倍数越大。当ε<0.05kHz时，所述系统的灵敏度至少能放大20倍。
以上结合附图及实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于三阶宇称时间对称的无源型无线传感系统，其特征在于，包括：
非谐振源线圈；
非谐振负载线圈；
基于宇称-时间(Parity-Time，PT)对称且谐振频率相同的三个谐振线圈，所述谐振线圈包括发射线圈、中继线圈及接收线圈；所述发射线圈、所述中继线圈和所述接收线圈依次设于所述非谐振源线圈与所述非谐振负载线圈之间；所述非谐振源线圈与所述发射线圈相邻设置，所述发射线圈与所述中继线圈相邻设置，所述中继线圈与所述接收线圈相邻设置，所述接收线圈与所述非谐振负载线圈相邻设置；
其中，所述系统通过调节所述源线圈与所述发射线圈之间的耦合距离、所述发射线圈与所述中继线圈之间的耦合距离、所述中继线圈与所述接收线圈之间的耦合距离以及所述接收线圈与所述负载线圈之间的耦合距离以实现三阶奇异点；所述系统通过微调一个所述谐振线圈的谐振频率以实现外加扰动；令所述系统的频率响应随所述外加扰动的立方根的变化而变化，增强所述系统的灵敏度。
2.根据权利要求1所述的基于三阶宇称时间对称的无源型无线传感系统，其特征在于：
所述谐振线圈为工作于深亚波长尺度的磁美特材料单元结构体；所述磁美特材料单元结构体包括绝缘介质基板、金属导线以及集总参数电子元件；其中，所述金属导线以多重绕匝的方式缠绕在所述绝缘介质基板上，所述集总参数电子元件与所述金属导线连接并装配于所述绝缘介质基板上；所述磁美特材料单元结构体通过调整所述集总参数电子元件调谐谐振频率。
3.根据权利要求2所述的基于三阶宇称时间对称的无源型无线传感系统，其特征在于：
所述磁美特材料单元结构体的频率调谐范围是1kHz至100MHz。
4.根据权利要求2所述的基于三阶宇称时间对称的无源型无线传感系统，其特征在于：
所述绝缘介质基板为绝缘非磁性框架。
5.根据权利要求2所述的基于三阶宇称时间对称的无源型无线传感系统，其特征在于：
所述金属导线的材质选自实心铜导线、利兹线或紫铜管。
6.根据权利要求2所述的基于三阶宇称时间对称的无源型无线传感系统，其特征在于：
所述集总参数电子元件包括固定电容器和可调电容器；所述可调电容器改变电容值以调谐所述谐振线圈的谐振频率。
7.根据权利要求2所述的基于三阶宇称时间对称的无源型无线传感系统，其特征在于：
所述金属导线及所述集总参数电子元件为支持1瓦以上功率的元件。
8.根据权利要求1至7中任一权利要求所述的基于三阶宇称时间对称的无源型无线传感系统，其特征在于：
所述谐振线圈的线圈尺寸小于工作波长的1/1000。
9.根据权利要求8所述的基于三阶宇称时间对称的无源型无线传感系统，其特征在于：
所述系统还包括交流源及负载；所述交流源的功率为1mW～1kW且与所述非谐振源线圈电性连接；所述负载与所述非谐振负载线圈电性连接。
10.根据权利要求8所述的基于三阶宇称时间对称的无源型无线传感系统，其特征在于：
所述非谐振源线圈、所述非谐振负载线圈通过金属导线以多重绕匝制成。
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