CN112525095A - 利用极化—相位—形变关系实现超表面双轴应变传感的方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

利用极化—相位—形变关系实现超表面双轴应变传感的方法

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；

(4)入射电磁波经过超表面反射，反射波沿-z方向；

(5)接收由超表面反射的电磁波，接收装置应设置在正反射方向，其偏离正反射角度的范围应小于5°，接收的反射波分量包括原极化分量、交叉极化分量，左、右旋圆极化分量。测量各分量的接收幅度，其中原极化通过原极化天线接收，交叉极化分量通过交叉极化天线接收，左、右旋圆极化分量通过右、左旋圆极化天线接收。

(6)利用极化—相位—形变关系式，根据所测量得出的各极化分量情况推算形变方向及幅度。

进一步改进，所述入射电磁波为斜极化形式，根据电磁矢量分解原理，它可以分解为沿x和y方向的电磁波分量，两分量极化正交，幅度和相位相同。

进一步改进，所述超表面反射的电磁波，在非形变状态下，由于超表面在x和y方向的结构相同，故而两个方向的反射波分量同幅同相，所述各接收极化分量仅存在原极化分量；在受力形变情况下，x和y方向的反射分量的幅度差异较小，但相位差异明显，这是超表面的一个重要特点，从而使得反射波出现多种极化形式分量。

进一步改进，所述极化—相位—形变关系式反推形变，是由于在实际应用中无法直接对相位进行准确测量，从而利用电磁波中各接收极化分量的幅度来等效测量相位的变化情况，利用所推导得出的极化—相位关系推导出超表面受力形变的情况，其包括如下步骤：

(1)计算各形变情况下，x和y方向反射电磁波分量的幅度/相位变化，可得到各受力形变与相位变化的关系，即相位—形变关系；

(2)利用幅度相位变化计算各形变状态下，反射电磁波中原极化、交叉极化，左、右旋圆极化分量的反射幅度，从而得到相位变化与反射电磁波中各极化分量的幅度关系，即极化—相位关系；

(3)根据如上两个关系的推导，则得到极化—相位—形变关系，在实际应用中通过测量超表面对入射波的响应反射波，与推导得出的值进行对比，则可以推断得出超表面的实时受力情况。

本发明有益效果在于：

1、所设计应变传感超表面具有重量轻、结构简单、便于加工、成本低等工程优势。

2、所设计应变传感超表面可实现无接触、无功能、远距离的双轴应变的实时监测。

3、所设计应变传感超表面采用灯笼型结构，提高了超表面相位对形变的灵敏度。

4、所提出利用相位—形变关系，利用超表面反射相位对形变的高敏感特性的方法，较之传统利用幅度和频率特性的方法，灵敏度有了显著提升。

5、所提出的极化—相位—形变关系建立了多极化响应与形变的联系，避免了对相位测量误差大的问题。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是受压力后形成正弦形变的应变传感超表面示意图。

图2是正交灯笼型超表面单元结构图。

图3是灯笼型结构的等效电路模型图。

图4是基于极化—相位—形变关系的应变传感超表面的设计结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。本发明一种具体实施方式如图1所示，在本发明利用极化—相位—形变关系实现超表面双轴应变传感的方法的实施例中，应变传感超表面结构由10×10个周期性排布的正交灯笼型超表面单元结构组成，其采用柔性的微带板结构，厚度为0.254mm，以确保超表面具有较明显的应力形变特性。其工作频率在12GH—13GHz范围内，单元尺寸为10×10mm²,为亚波长尺寸，以满足超表面工作稳定性的需要。值得一提的是，为保证一定的受力面积，超表面口径应不小于10×10的规模，具体应根据实际需要和工作环境选取。

正交灯笼型超表面为双层微带形式，交叉灯笼型周期结构印刷于介质板上层金属层，用于反射入射波，在介质层另一金属层上印刷金属背板。该微带板结构具有柔性或可拉伸性质，以使超表面结构易于发生应力形变，其中柔性针对压力形式，可拉伸针对拉力形式。在本实施例中，选取柔性微带板结构，以压力形式的正弦形变为例展开介绍。在其他应用中，根据不同的应力形式，选取不同性质的微带板结构，也可用于对其他形式的应力形变进行检测和评估，故不应对本发明构成不当限定。

正交灯笼型结构单元结构如图2所示，其由两个正交的灯笼型结构组成，两正交结构的中心重合。灯笼型结构的等效电路模型如图3所示，其为双向镜像结构，保证正交形成的交叉灯笼型超表面单元在非应力下呈各向同性。该结构的两端为单条微带结构，中间为四条微带线，二者通过一个梯形结构连接。单条微带结构用以在相邻同向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。中间四条微带线用以形成引线电感，四条微带线及它们之间的间隙完全相同，因此采取并联结构，以减小该引线电感。如是，通过设计单条微带线和四条微带线的尺寸大小，可使灯笼型结构等效形成小电容与小电感的串联谐振电路，从而提高等效电容和引线电感对形变的灵敏度，进一步提高超表面反射响应对形变的灵敏度。在本实施例中，采用灯笼型结构来构成高灵敏度的超表面，在其他应用中，利用其他形状的结构也可获得对形变具有高灵敏度的超表面。其具体方法为，将结构中的微带线等效为电感，微带线间的缝隙等效为电容，通过等效电路理论构造为小电容与小电感的谐振电路模型，使反射响应达到对结构尺寸以及形变具有高敏感的效果。此类方法是较为常规的设计思路，基于本发明提出的方法很容易设计此类应变传感超表面结构，故亦应属于本发明的保护范围。

在本实施例中，超表面放置于XoY平面上，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。因超表面单元结构对XoY和YoZ两个面都成镜像对称，故超表面受力可为双轴方向，即受力方向沿着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。在本实施例中，使受力方向沿着y方向，形成正弦形变，如图1所示。在其他应用中，亦可选取其他受力方向或者不同的形变来进行形变的检测与评估，故不应对本发明构成不当限定。

随后，使入射电磁波沿+z方向入射，其极化状态为与x/y成45°的斜极化。根据电磁矢量分解原理，该入射电磁波可分解为沿x和y方向的两正交极化分量，它们的幅度和相位均相同。入射波经过超表面反射后，反射波沿-z方向。在非形变状态下，因超表面呈各向同性，故两个方向的反射波分量同幅同相。为接收由超表面反射的电磁波，接收装置应设置在正反射方向，其偏离正反射角度的范围应小于5°，接收的反射波分量包括原极化分量、交叉极化分量，左、右旋圆极化分量。其中原极化通过原极化天线接收，交叉极化分量通过交叉极化天线接收，左、右旋圆极化分量通过右、左旋圆极化天线接收，如是，可测量出各分量的接收幅度。在非形变状态下，x和y方向的反射分量同幅同相，各接收极化分量仅存在原极化分量；在受力形变情况下，x和y方向的反射分量的幅度差异较小，但相位差异明显，利用这一重要特点，可使得反射波出现多种极化形式分量。在完成对各极化分量接收后，利用各接收极化分量的幅度来等效相位的变化情况，进一步，利用相位变化与形变之间的对应关系，可推导出超表面受力形变的情况。

基于极化—相位—形变关系实现双轴应变传感的工作方法展开具体说明。首先，计算各形变情况下，x和y方向反射电磁波分量的幅度/相位变化，可得到各受力形变与相位变化的关系，即相位—形变关系；随后，将入射波归一化，则x和y方向上的分量的幅度为

用矩阵表示为

运用Jones矩阵，反射过程可以描述为

如是，x和y方向上的反射幅度/相位分别为

和

反射波表示为

如是，接收的幅度可以计算为：

其中，

为反射波沿两个正交方向的相位差。如是，由公式(1)可得多极化接收幅度：

式中，

N的分子表示

的模；分母表示

的模，代表超表面为无耗的。此处分母作为归一化因子，确保接收幅度不大于1。θ是复数

的幅角，可表示为

如是，各极化分量接收幅度会随着x和y方向上反射波的相位差

而变化，至此，则完成极化—相位—形变关系的构建。

根据极化—相位—形变关系，计算得出一系列在不同形变状态下的各接收极化分量幅度。在实际应用中，通过测量超表面对入射波的响应反射波，与计算得出的值进行对比，则可以推断得出超表面的实时受力情况。

其设计效果如图4所示，第一列(a)-(f)分别对应该超表面0％-5％正弦形变状态下的反射波幅度和相位差，在各个形变状态下，频率和幅度随形变的变化都比较小，而相位差异明显。第二列(a)-(f)分别对应0％-5％正弦形变状态下的多极化接收幅度，各个极化响应都随着形变产生了显著的变化，对形变具有高灵敏性。相较于传统基于频移和幅度变化的直接传感方法，基于极化—相位—形变关系实现超表面双轴应力检测与评估的灵敏度有了极大的提升。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于极化—相位—形变关系的超表面应变传感结构，其特征在于：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，超表面单元为亚波长尺寸；所述二维超表面为双层微带形式，交叉灯笼型周期结构印刷于介质板上层金属层，用于反射入射波，在介质层另一金属层上印刷金属背板。

2.根据权利要求1所述的基于极化—相位—形变关系的超表面应变传感结构，其特征在于：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。

3.根据权利要求1所述的基于极化—相位—形变关系的超表面应变传感结构，其特征在于：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。

4.根据权利要求1、3所述的基于极化—相位—形变关系的超表面应变传感结构，其特征在于：所述灯笼型结构呈灯笼型，其为双向镜像对称结构，两端单条微带线经过两个梯形结构与中间四条微带线相连，所述四条微带线及它们之间的间隙完全相同。

5.根据权利要求1、3、4所述的基于极化—相位—形变关系的超表面应变传感结构，其特征在于：所述两端单条微带线在所述灯笼结构之间的缝隙处形成等效电容，且由于为单条微带结构，以减小该等效电容；所述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。

6.一种利用极化—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；

(2)超表面受力可为双轴方向，即方向沿着x或者y方向；

(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；

(4)入射电磁波经过超表面反射，反射波沿-z方向；

(5)接收由超表面反射的电磁波，包括原极化分量、交叉极化分量，左、右旋圆极化分量，测量各分量的接收幅度。

(6)利用极化—相位—形变关系式，根据所测量得出的各极化分量情况推算形变方向及幅度。

7.根据权利要求6所述的利用极化—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：所述入射电磁波可分解为沿x和y方向的电磁波分量，两分量极化正交，幅度和相位相同。

8.根据权利要求6所述的利用极化—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：所述超表面反射的电磁波，在非形变状态下，x和y方向的反射分量同幅同相，反射波仅存在原极化分量；在受力形变情况下，x和y方向的反射分量的幅度差异较小，相位差异明显，使得反射波出现多种极化形式分量。

9.根据权利要求6所述的利用极化—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：所述极化—相位—形变关系式反推形变，其包括如下步骤：

(1)计算各形变情况下，x和y方向反射电磁波分量的幅度/相位变化；

(2)利用幅度相位变化计算各形变状态下，反射电磁波中原极化、交叉极化，左、右旋圆极化分量的反射幅度；

(3)采用该超表面，测试实际应用的中各极化分量的幅度，并与计算得到的值进行对比，进而推断超表面的受力情况。

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