本發(fā)明屬于位移檢測，具體涉及一種基于pt對稱的位移傳感系統(tǒng)及位移測量方法。

背景技術(shù)：

1、隨著科學技術(shù)的不斷進步，用于檢測和實時監(jiān)測氣體或液體環(huán)境中化學量或物理量的各類傳感器(如溫度、濕度、壓力等)取得了顯著的發(fā)展，并在多個行業(yè)中得到了廣泛應用。然而，隨著應用場景的不斷增加，對于工業(yè)控制、航空航天、醫(yī)療保健等應用來說，對位移進行無線高精度傳感測量是一個主要需求。

2、非接觸式測量位移的方法主要基于激光、超聲波和電磁波感測技術(shù)。然而在實際應用中，激光和超聲波測距技術(shù)容易受到障礙物以及目標周圍的煙霧、灰塵和其他空氣碎片的影響，從而影響測量的準確度?；谖⒉ㄈ缟漕l電磁波的位移傳感器，由于具有更好的穿透能力，因此其可以克服前兩種技術(shù)帶來的應用限制。特別是對于近場區(qū)域，當物體被非金屬障礙物遮擋時，兩個線圈之間的磁場耦合適用于非接觸測量物體位移。

3、無線位移傳感器作為傳感應用的主要需求之一，一直是研究者們研究的重點，因此，基于pt對稱的lc無源無線位移傳感器系統(tǒng)也得到了快速發(fā)展。宇稱時間(parity-time，pt)對稱性的最新研究表明，將pt對稱性應用于lc無源無線傳感器系統(tǒng)可以顯著提高系統(tǒng)的靈敏度，pt對稱系統(tǒng)的特征值和特征向量在奇異點(exceptional?point，ep)會同時簡并，使得系統(tǒng)對于施加在ep點的擾動極具靈敏。當系統(tǒng)偏置在ep點時，系統(tǒng)的頻率分裂與ep點附近微小擾動的平方根成正比，即δω～(εk)0.5，這表明該系統(tǒng)對于微小位移擾動具有超高靈敏度，這為位移傳感器的研究提供了新思路。

4、mehdi?hajizadegan等研究者提出并通過實驗驗證了一種基于pt對稱的超靈敏無線位移傳感技術(shù)，系統(tǒng)示意如圖1所示，該pt對稱遙測傳感系統(tǒng)包括一個固定的讀取器以及一個可移動的傳感器，利用colpitts型振蕩器構(gòu)建了一個負阻抗變換器，來平衡系統(tǒng)中的增益和損耗，從而使系統(tǒng)滿足pt對稱性，利用vna與讀出線圈相連來檢測頻率偏移。實驗結(jié)果測得的系統(tǒng)反射系數(shù)隨位移的變化如圖2所示，實驗結(jié)果表明了pt對稱lc無源無線位移傳感器系統(tǒng)具有比傳統(tǒng)系統(tǒng)更高的靈敏度，文中還指出了當系統(tǒng)在ep附近操作時，可以實現(xiàn)劇烈的頻率響應和高靈敏度。john?s.ho等研究者提出了一類特殊的基于ep的lc無源無線傳感器系統(tǒng)，也實現(xiàn)了超靈敏的位移傳感，系統(tǒng)示意如圖3所示。與傳統(tǒng)的基于ep的無線傳感器不同的是，該系統(tǒng)中的讀取器是一個鎖定在ep的具有pt對稱性的系統(tǒng)，而傳感器則是一個附加的諧振系統(tǒng)。傳感器的唯一功能是通過與讀取器的感應耦合來產(chǎn)生對耦合強度k的外部擾動，這是lc無源無線傳感器系統(tǒng)設(shè)計中的一次創(chuàng)新性嘗試。

5、雖然基于pt對稱的lc無線無源位移傳感器在ep點能表現(xiàn)出高靈敏度，但仍存在許多不足。首先，對于pt對稱lc諧振器，當系統(tǒng)偏離ep點時，不可避免地會出現(xiàn)靈敏度退化，使得δω將遵循～εk的變化；其次，pt對稱系統(tǒng)的ep點是模糊的，ep點兩側(cè)的狀態(tài)切換是漸進而不是突變的，導致在實驗中很難校準，盡管可以開發(fā)具有ep鎖定功能的硬件和算法，但這增加了系統(tǒng)的復雜性，并且可能惡化系統(tǒng)的響應時間，且系統(tǒng)極易受到不確定的外部環(huán)境影響(如元件溫漂)，使系統(tǒng)再次偏離ep點；最后，使用vna等昂貴且笨重的檢測設(shè)備來監(jiān)測頻率偏移的方法對于不同的應用而言存在局限性，所有vna在進行測量前都需要進行校準，這也降低了他們對非技術(shù)用戶的吸引力。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種基于pt對稱的位移傳感系統(tǒng)及位移測量方法。

2、第一方面，本發(fā)明提供了一種基于pt對稱的位移傳感系統(tǒng)，其包括傳感器、發(fā)送器和接收器。傳感器包括并聯(lián)的諧振電容cs、電感線圈ls和電阻rs；發(fā)送器包括并聯(lián)的諧振電容ct、電感線圈lt和負電阻rt；接收器包括并聯(lián)的諧振電容cr、電感線圈lr和電阻rr；諧振電容cs、諧振電容ct、諧振電容cr的電容值相同；電感線圈ls、電感線圈lt、電感線圈lr的電感值和極性相同；電阻rs與電阻rr的電阻值相同；傳感器與發(fā)送器之間的距離dts通過發(fā)送器和接收器之間的電壓幅值比vrn獲??；

3、工作過程中，傳感器僅向靠近發(fā)送器的方向移動，傳感器和接收器組合為具有能量模asr的虛擬諧振器，維持虛擬諧振器與發(fā)送器的等效耦合系數(shù)ktsr大于或等于參考增益系數(shù)γ0；使得傳感器、發(fā)送器和接收器工作在pt對稱狀態(tài)。

4、使得傳感器、發(fā)送器和接收器工作在pt對稱狀態(tài)的關(guān)鍵條件為：電感線圈ls、電感線圈lt和電感線圈lr的極性相同；將傳感器和接收器組合為具有能量模asr的虛擬諧振器，虛擬諧振器與發(fā)送器的等效耦合系數(shù)ktsr大于或等于參考增益系數(shù)γ0；傳感器僅向靠近發(fā)送器的方向移動。

5、作為優(yōu)選，若傳感器在移動前與發(fā)送器之間的耦合系數(shù)kts>(2/3)0.5γ0，則設(shè)置發(fā)送器和接收器之間的耦合系數(shù)為kts/20.5；反之，則設(shè)置發(fā)送器和接收器之間的耦合系數(shù)為

6、作為優(yōu)選，所述的等效耦合率κtsr的表達式為：

7、

8、其中，ktr為發(fā)送器和接收器之間的耦合系數(shù)；kts為發(fā)送器與傳感器之間的耦合系數(shù)。

9、作為優(yōu)選，該無線無源位移傳感系統(tǒng)的工作頻率ω如下：

10、

11、其中，ω0為傳感器、發(fā)送器和接收器的參考諧振頻率；κts為發(fā)送器與傳感器之間的耦合率；κtr為發(fā)送器和接收器之間的耦合率；γ0為傳感器和接收器的參考損耗率。

12、作為優(yōu)選，所述的參考損耗率γ0的表達式為：

13、

14、參考增益系數(shù)γ0的表達式為：

15、

16、其中，l0為電感線圈ls、電感線圈lt、電感線圈lr相同的電感值；r0為電阻rs與電阻rr相同的電阻值。

17、作為優(yōu)選，所述的負電阻通過具有正反饋結(jié)構(gòu)的自激振蕩放大器實現(xiàn)。

18、第二方面，本發(fā)明提供了一種位移測量方法，其使用上述位移傳感系統(tǒng)，該位移測量方法具體如下：

19、將傳感器設(shè)置在被測目標上，在被測目標的移動方向設(shè)置發(fā)送器和接收器；被測目標運動過程中，維持虛擬諧振器與發(fā)送器的等效耦合系數(shù)ktsr大于或等于參考增益系數(shù)γ0。通過發(fā)送器和接收器之間的電壓幅值比vrn獲取傳感器與發(fā)送器之間的距離dts，從而獲取被測目標的位移。

20、作為優(yōu)選，所述的獲取傳感器與發(fā)送器之間的距離dts的方法如下：

21、構(gòu)建電壓幅值比vrn與耦合系數(shù)k的關(guān)系式為：

22、

23、其中，kts為發(fā)送器與傳感器之間的耦合系數(shù)；ktr為發(fā)送器與接收器之間的耦合系數(shù)。

24、根據(jù)發(fā)送器與接收器之間的距離dtr獲取對應的耦合系數(shù)ktr后，代入上式獲取發(fā)送器與傳感器之間的耦合系數(shù)kts，利用耦合系數(shù)kts獲取傳感器與發(fā)送器之間的距離dts。

25、本發(fā)明具有的有益效果是：

26、1、本發(fā)明通過設(shè)置三階pt對稱系統(tǒng)來檢測位移，并不需要限制系統(tǒng)工作在奇異點便能夠?qū)崿F(xiàn)高靈敏度，使系統(tǒng)可以實現(xiàn)更靈活和更大操作區(qū)域的傳感設(shè)置；同時，在傳感器與發(fā)送器之間的初始耦合系數(shù)已知情況下，能夠通過設(shè)置發(fā)送器與接收器之間的距離來提高位移檢測的靈敏度。

27、2、本發(fā)明采用檢測電壓幅值比的方式對位移進行檢測，與傳統(tǒng)檢測頻率和阻抗相比，檢測電壓的方式更為簡便，避免使用體積龐大和昂貴的儀器，大大降低了操作難度以及提高了便攜性；同時，通過檢測讀取器之間的電壓比取代了檢測頻率偏移，使實驗現(xiàn)象具有更好的觀測性。