电磁耦合谐振增强传感机理研究

The mechanism of electromagnetic coupling at resonance is the basic theory for inductive sensors and implanted wireless ensors. It is found from experiments that, the insertion of passive resonant loops in the inductive-coupling path will cause resonant enhancement which likes the "electromagnetically induced transparency". The transfer efficiency of energy and signal will be enhanced, and therefore operation performance of the sensing system is effectively improved. Taking the sensing system with single coil, double coils and multiple coils as research objects, theoretical and experimental research will be done upon the resonant-coupling mechanism,as well as application technology, of passive resonant loops in sensing systems. The main application attention will be focused on problems of structural component damage detection, material impedance measurement within closed cavity, signal and energy transfer in implanted sensors. The expected breakthroughs will take place in fields of inductive-coupling theory, resonant enhancement mechanism, and the insertion methods of passive resonant loop in sensing path. The expected achievements have both improtant theoretical significance and broad application prospect, and will not only provide a new idea for application of passive resonant loop in sensing system, but also be taken into practical application in industrial measurement and human physiological parameters detection .

谐振状态下的电磁耦合机理，是电磁感应式传感器以及植入式无线传感器的重要理论基础。实验发现，在电磁耦合路径中介入无源谐振线圈，可产生类似于"电磁诱导增透"的谐振增强效应，增强电磁耦合通路的能量和信号传递效率，从而有效提升传感器系统的工作性能。以单线圈、双线圈以及多线圈组成的传感器系统为研究对象，重点结合结构件损伤探测、封闭腔内物质的电阻抗参数测量、植入式传感器的数据及能量传输等问题，就无源谐振线圈在传感器系统中的谐振耦合机理及其应用技术开展理论及实验研究，在无源谐振线圈的电磁耦合理论及谐振增强机理、无源谐振线圈在传感器测量场中的介入方式以及实现技术等方面寻求突破。预期成果不仅将为无源谐振环节在传感器系统中的应用提供一种新思路，而且可望在工业检测和人体生理参数检测方面取得应用，具有重要的理论意义和广阔的应用前景。

针对基于电场、磁场及电磁场耦合机理的传感系统，开展了电磁耦合谐振增强的基础理论、电磁耦合谐振增强技术的应用方法、敏感信号增强处理算法的研究。以探测线圈及平面电极为基础敏感元件，搭建起了基本研究平台。在此基础上，以金属/非金属、电解质溶液及包括人体在内的生物体为检测对象，在谐振增强敏感机理、信号获取与处理技术等方面，取得了理论研究及实际应用技术方面的突破。主要研究成果体现在三个方面：（1）电磁耦合谐振技术的基础理论体系的研究。以线圈耦合及电极耦合方式的传感系统为研究对象，给出了电磁耦合谐振增强机理的阻抗表征理论，基于Dodd-Deeds计算模型，得到了线圈耦合谐振增强探头阻抗的解析表达式，探测线圈-金属目标靶体系的实验结果验证了该理论的正确性，所实现的无源谐振增强电涡流传感系统证实了该方法的可用性。进一步将该理论拓展应用到电场耦合传感系统中，在溶液测量与人体特征参数测量方面取得了有理论意义及实际应用价值的研究成果。（2）电磁耦合谐振增强的应用技术。以电解质溶液为研究对象，通过数值分析和实验探究发现，无源线圈的介入可有效增强探测线圈与目标溶液间的电磁感应耦合，显著提高溶液测量的探测灵敏度及探测距离；研究了谐振增强的集总参数模型，谐振增强可实现非同轴的电阻抗谱测量，大大提高了测试的可重复性。此外，基于电容耦合技术，以人体皮肤、心电为研究对象，有效提取了人体皮肤和心电的关键参数，在人体健康检测方面有重要的应用价值。（3）信号增强算法的研究。将多维空间信号处理思想引入到一维信号处理中，发展出了基于相空间重构的信号处理算法，解决了谐振敏感系统中的信号特征提取问题。所提出的递归式主元分析算法、奇异谱修正算法及Hilbert增强算法，在传感系统动力学特征参数的提取及信噪比增强等方面的性能显著优于传统滤波算法，并且在算法复杂度等方面对于传感系统具有良好的适用性，在智能化传感系统中具有广泛的应用前景。