扰动增强敏感机理及传感器研究

In conventional sensing systems, except the measurand parameter, fluctuations of other parameters or noises within measuring system are generally considered as unwanted disturbances and therefore shielded or eliminated. However, from experiments with electrically or electromagnetically coupled sensing systems, it has been found that the sensitivity, detection distance and other performances can be enhanced by properly coupled perturbations. Moreover, noise signal fluctuations caused by sensor itself or outside interference contain different information other than traditional measurement signal. Taking the electrically and electromagnetically coupled sensors as the research objects, theoretical and experimental research will be done upon the perturbation-coupling mechanism and potential application technology of measurable-controllable, measurable-uncontrollable, and unmeasurable-uncontrollable disturbances in sensing systems. The expected breakthroughs will take place in fields of parameter-modulated sensors that perturbation is actively coupled, information extraction and application methods of perturbation in the output signal of the sensing system, and perturbation information mining technology for wearable sensors and state monitoring systems. The expected achievements will provide a new idea for perturbation applications in sensing systems. Furthermore, sensing system performances, such as detection capability, self-diagnosis, and self-adaptivity can be improved without significantly increasing hardware complexity. Noticeable theoretical significance and wide applications can be therefore expected.

传统形式的传感系统中，待测量之外其他参量的波动或测量体系内部的噪声，一般被视为不希望的干扰而加以屏蔽或消除。实验发现，在电场或电磁场耦合类型的传感系统中，以适当形式介入的扰动量，可提升传感器在灵敏度、探测距离等方面的性能。此外，源自传感器内部或外部干扰的波动信号中，也包含有不同于常规检测信号中的信息。以电场耦合、电磁场耦合类型的传感器为主要研究对象，重点针对可测可控、可测不可控、不可测不可控的扰动量在传感系统中的耦合机制及其应用方法开展理论及实验研究，在主动耦合扰动量的参数调谐式传感器、传感系统输出信号中扰动量的信息提取及应用方法、可穿戴式传感器及状态监测系统中扰动信息挖掘技术等方面寻求突破。预期成果不仅为扰动量在传感系统中的应用提供一种新思路，而且可在不显著增加硬件复杂度的基础上，提高传感系统在探测能力及自诊断、自适应等方面的性能，具有重要的理论意义和广阔的应用前景。

针对基于主动扰动场、被动扰动场和多激励源扰动场耦合机理的传感系统，开展了扰动增强耦合敏感基础理论、扰动增强耦合敏感机理的应用方法与传感信号的增强处理算法研究。以探测线圈及敏感电极为基础敏感元件，搭建了基本研究平台。在此基础上，以电解质溶液、金属板材、旋转机械以及包括人体在内的生物体作为检测对象，在扰动增强敏感耦合机理、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）扰动增强机理的理论体系的建立与探究。以电解质溶液为研究对象，在电极引入主动扰动。溶液与探头之间相对运动导致探头附近区域离子浓度变化，产生了非线性以及累计效应。应用SSA-FREEVIB方法，研究了叉指电极-溶液体系中的阻抗非线性现象。在进行磁场扰动信号的研究中，提出了一种基于差分梯度线圈的传感器，其灵敏度相对单线圈结构的检测线圈有明显提升。在振动场扰动信号的研究过程中，提出了一种基于圆柱形永磁体和平面圆盘线圈结构的运动感应涡流式振动传感器，可对金属目标的振动信息进行非侵入式测量。（2）扰动增强机理的应用研究。以金属表面缺陷为探测对象，通过提取电涡流传感器响应的瞬时参数，实现了金属亚表面损伤检测。此外，在进行电场、磁场等被动扰动增强机理研究中所提出的电容耦合电场传感器、运动感应涡流传感器和阵列式电磁层析成像系统分别在人体健康监测、工业现场测量和石油管道多相流测量等方面具有重要应用前景。（3）信号/扰动分离及信息融合算法。提出的基于相空间重构的相似时间序列片段提取算法，将一维时间序列嵌入到二维相空间，计算得到相对应的峰值特征序列，可实现对事件性信号的有效检测。设计实现了基于穿级采样方法的电路，与等周期采样相比，穿级采样仅在信号产生明显变化阶段触发采样，可显著减少信息冗余。上述算法具有良好的适用性，并且可植入到传感器节点中，对于发展以信息物理系统为特征的智能传感节点具有重要的应用前景。