上海維立勝衡傳感器有限公司
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閱讀：17發(fā)布時(shí)間：2025-3-3
傳感器矩陣在機(jī)器人、航空、醫(yī)療保健和工業(yè)機(jī)械等各個(gè)領(lǐng)域都至關(guān)重要。然而，傳統(tǒng)的傳感器矩陣系統(tǒng)常常面臨可重構(gòu)性有限、接線復(fù)雜、魯棒性差等挑戰(zhàn)。為了解決這些問(wèn)題，本研究引入了一種單線可重構(gòu)傳感器矩陣，該矩陣能夠符合三維曲面并抗串?dāng)_和斷裂。頻率定位技術(shù)受到聽(tīng)覺(jué)音調(diào)的啟發(fā)，通過(guò)疊加具有頻率標(biāo)識(shí)的所有傳感器單元的信號(hào)，將輸出線的數(shù)量從行×列減少到單線。傳感器單元通過(guò)共享冗余網(wǎng)絡(luò)連接，為重新配置提供了很大的自由度并有助于快速修復(fù)。單線頻率定位技術(shù)在兩個(gè)應(yīng)用中進(jìn)行了演示：壓力傳感器矩陣和壓力-溫度多模態(tài)傳感器矩陣。此外，研究還展示了其在監(jiān)測(cè)飛機(jī)機(jī)翼應(yīng)變分布方面的潛力，強(qiáng)調(diào)其在簡(jiǎn)化接線和提高穩(wěn)健性方面的優(yōu)勢(shì)。
傳感器矩陣技術(shù)因其能夠提供物理交互的高分辨率和多維測(cè)量而前景廣闊，從而提高機(jī)器人、人機(jī)界面和醫(yī)療設(shè)備等各種應(yīng)用的精度和準(zhǔn)確度。然而，傳感器矩陣的使用受到許多困難的困擾，其中最緊迫的困難包括復(fù)雜的布線、可重構(gòu)性不足以及容易受到物理傷害。這在很大程度上是由于其接口實(shí)施了時(shí)分復(fù)用，從而對(duì)各個(gè)傳感器進(jìn)行順序和周期性采樣（掃描模式），最終構(gòu)建物理量分布的二維圖。特別是，與M×N（M，行；N，列）（1–10）和M+N傳感器矩陣相關(guān)的接線被證明是有問(wèn)題的，導(dǎo)致難看、浪費(fèi)空間的安裝和維護(hù)困難。此外，現(xiàn)有傳感器矩陣通常缺乏可擴(kuò)展性和可重構(gòu)性，因?yàn)榇罅總鞲衅髟植荚谥饕鳛檎w進(jìn)行處理的大型基板上，針對(duì)不同應(yīng)用改變尺寸、輪廓和模式的能力有限。掃描模式傳感器矩陣特別容易受到機(jī)械損壞，因?yàn)閷?duì)電氣跡線的一次機(jī)械破壞就會(huì)禁用整行上的所有傳感器單元。/柱子。為了緩解這些限制，引入了具有冗余組件和連接的替代架構(gòu)，例如在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中配置的傳感器節(jié)點(diǎn)，能夠重新配置其路由表以繞過(guò)損壞的連接。然而，這需要單個(gè)節(jié)點(diǎn)具有相當(dāng)大的計(jì)算能力，限制了可能的小型化程度，并導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)重新配置期間的大量停機(jī)時(shí)間，這阻礙了損壞事件等關(guān)鍵時(shí)刻的傳感。
研究在此報(bào)告了一種受音調(diào)啟發(fā)的傳感器矩陣（TSM）平臺(tái)，這是一種旨在解決這些限制的通信架構(gòu)。TSM平臺(tái)的靈感來(lái)自于音調(diào)聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)映射了研究對(duì)聲音的感知中內(nèi)毛細(xì)胞和聽(tīng)覺(jué)皮層之間的關(guān)系。沿著耳蝸基底膜的內(nèi)毛細(xì)胞處理不同頻率的聲音并將電信號(hào)傳輸?shù)铰菪窠?jīng)節(jié)神經(jīng)元。這些時(shí)空信號(hào)傳輸?shù)侥X干中的耳蝸核復(fù)合體，該復(fù)合體在映射到聽(tīng)覺(jué)皮層之前整合并最初處理聽(tīng)覺(jué)信息。
在音調(diào)機(jī)制的推動(dòng)下，TSM平臺(tái)為矩陣中的每個(gè)音調(diào)啟發(fā)傳感器單元（TSU;1~n）分配一個(gè)的正弦波頻率（f 1~f n）作為其標(biāo)識(shí)符。TSU感知的物理量的變化與其輸出的正弦波的幅度之間存在一定的相關(guān)性。來(lái)自每個(gè)TSU的正弦信號(hào)的匯聚導(dǎo)致形成時(shí)域復(fù)合信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)單個(gè)導(dǎo)體傳輸，傳輸從TSM獲得的完整信息。實(shí)時(shí)執(zhí)行的快速傅里葉變換(FFT)算法可分解時(shí)域復(fù)合信號(hào)，生成反映所有TSU信息內(nèi)容的頻譜表示。與傳統(tǒng)傳感器矩陣不同，TSM方法并行處理來(lái)自所有傳感器的信息，類似于音調(diào)聽(tīng)覺(jué)信號(hào)傳輸系統(tǒng)。此外，只要傳感器輸出與TSU中分配的正弦波幅度之間能夠建立一定的關(guān)系，TSU中就可以集成各種類型的傳感器，并且TSU輸出的調(diào)制模擬信號(hào)可以動(dòng)態(tài)疊加形成時(shí)域復(fù)合信號(hào)。這種設(shè)計(jì)可以使TSM同時(shí)監(jiān)測(cè)多種物理量，從而為不同領(lǐng)域的多傳感器應(yīng)用提供高度可重構(gòu)的平臺(tái)。
通過(guò)觀察單個(gè)內(nèi)毛細(xì)胞和多個(gè)螺旋神經(jīng)節(jié)神經(jīng)元之間的多個(gè)突觸連接，人們認(rèn)識(shí)到冗余在確保損傷耐受性方面的重要性。因此，TSU結(jié)合了冗余，每個(gè)TSU與網(wǎng)絡(luò)中的其他單元之間基于用于傳輸時(shí)域復(fù)合信號(hào)的共享導(dǎo)體的多個(gè)連接。當(dāng)一個(gè)連接損壞時(shí)，這種冗余可提供備份跟蹤，從而提高TSM的整體恢復(fù)能力和損壞容限。此外，由于TSU之間的冗余連接，TSM的配置文件可以高度靈活。這種靈活性允許TSM設(shè)計(jì)為各種配置，以適應(yīng)特定的應(yīng)用或限制?？傊?，所提出的TSM方法在布線、可重構(gòu)性和損傷容限方面具有優(yōu)勢(shì)。
DOI：10.1126/sciadv.adi6633
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