【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及传感器感知，尤其涉及一种利用管状ipmc传感器进行水下二维交流流场感知的方法。
技术介绍
1、ipmc（ionic polymer metal composites，离子聚合物金属复合材料）是一种代表性的离子型eap（electro active polymer，eap）智能材料。ipmc的结构以“电极-离子交换膜-电极”的形式组成。中间层的离子交换膜通常选用的是美国杜邦公司的nafion膜，含有疏水性聚合物链、可移动的阳离子和一定量的溶剂。离子交换膜的两侧贵金属电极（常见的有钯、铂、金等）多为表面镀覆工艺制备而成。当ipmc材料受到外力弯曲变形时，膜内的阳离子和水分子结合形成可自由移动的水合阳离子。这些水合阳离子会根据弯曲方向进行迁移，产生应力梯度，从而导致膜内部的电荷分布发生变化。在膜内部，密度较低的地带由于正电荷过量和负电荷减少而膨胀，而密度较高的地带则会因为负电荷叠积和正电荷不足而收缩。这种电荷分布不均导致电荷两极分化，形成了电极两侧的电势差。由于金属电极的存在，可以检测出电信号。此外，电势差的变化可以用来检测和测量外力的大小或方向。通过监测电极两侧的电势差变化，可以推断施加在ipmc上的外力信息，使得ipmc智能材料在传感器方面具有应用潜力。
2、ipmc传感器具备质地软、响应快、结构简单、灵敏度高、塑造性强、能在复杂的水下环境下进行作业等特点，可以用来对水下流速进行感知和测量，因而在水下机器人、能量收集、环境监控、海洋资源开发等领域具有巨大的应用潜力。
3、但是已有的利用ipmc
4、流速感知一方面需要传感器的器件将被测物理量转换成为可测量的电信号，另一方面也需要设计和推导与传感器物理特性相匹配的算法和模型，给出计算公式来定量地描述传感器输出与输入之间的对应关系。目前有很多研究人员对传感器器件本身的设计做了很多工作，但是相关匹配的算法和模型等工作相对还比较少。
5、另外，ipmc材料本身的属性会导致ipmc传感器天然地对交流的外部激励响应敏感。变化的激励会导致变化的传感信号输出，这一方面能充分发挥ipmc传感器的优势，但是另一方面也让传感器的建模变得比较复杂，带来了一些算法上的挑战和难点。
技术实现思路
1、为解决上述问题，本专利技术提供了一种利用管状ipmc传感器进行水下二维交流流场感知的方法，包括如下步骤：
2、步骤一：使用nafion管加工管状ipmc，沿轴向将其外表面电极划分为四个子电极，内表面电极作为共同地线；四个子电极沿径向依次为子电极p1、子电极p2、子电极p3、子电极p4，其中子电极p1与子电极p3、子电极p2与子电极p4沿轴线对称；
3、步骤二：将各路子电极的电流输出转化为可测量的双极性电压信号，分别为u1(t)、u2(t)、u3(t)、u4(t)，其中t代表时间变量；
4、步骤三：对管状ipmc传感器进行水下一维交流流场感知的表征实验：在不同振荡频率下分别标定每一个子电极正面迎向水波振荡方向下的传感信号u1(t,v,n)、u2(t,v,n)、u3(t,v,n)、u4(t,v,n)，其中v代表流速，正整数n代表正面迎向水波振荡方向的子电极pn的编号， n的取值范围为1~4；
5、步骤四：针对每一个子电极正面迎向水波振荡方向的情况，首先计算不同振荡频率下该子电极输出信号的频率响应，然后采用最小二乘法拟合出一个对应于该子电极的传递函数hn(s)，用于描述该路输出信号随交流流速变化而发生变化的对应关系；
6、步骤五：使用所述管状ipmc传感器进行水下二维交流流场感知时，首先通过u1(t)、u3(t)以及传递函数hn(s)获取x方向上的一维交流流速vx(t)，并通过u2(t)、u4(t)以及传递函数hn(s)获取y方向上的一维交流流速vy(t)，实现二维交流流场感知。
7、进一步的，步骤一中，使用nafion管加工管状ipmc的方法为：
8、步骤1.1：使用nafion管加工成管状ipmc；
9、步骤1.2：沿管状ipmc的轴向将外表面电极划分为相互绝缘的4等分，形成4个子电极，相邻的子电极之间设置有绝缘的隔离带，隔离带位置上的外表面金属沉积被去除以达到绝缘的效果；
10、步骤1.3：将一条导线连接整个内表面电极作为共同地线，4个子电极各连接一条导线作为信号线，每条信号线与共同地线构成传感器的一路传感信号输出；
11、步骤1.4：将管状ipmc进行薄膜胶囊封装，并置于水浴中浸泡预定时间后取出，管状ipmc内部具有水分；
12、步骤1.5：利用胶质树脂材料对管状ipmc进行仿生封装。
13、进一步的，步骤1.4后，管状ipmc表面形成一层薄膜涂层,薄膜涂层的厚度在20微米至50微米之间。
14、进一步的，所述步骤三中，对管状ipmc传感器进行水下一维交流流场感知的表征实验，具体做法为：在静态水环境中放置一个水下振动球体，振动方向平行于水面，管状ipmc传感器置于水面以下，其轴线垂直于水面，其轴线中点与球体中心位于同一深度，其轴线与球体振动方向形成的平面与正面迎向水波振荡方向的子电极表面相交于该子电极轴向上的中线，所述平面也与背对水波振荡方向的子电极表面相交于该子电极轴向上的中线；振动球体产生偶极子源并在水中生成势流，由此可以计算管状ipmc传感器所处位置的水流流速函数v(t)=asin(2πft)a3/r3，a为振动幅值，f为振动频率。
15、进一步的，各个子电极的输出信号随交流流速变化而发生变化的对应关系un(s)=hn(s)v(s)，其中s代表拉普拉斯算子；v(s)由对水流流速函数v(t)做拉普拉斯变换所得；un(s) 由对子电极输出信号un(t)做拉普拉斯变换所得；n为子电极编号。
16、进一步的，水下振动球体直径a为2厘米，球体中心距离水面10厘米；管状ipmc传感器轴线距离球体中心r为10厘米。
17、进一步的，所述步骤三中，所采集传感信号的持续时间为至少10秒，采样频率至少1000赫兹。
18、进一步的，步骤四中，频率响应包含不同振荡频率下输出、输入幅值之比以及输出、输入相位差，所述输出指子电极的输出信号，所述输入指传感器所处位置的流速，分别对时域下的输出和输入进行快速傅里叶变换获取各自的幅值和相位。
19、进一步的，步骤五中，管状ipmc传感器的轴线垂直于x方向和y方向构成的平面，轴线与x方向形成第一平面，第一平面与子电极p1、子电极p3的表面相交于其轴向上的中线；轴线与y方向形成第二平面，第二平面与子电极p2、子电极p4的表面相交于其轴向上的中线。
20、进一步的，步骤五中，计算vx(t)的具体方本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种利用管状IPMC传感器进行水下二维交流流场感知的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的利用管状IPMC传感器进行水下二维交流流场感知的方法，其特征在于，步骤一中，使用Nafion管加工管状IPMC的方法为：
3.根据权利要求2所述的利用管状IPMC传感器进行水下二维交流流场感知的方法，其特征在于，步骤1.4后，管状IPMC表面形成一层薄膜涂层,薄膜涂层的厚度在20微米至50微米之间。
4.根据权利要求2或3所述的利用管状IPMC传感器进行水下二维交流流场感知的方法，其特征在于，所述步骤三中，对管状IPMC传感器进行水下一维直流流场感知的表征实验，具体做法为：在静态水环境中放置一个水下振动球体，振动方向平行于水面，管状IPMC传感器置于水面以下，其轴线垂直于水面，其轴线中点与球体中心位于同一深度，其轴线与球体振动方向形成的平面与正面迎向水波振荡方向的子电极表面相交于该子电极轴向上的中线，所述平面也与背对水波振荡方向的子电极表面相交于该子电极轴向上的中线；振动球体产生偶极子源并在水中生成势流，由此可以计算管状IP
5.根据权利要求4所述的利用管状IPMC传感器进行水下二维交流流场感知的方法，其特征在于，各个子电极的输出信号随交流流速变化而发生变化的对应关系un(s)=Hn(s)v(s)，其中s代表拉普拉斯算子；v(s)由对水流流速函数v(t)做拉普拉斯变换所得；un(s) 由对子电极输出信号un(t)做拉普拉斯变换所得；n为子电极编号。
6.根据权利要求4所述的利用管状IPMC传感器进行水下二维交流流场感知的方法，其特征在于，水下振动球体直径a为2厘米，球体中心距离水面10厘米；管状IPMC传感器轴线距离球体中心r为10厘米。
7.根据权利要求2或3所述的利用管状IPMC传感器进行水下二维交流流场感知的方法，其特征在于，所述步骤三中，所采集传感信号的持续时间为至少10秒，采样频率至少1000赫兹。
8.根据权利要求2或3所述的利用管状IPMC传感器进行水下二维交流流场感知的方法，其特征在于，步骤四中，频率响应包含不同振荡频率下输出、输入幅值之比以及输出、输入相位差，所述输出指子电极的输出信号，所述输入指传感器所处位置的流速，分别对时域下的输出和输入进行快速傅里叶变换获取各自的幅值和相位。
9.根据权利要求2或3所述的利用管状IPMC传感器进行水下二维交流流场感知的方法，其特征在于，步骤五中，管状IPMC传感器的轴线垂直于x方向和y方向构成的平面，轴线与x方向形成第一平面，第一平面与子电极p1、子电极p3的表面相交于其轴向上的中线；轴线与y方向形成第二平面，第二平面与子电极p2、子电极p4的表面相交于其轴向上的中线。
10.根据权利要求2或3所述的利用管状IPMC传感器进行水下二维交流流场感知的方法，其特征在于，步骤五中，计算vx(t)的具体方法为：计算子电极p1的传递函数H1(s)的逆传递函数H1_inv(s)=1/ H1(s)，然后将u1(t)输入给逆传递函数H1_inv(s)得到x方向上的一维交流流速vx1(t)，同理可通过u2(t)得到x方向的一维交流流速vx2(t)，取vx1(t)和vx2(t)的平均值作为vx(t)；
...【技术特征摘要】
1.一种利用管状ipmc传感器进行水下二维交流流场感知的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的利用管状ipmc传感器进行水下二维交流流场感知的方法，其特征在于，步骤一中，使用nafion管加工管状ipmc的方法为：
3.根据权利要求2所述的利用管状ipmc传感器进行水下二维交流流场感知的方法，其特征在于，步骤1.4后，管状ipmc表面形成一层薄膜涂层,薄膜涂层的厚度在20微米至50微米之间。
4.根据权利要求2或3所述的利用管状ipmc传感器进行水下二维交流流场感知的方法，其特征在于，所述步骤三中，对管状ipmc传感器进行水下一维直流流场感知的表征实验，具体做法为：在静态水环境中放置一个水下振动球体，振动方向平行于水面，管状ipmc传感器置于水面以下，其轴线垂直于水面，其轴线中点与球体中心位于同一深度，其轴线与球体振动方向形成的平面与正面迎向水波振荡方向的子电极表面相交于该子电极轴向上的中线，所述平面也与背对水波振荡方向的子电极表面相交于该子电极轴向上的中线；振动球体产生偶极子源并在水中生成势流，由此可以计算管状ipmc传感器所处位置的水流流速函数v(t)=asin(2πft)a3/r3，a为振动幅值，f为振动频率。
5.根据权利要求4所述的利用管状ipmc传感器进行水下二维交流流场感知的方法，其特征在于，各个子电极的输出信号随交流流速变化而发生变化的对应关系un(s)=hn(s)v(s)，其中s代表拉普拉斯算子；v(s)由对水流流速函数v(t)做拉普拉斯变换所得；un(s) 由对子电极输出信号un(t)做拉普拉斯变换所得；n为子电极编号。
6.根...
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