一种用于水下振动传感的仿蛛网结构柔性传感器及系统

本发明具体涉及一种用于水下振动传感的仿蛛网结构柔性传感器系统及系统。

背景技术：

1、海洋工程结构，如桥梁水下基础、码头桩基、海底管缆、水下机器人及其他水下装备，在服役过程中会受到波浪、流致振动、设备运转和外界冲击等多源激励影响。振动信号能够反映结构运行状态、外部扰动特征及潜在损伤信息，是水下结构健康监测与状态评估的重要信息载体。因此，水下振动监测对传感器的低频响应能力、柔性贴附能力、抗水下扰动能力以及长期稳定工作能力提出了较高要求。

2、现有振动监测通常采用电磁式、电容式、压电式、光纤式传感器以及基于加速度测量的方案。上述传感器在工业振动监测和结构健康监测中已有应用，但在水下低频、小幅振动场景中仍存在一定局限。例如，刚性传感器与被测曲面或柔性结构之间的贴合性不足，安装耦合条件较为苛刻；部分传感器系统结构复杂，对水下密封、抗水压和长期稳定性要求较高；同时，在低频响应灵敏度、抗冲击干扰能力和系统集成复杂度之间往往需要折中。

3、近年来，柔性振动传感器因具有良好的柔顺性、贴附性和形变适应能力而受到关注。现有柔性振动传感结构通常采用直线型导电路径、蛇形导电路径或规则网格状拓扑结构，通过导电层或敏感层在形变作用下产生电阻、电容或电压信号变化来实现振动检测。然而，这类结构的应力传递路径相对单一，振动能量在结构中的传递、耗散和应变集中缺乏有效调控，难以同时兼顾高灵敏传感、冲击后快速恢复和稳定低频响应。

4、对于水下振动监测而言，传感器不仅需要对目标振动信号具有较高响应，还需要降低水流扰动、非目标方向扰动和外部瞬态冲击对敏感区域的影响。现有柔性传感结构多将传感区域、支撑区域和缓冲区域作为整体连续结构处理，缺少面向振动传递、扰动衰减和信号转换的功能分区设计。当外部振动或冲击直接作用于敏感区域时，容易造成局部应变响应不一致、输出信号波动较大以及冲击后残余振动持续时间较长等问题，从而影响水下低频振动信号的稳定识别。

5、仿蛛网结构具有径向传力和环向耦合的拓扑特征，能够为振动能量的多路径传递、局部应变集中和外部扰动衰减提供结构基础。然而，现有仿生柔性传感结构多侧重于蛛网形状或网格外观本身，径向线、环向线和节点区域通常未根据不同力学功能进行区分设计，缺乏将外圈同心环结构作为减振单元、将内圈螺旋环结构作为传感协同单元、并通过径向结构连接二者形成振动传递路径的功能分区设计方式。同时，现有结构中敏感层往往连续覆盖于较大区域，敏感单元的布置位置缺少与径向传递路径和环向耦合节点之间的对应关系，难以保证多个敏感节点在振动作用下获得稳定且一致的局部应变响应。

6、此外，现有仿蛛网柔性传感结构的几何参数多依赖经验设计，对内圈结构、外圈结构、径向传递路径以及敏感节点位置之间的力学关系考虑不足，缺乏基于目标频段响应、冲击后恢复特性和节点应变一致性的结构设计依据。因此，其在10-100 hz水下低频振动范围内的选择性响应能力、抗冲击干扰能力和信号稳定性仍有进一步提升空间。

7、因此，有必要提供一种具有功能分区的用于水下振动传感的仿蛛网结构柔性传感器系统，通过构建外圈减振环、内圈传感环、径向传递路径和敏感节点之间的协同结构，并将压阻敏感单元布置于径向传递路径与内圈传感环交汇形成的敏感节点区域，实现外部振动的定向传递、冲击残余振动的衰减、敏感节点协同变形以及水下低频振动信号的稳定检测，以满足水下结构健康监测和水下装备振动感知的应用需求。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种用于水下振动传感的仿蛛网结构柔性传感器及系统，能提高水下振动信号捕捉能力和抗干扰能力。

2、本发明所采用的技术方案是：

3、一种用于水下振动传感的仿蛛网结构柔性传感器，包括柔性封装结构以及设置于所述柔性封装结构内部的仿蛛网功能传感层，所述仿蛛网功能传感层包括柔性基底层、设置于所述柔性基底层上的液态金属导电层，所述柔性基底层和液态金属导电层共同形成具有功能分区的仿蛛网结构；

4、所述功能分区的仿蛛网结构包括位于外侧区域的外圈减振环、位于内部区域的内圈传感环和多个径向传递路径以及敏感节点；内圈传感环设置于外圈减振环内，径向传递路径连接所述内圈传感环和外圈减振环，敏感节点位于所述径向传递路径与内圈传感环的交汇处，敏感节点区域上设有金属薄膜压阻敏感层。

5、优选地，所述外圈减振环包括多层同心环结构，用于调控外部振动或冲击输入后的振动传递和残余振动衰减。

6、优选地，所述内圈传感环包括多层阿基米德螺旋线结构，用于增强多个敏感节点之间的环向耦合和协同变形。

7、优选地，所述敏感节点位于所述径向传递路径与所述内圈传感环最外圈的交汇处，所述敏感节点数量为多个，并沿所述内圈传感环的周向间隔分布。

8、优选地，所述径向传递路径包括多条径向传递线，所述径向传递线由仿蛛网结构的外侧区域向内圈传感环延伸，用于将外部振动输入传递至内圈传感环及敏感节点区域。

9、优选地，所述金属薄膜压阻敏感层与所述液态金属导电层电连接，并具有贯穿所述金属薄膜压阻敏感层厚度方向的裂纹网络结构，所述裂纹网络在振动形变作用下发生可逆开合变化，从而产生电阻变化信号。

10、优选地，所述裂纹网络由对金属薄膜压阻敏感层进行预拉伸并释放应力后形成；

11、所述预拉伸方向为径向传递路径延伸方向，所述裂纹方向与预拉伸方向形成夹角；

12、所述裂纹方向垂直于所述预拉伸方向。

13、优选地，所述金属薄膜压阻敏感层为铂薄膜层；

14、所述液态金属导电层通过液态金属直写打印形成；

15、所述柔性基底层为柔性高分子材料层。

16、优选地，所述柔性封装结构形成密封空腔，所述仿蛛网功能传感层设置于所述密封空腔内；

17、所述柔性封装结构包括顶部封装层和底部支撑层，所述顶部封装层与底部支撑层粘接形成密封空腔，所述顶部封装层和底部支撑层为抗溶胀防水硅胶层。

18、一种水下振动监测系统，包括以上所述的用于水下振动传感的仿蛛网结构柔性传感器，与所述用于水下振动传感的仿蛛网结构柔性传感器电性连接的信号处理模块以及与所述信号处理模块通信连接的上位机系统；所述信号处理模块用于采集所述用于水下振动传感的仿蛛网结构柔性传感器输出的电阻变化信号，并对所述电阻变化信号进行放大、滤波及频域分析处理；所述上位机系统用于接收并显示所述信号处理模块输出的振动监测结果。

19、本发明的有益效果是：

20、1.本发明通过外圈减振环、内圈传感环、径向传递路径和敏感节点构成功能分区仿蛛网结构，使减振区域、传递区域、协同区域和信号转换区域在同一柔性结构中实现分工协同，从而提高水下振动信号捕捉能力和抗干扰能力。

21、2.本发明的外圈减振环采用同心环结构，能够调控外部振动或冲击输入后的振动传递和残余振动衰减，有利于降低冲击干扰对内部敏感节点的持续影响，提高水下动态扰动环境中的恢复稳定性；本发明的内圈传感环采用阿基米德螺旋线结构，能够增强多个敏感节点之间的环向耦合和协同变形，降低不同敏感节点之间的局部响应差异，提高输出信号稳定性；本发明将金属薄膜压阻敏感层局部设置于径向传递路径与内圈传感环交汇形成的敏感节点区域，使传感输出集中于结构响应稳定且可检测的局部应变位置，有利于提高低频、小幅振动信号的有效识别能力。