结构弯曲波的爆震感测和成像

可在www.sciencedirect.com在线获取ScienceDirectICTExpress 8（2022）494www.elsevier.com/locate/icte来自结构弯曲波的爆震感测和成像Sangyul Haa，Areum Jangb，Kyungjun Leec，Song，Seong-Ho Sonb，d，aPKG Development，SK Hynix，Icheon 17336，大韩民国b大韩民国，峨山31538，顺春香大学，信通技术融合系c韩国嘉川大学机械工程系，城南13120d韩国顺春香大学机械工程系，Asan 31538接收日期：2021年8月9日;接收日期：2021年10月24日;接受日期：2022年1月14日2022年1月25日在线提供摘要本文提出了一种新的敲击成像技术的人与物的接口。它允许任何物体使用自己的表面作为成像传感器。该方法是感测由爆震引起的结构弯曲波，并通过波信号的波束形成。为了验证这一点，我们准备了一个薄的压电传感器阵列上的方形板。性能通过测量重建图像中的波束峰值、波束宽度和旁瓣电平来评估。最后，一个真正的手指敲击测试演示，显示的图像重建的位置误差只有3毫米。版权所有2022作者。出版社：Elsevier B.V.代表韩国通信和信息科学研究所这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：阵列波束形成;弯曲波;图像重建;压电传感器;爆震检测1. 介绍在过去的几年中，用于人与物界面的触摸技术的发展是快速和革命性的。特别地，由于智能手机、平板电脑和各种信息设备的快速普及以及年轻一代对社交网络服务（SNS）的兴趣，人们正在关注触摸技术的发展目前使用的大多数触摸技术通常基于电阻、电容、红外和表面声波等方法[1，2]。其中，电阻型是最古老的感测方法，其通过对触摸区域处的电压进行采样来提取触摸坐标，该触摸区域通过按压力使两个导电层之间实际接触。在电容方法的情况下，其仅通过面板上的轻触摸来感测电容变化以估计触摸位置。然而，大尺寸的电容式触摸面板难以使用，因为由手指添加的对于红外触摸，它使用X-Y红外发光二极管阵列的*通讯作者。电子邮件地址：leek3@gachon.ac.kr（K.Lee），son@sch.ac.kr（S.-H. 儿子）。同行审议由韩国通信研究所负责教育与信息科学（KICS）。https://doi.org/10.1016/j.icte.2022.01.007该技术的原理是当红外不透明物体阻挡光束时识别触摸所以这个红外面板对灰尘和污垢非常敏感，这些灰尘和污垢会干扰红外光束。在表面声波方案中，超声波通过几个水平和垂直路径传播，如红外类型。手指触摸衰减了从所接触的波路径接收的信号强度，其通过手指触摸延迟的信号来定位触摸位置。最近，已经引入了一种基于电阻抗断层成像实现日常物体表面的触摸感测的方法[3，4]。表面应该涂有导电材料，并且用于注入电场的电极也附着在期望的交互区域周围以跟踪触摸。上述方法是主动类型的，其特别需要电路、电源和材料到被接触的物体的表面。虽然正在开发各种触摸方法，但由于每种方法的优缺点，尚未实现完美的触摸感测[2]。因此，必须不时地开发适合于每种应用的方法。另一方面，如果日常物体的表面本身就具有被动触摸传感器的功能，那么由于其多样性和方便性，它将为各种应用打开大门。例如，应用表面可以是我们想要的任何表面，例如书桌桌子，门，窗户，家具，墙壁，电器，汽车内饰等。2405-9595/© 2022作者。 由Elsevier B.V.代表韩国通信和信息科学研究所出版。这是一CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。S. 哈，A.张氏K.Lee等人ICT Express 8（2022）494495ˆ∑α∑1=−ii=| −|图二. 实验装置。(see 图 1（a）和图。2）。此外，爆震图像重建的延迟和总和（DAS）的接收阵列信号，它可以适用于曲面以及板。基于DAS算法[7，8]，在结构表面中的成像点r处的合成爆震信号s可以被描述为：图1.一、 爆震感测系统的基本概念。作为早期的相关工作，已经引入了一种通过将压电传感器附着到虚拟鱼缸的平板玻璃的四个角来估计爆震源位置的简单技术[5，6]。原则上，该方法基于结构弯曲（或挠曲）波，其在传播时使结构横向变形[1]。弯曲波比压缩波或剪切波更复杂，甚至取决于材料特性以及几何特性。此外，弯曲波很容易分散，因为不同的频率以不同的速度传播，并引起干扰。由于这些不利影响，通过弯曲波检测触摸位置是具有挑战性的。在本文中，我们提出了一种新的爆震传感系统，可以通过弯曲波信号的合成图像的爆震位置。特别是，我们专注于研究根据弯曲波频率和爆震位置的成像性能。所有这些研究都通过实验进行了验证。2. 方法如前所述，我们致力于重建定位施加到被动结构表面的爆震源的图像。为了检测由爆震冲击在表面上传播的弯曲波，使用压电传感器阵列Ms（r， t）s（tδ）（1）Mi=1其中，t表示时间，M表示阵列中的压电传感器的数量，si是各个压电传感器的原始测量数据的经处理的信号（稍后解释该方法），并且δi表示被调整以将传感器信号与成像点r对准的时移。根据从成像点到传感器i的绝对传播时间τi的差计算这些值，如下所示：δi=τi−min（τ）（2）其中绝对传播时间由下式确定：τi=|r−ri|（3）第一章其中v是弯曲波在结构表面中的传播速度，r r是 是几何距离， 成像点R和传感器I。这里，信号si是通过带通滤波器和窗函数从信号处理中获得的，以提取最佳信号，用作爆震图像重建的输入数据最后，从Eq.（1）可以计算如下：N−1I（r）=|s（r，t k）|（四）k=0其中N表示离散样本的总数，t k是离散样本索引k处的时间值，α是用于提高成像质量的超参数。在这项工作中，我们对α使用3，所得强度归一化为In（r）I（r）/max（I（r））。为了实验测试该方法，我们准备了简单的结构如图所示。二、要触摸的结构是一种透明的丙烯酸板。尺寸为400 mm× 400 mmS. 哈，A.张氏K.Lee等人ICT Express 8（2022）494496×表1按结构弯曲波频带重建图像的比较。500 - 600 100 25 0.08900 1000 100 15 0.241200 1300 100 11 0.44500 1000 500 16 0.16a门槛值0.9。b根据归一化值1。图3.第三章。 从压电传感器阵列测量的信号的示例。厚度为5mm，四角固定。8个直径为20 mm的超薄压电振膜（Murata 7 BB-20- 6L 0）以边长为116 mm的正八边形附着在板表面上。这使得300 mm的成像区域为300 mm。压电传感器信号由数据采集（DAQ）模块（KeysightU2331 A）获得。所用的采样率为50 kHz，电压输入模式设置为差分，使用两个输入通道，以更好地测量结构弯曲波引起的电压变化。首先，仅从DAQ模块测量的原始信号数据中提取指定频带的信号。然后，信号窗口只提取开始信号的一部分。这是因为波的到达时间（ToA）信息在信号的开始处，并且在此之后的信号可能包括不想要的干扰，诸如结构的边缘反射。对于原始信号的带通滤波和加窗，我们分别使用MATLAB提供的带通函数和布莱克曼函数。整个算法的流程图如图11所示。第1段（b）分段。因此，合成弯曲波信号的所得强度图是识别爆震位置的最终图像。3. 结果首先进行实验，其中金属球（直径10 mm，重量8.4 g）从一定高度（100 mm）落下，每次对板产生恒定的冲击。如图2、为了正确的落球在目标位置，它被附接到电磁体，并且当测量开始时被分离。图3示出了当金属球落在板的中心时由压电传感器S1测量的信号的示例。结果表明，在时域中，高频信号在开始时很强，然后随着信号的快速衰减出现低频信号。根据通过快速傅立叶变换（FFT）的频域，可以看出存在各种频率（55 Hz、380 Hz、555 Hz等）的弯曲波。该频率与结构的机械共振频率有关。然后，在500至1000 Hz的频带中的信号 从原始信号中提取，然后通过Blackman窗口提取前5 ms该信号处理步骤是为爆震位置的成像准备信号（见图1）。 2（b））。作为下一步，我们已经研究了根据频带的爆震图像重建的特性和性能。在第一个测试中，我们把金属球放在盘子的中心。在图4中，重建图像的强度水平以三维可视化，以便像光束图案一样容易观察。考虑波束峰值、波束宽度和旁瓣电平，对重建图像的性能进行了评价。这些指标分别表示爆震的估计位置、有效爆震区域的空间分辨率和背景区域的噪声水平。根据指标，评价结果汇总于表1。结果表明，用于图像重建的信号频率越高，代表有效爆震区的波束宽度越窄。换句话说，更高的频率提供更高的空间分辨率。然而，较高频率的信号对图像质量不利，因为它们增加了背景区域中的旁瓣电平。这使得识别爆震位置变得困难。因此，这意味着选择合适的频带对于良好的图像重建至关重要。对于这个实验系统，我们选择的频带为500至1000 Hz，同时表现出一个窄的波束宽度（16毫米，在阈值水平0.9）和一个低旁瓣电平（0.16的标准化值为1），比较。频率带宽波束宽度a最大频带（Hz）（赫兹）（毫米）旁瓣电平b300∼400100350.07S. 哈，A.张氏K.Lee等人ICT Express 8（2022）494497××图四、根 据 结 构 弯 曲 波 的 频 带 重建图像（强度级）。图五、根 据 应 用 于 结 构 表 面 的 敲 击 位 置 重建图像（强度图）。性能总结在表2中。波束宽度和旁瓣电平几乎不随爆震位置变化。此外，位置误差在约3mm内，考虑到实验公差，这是最后，进行手指敲击试验。实验场景和产生的爆震图像如图6所示。结果与金属球的跌落试验结果几乎相同。指示爆震区域的波束宽度为18 mm，旁瓣电平为0.16，位置误差为3 mm（目标为蓝色的“o”，估计值为红色的“x”，而白色的因此，我们通过实验证实，所提出的爆震成像技术即使在用真实手指在被动结构表面上敲击的情况下也能很好地工作。4. 结论见图6。是用真手指做的爆震测试。(For对本图图例中所指颜色的解释，读者可参考本文的网络版。）表2根据施加在结构表面上的爆震位置的重建图像的比较。在本文中，我们提出了一个创新的爆震传感系统，允许被动结构表面本身的行动作为爆震成像传感器。这简单地通过合成由爆震冲击产生的结构表面的弯曲波信号来实现。在这里，我们只使用了一个薄的压电传感器阵列来检测弯曲波，而没有在表面上使用更复杂的电子电路。在尺寸为400 mm的亚克力板上实验验证了其可行性和性能在使用实际手指的敲击测试中，（0，50）(50，50）a门槛值0.9。（-47，0）（3，0）15 0.22的位置误差为3 mm，有效爆震直径为18 mm，背景噪声水平为0.16基于300 mm 300 mm传感区域中的1在今后，在这项工作的基础上，我们计划将研究扩展到多次撞击和低速撞击，如推b根据归一化值1。c手指敲击试验。基于上述处理条件，我们根据撞击位置进行图像重建。结果图像如图所示。5、评价结构表面的各种表面几何形状和材料。CRediT作者贡献声明Sangyul Ha：方法论，调查，写作。张庭：方法论，调查。Kyungjun Lee：正式爆震位置（mm）估计位置（mm）位置误差（mm）光束宽度a（mm）最大旁瓣电平b（0，0）（−1，−2）（−1，−2）160.16（-50，0）（−1，48）(51（见第51段）（−1，−2）（1，1）15170.190.23S. 哈，A.张氏K.Lee等人ICT Express 8（2022）494498分析，写作，可视化，资金获取。孙成浩：概念化，写作，监督，资金获取.竞合利益作者声明，他们没有已知的可能影响本文所报告工作致谢这项工作得到了嘉川大学研究基金和顺春香大学研究基金的支持。引用[1] G. Walker，A review of technologies for sensing contact location显示 器 的 表 面 ， J.Soc.Inf.Disp.20 （ 8 ） （ 2012 ）413http://dx.doi.org/10.1002/jsid.100[2] H.南，K- H. Seol，J. Lee，H. Cho，S.W. Jung，电容式触摸屏技术综述：概述、研究趋势和机器学习方法，传感器21（2021）4776，http://dx.doi.org/10.3390/s21144776。[3] Y. Zhang，G.拉普特角Harrison，Electrick：使用电场断层扫描的低成本触摸传感，在：ACM CHI 2017，丹佛，2017年，第100页。1http://dx.doi.org/10.1145/3025453.3025842[4] X. Duan，S. Taurand，M. Soleimani，人工皮肤通过超传感方法和电阻抗数据从导电织物与深度学习的帮助，科学。Rep. 9（2019）8831，http://dx.doi.org/10.1038/s41598-019-45484-6。[5] N. Replika，一种用于跟踪和表征大型交互表面上的声学影响的系统，（硕士论文），麻省理工学院电气工程和计算机科学系，剑桥，MA，2001，可获得：http://hdl.handle.net/1721.1/86650。[6] J.A.帕拉迪索Leo，N. Replika，K.萧，互动式窗户之被动式声震追踪 ， 于 ： ACMCHI2002 ， Minneapolis ， 2002 ， pp.732http://dx.doi.org/10.1145/506443.506570[7] M.A. Elahi等人，共焦微波成像的图像重建算法评价：患者数据应用，传感器18（2018）1678，http://dx.doi.org/10.3390/s18061678。[8] M. Nebe等人，复合材料压力容器在内压加载过程中的力学响应分析：有限元建模和实验相关性，复合材料B 212（2021）108550，http：//dx。doi.org/10.1016/j.compositesb.2020.108550网站。