Development of a metamaterial based vibration detection sensor

Abstract

Bu çalışma, mekanik titreşim genliklerini tespit etmek için kendi kendini sürdürebilen yeni bir metamalzeme tabanlı sensörün geliştirilmesini sunmaktadır. Sensör, her bir dielektrik malzeme üzerinde sırt sırta konumlandırılmış Bölünmüş Halka Rezonatörleri (SRR) konfigürasyonlarına sahip iki FR-4 alt katmandan oluşur. Plakalar arasındaki aralıktaki değişikliğin bir sonucu olarak elektrik alanı değişir ve bu olay sistemin rezonans frekansları değişmesine sebep olur. Tasarlanan sensör, frekans kayması ile titreşim genliğine dolaylı olarak bağlı olan yansıtılan veya emilen alanın genliğindeki değişim arasındaki ilişkiye dayanmaktadır. Sistem, mevcut GSM operatörlerinin kullandığı 1,8 GHz bandında rezonansa girecek şekilde tasarlanmıştır, bu da kendi kendini sürdürebilen bir sensör yaratır. İki katman arasındaki mesafe ile rezonans frekanslarındaki kaymalar arasında bir ilişki elde edilmiştir. Aralıktaki bu değişiklik, titreşim genlikleri ile doğrudan ilişkilendirilebilir. Sensör imal edilmiştir ve elde edilen yansıma katsayıları ölçümleri teorik sonuçlarla iyi bir uyum göstermektedir. Giriş titreşim genlikleri ile yansıyan elektromanyetik dalgalardaki değişiklikler arasındaki kalibrasyon deneysel olarak elde edildi. Bir depremden kaynaklanan mekanik titreşimden dolayı iki katman arasındaki boşluk değişimi ve yansıma katsayılarında ortaya çıkan değişiklikler arasındaki ilişkiyi simüle etmek amacıyla bir titreşim masası tasarlanmıştır. Cihazın, bir binanın potansiyel olarak tehlikeli titreşimlere karşı yapısal direncini ölçen bir uyarı sisteminin bir parçası olabilme potansiyeli vardır. Simülasyon bulguları ile ölçümlerin birbiriyle büyük ölçüde uyum içinde olduğu gözlemlenmiştir.

The current work presents the development of a new self-sustainable metamaterial-based sensor for detecting mechanical vibration amplitudes. The sensor is composed of two FR-4 substrate layers with back-to-back configurations of Split Ring Resonators (SRR) on each substrate. The electric field is altered because of the change in the spacing between the plates, which causes the resonance frequencies of the entire system to be altered. The designed sensor is based on the relationship between the frequency shift and the change in the amplitude of the reflected or absorbed field, which is indirectly connected to the vibration amplitude. The system is designed to resonate in the available GSM band, which results in a self-sustainable sensor. A relationship between the spacing between the two layers and the shifts in the resonance frequencies has been obtained. This change in spacing can be directly correlated with the vibration amplitudes. The sensor is fabricated and the obtained measurements of reflection coefficients show good matching with the theoretical results. The calibration between the input vibration amplitudes and the changes in the reflected electromagnetic waves is obtained experimentally. A vibrating table is designed to simulate the relationship between the mechanical vibration resulted from an earthquake, the spacing between the two layers and the resulted changes in the reflection coefficients. The developed sensor can be integrated into a warning system to measure the structural resistance of the building to potentially dangerous vibrations. The findings of the simulation and the measurements are found to be in a good match.