CN101904733B

CN101904733B - 无线能量传输系统及方法

Info

Publication number: CN101904733B
Application number: CN201010189260XA
Authority: CN
Inventors: 孙天佳; 谢翔; 李国林; 谷荧柯; 王自强; 张春; 王志华
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2010-05-24
Filing date: 2010-05-24
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2030-05-24
Also published as: CN101904733A

Abstract

本发明公开了一种无线能量传输系统，包括图像采集与存储设备，用于在生物体腔内进行图像数据的采集与存储，图像读取设备，用于在生物体腔外读取所述该图像采集与存储设备中存储的图像数据；图像读取设备内安装有能量发射装置与能量中继装置，图像采集与存储设备内安装有能量接收装置，能量发射装置包括发射线圈，能量中继装置包括共振线圈，能量接收装置包括接收线圈，共振线圈能够在发射线圈所发射的电磁波频率上产生共振，接收线圈能够接收共振后的电磁波，从而驱动所述图像采集与存储设备工作。还公开了一种利用上述系统进行无线能量传输的方法。本发明的技术方案能无线能量传输的效率，降低发射功率和总功耗低，节能环保。

Description

无线能量传输系统及方法

技术领域

本发明涉及医用内视镜技术领域，尤其涉及一种无线能量传输系统及方法。

背景技术

内视镜检查技术是目前消化道疾病最有效的检查手段，原有的常规内视镜检查技术由于都带有引导插管，不仅给系统操作带来很多不便，也给患者带来了很大的不适和痛苦，同时由于采用的是有线传输，也导致常规内视镜检查的部位受到局限，无法实现对小肠部位的检查等。随着微电子技术、MEMS(Micro Electro Mechanical systems，微电子机械系统)技术的发展，出现了口服内视镜系统，解决了小肠盲区的内视镜检查问题，但现有的临床口服内视镜产品仅采用了1个或者2个摄像设备，其前进动力主要靠消化道的蠕动，一般采用2帧/秒的图像采集帧率，因此在对消化道腔体，特别是在胃和大肠等大腔体内进行拍照时，腔体部位遗漏拍摄图像的现象会比较严重；另外，系统需要患者在进行消化道检查时佩带无线接收设备，导致患者的日常活动受到一定的限制，而且由于体外接收设备还需要有多根天线在检查前放置在患者的指定部位，这需要专业人员进行操作，还给患者带来了不适，同时多天线的存在也导致了系统的不稳定性增加，而且采用的无线数据传输技术的口服内视镜还存在接收灵敏度问题，影响接收到的图像的质量。

针对上述不足，申请号为200910080350.2的中国发明专利申请中提出了一种用于生物体腔内的全视角图像采集和存储系统。尽管该些发明专利申请中使用了多个发射线圈与接收线圈，但其本质均为两线圈结构，即存在发射线圈与接收线圈。这种结构由于发射线圈与能量源内阻串联，接收线圈与负载串联，导致该种结构中的线圈均有较大的等效内阻，线圈均处于较低的品质因数的情况。根据电路理论可知，较低的品质因数不利于无线能量的传输。为了使能量接收端获得足够的能量，能量发射端不得不以较大的功率发射能量，造成能源的浪费，且在空间中造成了不必要的电磁污染。

综上所述，现有的用于生物体腔检查的无线能量传输系统能量效率低，不必要的浪费了能源，且在空间中造成了不必要的电磁污染。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的要解决的技术问题是：如何提高无线能量传输系统的能量传递效率，降低系统的发射功率和系统的总功耗。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提出了一种无线能量传输系统，包括图像读取设备和图像采集与存储设备，所述图像采集与存储设备用于在生物体腔内进行图像数据的采集与存储，所述图像读取设备用于在生物体腔外读取所述该图像采集与存储设备中存储的图像数据；

所述图像读取设备内安装有能量发射装置与能量中继装置，所述图像采集与存储设备内安装有能量接收装置，所述能量发射装置包括发射线圈，所述能量中继装置包括共振线圈，所述能量接收装置包括接收线圈，所述共振线圈能够在发射线圈所发射的电磁波频率上产生共振，所述接收线圈能够接收共振后的电磁波，从而驱动所述图像采集与存储设备工作。

其中，所述发射线圈或接收线圈包括分别布置于三维空间的三个坐标平面的线圈。

其中，所述能量发射装置还包括振荡器、功率放大器及第一匹配网络，所述功率放大器用于将所述振荡器发出的电信号放大后利用放大后的电信号驱动所述发射线圈发射出电磁波，所述第一匹配网络用于使与其配套的发射线圈工作在谐振状态。

其中，所述能量中继装置还包括与所述共振线圈配套的第二匹配网络，所述第二匹配网络用于使与其配套的共振线圈工作在谐振状态，其谐振频率与所述发射线圈发射的电磁波频率相同或相近，以使得共振线圈能够在发射线圈所发射的电磁波频率上产生共振。

其中，所述能量接收装置还包括与所述接收线圈配套的第三匹配网络、整流器和稳压器，所述整流器用于在所述接收线圈接收到共振后的电磁波之后，将接收线圈感应出的交流电转换为直流电，然后通过所述稳压器对该直流电进行稳压，所述第三匹配网络用于使与其配套的接收线圈工作在谐振状态，其谐振频率与所述发射线圈发射的电磁波频率相同或相近，以使得接收线圈能够在发射线圈所发射的电磁波频率上产生共振。

其中，所述发射线圈、共振线圈或接收线圈为环形或多边形。

本发明还提供了一种利用上述系统进行无线能量传输的方法，包括以下步骤：

首先利用所述图像采集与存储设备在生物体腔内采集图像数据并存储；

然后将所述图像采集与存储设备取出并放入所述图像读取设备中，利用所述图像读取设备对所述图像采集与存储设备进行供电，从而使所述图像读取设备能够读取所述该图像采集与存储设备中存储的图像数据。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：通过在图像读取设备内设置发射线圈，在图像采集与存储设备内设置接收线圈，并在发射线圈与接收线圈间增加共振线圈，使得共振线圈可以随发射线圈所发射的电磁波共振，从而增强所发射磁场的强度，从而提高了从发射线圈到接收线圈的能量传递效率，从而降低系统的发射功率和系统的总功耗，达到节能的效果。该系统和方法尤其适用于生物体腔检查，也可以用于其它技术领域。

附图说明

图1为本发明实施例的系统的使用示意；

图2为本发明实施例的系统的结构示意图及其中的图像读取设备与图像采集与存储设备的能量及信号交互原理示意；

图3为本发明实施例的无线能量传输系统电路原理图；

图4为本发明实施例的无线能量传输系统的空间结构俯视图；

图5为本发明实施例的无线能量传输系统的空间结构侧视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

体腔(尤指人体体腔)内检查用图像读取系统主要由两个部分组成，分别是图像采集与存储装置，以及图像数据读取装置(还可以包括图像处理工作站)。该系统的使用示意如图1所示(从图中也可看出利用该系统进行图像采集与读取的方法)。首先生物体吞入图像采集与存储设备。在人体消化道内，图像采集与存储设备依靠其中的电池工作拍摄并存储图像。在其排出生物体后置入图像读取设备中。由于经过在体内的图像拍摄与存储，图像采集与存储设备中所携带的电池通常已耗尽。为了读取其中存储的体内的图像数据，系统需要依靠图像读取设备为其供电，从而读取其中的图像数据。图像数据会被最终传送到图像处理工作站上，医师会通过图像处理工作站检查图像并给出专业的判断。

图像读取设备为图像采集与存储设备提供电能并读取其中图像数据的原理如图2所示。图中包括两个部分，分别是图像采集与存储装置和图像数据读取设备。当图像采集与存储设备被放置于图像读取设备中时，图像读取设备中的振荡器可以产生一个震荡的电信号，并由功率放大器放大后送入发射线圈。发射线圈中在交流信号的激励下在空间中激发交流电磁场。由于共振线圈的谐振频率与发射线圈所发射的电磁波频率相同或相近，共振线圈会跟随发射线圈震荡，增强空间中电磁场的强度。而图像采集与存储设备中的接收线圈会接收电磁波并转化为可用的电能供其中的图像读取工作电路使用。当图像读取设备向图像采集与存储设备发送读取数据的指令后，图像采集与存储设备会返回其中存储的图像数据到图像读取设备。

通过电磁波传递电能是无线能量传输的一种方式。能量发射端通过发射线圈在空间中发射电磁波。接收线圈在空间中捕获电磁波并将其转换为可用的直流电能。这种发射接收的方式可以成为两线圈方式，即存在发射线圈与接收线圈。这种结构由于发射线圈与能量源内阻串联，接收线圈与负载串联，导致该种结构中的线圈均有较大的等效内阻，线圈均处于较低的品质因数的情况。根据电路理论可知，较低的品质因数不利于无线能量的传输。为了使能量接收端获得足够的能量，能量发射端不得不以较大的功率发射能量，造成能源的浪费，且在空间中造成了不必要的电磁污染。

针对能量传递效率较低的问题，本发明实施例提出在发射线圈和接收线圈之间设置一个共振线圈。根据物理学规律，当物体之间产生共振时，能量更容易从一个物体传送到另一个物体，故当在发射线圈和接收线圈之间设置一个共振线圈时，共振线圈会在发射线圈所发射的电磁波频率上产生强烈的共振，从而增加空间中的磁场强度，从而提高接收线圈在空间中所捕获的能量。且共振线圈不与外界有直接的电器连接，只能通过电磁感应间接连接能量源内阻以及负载，故其等效内阻更小，线圈的品质因数更高。根据电路理论，高的品质因数有利于能量传输效率。

本发明实施例的系统的电路结构如图3所示，主要包括发射侧(包括能量发射装置与能量中继装置)和接收侧(即能量接收装置)，所述发射侧包括交流能量源、能量源内阻、谐振电容、发射线圈、发射线圈内阻、共振线圈、共振线圈内阻、以及谐振电容。所述接收侧包括接收线圈，接收线圈内阻，以及负载。通过理论计算，可以得到在接收侧的理论电流值为

I = \frac{U_{s} \cdot ω^{2} M_{12} M_{23}}{(R_{S} + R_{1}) R_{2} (R_{3} + R_{L}) + ω^{2} M_{12}^{2} (R_{3} + R_{L}) + ω^{2} M_{23}^{2} (R_{S} + R_{1})} - - - (1)

其中，R_s代表能量源内阻，R₁代表发射线圈内阻，R₂代表共振线圈内阻，R₃代表接收线圈内阻，R_L代表负载阻值，M₁₂代表发射线圈与共振线圈之间的互感，M₂₃代表共振线圈与接收线圈之间的互感，ω代表交流电角频率，U_s代表能量源的电压峰峰值。

如果我们用耦合系数k以及品质因数Q表达接收侧的电流，那么接收侧的电流可以改写为

I = \frac{U_{s} \cdot ω^{2} k_{12} k_{23} L_{2} \sqrt{L_{1} L_{3}} \cdot Q_{1} Q_{2} Q_{3}}{ω^{3} L_{1} L_{2} L_{3} + ω^{3} k_{12}^{2} Q_{1} Q_{2} L_{1} L_{2} L_{3} + ω^{3} k_{23}^{2} Q_{2} Q_{3} L_{1} L_{2} L_{3}} - - - (2)

其中，L₁、L₂、L₃分别为发射线圈、共振线圈和接受线圈的电感，Q₁、Q₂、Q₃分别为发射线圈、共振线圈和接受线圈的品质因素，k₁₂代表发射线圈与共振线圈之间距离的耦合系数、k₂₃代表共振线圈与接收线圈之间距离的耦合系数。

当k₁₂ ²Q₁＝k₂₃ ²Q₃时，接收侧电流达到最大值，

I_{MAX} = \frac{k_{12} k_{23} \cdot Q_{2} \sqrt{Q_{1} Q_{3}}}{1 + 2 k_{12} k_{23} \cdot Q_{2} \sqrt{Q_{1} Q_{3}}} \cdot \frac{U_{s}}{\sqrt{(R_{s} + R_{1}) (R_{3} + R_{L})}} - - - (3)

可记为，

I \leq \frac{X}{1 + 2 X} \cdot \frac{U_{s}}{\sqrt{(R_{S} + R_{1}) (R_{3} + R_{L})}}

X = k_{12} k_{23} \cdot Q_{2} \sqrt{Q_{1} Q_{3}} - - - (4)

考虑能量效率较低的情况，即发射线圈与接收线圈之间的距离有较小的耦合系数，并且发射线圈与接收线圈的品质因数较低，那么耦合系数k₁₂，k₂₃，品质因数Q₁，Q₃均为较小的值。根据公式(4)可知，系统效率受到负面影响。但是同时根据公式(4)可知，当共振线圈的品质因数Q₂提高时，系统效率会提高。事实上，共振线圈具有很高的品质因数，因为该共振线圈是一个与外界无直接电器连接的线圈。发射线圈由于串联了电源内阻而引起品质因数Q₁的下降。接收线圈由于串联了负载电阻而引起品质因数Q₃的下降，但这些电阻只能通过电磁耦合间接影响共振线圈，故共振线圈具有很低的等效内阻，故具有很高的品质因数Q₂，故改善了无线能量传递的效率。

通过以上分析，我们知道当共振线圈存在时，经过适当的设计，能量传递效率可以被有效提高，从而降低发射功率，节省能源。

以下举例说明本发明的实施例。

实施例1：

一种存在共振线圈的无线能量传输系统如图4，图5所示。其中图4为该系统的俯视图，图5为该系统的剖面侧视图。如图4所示，中央球体为图像采集与存储设备，中央球体中的圆环表示接收线圈。该接收线圈的直径等于或小于中央球体的直径。中央球体外五个方向上每个方向上均安装有两个线圈，它们分别是发射线圈与共振线圈。发射线圈均通过线缆端接功率放大器以及振荡器。如图5所示，所述振荡器和功率放大器可以放置于发射线圈外围或者位于中央球体下方，五个共振线圈与其它物体无直接的电器连接。当系统工作时，五个发射线圈分为三组轮流工作。第一组为水平面上正对的两个发射线圈。第二组为水平面上另外两个正对的发射线圈。第三组是位于中央球体下方的发射线圈(未示出)。当五个发射线圈轮流工作时，会激起与其配套的中间的共振线圈随之产生共振。共振线圈中的电流会增强空间中的电磁场强度，从而使位于中央球体内的接收线圈获得更多能量，从而驱动系统工作。由该五个线圈组成的发射线圈可以在中央球体所在空间位置中产生三个正交方向的磁场。这种工作方法可以保证无论接收线圈的朝向如何，接收线圈中都必然存在磁通量，无线能量传输都可以进行，且具有较高的能量传递效率。

以上所述仅是本发明的实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种无线能量传输系统，其特征在于，包括图像读取设备和图像采集与存储设备，所述图像采集与存储设备用于在生物体腔内进行图像数据的采集与存储，所述图像读取设备用于在生物体腔外读取所述该图像采集与存储设备中存储的图像数据；

所述图像读取设备内安装有能量发射装置与能量中继装置，所述图像采集与存储设备内安装有能量接收装置，所述能量发射装置包括发射线圈，所述能量中继装置包括共振线圈，所述能量接收装置包括接收线圈，所述共振线圈能够在发射线圈所发射的电磁波频率上产生共振，所述接收线圈能够接收共振后的电磁波，从而驱动所述图像采集与存储设备工作；

所述发射线圈的品质因素、接收线圈的品质因素、发射线圈与共振线圈之间距离的耦合系数，以及共振线圈与接收线圈之间距离的耦合系数这四者之间的关系设为：k₁₂ ²Q₁＝k₂₃ ²Q₃，其中，Q₁、Q₃分别为发射线圈、接收线圈的品质因素，k₁₂代表发射线圈与共振线圈之间距离的耦合系数、k₂₃代表共振线圈与接收线圈之间距离的耦合系数。

2.如权利要求1所述的无线能量传输系统，其特征在于，所述发射线圈或接收线圈包括分别布置于三维空间的三个坐标平面的线圈。

3.如权利要求1所述的无线能量传输系统，其特征在于，所述能量发射装置还包括振荡器、功率放大器及第一匹配网络，所述功率放大器用于将所述振荡器发出的电信号放大后利用放大后的电信号驱动所述发射线圈发射出电磁波，所述第一匹配网络用于使与其配套的发射线圈工作在谐振状态。

4.如权利要求1所述的无线能量传输系统，其特征在于，所述能量中继装置还包括与所述共振线圈配套的第二匹配网络，所述第二匹配网络用于使与其配套的共振线圈工作在谐振状态。

5.如权利要求1所述的无线能量传输系统，其特征在于，所述能量接收装置还包括与所述接收线圈配套的第三匹配网络、整流器和稳压器，所述整流器用于在所述接收线圈接收到共振后的电磁波之后，将接收线圈感应出的交流电转换为直流电，然后通过所述稳压器对该直流电进行稳压，所述第三匹配网络用于使与其配套的接收线圈工作在谐振状态。

6.如权利要求1～5之任一项所述的无线能量传输系统，其特征在于，所述发射线圈、共振线圈或接收线圈为环形或多边形。

7.一种利用权利要求1～5之任一项所述的系统进行无线能量传输的方法，其特征在于，包括以下步骤：