CN105450265B - 水下信电耦合非接触式双向传输接插件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下信电耦合双向非接触式传输接插件，分为插头和插座两个部分。插头和插座为两个独立的密闭防水耐压腔体，电路元件放置在腔体中。插头和插座是可互换的，分别连接在电能和信号接收以及发送设备上，工作时将两者相互靠近，电能和信号通过该接插件在发送和接收设备之间进行传输。输入和输出的电能均可为直流或交流。该接插件的电能和信号传输均采用电磁感应的基本原理，可将信号的高频载波注入电能传输的交流载波中，通过耦合线圈传输到另一端，再在另一端进行提取。电能的传输频率和传输模块上谐振补偿电容值均可通过信号实时调节，使传输效率始终处于最高状态。该接插件可用于任意海域任意水深中，使用稳定、寿命长、效率高。

Description

水下信电耦合非接触式双向传输接插件

技术领域

本发明属于深海信电传输技术领域，涉及一种水下接插件，尤其涉及一种水下信电耦合非接触式双向传输接插件。

背景技术

随着人们对海底观测的不断深入，水下设备的运用也日益广泛。

水下设备存在复杂而密切的相互联系，需频繁进行相互之间的电能传输和信号通信。当水下设备需要进行电能和信号传输时，需要使用物理线路连接，而这些物理线路进行相互连接或连接到设备上时，就需要广泛使用一种功能类似于陆地上使用的插头和插座的“水下接插件”。

电能和信号传输可分为接触式和非接触式两种基本原理。目前使用的水下接插件是采用了接触式的传输原理，它是通过挤压的方式挤出插座和插针中的水分从而实现不漏电的水下电气连接，然而其在深海环境的应用中暴露出了如插拔操作难、使用次数有限、存在安全隐患等诸多缺点。采用非接触式的原理可以克服上述缺点，然而，由于非接触这一原理的限制，传输效率、传输速率等通常无法达到接触式原理的水平。本发明所述的水下感应式电能和信号同步高效传输接插件，其电能和信号均采用耦合线圈进行传输，结构紧凑、传输高速稳定、抗干扰能力强。电能传输可通过信号和内部程序进行控制，传输功率可调，并可通过改变电路参数获得最高的传输效率，以获得最佳的传输性能。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种水下信电耦合非接触式双向传输接插件，该接插件基于非接触式电能和信号传输技术理论，可应用于全海域任意水深环境下，克服了有电气接触的水下湿插拔接插件的缺点，具有传输效率高、插拔操作简单、使用寿命长、安全可靠性高等优点。

本发明的水下信电耦合非接触式双向传输接插件，包括插头和插座；

插头包括：

第一壳体、第一磁芯套、第一磁芯线圈及第一水密缆；第一壳体为一端封闭的圆筒，封闭端开有水密螺纹孔，用以连接第一水密缆，开放端与第一磁芯套通过密封圈密封连接形成第一密闭腔体，用以放置插头内部电路，第一磁芯线圈通过胶灌封固定于第一磁芯套内；

所述的插头内部电路包括：

第一信号处理模块，该模块包含信号调制单元、信号解调单元及控制单元；信号调制单元、信号解调单元及控制单元三者相互连接；

第一补偿数字可编程电容、第一逆变模块、第一直流稳压输出模块和第一交流稳压输出模块；

第一补偿数字可编程电容的一端与第一逆变模块相连，第一补偿数字可编程电容的另一端与第一磁芯线圈相连，第一补偿数字可编程电容用以补偿交流电传输的谐振状态；

第一信号处理模块的控制单元与第一补偿数字可编程电容信号连接，用以调控第一补偿数字可编程电容的电容值；

第一信号处理模块的控制单元与第一逆变模块信号连接，用以通过信号调节第一逆变模块的工作频率并控制其通断；

第一信号处理模块的控制单元与第一直流稳压输出模块和第一交流稳压输出模块均信号连接，可控制两者通断；

插座包括：

第二壳体、第二磁芯套、第二磁芯线圈及第二水密缆；第二壳体为一端封闭的圆筒，封闭端开有水密螺纹孔，用以连接第二水密缆，开放端与第二磁芯套通过密封圈密封连接形成第二密闭腔体，用以放置插座内部电路；第二磁芯线圈通过胶灌封固定于第二磁芯套内；

所述的插座内部电路包括：

第二信号处理模块，该模块也包含信号调制单元、信号解调单元及控制单元；信号调制单元、信号解调单元及控制单元三者相互连接；

第二补偿数字可编程电容、第二逆变模块、第二直流稳压输出模块和第二交流稳压输出模块；

第二补偿数字可编程电容的一端与第二逆变模块相连，第二补偿数字可编程电容的另一端与第二磁芯线圈相连，第二补偿数字可编程电容用以补偿交流电传输的谐振状态；

第二信号处理模块的控制单元与第二补偿数字可编程电容信号连接，用以调控第二补偿数字可编程电容的电容值；

第二信号处理模块的控制单元与第二逆变模块信号连接，可通过信号调节第二逆变模块工作频率并控制其通断；

第二信号处理模块的控制单元与第二直流稳压输出模块和第二交流稳压输出模块均信号连接，可控制两者通断；

上述技术方案中，所述的第一磁芯线圈的外侧端面与第一磁芯套的开口端面内圈平齐；第二磁芯线圈的外侧端面与第二磁芯套的开口端面内圈平齐。以便于插头和插座端的磁芯线圈能相互贴近，两线圈具有较大的耦合系数。

所述的第一磁芯套的开口端及第二磁芯套的开口端还设有相吻合的导向结构，以使第一磁芯线圈与第二磁芯线圈对接。

本发明的接插件，插头通过水密缆接在一台设备上，插座通过水密缆接在另一台设备上。使用时将插头和插座相互靠近，电能和信号即可在插头和插座相连接的设备之间双向传输。电能和信号均利用电磁感应的基本原理传输。信号通过高频载波注入电能传输的交流载波中，两者共同通过相互耦合的线圈进行传输，电能和信号可以同时传输且不会相互干扰。

本发明的接插件不仅可以让两台设备能够双向通信，交换信息，还可以同时对电能传输起到控制作用。在输入电能为直流时，插头或插座端的信号处理模块，可以根据需要选通各自连接的逆变模块，将直流转变成为交流以便通过耦合线圈进行传输。在需要输出直流或交流电能时，插头或插座端的信号处理模块可以选通插头或插座端的直流或交流稳压输出模块，以获得稳定的直流或者交流输出。

在电能传输过程中，电能和信号的传输的频率，以及电路中的谐振补偿电容值均可通过信号处理模块实时调节，使电路始终工作在最高效率及最佳状态下。此外，这种非接触式的传输方式还避免了物理线路接触，消除了线路老化、漏电短路等安全隐患，且对安装和密封要求降低，插拔操作方便，使用寿命长。

附图说明

图1是本发明水下信电耦合双向非接触式传输接插件的结构示意图；

图2是接插件中的内部电路原理示意图。

具体实施方案

下面结合附图对本发明作进一步说明，图中相同的零件均有相同的标号。以下给出的实现方法是完整可行的，但实现方法不仅限于此。

该接插件分为插头和插座两大独立的部分，其外形结构、内部电路及功能基本相同，仅在第一磁芯套20，第二磁芯套70这两部分结构上有显著区别，以方便对接时的配合。

接插件具体结构为包括插头和插座；

插头包括：

第一壳体10、第一磁芯套20、第一磁芯线圈30及第一水密缆50；第一壳体10为一端封闭的圆筒，封闭端开有水密螺纹孔，用以连接第一水密缆50，开放端与第一磁芯套20通过密封圈密封连接形成第一密闭腔体，用以放置插头内部电路，第一磁芯线圈30通过胶灌封固定于第一磁芯套20内；

所述的插头内部电路包括：

第一信号处理模块41，该模块包含信号调制单元、信号解调单元及控制单元；信号调制单元、信号解调单元及控制单元三者相互连接；

第一补偿数字可编程电容42、第一逆变模块43、第一直流稳压输出模块44和第一交流稳压输出模块45；

第一补偿数字可编程电容42的一端与第一逆变模块43相连，第一补偿数字可编程电容42的另一端与第一磁芯线圈30相连，第一补偿数字可编程电容42用以补偿交流电传输的谐振状态；

第一信号处理模块41的控制单元与第一补偿数字可编程电容42信号连接，用以调控第一补偿数字可编程电容的电容值；

第一信号处理模块41的控制单元与第一逆变模块43信号连接，用以通过信号调节第一逆变模块43的工作频率并控制其通断；

第一信号处理模块41的控制单元与第一直流稳压输出模块44和第一交流稳压输出模块45均信号连接，可控制两者通断；

插座包括：

第二壳体60、第二磁芯套70、第二磁芯线圈80及第二水密缆100；第二壳体60为一端封闭的圆筒，封闭端开有水密螺纹孔，用以连接第二水密缆100，开放端与第二磁芯套70通过密封圈密封连接形成第二密闭腔体，用以放置插座内部电路；第二磁芯线圈80通过胶灌封固定于第二磁芯套70内；

所述的插座内部电路包括：

第二信号处理模块91，该模块也包含信号调制单元、信号解调单元及控制单元；信号调制单元、信号解调单元及控制单元三者相互连接；

第二补偿数字可编程电容92、第二逆变模块93、第二直流稳压输出模块94和第二交流稳压输出模块95；

第二补偿数字可编程电容92的一端与第二逆变模块93相连，第二补偿数字可编程电容92的另一端与第二磁芯线圈80相连，第二补偿数字可编程电容92用以补偿交流电传输的谐振状态；

第二信号处理模块91的控制单元与第二补偿数字可编程电容92信号连接，用以调控第二补偿数字可编程电容92的电容值；

第二信号处理模块91的控制单元与第二逆变模块93信号连接，可通过信号调节第二逆变模块93工作频率并控制其通断；

第二信号处理模块91的控制单元与第二直流稳压输出模块94和第二交流稳压输出模块95均信号连接，可控制两者通断；

1.磁芯线圈的制作及灌封

耦合线圈是传递电能的重要部件，插头与插座中的磁芯是完全相同的，因为磁芯必须成对使用。两块磁芯上绕制的线圈匝数是可变的，根据需要改变两者匝数比可获得初级到次级侧不同的传输电压比。

选择的磁芯形状应是不固定的，磁芯均采用标准化尺寸和形状，将漆包线圈按与每种磁芯相对应的绕制方法，按需要取特定匝数，绕制在磁芯上，初级线圈和次级线圈须分别绕制在两个磁芯上，构成第一磁芯线圈30和第二磁芯线圈80。因为该接插件可以实现电能的双向传输，所以第一磁芯线圈30和第二磁芯线圈80均既可以作为初级线圈，也可作为次级线圈使用。

第一磁芯线圈30装入一端开放的第一磁芯套20中，第二磁芯线圈80装入一端开放的第二磁芯套70中，线圈的两头穿过磁芯套封闭端的小孔暴露在空气中，以便与其他电路模块相连，然后分别用第一灌封胶31和第二灌封胶81，将磁芯线圈固定在相对应的磁芯套中。灌封后第一线圈磁芯30、第一磁芯套20和第一灌封胶31组成坚硬防水的第一灌封整体32；第二线圈磁芯80、第二磁芯套70和第二灌封胶81组成坚硬防水的第二灌封整体82。两个整体均可以防止水进入其内部，并耐水下高压。固定好后的线圈磁芯的上表面应与磁芯套的开放端端面平齐，这样在插头和插座对接时，第一磁芯线圈30与第二磁芯线圈80可以相互贴近，以获得最大的耦合系数及最高的传输效率。

2.插头和插座整体结构的实现

插头结构包括：

第一壳体10、第一磁芯套20、第一磁芯线圈30、及第一水密缆50；第一壳体10为一端封闭的圆筒，封闭端开有水密螺纹孔，用以连接第一水密缆50，以便内部电路与外部设备连接。第一水密缆50上带有密封圈，与第一壳体10连接后密闭防水。第一壳体的开放端与第一灌封整体32的一端通过密封圈和螺钉密封连接，连接后在第一壳体10内形成第一密闭腔体，用以放置电路模块。

插座结构包括：

第二壳体60、第二磁芯套70、第二磁芯及线圈80、及第二水密缆100；第二壳体60为一端封闭的圆筒，封闭端开有水密螺纹孔，用以连接第二水密缆100，开以便内部电路与外部设备连接；第二水密缆上100带有密封圈，与第二壳体60连接后密闭防水。第二壳体的开放端与第二灌封整体82的一端通过密封圈和螺钉密封连接，连接后在第二壳体60内形成第二密闭腔体，用以放置电路模块。

3.电路模块功能的实现

3.1基本电路模块结构

本发明接插件中信号和电能通过同一对相互耦合的线圈进行传输。输入信号由外部设备给出，输入到信号处理模块中的控制单元和信号调制模块上，控制单元根据接收到的信号控制相关的电能传输模块，信号调制单元将信号输入波形与电能输入波形进行调制，使电能传输的载波同时也具有信号特征，即电能和信号用同一载波传输。电能和信号的载波从初级线圈传输到次级线圈后，须先经过输出端的信号处理中的信号解调单元，该模块对波形进行检波和解调，从而提取其中的信号信息，并将接受到的信号传输到外部设备，以及输出端的控制单元上，控制单元可根据接收到的信息，对接收端的相关电能传输模块进行控制。解调后的电能载波经相应的电能输出模块进行电能输出。

控制单元的主要控制元件可采用单片机。插头和插座端连接的两台设备通过I²C总线协议给单片机传输控制信号，单片机接收控制信号后，根据内部预先设置好的程序，通过I/O口输出控制信号，实现对控制单元所连接电路模块的控制。

逆变模块目前已有成熟的技术，有多种实现方法，在本发明专利中，可采用UCC3895PWM波发生芯片，配以IR2110驱动芯片，驱动全桥逆变器中的开关管来实现。UCC3895芯片自身产生的PWM波有可调频率和移相的特点。可通过控制单元信号调节UCC3895外部连接的可变数字电阻的阻值，达到调节PWM的频率和移相的目的。

谐振补偿电容为一数字可编程电容，由一块或多块数字可编程电容芯片串联或并联而成，其值可以通过控制单元发出的信号进行调节。

在本发明中，第一直流稳压输出模块44和第二直流稳压输出模块94均采用DC-DC变换模块，将整流器输出的直流电压进一步稳定后输出，主要是为防止输出直流电压波动，该模块目前已有十分成熟的技术。

第一交流稳压输出模块44和第二交流稳压输出模块94均采用交流稳压器的基本原理，在需要输出交流电时，防止输出电压波动，该模块目前已有十分成熟的技术。

信号处理模块对所有电能传输模块的通断控制，均可由其中的控制单元控制数字开关来完成。通过控制单元给出高或低电平，来开启或闭合数字开关，使给定的模块工作或不工作。

信号的最初发射源和最终接收端，为插头和插座所连接的两台设备。

3.2电能的双向传输

电能传输是利用电磁感应的基本原理，将电能交流载波通过相互耦合的第一磁芯线圈30和第二磁芯线圈80，从一端传输到另一端，再经过一定的处理后输出。插头和插座端所连接的设备均可以作为电能的输入端或者输出端。

当输入电能是直流时，若从插头端输入，则插头端的第一信号处理模块41控制第一逆变模块43工作，插座端的第二信号处理模块91控制第二逆变模块93不工作；若从插座端输入，则第二逆变模块93工作，第一逆变模块43不工作；逆变模块将输入的直流电转化成交流电。

当输入电能是交流时，第一逆变模块43和第二逆变模块93均不工作；交流电通过相互耦合的第一线圈磁芯30和第二线圈磁芯80在插头和插座端之间进行传输。

若需要从插头端输出稳定的直流电，则通过第一信号处理模块41控制第一直流稳压输出模块44工作，其余输出模块45、94、95均不工作；若需要从插座端输出稳定的直流电，则通过第二信号处理模块91控制第二直流稳压输出模块94工作，其余输出模块44、45、95均不工作；

若需要从插头端输出稳定的交流电，则通过第一信号处理模块41控制第一交流稳压输出模块45工作，其余输出模块44、94、95均不工作；若需要从插座端输出稳定的交流电，则通过第二信号处理模块91控制第二交流稳压输出模块95工作，其余输出模块44、45、94均不工作。

3.3信电耦合传输的实现

信号和电能均通过电磁感应的基本原理，利用同一组耦合线圈，在插头和插座端进行双向传输。插头端的第一信号处理模块41和插座端的第二信号处理模块91均可作为信号的发射端或接收端，以实现信号的双向传输。

当仅需要传输信号时，插头端只有第一信号处理模块41工作，插座端只有第二信号处理模块91工作。发射端的信号处理模块发出带有信息的高频载波，经相互耦合的第一线圈磁芯30和第二线圈磁芯70，从发射端传递到接收端，再由接收端的信号处理模块从接收到的波形中提取信号。

当需要信号和电能同时传输时，发送端信号处理模块中的信号调制单元将信号载波与电能传输载波进行调制，即将信号信息注入电能传输的载波中，成为带有信号特征的电能载波。带有信号特征的电能载波经相互耦合的第一线圈磁芯30和第二线圈磁芯70，从发射端传递到接收端，接收端信号处理模块中的信号解调模块，将带有信号特征的电能载波解调，从中提取信号信息，提取后的电能载波再经相应的电能输出模块进行电能输出。

3.4电能传输谐振状态的控制

根据非接触式电能传输原理，不论电能以何种方向传输，插头和插座端的电流波形应始终具有相同的频率。

若输入电能是直流电，则线圈交流传输频率是可以通过第一信号处理模块41控制第一逆变模块43的工作频率，以及第二信号处理模块91控制第二逆变模块93的工作频率来改变的。若输入电能是交流电，则该频率可由外部设备自行调节。此外，第一信号处理模块41可以通过控制线改变第一谐振补偿电容42的值，第二信号处理模块91可以通过控制线改变第二谐振补偿电容92的值。第一谐振补偿电容42是与第一磁芯线圈30串联或并联的，第二谐振补偿电容92是与第二磁芯线圈80串联或并联的，两谐振电容的值可以根据插头和插座端所连接的设备的负载情况，以及电路的工作状况改变，以使整个系统始终处于谐振状态。在电路负载发生改变时，如果电能传输的频率、谐振补偿电容不变，则整个电能传输系统会偏离谐振状态，其传输功率、传输效率等传输性能会受到很大影响，而根据负载实时控制改变电能传输频率和谐振补偿电容的值，可以使系统始终工作在谐振状态下，大大提高了传输效率和其他传输性能。

4.使用方法

本发明所述的水下信电耦合双向非接触式传输接插件，使用前须预先将插头和插座分别通过第一水密缆50和第二水密缆100接在所需相互传输电能和信号的水下设备上。使用时先用水下机械手将插头和插座对接起来，应当保证插头磁芯套20和插座磁芯套70相互接触。对接后，插头和插座端连接的两设备分别是信号的最初发生源和最终的接收端。两设备可通过该接插件相互传输电能和信号，并可以通过传输的信号，控制所需传输的电能载波关参数，以获得最高的传输效率和最佳传输性能。

Claims (2)

1.一种水下信电耦合非接触式双向传输接插件，其特征在于，包括插头和插座；

插头包括：

第一壳体（10）、第一磁芯套（20）、第一磁芯线圈（30）及第一水密缆（50）；第一壳体（10）为一端封闭的圆筒，封闭端开有水密螺纹孔，用以连接第一水密缆（50），开放端与第一磁芯套（20）通过密封圈密封连接形成第一密闭腔体，用以放置插头内部电路，第一磁芯线圈（30）通过胶灌封固定于第一磁芯套（20）内；

所述的插头内部电路包括：

第一信号处理模块（41），该模块包含信号调制单元、信号解调单元及控制单元；信号调制单元、信号解调单元及控制单元三者相互连接；

第一补偿数字可编程电容（42）、第一逆变模块（43）、第一直流稳压输出模块（44）和第一交流稳压输出模块（45）；

第一补偿数字可编程电容（42）的一端与第一逆变模块（43）相连，第一补偿数字可编程电容（42）的另一端与第一磁芯线圈（30）相连，第一补偿数字可编程电容（42）用以补偿交流电传输的谐振状态；

第一信号处理模块（41）的控制单元与第一补偿数字可编程电容（42）信号连接，用以调控第一补偿数字可编程电容的电容值；

第一信号处理模块（41）的控制单元与第一逆变模块（43）信号连接，用以通过信号调节第一逆变模块（43）的工作频率并控制其通断；

第一信号处理模块（41）的控制单元与第一直流稳压输出模块（44）和第一交流稳压输出模块（45）均信号连接，可控制两者通断；

插座包括：

第二壳体（60）、第二磁芯套（70）、第二磁芯线圈（80）及第二水密缆（100）；第二壳体（60）为一端封闭的圆筒，封闭端开有水密螺纹孔，用以连接第二水密缆（100），开放端与第二磁芯套（70）通过密封圈密封连接形成第二密闭腔体，用以放置插座内部电路；第二磁芯线圈（80）通过胶灌封固定于第二磁芯套（70）内；

所述的插座内部电路包括：

第二信号处理模块（91），该模块也包含信号调制单元、信号解调单元及控制单元；信号调制单元、信号解调单元及控制单元三者相互连接；

第二补偿数字可编程电容（92）、第二逆变模块（93）、第二直流稳压输出模块（94）和第二交流稳压输出模块（95）；

第二补偿数字可编程电容（92）的一端与第二逆变模块（93）相连，第二补偿数字可编程电容（92）的另一端与第二磁芯线圈（80）相连，第二补偿数字可编程电容（92）用以补偿交流电传输的谐振状态；

第二信号处理模块（91）的控制单元与第二补偿数字可编程电容（92）信号连接，用以调控第二补偿数字可编程电容（92）的电容值；

第二信号处理模块（91）的控制单元与第二逆变模块（93）信号连接，可通过信号调节第二逆变模块（93）工作频率并控制其通断；

第二信号处理模块（91）的控制单元与第二直流稳压输出模块（94）和第二交流稳压输出模块（95）均信号连接，可控制两者通断；

所述的第一磁芯线圈（30）的外侧端面与第一磁芯套（20）的开口端面内圈平齐；第二磁芯线圈（80）的外侧端面与第二磁芯套（70）的开口端面内圈平齐。

2.根据权利要求1所述的水下信电耦合非接触式双向传输接插件，其特征在于，所述的第一磁芯套（20）的开口端及第二磁芯套（70）的开口端设有相吻合的导向结构，以使第一磁芯线圈（30）与第二磁芯线圈（80）对接。