CN106253499A - 一种新型基于pzt的超声波无接触能量传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型基于PZT的超声波无接触能量传输系统，包括电源、振荡电路、发射PZT换能器、接收PZT换能器、能量收集接口电路以及能量管理模块；所述电源、振荡电路、发射PZT换能器构能量传输的发射端，所述接收PZT换能器、能量收集接口电路以及能量管理模块构成能量传输的接收端；所述发射PZT换能器与接收PZT换能器共振进行能量传输。本发明以超声波作为耦合媒介，通过超声发射‑接收压电陶瓷换能器之间的共振，从而实现了能量的无接触传输。本系统将超声波作为媒介可以摆脱隔板电能传输的局限性，在一定有效距离范围内进行无接触电能传输。

Description

一种新型基于PZT的超声波无接触能量传输系统

技术领域

本发明涉及能量传输系统，具体是一种新型基于PZT的超声波无接触能量传输系统。

背景技术

最早在1956年Rosen利用超声波方式实现能量传输设计了一种由一次、二次PZT压电陶瓷(PZT-PbZrTiO3，锆钛酸铅)组成的压电变压器，使用声波进行能量传输。目前超声波无线能量传输，主要应用在医疗和航天军工领域。在医疗领域，通过皮肤给植入人体的PZT传输声能量，实现对植入式医疗设备(心脏起搏器等)的经皮能量传输。在航天和军工领域，使用PZT换能器产生声波，给密闭环境内工作的电子设备进行供电，类似这种超声波无线能量传输技术都是隔固体进行传输的。采用隔板方法来实现超声波无线能量传输的技术能够提高传输的能量，但其缺点也是明显的，需要让超声波发射装置和能量接收装置紧贴隔板。相比之下，隔气体传输由于受到空气介质特殊性(空气声阻抗和固体声阻抗极不匹配)的制约，发展比较缓慢。目前以超声波作为能量传输媒介的无接触能量传输的研究主要集中在超声波能量的收集，就是通过一种超声波接收换能器来实现对超声波能量的收集。此种方式所能收集到的最大能量为4.8×10-10W/cm，难以在实际应用。

发明内容

本发明目的是提供一种在一定有效距离范围内进行无接触电能传输的新型基于PZT的超声波无接触能量传输系统。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种新型基于PZT的超声波无接触能量传输系统，包括电源、振荡电路、发射PZT换能器、接收PZT换能器、能量收集接口电路以及能量管理模块；所述电源、振荡电路、发射PZT换能器构能量传输的发射端，所述接收PZT换能器、能量收集接口电路以及能量管理模块构成能量传输的接收端；所述发射PZT换能器与接收PZT换能器共振进行能量传输。

进一步的，所述发射PZT换能器以及接收PZT换能器均采用圆盘辐射纵-弯模式转换压电换能器。

本发明的有益效果是：

本发明以超声波作为耦合媒介，通过超声发射-接收压电陶瓷换能器之间的共振，从而实现了能量的无接触传输。本系统将超声波作为媒介可以摆脱隔板电能传输的局限性，在一定有效距离范围内进行无接触电能传输。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明基于PZT的超声波无接触能量传输系统示意图。

图2为本发明纵-弯模式转换空气换能器结构示意图。

图3为本发明基于PZT的超声波无接触能量传输系统机电等效电路。

图4为超声波在换能器中传输过程原理图。

图5为超声波传输距离与负载功率、系统效率的关系图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

如图1-5所示，本发明公开一种新型基于PZT的超声波无接触能量传输系统，，包括电源、振荡电路、发射PZT换能器、接收PZT换能器、能量收集接口电路以及能量管理模块；所述电源、振荡电路、发射PZT换能器构能量传输的发射端，所述接收PZT换能器、能量收集接口电路以及能量管理模块构成能量传输的接收端；所述发射PZT换能器与接收PZT换能器共振进行能量传输。

运行原理：

其中发射和接收PZT换能器的固有谐振频率分别为fs和fr，当匹配电源输出交流电的频率fe应与发射换能器谐振频率fs以及接收换能器谐振频率fr相同，即fe＝fs＝fr时，这时换能器间将发生共振，从而实现了能量的传输。

根据声学的有关理论可知，固体-气体之间声阻抗严重不匹配(固体声阻抗为1～35MRayl，空气声阻抗为0.0004Mrayl，1Ragl＝1Pa·s/m)，为使换能器与空气之间能产生良好的声阻抗匹配，本系统中的换能器将采用圆盘辐射纵-弯模式转换压电换能器。纵-弯模式转换匹配换能器具有功率容量大，与空气声阻抗产生良好匹配的特点，其结构如图2所示。

当辐射圆盘振动时，设其表面任意一点的振动速度为V(x,ω)，根据Rayleigh积分，其表面任意一点的振动声压为：

$\mathrm{\τ}(y,\mathrm{\ω})=\frac{j\mathrm{\ρ}kc}{2}{\∫}_{S}V(x,\mathrm{\ω})\frac{e^{-jkr}}{r}dS$

式中，ρ、k、c分别为空气的密度、波数和声速；r为辐射圆盘的表面上任意两点x和y之间的距离。

则振动表面的声强为：

I(y，ω)＝Re[t(x，ω)V^*(x，ω)/T]

式中，V^*(x，ω)为V(x，ω)的共轭复数。

由声强可以得到振动圆平面的辐射功率：

$\begin{array}{c}W\left(\mathrm{\ω}\right)={\∫}_{S}I(y,\mathrm{\ω})dS\\ =\mathrm{Re}\[\frac{jkrc}{2\mathrm{\π}}\∫{\∫}_{S}V(x,\mathrm{\ω})V^{*}(x,\mathrm{\ω})\frac{e^{-jkr}}{r}{\mathrm{dS}}_x{\mathrm{dS}}_y\]\end{array}$

式中，S为辐射圆盘的面积。

对于辐射圆盘上的一个点声源dS，在其声场中某一点N产生的声压大小为

$d\mathrm{\τ}=j\frac{krc}{2\mathrm{\π}h}{\mathrm{Ve}}^{j(\mathrm{\ω}t-kh)}dS$

h为点声源dS到观测点N的距离。V为平面振速的幅值。整个圆平面在点N产生的声压大小为圆板上所有点声源在点N的矢量和，由Rayleigh积分，可知

$\mathrm{\τ}=jkrc\∫{\∫}_S\frac{r}{2\mathrm{\π}h}{e}^{j(\mathrm{\ω}t-kh)}dS$

由上式可以看出，辐射圆盘可在其辐射方向上的某点可以产生一定的声压，对上式中的声压进行积分就可以得出接收换能器接收到的能量。

超声无线能量传输系统由发送端PZT换能器和接收端PZT换能器组成，系统的机电等效电路如图3所示。

图3中下标符号1和2分别表示发送端和接收端的电路参数，当接收端与发射端的结构相同时，Re＝Re1＝Re2＝Rs+Rm，Ce＝Ce1＝Ce2＝Cs//Cm，Le＝Le1＝Le2＝Ls+Lm，Cp＝Cp1＝Cp2，Rp＝Rp1＝Rp2。Z表示发送换能器的声辐射阻抗，Z＝Ra+jωXa。

当发送端施加激励电压的频率与换能器的串联谐振频率相同时，发射换能器将产生机械振动，接收端因共振也将产生机械振动，振动频率与发送端相同，这时Le2、Ce2支路将发生串联谐振。接收端的输入电流可以等效为CCCS型受控电流源，其大小为Mi，i为发送端辐射圆盘振幅的大小，M为控制系数，其反映的是超声波在空气中传播时振幅的衰减。

当发送端施加激励电压为时，I的大小为：

I＝V_in/|R_e1+Z|

这时接收端受控电流源的大小为：

MI＝MV_in/|R_e1+Z|

当接收端负载为Rl，其两端的电压为：

V_o＝MIR₁|Z′/(Z′+R₁)|

式中

Z′＝R′-jωX′＝R_p2//(1/jωC_p2)

ω＝2πf_n

R′＝R_p2/[1+(ωR_p2C_p2)²]

$X^{\′}=R_{p2}^2{C}_{p2}/\[1+{\left({\mathrm{\ωR}}_{p2}{C}_{p2}\right)}^2\]$

负载功率P1为：

$P_1=V_o^2/R_1$

由此，可得到输出、输入电压之间的关系：

V_o/V_in＝MR₁|Z/[(Z+R₁)(R_e1+Z)]|

由上式可以看出，当输入电压及电路参数一定时，Vo的大小与控制系数M成正比关系。

根据阻抗匹配相关理论可知，当时，负载功率达到最大值，即：

$P_{1,max}={\left(MI\right)}^2\[R^{\′2}+{\left({\mathrm{\ωX}}^{\′}\right)}^2\]2\sqrt{R^{\′2}+{\left({\mathrm{\ωX}}^{\′}\right)}^2}+R^{\′}$

系统的输入功率为：

$P_{in}=V_{in}^2/Z_{in}$

式中，Zin为系统的输入阻抗，Zin＝|Rp1//(Re1+Z)//(1/jωCp1)|。

系统的效率为：

η＝P₁/P_in

当时，系统效率为

$\mathrm{\η}=\frac{M^2{Z}_{in}\[R^{\′2}+{\left({\mathrm{\ωX}}^{\′}\right)}^2\]}{2\[\sqrt{R^{\′2}+{\left({\mathrm{\ωX}}^{\′}\right)}^2}+R^{\′}\]\sqrt{{(R_{e1}+R_a)}^2+{\left({\mathrm{\ωX}}_a\right)}^2}}$

当系统的参数确定后，系统效率和控制系数M的平方呈正比关系，所以通过增加控制系数M的数值大小可以提高系统的效率。

受控源控制系数M值的大小与介质弹性摩擦吸收、介质粘滞性和热传导等物理现象有关。把圆盘辐射纵-弯复合振动空气换能器等效为加匹配层空气换能器，超声波的传输过程如图4所示。从图中可以看出声波从匹配层Ⅰ进入匹配层Ⅱ主要经过了三个过程：一为入射波Ⅰ进入空气时，在匹配层Ⅰ和空气分界面上发生的反射和透射；二为透射波Ⅰ在传输的过程中，由于传输介质的摩擦而产生的衍射和散射，使透射波Ⅰ衰减成入射波Ⅱ；三为入射波Ⅱ在空气和匹配层Ⅱ的发射和折射。

在过程1中，反射波Ⅰ在压电陶瓷Ⅰ和匹配层Ⅰ的分界面上同样会发生反射和透射现象，反射部分可再通过匹配层Ⅰ和空气界面发生反射和透射；而透射到压电陶瓷的部分，为研究的方便，可认为压电陶瓷没有回响。在设计过程中，辐射圆盘到压电陶瓷的距离为λ/4长度，所以可认为等效后的匹配层Ⅰ的长度同样为λ/4，但需要注意的是由于匹配层Ⅰ和前盖板声速不一致，所以等效后二者λ/4的长度并不一致。输入匹配层Ⅰ的入射振幅和透射到空气中的振幅的比例关系为：

γ₁＝Z_a[t₁t₂/(1-r₁r₂)]²/Z_p

其中t和r分别代表透射波和反射波相对于入射波波幅的比值，下标1、2分别代表压电材料和匹配层的分界面和匹配层和空气的分界面；Zp和Za分别为压电材料声阻抗和空气声阻抗。t1，t2和r1，r2可分别由下列公式求得:

t_1/2＝2Z_p/l/(Z_p/l+Z_l/a)

r_1/2＝(Z_l/a-Z_p/l)/(Z_l/a+Z_p/l)

式中，t1/2表示t1或t2，Zp/l表示Zp或Zl，Zl为匹配层声阻抗，其他符号同理。

过程2中，透射波Ⅰ经过距离l，成为入射波Ⅱ，在该过程中，其振幅衰减方程系数为:

ρ₂＝ε_l/ε₀＝e^-2aflβ

式中，ε0，εl，f，l，a分别为发射和接收端质点的振幅，声波频率，传输的距离和衰减因子。系数β是用来修正超声波在传输过程中因换能器的方向性带来的振幅衰减。过程3中反射波Ⅱ直接进入空气中，所以只有透射波Ⅱ进入匹配层Ⅱ中，二者波幅的比值可通过公式t_1/2＝2Z_p/l/(Z_p/l+Z_l/a)给出，将透射波Ⅱ的振幅占入射波Ⅱ振幅的比值重新写为γ₃＝2Z_a/(Z_a+Z_l)。

综合以上分析可知超声波在空气媒介传输过程中的振幅的衰减比率为γ＝γ1γ2γ3，即控制系数M为:

M＝γ＝γ₁γ₂γ₃

在过程1和3中，Zp/l、t1/2、r1/2及Za可认为是定值，所以超声波在传输过程随距离的变化而引起的振幅衰减变化只是与过程2有关，即控制系数M取决于衰减系数γ2，而衰减系数γ2的大小主要取决于传输距离l。

图5反映了负载功率、系统效率随传输距离增加而变化的关系(仿真参数设定：f＝30kHz，a＝1e-6，β＝100)。由下图5可知，系统效率与负载功率相比，对传输距离的变化更加敏感。

本发明提出了一种基于PZT实现超声波无接触能量传输的系统。该系统以超声波作为能量传输媒介，基于机械共振实现能量的无接触传输，可用于对无线传感器等微功耗电子设备进行无线供电。如果用磁耦合、磁共振、微波等无接触能量传输方式进行供电，这些方式是以电磁波作为能量传输媒介，不可避免的会给周围环境带来电磁干扰，从而影响无线传感器的正常工作，而利用超声波无线能量传输这种方式不会产生电磁干扰，因此不会给无线传感器带来电磁干扰，这是相比于磁耦合、磁共振、微波等无接触能量传输方式的显著特点。

而且本发明用超声波作为耦合媒介，通过超声发射-接收压电陶瓷换能器之间的共振，实现无接触能量传输的方法—无接触能量传输，就是利用一种特殊设备将电能以无线形式进行传输，从而可以在无需电缆线的情况下直接传输电能。当系统处于共振状态时，基于逆压电效应，超声发射换能器实现了电能→机械能→声能的能量转化，对于超声接收换能器，则是利用了正压电效应，实现了声能→机械能→电能的转化，从而实现了能量的无接触传输。本系统将超声波作为媒介可以摆脱隔板电能传输的局限性，在一定有效距离范围内进行无接触电能传输。

Claims (2)

1.一种新型基于PZT的超声波无接触能量传输系统，其特征在于，包括电源、振荡电路、发射PZT换能器、接收PZT换能器、能量收集接口电路以及能量管理模块；所述电源、振荡电路、发射PZT换能器构能量传输的发射端，所述接收PZT换能器、能量收集接口电路以及能量管理模块构成能量传输的接收端；所述发射PZT换能器与接收PZT换能器共振进行能量传输。

2.根据权利要求1所述新型基于PZT的超声波无接触能量传输系统，其特征在于,所述发射PZT换能器以及接收PZT换能器均采用圆盘辐射纵-弯模式转换压电换能器。