CN106371143A - 基于阻抗特性的异物检测方法及系统 - Google Patents

基于阻抗特性的异物检测方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于阻抗特性的异物检测方法及系统，其方法首先在待检测区域铺设检测线圈，该检测线圈与电容元件连接形成谐振回路，并在该谐振回路上加载高频载波信号；然后采集所述谐振回路上的谐振电流信号；接着滤除高频载波信号频段外的其它感应信号；最后对滤波后的谐振电流信号进行幅值和相位分析，判断待检测区域是否有异物。其效果是：通过检测谐振电流信号相位和幅值的变化，对应得到检测线圈的阻抗变化，从而判断是否存在异物，该方法成本低，效果好。同时对原有系统的改动少，特别针对无线电能传输系统而言，在不影响原有系统效率的基础上，能够很好地适应各种磁场中的异物检测，提高无线电能传输系统的安全性能。

Description

基于阻抗特性的异物检测方法及系统
技术领域
本发明涉及异物检测技术，具体涉及一种基于阻抗特性的异物检测方法及系统，主要应用于无线电能传输系统中。
背景技术
无线电能传输技术(Wireless Power Transfer Technology)泛指一种借助存在于物理空间中的传能介质，实现将电能以电气隔离的形式由源级传输至受电级的全新电能供给模式，其有效地解决了电源的便捷、安全接入问题，解决了传统依靠电导体直接进行物理接触的电源直接接触式输电模式所带来的插电火花、积碳、不易维护、易产生磨损等问题，特别是在特殊环境下用电存在的安全隐患问题。无线电能传输技术具有环境亲和力强、绿色环保、便捷、灵活、安全等接触式电能传输所无法比拟的优点，目前已经得到了较为广泛的应用。
但是，在无线电能传输过程中常常会有一些外界因素对其进行影响。以电动汽车无线充电系统为例，其能量发射线圈通常埋设在地面下，当汽车停靠在能量发射线圈上时，能量发射机构和能量接收机构之间很有可能出现异物，比如金属导体或者是生物体，这些异物的出现不仅仅对充电效率产生影响，而且也有可能引起其他的一些意外。特别是在充电的过程当中，即使是一个小的铁钉进去，都会产生涡流，进而引起温度的升高，最后很有可能导致火灾。因此，在无线充电系统中，我们有必要通过异物检测对这些进入充电环境的异物进行报警，及时地停止充电。
现有技术中，中国专利201410308045.5公开了一种无线充电中实现异物检测的方法，该方法是通过测试能量发射过程中的能量传输损耗来判断是否存在异物，如上所述，能量传输过程中进行异物检测，通常为时过晚，特别是金属异物的存在，很快就能发热升温，引发安全事故。此外，现有的异物检测方式，大多数只能检测金属异物，针对生物体的存在，其检测的准确性较低。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本申请首先提出一种基于阻抗特性的异物检测方法，将其应用于无线充电系统中，能够实时响应异物是否存在，及时对充电状态进行调控，保证系统稳定运行，实现金属异物和生物体的检测。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术手段如下：
一种基于阻抗特性的异物检测方法，其关键在于按照以下步骤进行：
S1：在待检测区域铺设检测线圈，该检测线圈与电容元件连接形成谐振回路，并在该谐振回路上加载高频载波信号；
S2：采集所述谐振回路上的谐振电流信号；
S3：滤除高频载波信号频段外的其它感应信号；
S4：对滤波后的谐振电流信号进行特征参数提取分析，判断待检测区域是否有异物。
上述方案是基于了阻抗测量的思想，它是对加在系统、电路或元件上的正弦电压U和流过它们的电流I之比的测量，阻抗属于与电路结构有关的参数，在具有电阻、电感和电容的电路里，对电路中的电流所起的阻碍作用叫做阻抗。阻抗常用Z表示，是一个复数，实部称为电阻R，虚部称为电抗，阻抗是电阻与电抗在向量上的和。其中电容在电路中对交流电所起的阻碍作用称为容抗Xc,电感在电路中对交流电所起的阻碍作用称为感抗Xl，电容和电感在电路中对交流电引起的阻碍作用总称为电抗。阻抗的公式为Z＝R+j(Xl-Xc)，其中，Xl＝2πfL，Xc＝1/2πfC。f为频率。阻抗也可表示为：Z＝Zm∠β，其中β为阻抗的相位角。一般情况下，电路中的阻抗是不变的，但如果改变了电路的频率或者电容电感值，就会使阻抗发生变化。当有异物进入的时候，会引起电感的变化，杂散电容也会发生变化，进而阻抗发生变化。
基于上述思想，不论是金属异物还是生物体异物进入感应线圈的感应范围，都会引起线圈两端电压相位的变化，而且对于生物体的感应更加明显，因为引起的杂散参数变化特别大。由前面对阻抗测量原理的描述，异物进入感应线圈板时对线圈阻抗的影响主要是其虚部感抗Xl＝2πfL和容抗Xc＝1/2πfC的变化。因为异物进入感应线圈板实际上主要是导致了电感L和电容C的变化。
因此，本方案通过在待检测区域铺设检测线圈，然后将该检测线圈与电阻元件、电容元件连接形成谐振回路，通过加载高频载波信号，一方面便于区别工作频段，通过滤波后能够单独对高频载波信号进行分析，在无异物的状态下，谐振回路的阻抗为某一固定值，当有异物闯入待检测区域时，由于线圈的电感和电容发生变化，谐振回路的阻抗也会发生变化，从而引起回路中谐振电流的幅度和相位变化，通过对谐振电流的幅度和相位进行实时检测，即可判定出异物的入侵状态。
为了适应无线电能传输系统的需要，步骤S1中的待检测区域为无线电能传输系统中的能量传输区域。
为了便于安装和供电，所述检测线圈铺设在无线电能传输系统中的原边能量发射机构的正上方。
可选的，步骤S4通过阻抗特性分析模块判断检测区域是否有异物，该阻抗特性分析模块输入有两路信号，一路为加载到谐振回路上的高频载波信号，另一路为从谐振回路中提取的谐振电流信号，通过阻抗特性分析模块提取两路信号特征参数，利用提取的特征参数反映出阻抗特性变化量，当阻抗特性变化量超过预设阈值时，则认定待检测区域存在异物。
可选的，步骤S4中通过阻抗特性分析模块提取的特征参数为两路信号的幅值比和相位差，当所述幅值比和相位差超过预设阈值时，则认定待检测区域存在异物。基于上述方法，本发明还提出一种实现该方法的异物检测系统，包括用于产生高频载波信号的高频激励电路，铺设在待检测区域的检测线圈；与所述检测线圈连接形成谐振回路的电阻元件和电容元件，与所述谐振回路连接并实现信号提取和滤波的运放滤波电路，与运放滤波电路输出端相连并用于提取信号幅度和相位的幅相获取电路，用于判断幅度信息和相位信息是否超过预设阈值的处理器电路以及用于输出处理结果的结果输出电路。
可选地，所述运放滤波电路并行设置有两路，所述高频激励电路输出的原始激励信号(SIN1)经过第一运放滤波电路后作为第一输入信号(SHURU1)送入幅相获取电路的一个输入端，所述高频激励电路输出的原始激励信号送入谐振回路后，从谐振回路上提取的谐振电流信号(SIN2)经过第二运放滤波电路后作为第二输入信号(SHURU2)送入幅相获取电路的另一个输入端，通过所述幅相获取电路输出两信号的幅值比(+VM)和相位差(+VP)。
可选地，所述幅相获取电路采用AD8302AR相幅检测芯片。
结合无线电能传输系统的应用，所述检测线圈为平面线圈，且绕制在无线电能传输系统的能量发射机构和能量接收机构之间，用于检测无线电能传输区域中的异物进入状况。
可选地，所述检测线圈采用铜丝绕制而成。
与现有技术相比，本申请提供的技术方案，具有的技术效果或优点是：
通过检测谐振电流信号相位和幅值的变化，对应得到检测线圈的阻抗变化，从而判断是否存在异物，该方法成本低，效果好。同时对原有系统的改进少，特别针对无线电能传输系统而言，在不影响原有系统效率的基础上，能够很好的适应各种磁场中的异物检测，提高无线充电系统的安全性能。
附图说明
图1为本发明的系统原理框图；
图2为本发明具体实施例中高频激励电路的连接关系图；
图3为本发明具体实施例中运放滤波电路的连接关系图；
图4为本发明具体实施例中幅相获取电路的连接关系图。
具体实施方式
本发明提供了一种基于阻抗特性的异物检测方法及检测系统，以解决现有技术中无法及时高效实现异物检测的技术问题。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式，对上述技术方案进行详细的说明。
实施例
如图1所示，一种基于阻抗特性的异物检测方法，按照以下步骤进行：
S1：在待检测区域铺设检测线圈，该检测线圈与电容元件连接形成谐振回路，并在该谐振回路上加载高频载波信号；实施过程中，以无线电能传输系统中的能量传输区域作为待检测区域，主要用于检测能量发射机构和能量接收机构之间的异物入侵情况，为了便于安装和供电，铺设检测线圈时，将其铺设在无线电能传输系统中的原边能量发射机构的正上方；
S2：通过串接采样电阻至谐振回路中采集所述谐振回路上的谐振电流信号；
S3：滤除高频载波信号频段外的其它感应信号；
S4：对滤波后的谐振电流信号进行特征参数提取分析，判断待检测区域是否有异物。
本实施例中的步骤S4通过阻抗特性分析模块判断检测区域是否有异物，该阻抗特性分析模块输入有两路信号，一路为加载到谐振回路上的高频载波信号，另一路为从谐振回路中提取的谐振电流信号，通过阻抗特性分析模块计算两路信号的幅值比和相位差，当所述幅值比和相位差超过预设阈值时，则认定待检测区域存在异物。
当然，也可以直接计算信号的幅值和相位，正常状态下的信号幅值和相位作为预设阈值预存在处理器中，当所述幅值和相位超过预设阈值时，则认定待检测区域存在异物。
从图1-图4还可以看出，本实施例还提出一种用于实现上述方法的异物检测系统，包括用于产生高频载波信号的高频激励电路，铺设在待检测区域的检测线圈，这里的检测线圈为平面线圈并采用铜丝绕制在无线电能传输系统的能量发射机构和能量接收机构之间；与所述检测线圈连接形成谐振回路的电阻元件和电容元件，与所述谐振回路连接并实现信号提取和滤波的运放滤波电路，与运放滤波电路输出端相连并用于提取信号幅度和相位的幅相获取电路，用于判断幅度信息和相位信息是否超过预设阈值的处理器电路以及用于输出处理结果的结果输出电路。
通过图2可以看出，高频激励电路是利用时钟晶振产生，经过放大滤波和阻抗匹配之后通过变压器T1加载到谐振回路中，谐振回路中的检测线圈、电阻元件和电容元件由图2中的电感L1、电容C15以及电阻R13表示，通过对采样电阻R13的电压信号进行处理即可得到谐振回路的谐振电流信号。
在本实施例中，所述运放滤波电路并行设置有两路如图3所示的电路结构，所述高频激励电路输出的原始激励信号SIN1经过第一运放滤波电路后作为第一输入信号SHURU1送入幅相获取电路的一个输入端，所述高频激励电路输出的原始激励信号送入谐振回路后，从谐振回路上提取的谐振电流信号SIN2经过第二运放滤波电路后作为第二输入信号SHURU2送入幅相获取电路的另一个输入端。图3中标注有1、2、3引脚的接口为滤波晶振接口。
通过图4可以看出，幅相获取电路采用AD8302AR相幅检测芯片，该芯片通过对第一输入信号SHURU1和第二输入信号SHURU2进行处理，即可得到两信号的幅值比+VM和相位差+VP。
针对无线能量传输系统而言，其原边线圈使用的谐振频率f是60KHz。电感在低频时成电感性，频率越高阻抗也越大；在高频时，杂散电容的效应明显，整个电感器呈现电容性，阻抗随频率上升而下降。如果能将我们给的信号频率f提高，就能放大异物进入线圈导致的电感L和电容C的变化。因此，综合考虑，实施过程中，选取一个10.7MHz的激励信号。通过滤波后，可以减少能量信号对异物检测判断的影响，能够让异物进去的反应能够更加的明显。
通过上述方式，测量线圈两端的电压信号主要由两部分构成，一是原边线圈通过电磁感应在阻抗测量线圈中产生的60KHz的电压信号，二是高频激励电路在感应线圈两端加的10.7MHz的激励信号，因为测量线圈感应到的60KHz的信号电压很大，所以通过配置谐振的方式将其削弱。配置一个LCR的谐振电路，采集电阻上边的信号。再将经过感应线圈中的电压信号和没有经过感应线圈的电压信号接入高通滤波电路，过滤掉60KHz信号的干扰。然后将过滤后的信号经过放大电路调整到合适的幅度，最后送到幅相获取电路。此时只需要用STM32的ADC采集到幅相获取电路的相位差输出和幅值比输出，并通过程序判断相位输出的变化和幅值的变化，便可以间接判断出是否有异物进入感应线圈。若判断有异物，则输出信号给无线充电的主机，主机停止充电。当异物消除以后，可重新发送一个恢复信号，主机启动充电。
为了进一步理解本发明的显著效果，下边分别给出了不同大小的金属体和生物体在2MHz频率下的变化效果。表中的负数表示减小。
表1线距为6mm，频率为2MHz时异物进入线圈的变化
2MHz频率 电感变化(uH) 电容变化(pF) 阻抗变化(Ω)
9cm长的铁钉 -0.01 0.05 -0.1
一角钱硬币 -0.026 0.18 -0.4
直径2.5cm螺栓 -0.07 0.43 -0.49
8.5cm长、1.5cm宽的铜片 -0.18 1.73 -4
夹钳 -0.31 1.63 -3.59
20cm长的钢尺 -0.35 3.43 -5.18
生物体 -0.7032 7.203 -9.441
从表1可以看出，在线距为6mm的时候，9cm长的铁钉在2MHz频率下引起的阻抗变化为0.1Ω，8.5cm长、1.5cm宽的铜片引起的阻抗变化为4Ω，一把20cm长的钢尺在同样的频率下，引起的阻抗变化为5.18Ω。当物体越大的时候，电感、电容的变化越来越大，阻抗的变化也越大。因为根据阻抗的计算公式，电容电感的变化，必定会引起阻抗产生变化。我们看出生物体也引起了阻抗的变化。而且变化比较大，很容易测量。
因此，该方法及系统不但针对金属异物反应灵敏，而且针对生物体入侵也能及时响应，能够很好的实现野外无线电能充电系统中的异物检测，稳定可靠。
最后应当指出的是，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改性、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于阻抗特性的异物检测方法，其特征在于按照以下步骤进行：
S1：在待检测区域铺设检测线圈，该检测线圈与电容元件连接形成谐振回路，并在该谐振回路上加载高频载波信号；
S2：采集所述谐振回路上的谐振电流信号；
S3：滤除高频载波信号频段外的其它感应信号；
S4：对滤波后的谐振电流信号进行特征参数提取分析，判断待检测区域是否有异物。
2.根据权利要求1所述的基于阻抗特性的异物检测方法，其特征在于，步骤S1中的待检测区域为无线电能传输系统中的能量传输区域。
3.根据权利要求1或2所述的基于阻抗特性的异物检测方法，其特征在于，所述检测线圈铺设在无线电能传输系统中的原边能量发射机构的正上方。
4.根据权利要求1所述的基于阻抗特性的异物检测方法，其特征在于，步骤S4通过阻抗特性分析模块判断检测区域是否有异物，该阻抗特性分析模块输入有两路信号，一路为加载到谐振回路上的高频载波信号，另一路为从谐振回路中提取的谐振电流信号，通过阻抗特性分析模块提取两路信号特征参数，利用提取的特征参数反映出阻抗特性变化量，当阻抗特性变化量超过预设阈值时，则认定待检测区域存在异物。
5.根据权利要求4所述的基于阻抗特性的异物检测方法，其特征在于，步骤S4中通过阻抗特性分析模块提取的特征参数为两路信号的幅值比和相位差，当所述幅值比和相位差超过预设阈值时，则认定待检测区域存在异物。
6.实现权利要求1所述异物检测方法的异物检测系统，其特征在于：包括用于产生高频载波信号的高频激励电路，铺设在待检测区域的检测线圈；与所述检测线圈连接形成谐振回路的电阻元件和电容元件，与所述谐振回路连接并实现信号提取和滤波的运放滤波电路，与运放滤波电路输出端相连并用于提取信号幅度和相位的幅相获取电路，用于判断幅度信息和相位信息是否超过预设阈值的处理器电路以及用于输出处理结果的结果输出电路。
7.根据权利要求6所述的异物检测系统，其特征在于：所述运放滤波电路并行设置有两路，所述高频激励电路输出的原始激励信号(SIN1)经过第一运放滤波电路后作为第一输入信号(SHURU1)送入幅相获取电路的一个输入端，所述高频激励电路输出的原始激励信号送入谐振回路后，从谐振回路上提取的谐振电流信号(SIN2)经过第二运放滤波电路后作为第二输入信号(SHURU2)送入幅相获取电路的另一个输入端，通过所述幅相获取电路输出两信号的幅值比(+VM)和相位差(+VP)。
8.根据权利要求6或7所述的异物检测系统，其特征在于：所述幅相获取电路采用AD8302AR相幅检测芯片。
9.根据权利要求6或7所述的异物检测系统，其特征在于：所述检测线圈为平面线圈，且绕制在无线电能传输系统的能量发射机构和能量接收机构之间，用于检测无线电能传输区域中的异物进入状况。
10.根据权利要求9所述的异物检测系统，其特征在于：所述检测线圈采用铜丝绕制而成。
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