CN106981934A - 一种针对密闭金属容器进行无线输能的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种针对密闭金属容器进行无线输能的系统，该系统包括：控制处理模块(1)，功率放大模块(2)，发射匹配网络(3)，相位控制模块(4)，超声能量传输通道(5)，环境监测模块(6)，接收匹配网络(8)和电压转换与储能模块(9)；其中，所述超声能量传输通道(5)主要由超声发射换能器(11)和超声接收换能器(12)组成，其固定在密闭金属容器金属层(7)表面。本发明可以在不破坏金属容器结构完整性的情况下对容器内设备进行无线输能，且具有能量损耗低、良好的指向性高传输效率，不会产生额外的电磁辐射干扰的优点。
Description
技术领域
本发明涉及超声无线能量传输技术领域，尤其涉及一种针对密闭金属容器进行无线输能的系统及方法。
背景技术
利用电缆作为电力传输媒介不仅存在布线，线路老化，尖端放电等问题，而且随着用电设备的增加，各种电源线缠绕在一起给人们的生活带来了极大不便。为此，近年来无线输电技术的研究与应用得到了越来越多的重视与发展。目前运用比较多的无线输能方式主要有感应耦合，电容耦合，微波，激光，磁耦合谐振方式等。当传输介质是空气时，这些方式可适应大部分的应用场合和不同功率需求的能量传输。但在一些特定环境下，如透过密闭金属容器进行无线输能，这些方式由于自身技术的局限性而难以满足要求。为此近年来不少学者提出利用超声波进行无线能量传输。
利用超声波进行无线输能的研究过去主要集中在透过人体组织为人体的植入设备进行充电。而利用超声波在空气中进行无线输能，由于不具备明显优势，研究很少。这些应用主要都是小功率的，功率级别都在毫瓦级。除此之外，近年来利用超声波透过金属进行无线输能正越来越受到各国研究人员的重视。因为其不仅不存在法拉第电磁屏蔽效应，而且金属与用于声电能量转换的换能器声阻抗接近，比起空气和人体组织，更容易实现能量的高效传输。
尽管利用超声波进行无线输能得到越来越多的应用，但是目前并没有一种针对密闭金属容器进行超声输能的有效方法与系统。并且在实验过程中发现，随着无线输电系统工作时间的增加，金属介质由于机械损耗积累大量热能，发热现象严重，将直接影响系统的传输效率。
发明内容
本发明的目的在于，解决现有技术中向密闭金属容器下工作的电子设备进行无线充电的技术问题。
为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种针对密闭金属容器进行无线输能的系统，该系统包括：控制处理模块、功率放大模块、发射匹配网络、相位控制模块、超声能量传输通道、环境监测模块、接收匹配网络和电压转换与储能模块；其中，超声能量传输通道主要由超声发射换能器和超声接收换能器组成，其固定在密闭金属容器金属层表面；环境监测模块用于采集密闭金属容器金属层以及环型相控阵超声发射换能器的温度状态，将采集信息反馈给控制处理模块；控制处理模块用于接收并处理采集信息；根据采集信息产生相应频率的激励正弦信号，以及根据采集信息对各阵元对应通道的正弦信号幅值进行设置；相位控制模块用于控制各阵元激励信号的相位关系，使到达超声接收换能器的能量最大化；环型相控阵超声发射换能器各阵元将各自激发的电信号转换为超声波，超声波透过密闭金属容器金属层由超声接收换能器接收并重新转换为电信号；接收匹配网络用于超声能量传输通道与后续各级电路的阻抗匹配，使能量传输效率最大化；电压转换与储能电路用于将超声接收换能器转换得到的电信号进行整流滤波并根据用电设备的电压需求将信号转换到合适电压。
优选地，超声发射换能器设置为环型相控阵超声发射换能器,其由多个同心的环形压电晶体按照规定的间距排列组成，且各环形压电晶体的横截面积相同；所述各个环形压电晶体引出电极形成阵元用于连接发射激励信号。
优选地，超声能量传输通道还包括耦合剂，超声发射换能器和超声接收换能器通过耦合剂固定在密闭金属容器金属层表面。
优选地，用电设备是密闭金属容器金属层内任何需要供电的仪器，包括各类检测仪器，传感器和通信系统。
另一方面，本发明提供了一种针对密闭金属容器进行无线输能的方法，包括以下步骤：
步骤一：环境监测模块采集密闭金属容器金属层以及超声发射换能器的温度状态，将采集信息反馈给控制处理模块；
步骤二：控制处理模块根据采集信息产生相应频率的激励正弦信号，对各阵元对应通道的正弦信号幅值进行设置；
步骤三：功率放大器将控制处理模块产生的各个通道的正弦波信号放大到合适功率，从而驱动后续电路；
步骤四：发射匹配网络将各通道前端各级电路与后续电路的阻抗匹配，使超声发射换能器各阵元通道能量最大化；
步骤五：相位控制模块控制各阵元激励信号的相位关系，使到达超声接收换能器的能量最大化；
步骤六：超声发射换能器将电能转化为超声波，超声波透过密闭金属容器金属层，再由超声接收换能器接收并重新转化为电信号；
步骤七：接收匹配网络将超声能量传输通道与后续各级电路的阻抗进行匹配，使能量传输效率最大化；
步骤八：电压转换与储能电路对超声接收换能器转换得到的交流电信号进行整流滤波，并根据用电设备的电压需求将信号转换到合适电压。
本发明的有益效果是：本发明利用超声波透过金属，可以在不破坏金属容器结构完整性的情况下对容器内设备进行无线输能，实现能力的高效传输，不会产生额外的电磁辐射干扰；利用环境监测模块将采集信息反馈给控制处理模块用于产生相应的控制信号，实现系统的智能监控，避免了因工作时间的增加而产生的发热现象，能量损耗低、指向性良好、传输效率高。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种针对密闭金属容器进行无线输能的系统结构示意图。
图2为本发明实施例提供的一种超声能量传输通道结构示意图。
图3为本发明实施例提供的一种环形相控阵截面示意图。
图4为本发明实施例提供的一种环形相控阵工作原理示意图。
图5为本发明实施例提供的一种针对密闭金属容器进行无线输能的方法流程示意图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
图1为本发明实施例提供的一种针对密闭金属容器进行无线输能的系统结构示意图。
图2为本发明实施例提供的一种超声能量传输通道结构示意图。
如图1所示，该无线输能的系统包括，控制处理模块1、功率放大模块2、发射匹配网络3、相位控制模块4、超声能量传输通道5、环境监测模块6、接收匹配网络8和电压转换与储能模块9；其中，超声能量传输通道5由超声发射换能器11和接收换能器12组成。
具体地，控制处理模块1用于接收并处理所述采集信息；根据采集信息产生相应频率的激励正弦信号，以及根据采集信息对各阵元对应通道的正弦信号幅值进行设置。
具体地，功率放大器2用于将控制处理模块1产生的各个通道的正弦波信号放大到合适功率，从而驱动后续电路。
具体地，发射匹配网络3用于完成各通道前端各级电路与后续电路的阻抗匹配，使超声发射换能器11各阵元通道能量最大化。
具体地，相位控制模块4用于控制所述超声发射换能器11各阵元激励信号的相位关系，保证到达超声接收换能器12的能量最大化。
具体地，环境监测模块6用于采集密闭金属容器金属层7以及超声发射换能器11的温度状态，从而将采集信息反馈给控制处理模块1用于产生相应的控制信号，实现系统的智能监控。
具体地，接收匹配网络8用于超声能量传输通道5与后续各级电路的阻抗匹配，使能量传输效率最大化。
具体地，电压转换与储能电路9用于将超声接收换能器12转换得到的交流电信号进行整流滤波并根据用电设备10的电压需求将信号转换到合适电压。
具体地，用电设备10可以是密闭金属容器7内任何需要供电的仪器，包括各类检测仪器，传感器，通信系统等。
具体地，粘结用耦合剂13用于将超声发射换能器11和超声接收换能器12固定在密闭金属容器金属层7表面，并起到耦合剂的作用。
图3为本发明实施例提供的一种环形相控阵截面示意图。环型相控阵超声发射换能器11由多个同心的环形压电晶体按照规定的间距排列组成，且各晶体的横截面积相同。
具体的，如图2和图3所示，其由4个同心的环形压电晶体按照规定的间距排列组成，且各晶体的横截面积相同。各个环形压电晶体引出电极形成阵元用于连接发射激励信号，阵元数量决定了系统发射的通道数。各阵元将各自激发的电信号转换为超声波即机械能，超声波透过密闭金属容器金属层7由超声接收换能器12接收并重新转换为电信号。
需要说明的是，相控阵探头形式不局限于环形相控阵，可存在其他形式，且阵元数量也不限定于4个，可根据实际情况增减阵元数量。
图4为本发明实施例提供的一种环形相控阵工作原理示意图。如图4所示，超声发射换能器可以结合相控阵技术，通过控制环型相控阵超声发射换能器11不同阵元通道激励信号的幅值和相位，使能量可以在不同位置(如图4中的A、B或C点位置)实现能量的最大化传输，从而自动适应不同厚度金属的无线输能。
具体地，环型相控阵超声发射换能器11可根据激励信号将能量聚焦在A、B或C的位置,根据不同厚度的金属确定需要能量最大的位置。
在一个例子中，当确定能量最大位置(比如A)后，根据环境监测模块6采集的采集信息，调整各激励信号，使得在不同温度下在该位置始终保持能量最大化传输。
图5为本发明实施例提供的一种针对密闭金属容器进行无线输能的方法流程示意图。如图2和图5所示，该方法包括以下步骤：
步骤S401：环境监测模块6采集密闭金属容器金属层7以及超声发射换能器11的温度状态，将采集信息反馈给控制处理模块1；
步骤S402：控制处理模块1产生相应频率的激励正弦信号，对各阵元对应通道的正弦信号幅值进行设置；
步骤S403：功率放大器2将控制处理模块1产生的各个通道的正弦波信号放大到合适功率，从而驱动后续电路；
步骤S404：发射匹配网络3将各通道前端各级电路与后续电路的阻抗匹配，使超声发射换能器11各阵元通道能量最大化；
步骤S405：相位控制模块4用于控制所述超声发射换能器11各阵元激励信号的相位关系，使到达超声接收换能器12的能量最大化；
步骤S406：超声发射换能器11将电能转化为超声波，超声波透过密闭金属容器金属层7，再由超声接收换能器12接收并重新转化为电信号；
步骤S407：接收匹配网络8将超声能量传输通道5与后续各级电路的阻抗进行匹配，使能量传输效率最大化；
步骤S408：电压转换与储能电路9对超声接收换能器12转换得到的交流电信号进行整流滤波，并根据用电设备10的电压需求将信号转换到合适电压。
本发明实施例通过压电换能器将电能转化为所需的超声波,超声波透过密封外壳后,再由压电器件转换成电能传送给电子设备。同时采用环形换能器阵充当发射换能器，通过环境检测模块检测系统工作情况并反馈给控制处理模块。然后控制处理模块可根据换能器与金属板的温度情况，自动调节发射换能器各阵元的激励信号，使整个系统始终工作在最佳传输效率点，大大提高了系统的稳定性。本发明可以在不破坏金属容器结构完整性的情况下对容器内设备进行无线输能，且具有能量损耗低、良好的指向性、高传输效率，不会产生额外的电磁辐射干扰的优点。
以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种针对密闭金属容器进行无线输能的系统，其特征在于：包括：控制处理模块(1)、功率放大模块(2)、发射匹配网络(3)、相位控制模块(4)、超声能量传输通道(5)、环境监测模块(6)、接收匹配网络(8)和电压转换与储能模块(9)；其中，所述超声能量传输通道(5)主要由超声发射换能器(11)和超声接收换能器(12)组成，其固定在密闭金属容器金属层(7)表面；
所述环境监测模块(6)，用于采集密闭金属容器金属层(7)以及超声发射换能器(11)的温度状态，将采集信息反馈给控制处理模块(1)；
所述控制处理模块(1)，用于接收并处理所述采集信息；根据采集信息产生相应频率的激励正弦信号，以及根据采集信息对各阵元对应通道的正弦信号幅值进行设置；
所述相位控制模块(4)，用于控制所述超声发射换能器(11)各阵元激励信号的相位关系，使到达超声接收换能器(12)的能量最大化；
所述超声发射换能器(11)各阵元将各自激发的电信号转换为超声波，超声波透过密闭金属容器金属层(7)由超声接收换能器(12)接收并重新转换为电信号；
所述接收匹配网络(8)，用于所述超声能量传输通道(5)与后续各级电路的阻抗匹配，使能量传输效率最大化；
所述电压转换与储能电路(9)，用于将所述超声接收换能器(12)转换得到的电信号进行整流滤波并根据用电设备(10)的电压需求将信号转换到合适电压。
2.根据权利要求1所述的无线输能系统，其特征在于，所述超声发射换能器(11)设置为相控阵超声发射换能器,其由多个同心的环形压电晶体按照规定的间距排列组成，且各环形压电晶体的横截面积相同；所述各个环形压电晶体引出电极形成阵元用于连接发射激励信号。
3.根据权利要求1所述的无线输能系统，其特征在于，所述超声能量传输通道(5)还包括耦合剂(13)，所述超声发射换能器(11)和所述超声接收换能器(12)通过所述耦合剂(13)固定在密闭金属容器金属层(7)表面。
4.根据权利要求1所述的无线输能系统，其特征在于，所述用电设备(10)，是密闭金属容器金属层(7)内任何需要供电的仪器，包括各类检测仪器，传感器和通信系统。
5.一种针对密闭金属容器进行无线输能的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：环境监测模块(6)采集密闭金属容器金属层(7)以及超声发射换能器(11)的温度状态，将采集信息反馈给控制处理模块(1)；
步骤二：控制处理模块(1)根据采集信息产生相应频率的激励正弦信号，对各阵元对应通道的正弦信号幅值进行设置；
步骤三：功率放大器(2)将控制处理模块(1)产生的各个通道的正弦波信号放大到合适功率，从而驱动后续电路；
步骤四：发射匹配网络(3)将各通道前端各级电路与后续电路的阻抗匹配，使超声发射换能器(11)各阵元通道能量最大化；
步骤五：相位控制模块(4)调整超声发射换能器(11)各阵元激励信号的相位关系，使到达超声接收换能器(12)的能量最大化；
步骤六：超声发射换能器(11)将电能转化为超声波，超声波透过密闭金属容器金属层(7)，再由超声接收换能器(12)接收并重新转化为电信号；
步骤七：接收匹配网络(8)将超声能量传输通道(5)与后续各级电路的阻抗进行匹配，使能量传输效率最大化；
步骤八：电压转换与储能电路(9)对超声接收换能器(12)转换得到的交流电信号进行整流滤波，并根据用电设备(10)的电压需求将信号转换到合适电压。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Wang Jun Inventor after: Zhang Bixing Inventor after: Huang Juan Inventor after: Yan Shouguo Inventor before: Wang Jun Inventor before: Zhang Bixing |
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |