CN108365898A - 一种基于超声波的穿钢数能同传装置 - Google Patents

一种基于超声波的穿钢数能同传装置 Download PDF

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徐正光
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Abstract

本发明提供一种基于超声波的穿钢数能同传装置，该装置包括：信号发射模块(1)、前端换能器(2)、耦合剂(3)、钢板(4)、后端换能器(5)以及信号接收模块(6)，其中，信号发射模块(1)，用于产生脉冲信号；前端换能器(2)，与信号发射模块(1)连接，用于将脉冲信号转换为超声波信号；耦合剂(3)，用于将前端换能器(2)和后端换能器(5)对称地粘贴在钢板(4)的两侧；钢板(4)，用于作为超声波信号传输的信道；后端换能器(5)，用于将钢板(4)输出的超声波信号转换为电信号；信号接收模块(6)，用于接收并导出电信号。本发明提供的技术方案可实现在密闭金属结构内外信息和能量的同时传输。

Description

一种基于超声波的穿钢数能同传装置
技术领域
本发明涉及信息和能量同时传输领域，尤其涉及一种基于超声波的穿钢数能同传装置。
背景技术
在工业领域经常需要对密闭容器进行通信和监测，比如潜水艇舱体内外信息传递、管道压力监测等等，目前通常采用电磁波、线缆或者光通信等方式。
但是，如果采用电磁波、线缆或者光通信这些常用的通信方法，信号在金属中传输会失真，效果均不理想，而且，电磁波在穿金属厚壁时由于集肤效应，信号衰减严重，达不到传递完整信息的效果，另外，采用有线传输技术，一方面会破坏金属厚壁的完整性，另一方面费用昂贵，而且，通常无法实现信息和能量的同时传输。
因此，如何在密闭金属结构空间内实现信息和能量的同时传输一直是业界亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于超声波的穿钢数能同传装置，旨在解决现有技术中无法实现在密闭金属结构空间内实现信息和能量的同时传输的问题。
本发明提出一种基于超声波的穿钢数能同传装置，其中，所述装置包括：信号发射模块(1)、前端换能器(2)、耦合剂(3)、钢板(4)、后端换能器(5)以及信号接收模块(6)，其中，
所述信号发射模块(1)，用于产生脉冲信号；
所述前端换能器(2)，与所述信号发射模块(1)连接，用于将所述脉冲信号转换为超声波信号；
所述耦合剂(3)，用于将所述前端换能器(2)粘贴在所述钢板(4)上；
所述钢板(4)，用于作为所述超声波信号传输的信道；
所述后端换能器(5)，用于将接收到的经所述钢板(4)传输的所述超声波信号转换为电信号；
所述信号接收模块(6)，用于接收并导出所述电信号。
优选的，所述前端换能器(2)为采用PZT-5材料的陶瓷压电换能器。
优选的，所述耦合剂(3)，还用于将所述后端换能器(5)粘贴在所述钢板(4)上。
优选的，所述前端换能器(2)和所述后端换能器(5)以对称的方式粘贴在所述钢板(4)相对的两侧。
优选的，所述耦合剂(3)为采用环氧树脂材料的耦合剂，所述钢板(4)为采用机械抛光处理的钢板。
优选的，所述信号发射模块(1)包括信号发生电路(1-1)、放大电路(1-2)、滤波电路(1-3)、DAC(1-4)和阻抗匹配电路(1-5)，其中，所述信号发生电路(1-1)是一块以STM32F407芯片为核心的集成PCB板，集成包括主芯片、电源、开关和滑动变阻器。
优选的，所述放大电路(1-2)采用PC923光耦，并与所述信号发生电路(1-1)连接，用于将所述脉冲信号的幅值放大，以驱动所述陶瓷压电换能器的工作。
优选的，所述滤波电路(1-3)与所述放大电路(1-2)连接，包括的核心芯片为LMV771，用于有效减少部分噪声的影响，抑制或衰减高频信号。
优选的，所述阻抗匹配电路(1-5)，用于使所述信号发射模块(1)的阻抗值与前端的所述陶瓷压电换能器的阻抗值一致。
优选的，所述信号接收模块(6)包括阻抗匹配电路(6-1)、放大电路(6-2)、ADC(6-3)、滤波电路(6-4)和示波器(6-5)，其中，所述后端换能器(5)与所述阻抗匹配电路(6-1)连接，并经过所述放大电路(6-2)、所述ADC(6-3)、所述滤波电路(6-4)后由所述示波器(6-5)完成解调和数据读取。
本发明提供的技术方案以超声波信号为通信载体，以金属厚壁为通信信道，实现金属厚壁前后信息和能量的同时传递，产生的脉冲信号经过滤波电路和放大电路的处理，再通过前端换能器转换为超声波信号，然后经过金属厚壁的传输后，由后端换能器将接收到的超声波信号转换为电信号，再经信号接收模块进行相关处理及解调，最后得到有效信息。本发明将超声波信号作为通信载体，利用换能器将电信号与超声波信号相互转换，可以很好的解决信号无法在密闭容器内外传输的问题，弥补传统射频信号在金属中传输易失真的不足，可实现在密闭金属结构内外信息和能量的同时传输。
附图说明
图1为本发明一实施方式中基于超声波的穿钢数能同传装置的整体结构示意图；
图2为本发明一实施方式中基于超声波的穿钢数能同传装置的具体结构示意图；
图3为本发明一实施方式中利用史密斯圆图工具设计的匹配电路示意图；
图4为本发明一实施方式中匹配电路的三种方案的示意图；
图5为本发明一实施方式中加入匹配电路前后输出波形的对比图；
图6为本发明一实施方式中加入匹配电路前后输出功率的对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下将对本发明所提供的一种基于超声波的穿钢数能同传装置进行详细说明。
请参阅图1，为本发明一实施方式中基于超声波的穿钢数能同传装置的整体结构示意图。
在本实施方式中，所述基于超声波的穿钢数能同传装置包括：信号发射模块(1)、前端换能器(2)、耦合剂(3)、钢板(4)、后端换能器(5)以及信号接收模块(6)，其中，
所述信号发射模块(1)，用于产生脉冲信号；
所述前端换能器(2)，与所述信号发射模块(1)连接，用于将所述脉冲信号转换为超声波信号；
所述耦合剂(3)，用于将所述前端换能器(2)粘贴在所述钢板(4)上；
所述钢板(4)，用于作为所述超声波信号传输的信道；
所述后端换能器(5)，用于将接收到的经所述钢板(4)传输的所述超声波信号转换为电信号；
所述信号接收模块(6)，用于接收并导出所述电信号。
在本实施方式中，所述前端换能器(2)为采用PZT-5材料的陶瓷压电换能器，陶瓷压电换能器的直径为1.5cm。
在本实施方式中，所述耦合剂(3)，还用于将所述后端换能器(5)粘贴在所述钢板(4)上，其中，作为传输信道的钢板(4)采用的是20cm*10cm*3cm规格的钢板。
在本实施方式中，所述前端换能器(2)和所述后端换能器(5)以对称的方式粘贴在所述钢板(4)相对的两侧。
在本实施方式中，所述耦合剂(3)为采用环氧树脂材料的耦合剂，所述钢板(4)为采用机械抛光处理的钢板，钢板的厚度为3cm。
在本实施方式中，超声波由于频率高、方向性好、穿透能力强，易于获得较集中的声能，本发明将超声波信号作为通信载体，利用换能器(例如压电传感器)将电信号与超声波信号相互转换，可以很好的解决信号无法在密闭容器内外传输的问题，弥补传统射频信号在金属中传输易失真的不足，可实现在密闭金属结构内外信息和能量的同时传输。本发明是针对传统通信方式无法在金属厚壁中传输的问题而建立的系统，突破了有线传输通信和传统射频通信的瓶颈，能够广泛应用于工业领域，是自动控制在工业领域应用的典范。
请参阅图2，为本发明一实施方式中基于超声波的穿钢数能同传装置的具体结构示意图。
在本实施方式中，所述信号发射模块(1)包括信号发生电路(1-1)、放大电路(1-2)、滤波电路(1-3)、DAC(1-4)和阻抗匹配电路(1-5)，其中，所述信号发生电路(1-1)是一块以STM32F407芯片为核心的集成PCB板，集成包括主芯片、电源、开关和滑动变阻器，电路的设计包括原理图设计、添加元件封装、导入PCB、布局、约束规则设置、布线、附铜、制板和调试。
在本实施方式中，所述放大电路(1-2)采用PC923光耦，并与所述信号发生电路(1-1)连接，用于将所述脉冲信号的幅值放大，以驱动所述陶瓷压电换能器的工作。
在本实施方式中，所述滤波电路(1-3)与所述放大电路(1-2)连接，包括的核心芯片为LMV771，用于有效减少部分噪声的影响，抑制或衰减高频信号。
在本实施方式中，所述阻抗匹配电路(1-5)，用于使所述信号发射模块(1)的阻抗值与前端的所述陶瓷压电换能器的阻抗值一致，使输出功率最大，借助史密斯圆图工具设计阻抗匹配电路1-5，如图3所示，包括三种方案1-5-1，1-5-2，1-5-3，如图4所示。
请参阅图5，为本发明一实施方式中加入匹配电路前后输出波形的对比图。
请参阅图6，为本发明一实施方式中加入匹配电路前后输出功率的对比图。
在本实施方式中，所述信号接收模块(6)包括阻抗匹配电路(6-1)、放大电路(6-2)、ADC(6-3)、滤波电路(6-4)和示波器(6-5)，其中，所述后端换能器(5)与所述阻抗匹配电路(6-1)连接，并经过所述放大电路(6-2)、所述ADC(6-3)、所述滤波电路(6-4)后由所述示波器(6-5)完成解调和数据读取。
本发明实施例中的传输信道是数据和能量同时传输的基础。本发明实施例采用搭建实物电路的方式来研究传输特性，根据最大功率传输原理，当内阻和负载相等时传输功率最大，此时匹配程度最佳，不会产生反射且负载端吸收了所有能量。阻抗匹配的目的就是通过匹配电路的调节，使驱动电路和陶瓷换能器的特征阻抗相等，从而输出功率最大，由于硬件电路阻抗值的测量受很多因素的影响，只能通过矢量分析仪按照扫频方式测出电路阻抗，再通过匹配电路完成阻抗匹配，对于普通的宽频放大器，输出阻抗值为50Ω。
本发明具有以下有益效果：它利用超声波信号的穿透能力强和方向性好的特点，在穿过3cm厚的钢板后得到完整数据，根据数据能拟合出通信信道的传递函数，通过匹配电路的设计使输出功率最大化，弥补传统射频信号在金属厚壁中传输时易失真的不足，同时保证金属厚壁的完整性。
本发明提供的一种基于超声波的穿钢数能同传装置，采用黑箱系统建模方法对主回路和回波回路进行建模，匹配电路的设计有效减小符号间干扰对信道传输的影响，通过数据传输链路和能量传输链路实现密闭容器内外的数据交互和容器内部能量供应，弥补传统射频信号在金属厚壁中传输时易失真的不足，同时保证金属厚壁的完整性。
值得注意的是，上述实施例中，所包括的各个单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于超声波的穿钢数能同传装置，其特征在于，所述装置包括：信号发射模块(1)、前端换能器(2)、耦合剂(3)、钢板(4)、后端换能器(5)以及信号接收模块(6)，其中，
所述信号发射模块(1)，用于产生脉冲信号；
所述前端换能器(2)，与所述信号发射模块(1)连接，用于将所述脉冲信号转换为超声波信号；
所述耦合剂(3)，用于将所述前端换能器(2)粘贴在所述钢板(4)上；
所述钢板(4)，用于作为所述超声波信号传输的信道；
所述后端换能器(5)，用于将接收到的经所述钢板(4)传输的所述超声波信号转换为电信号；
所述信号接收模块(6)，用于接收并导出所述电信号。
2.如权利要求1所述的基于超声波的穿钢数能同传装置，其特征在于，所述前端换能器(2)为采用PZT-5材料的陶瓷压电换能器。
3.如权利要求1所述的基于超声波的穿钢数能同传装置，其特征在于，所述耦合剂(3)，还用于将所述后端换能器(5)粘贴在所述钢板(4)上。
4.如权利要求1或3所述的基于超声波的穿钢数能同传装置，其特征在于，所述前端换能器(2)和所述后端换能器(5)以对称的方式粘贴在所述钢板(4)相对的两侧。
5.如权利要求4所述的基于超声波的穿钢数能同传装置，其特征在于，所述耦合剂(3)为采用环氧树脂材料的耦合剂，所述钢板(4)为采用机械抛光处理的钢板。
6.如权利要求1所述的基于超声波的穿钢数能同传装置，其特征在于，所述信号发射模块(1)包括信号发生电路(1-1)、放大电路(1-2)、滤波电路(1-3)、DAC(1-4)和阻抗匹配电路(1-5)，其中，所述信号发生电路(1-1)是一块以STM32F407芯片为核心的集成PCB板，集成包括主芯片、电源、开关和滑动变阻器。
7.如权利要求6所述的基于超声波的穿钢数能同传装置，其特征在于，所述放大电路(1-2)采用PC923光耦，并与所述信号发生电路(1-1)连接，用于将所述脉冲信号的幅值放大，以驱动所述陶瓷压电换能器的工作。
8.如权利要求6所述的基于超声波的穿钢数能同传装置，其特征在于，所述滤波电路(1-3)与所述放大电路(1-2)连接，包括的核心芯片为LMV771，用于有效减少部分噪声的影响，抑制或衰减高频信号。
9.如权利要求6所述的基于超声波的穿钢数能同传装置，其特征在于，所述阻抗匹配电路(1-5)，用于使所述信号发射模块(1)的阻抗值与前端的所述陶瓷压电换能器的阻抗值一致。
10.如权利要求1所述的基于超声波的穿钢数能同传装置，其特征在于，所述信号接收模块(6)包括阻抗匹配电路(6-1)、放大电路(6-2)、ADC(6-3)、滤波电路(6-4)和示波器(6-5)，其中，所述后端换能器(5)与所述阻抗匹配电路(6-1)连接，并经过所述放大电路(6-2)、所述ADC(6-3)、所述滤波电路(6-4)后由所述示波器(6-5)完成解调和数据读取。
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