CN109004764B - 一种针对密闭金属容器进行超声供电系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种针对密闭金属容器进行超声供电系统及方法，所述系统包括：检测模块采集发射换能器的电压、电流和温度状态信息，并将采集的信息传送到信息处理控制模块；信息处理控制模块根据电压和电流相位差，设置发射匹配网络参数，根据温度状态信息，设置功率放大单元的放大倍数；超声波发射模块根据信息处理控制模块设置的放大倍数，通过功率放大单元放大正弦信号产生单元产生的正弦信号；超声无线输能通道模块通过发射换能器将接收到的放大后的正弦信号转换为超声波，透过容器外壳，传到容器内部，再由接收换能器接收并重新转换为放大后的正弦信号；稳压电路模块将放大后的正弦信号进行调流、滤波和稳压，输出的电压供给容器内的电子设备。

Description

一种针对密闭金属容器进行超声供电系统及方法
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超声供电系统及方法。
背景技术
近年来，向密封环境下工作的电子设备进行定向供电无线电能传输技术，引起了人们极大的兴趣。对密闭金属容器或装置内部的电子设备进行供电时，由于环境和要求的特殊性，常规的供电方式往往存在较大的麻烦和困难。目前，大多采取打开外壳的方式来进行供电(或充电)，这样非常不方便，更不安全，经常打开外壳会降低密闭金属容器的安全性能和使用寿命。而且很多情况下，这种密闭金属容器的外壳往往都是由金属材料制成，具有强烈的电磁屏蔽效应，无法采用现阶段已较为成熟的电磁感应耦合和电磁谐振式技术。超声波是一种机械波，在固体中传播时超声波可以携带较高的能量，并以波动形式将能量传输到指定位置实现定向传输，具有能量损耗小和安全性高等技术优势。对于特殊环境中的密闭金属容器，超声波能够很方便地透过密闭金属容器外壳，不受密闭金属容器金属外壳电磁屏蔽效应的影响，可对密闭金属容器实现完全密闭性、防水性和无人化管理的特点，近年来在国际上备受关注和重视。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种针对密闭金属容器进行超声供电系统及方法。
第一方面，本发明提供了一种针对密闭金属容器进行超声供电系统，包括：超声波发射模块、超声无线输能通道模块、稳压电路模块、检测模块和信息处理控制模块；其中，所述超声波发射模块包括正弦信号产生单元和功率放大单元，所述超声无线输能通道模块包括发射换能器和接收换能器，其所述发射换能器固定在密闭金属容器外壳的外侧，其所述接收换能器固定在密闭金属容器外壳的内侧；
所述检测模块，用于实时采集所述发射换能器两端的电压、电流以及温度状态信息，并将采集的信息传送到所述信息处理控制模块；所述信息处理控制模块，用于根据所述发射换能器两端的电压和电流相位差，设置合适的发射匹配网络参数，根据所述发射换能器的温度状态信息，设置合适的所述功率放大单元的放大倍数；所述超声波发射模块，用于根据所述信息处理控制模块设置的放大倍数，通过所述功率放大单元放大所述正弦信号产生单元产生的正弦信号；所述超声无线输能通道模块，用于通过所述发射换能器将接收到的所述放大后的正弦信号转换为超声波，然后透过密闭金属容器外壳，传到密闭金属容器内部，再由所述接收换能器接收并重新转换为所述放大后的正弦信号；所述稳压电路模块，用于将所述接收换能器转换的所述放大后的正弦信号进行调流、滤波和稳压，输出稳定的电压供给密闭金属容器内的电子设备。
优选地，还包括：发射匹配模块，所述反射匹配模块，用于根据所述信息处理控制模块设置的发射匹配网络参数，将所述功率放大单元与所述超声无线输能通道模块以及后续各级电路进行阻抗匹配，并将所述放大后的正弦信号加载到发射换能器两端，驱动发射换能器进行工作。
优选地，还包括：接收匹配模块，所述接收匹配模块，用于将所述超声无线输能通道模块输出的所述放大后的正弦信号与后续各级电路进行阻抗匹配，使得后续各级电路获得最大电能。
优选地，所述超声无线输能通道模块还包括：固定支架，所述发射换能器通过所述固定支架固定，然后通过耦合剂使所述发射换能器紧密粘贴在密闭金属容器外壳的外侧；其中，所述接收换能器通过耐高温的环氧树脂胶粘贴在密闭金属容器外壳的内侧。
第二方面，本发明提供了一种针对密闭金属容器进行超声供电方法，包括：实时采集发射换能器两端的电压、电流以及温度状态信息，并将采集的信息传送到信息处理控制模块；根据所述发射换能器两端的电压和电流相位差，设置合适的发射匹配网络参数，根据所述发射换能器的温度状态信息，设置合适的功率放大单元的放大倍数；根据所述信息处理控制模块设置的放大倍数，通过所述功率放大单元放大正弦信号产生单元产生的正弦信号；通过所述发射换能器将接收到的所述放大后的正弦信号转换为超声波，然后透过密闭金属容器外壳，传到密闭金属容器内部，再由接收换能器接收并重新转换为所述放大后的正弦信号；将所述接收换能器转换的所述放大后的正弦信号进行调流、滤波和稳压，输出稳定的电压供给密闭金属容器内的电子设备。
优选地，所述根据所述信息处理控制模块设置的放大倍数，通过所述功率放大单元放大正弦信号产生单元产生的正弦信号之后，还包括：根据所述信息处理控制模块设置的发射匹配网络参数，将所述功率放大单元与所述超声无线输能通道模块以及后续各级电路进行阻抗匹配，并将所述放大后的正弦信号加载到发射换能器两端，驱动发射换能器进行工作。
优选地，所述通过所述发射换能器将接收到的所述放大后的正弦信号转换为超声波，然后透过密闭金属容器外壳，传到密闭金属容器内部，再由接收换能器接收并重新转换为所述放大后的正弦信号之后，还包括：将所述超声无线输能通道模块输出的所述放大后的正弦信号与后续各级电路进行阻抗匹配，使得后续各级电路获得最大电能。
本发明利用超声波透过金属且不破坏密闭金属容器结构完整性的前提下，对容器内的电子设备进行供电，打破了密闭金属容器电磁屏蔽的束缚，实现了能量无线高效传输。利用监测模块实时采集信息传送给信息处理控制模块，设置合适的放大倍数，动态调整发射换能器上承载能量的大小，实时设置发射匹配网络参数，实现发射端电路阻抗自适应匹配，解决了超声无线供电系统工作过程中发热引起的发射端能量变化、系统阻抗变化等问题，提高了系统能量传输效率以及稳定性。
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超声供电系统的结构框图；
图2为本发明实施例提供的超声无线输能通道模块的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种针对密闭金属容器进行超声供电方法的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的技术方案以及优点表达的更清楚，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超声供电系统的结构框图。如图1示意了一种针对密闭金属容器进行超声供电系统，其包括：超声波发射模块1、超声无线输能通道模块2、稳压电路模块3、检测模块4和信息处理控制模块5。其中，超声波发射模块1包括正弦信号产生单元101和功率放大单元102，超声无线输能通道模块2包括发射换能器201和接收换能器202。
检测模块4用于实时采集超声无线输能通道模块2中的发射换能器201两端的电压、电流以及发射换能器201的温度状态信息，然后并将采集到的信息传送到信息处理控制模块5。
信息处理控制模块5根据从检测模块4采集的发射换能器201两端的电压和电流相位差，设置合适的发射匹配网络参数，使得发射换能器201上获取最大能量，减少能量反射等无功率损耗；同时根据从检测模块4采集的发射换能器201的温度状态信息，设置合适的功率放大单元102的放大倍数，从而调整发射换能器201发射超声波的能量大小，保证超声无线供电系统能够稳定的工作。
超声波发射模块1由正弦信号产生单元101和功率放大单元102组成，正弦信号产生单元101产生合适频率的正弦波，其中频率为反射换能器201和接收换能器202的谐振频率；功率放大单元102根据信息处理控制模块5设置的放大倍数，对正弦信号产生单元101产生的正弦信号进行放大，然后将放大后的正弦信号发送给超声无线输能通道模块2中的发射换能器201。
超声无线输能通道模块2包括发射换能器201和接收换能器202，其发射换能器201固定在密闭金属容器外壳的外侧，其接收换能器202固定在密闭金属容器外壳的内侧。发射换能器(201)将接收到的放大后的正弦信号转换为超声波形式的机械能，然后超声波透过密闭金属容器外壳，传到密闭金属容器内部，再由接收换能器202接收并重新转换为放大后的正弦信号。
优选地，本发明实施例中采用的发射换能器201和接收换能器202采用单个阵元，进行单通道超声波无线输能。
在一个实施例中，图2示意了一个超声无线输能通道模块的结构示意图，如图2所示，超声无线输能通道模块2还包括固定支架203，其中发射换能器201通过固定支架203固定，然后通过耦合剂使发射换能器201紧密粘贴在密闭金属容器外壳的外侧。这样在不进行超声无线供电时，可以方便的将发射换能器201拆卸下来，而且不影响密闭金属容器的外观结构。而接收换能器采用耐高温的环氧树脂粘贴在密闭金属容器外壳的内侧，如果使用耦合剂，随着工作时间的增加，耦合剂会出现挥发的问题，不利于接收换能器202的固定，从而影响能量传输效率。
稳压电路模块3用于将接收换能器202转换的放大后的正弦信号进行调流、滤波和稳压，输出稳定的电压供给密闭金属容器内的电子设备。
在一个实施例中，本发明还包括发射匹配模块6，其连接在超声波发射模块1和超声无线输能通道模块2之间，用于根据信息处理控制模块5设置的发射匹配网络参数，将功率放大单元102输出的放大后的正弦信号与超声无线输能通道模块2以及后续各级电路进行阻抗匹配，使得发射换能器201获取最大能量。同时将放大后的正弦信号加载到发射换能器201两端，驱动发射换能器201进行工作。
在一个实施例中，本发明还包括接收匹配模块7，其连接在超声无线输能通道模块2和稳压电路模块3之间，用于将超声无线输能通道模块2输出的放大后的正弦信号与后续各级电路进行阻抗匹配，使后续各级电路获得最大电能。
本发明利用超声波透过金属，在不破坏密闭金属容器结构完整性的前提下，通过超声无线输能通道模块2对容器内的电子设备进行供电，打破了密闭金属容器电磁屏蔽的束缚，实现了能量无线高效传输。另外，利用监测模块4实时采集发射换能器201两端的电压、电流以及温度状态信息，传送给信息处理控制模块5，通过设置合适的放大倍数，动态调整发射换能器上承载能量的大小；同时，实时设置发射匹配网络参数，实现发射端电路阻抗自适应匹配，解决了超声无线供电系统工作过程中发热引起的发射端能量变化、系统阻抗变化等问题，提高了系统能量传输效率以及稳定性。
图3为本发明实施例提供的一种针对密闭金属容器进行超声供电方法的示意图。如图3所示的一种针对密闭金属容器进行超声供电方法，具体步骤如下：
步骤S301，实时采集发射换能器201两端的电压、电流以及温度状态信息，并将采集的信息传送到信息处理控制模块5；
步骤S302，根据发射换能器201两端的电压和电流相位差，设置合适的发射匹配网络参数，根据发射换能器201的温度状态信息，设置合适的功率放大单元102的放大倍数；
步骤S303，根据信息处理控制模块5设置的放大倍数，通过功率放大单元102放大正弦信号产生单元101产生的正弦信号；
步骤S304，通过发射换能器201将接收到的放大后的正弦信号转换为超声波，然后透过密闭金属容器外壳，传到密闭金属容器内部，再由接收换能器202接收并重新转换为放大后的正弦信号；
步骤S305，将接收换能器202转换的放大后的正弦信号进行调流、滤波和稳压，输出稳定的电压供给密闭金属容器内的电子设备。
优选地，在步骤S303之后，还包括：根据信息处理控制模块5设置的发射匹配网络参数，将功率放大单元102与超声无线输能通道模块2以及后续各级电路进行阻抗匹配，并将放大后的正弦信号加载到发射换能器201两端，驱动发射换能器201进行工作。
优选地，在步骤S304之后，还包括：将超声无线输能通道模块2输出的放大后的正弦信号与后续各级电路进行阻抗匹配，使得后续各级电路获得最大电能。
本发明利用超声波透过金属且不破坏密闭金属容器结构完整性的前提下，对容器内的电子设备进行供电，打破了密闭金属容器电磁屏蔽的束缚，实现了能量无线高效传输。另外，通过设置合适的放大倍数，来动态调整发射换能器上承载能量的大小，通过实时设置发射匹配网络参数，实现发射端电路阻抗自适应匹配，解决了超声无线供电系统工作过程中发热引起的发射端能量变化、系统阻抗变化等问题，提高了系统能量传输效率以及稳定性。
以上所述的具体实施方式，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，以上所述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 (4)

1.一种针对密闭金属容器进行超声供电系统，其特征在于，包括：超声波发射模块（1）、超声无线输能通道模块（2）、稳压电路模块（3）、检测模块（4）、信息处理控制模块（5）和发射匹配模块（6）；其中，所述超声波发射模块（1）包括正弦信号产生单元（101）和功率放大单元（102），所述超声无线输能通道模块（2）包括固定支架（203）、发射换能器（201）和接收换能器（202），所述发射换能器（201）通过所述固定支架（203）固定，然后通过耦合剂使所述发射换能器（201）紧密粘贴在密闭金属容器外壳的外侧，所述接收换能器（202）通过耐高温的环氧树脂胶粘贴在密闭金属容器外壳的内侧；
所述检测模块（4），用于实时采集所述发射换能器（201）两端的电压、电流以及温度状态信息，并将采集的信息传送到所述信息处理控制模块（5）；
所述信息处理控制模块（5），用于根据所述发射换能器（201）两端的电压和电流相位差，设置合适的发射匹配网络参数，根据所述发射换能器（201）的温度状态信息，设置合适的所述功率放大单元（102）的放大倍数；
所述超声波发射模块（1），用于根据所述信息处理控制模块（5）设置的放大倍数，通过所述功率放大单元（102）放大所述正弦信号产生单元（101）产生的正弦信号；
所述超声无线输能通道模块（2），用于通过所述发射换能器（201）将接收到的所述放大后的正弦信号转换为超声波，然后透过密闭金属容器外壳，传到密闭金属容器内部，再由所述接收换能器（202）接收并重新转换为所述放大后的正弦信号；其中所述发射换能器（201）和接收换能器（202）采用单阵元，进行单通道超声波无线输能；
所述稳压电路模块（3），用于将所述接收换能器（202）转换的所述放大后的正弦信号进行调流、滤波和稳压，输出稳定的电压供给密闭金属容器内的电子设备；
所述发射匹配模块（6），用于根据所述信息处理控制模块（5）设置的发射匹配网络参数，将所述功率放大单元（102）与所述超声无线输能通道模块（2）以及后续各级电路进行阻抗匹配，并将所述放大后的正弦信号加载到发射换能器（201）两端，驱动发射换能器（201）进行工作。
2.根据权利要求1所述的针对密闭金属容器进行超声供电系统，其特征在于，还包括：接收匹配模块（7），
所述接收匹配模块（7），用于将所述超声无线输能通道模块（2）输出的所述放大后的正弦信号与后续各级电路进行阻抗匹配，使得后续各级电路获得最大电能。
3.一种针对密闭金属容器进行超声供电方法，应用于如权利要求1所述的系统中，其特征在于，包括：
实时采集发射换能器（201）两端的电压、电流以及温度状态信息，并将采集的信息传送到信息处理控制模块（5）；
根据所述发射换能器（201）两端的电压和电流相位差，设置合适的发射匹配网络参数，根据所述发射换能器（201）的温度状态信息，设置合适的功率放大单元（102）的放大倍数；
根据所述信息处理控制模块（5）设置的放大倍数，通过所述功率放大单元（102）放大正弦信号产生单元（101）产生的正弦信号；
根据所述信息处理控制模块（5）设置的发射匹配网络参数，将所述功率放大单元（102）与所述超声无线输能通道模块（2）以及后续各级电路进行阻抗匹配，并将所述放大后的正弦信号加载到发射换能器（201）两端，驱动发射换能器（201）进行工作；
通过所述发射换能器（201）将接收到的所述放大后的正弦信号转换为超声波，然后透过密闭金属容器外壳，传到密闭金属容器内部，再由接收换能器（202）接收并重新转换为所述放大后的正弦信号；其中发射换能器201和接收换能器202采用单阵元，进行单通道超声波无线输能；
将所述接收换能器（202）转换的所述放大后的正弦信号进行调流、滤波和稳压，输出稳定的电压供给密闭金属容器内的电子设备。
4.根据权利要求3所述的针对密闭金属容器进行超声供电方法，其特征在于，所述通过所述发射换能器（201）将接收到的所述放大后的正弦信号转换为超声波，然后透过密闭金属容器外壳，传到密闭金属容器内部，再由接收换能器（202）接收并重新转换为所述放大后的正弦信号之后，还包括：
将所述超声无线输能通道模块（2）输出的所述放大后的正弦信号与后续各级电路进行阻抗匹配，使得后续各级电路获得最大电能。
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