CN110768381A - 无线电能传输控制方法及控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无线电能传输控制方法及控制系统,属于无线充电技术领域。该无线电能传输控制方法,用于无线电能传输系统,所述无线电能传输系统包括耦合的发射端和接收端,该方法包括:获取所述发射端的电压值和电流值;根据所述发射端的电压值和所述电流值确定所述发射端和所述接收端是否为过耦合;以及,当所述发射端和所述接收端不为过耦合时,控制所述发射端和所述接收端进入传输状态。本发明的无线电能传输控制方法,根据发射端的电压和电流判断发射端和接收端是否为过耦合,并根据判断结果对系统的电能传输进行控制,保证系统运行可靠,提高监测的时效性,避免接收端元器件因过耦合发生过压或过流损坏,提高系统运行的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及无线充电技术领域,特别无线电能传输控制方法及控制系统。
背景技术
无线电能传输技术越来越多的应用在充电技术领域。其主要特征为不通过导线接触,而以电磁感应等无线的方式将电能从电源端传输至负载端。采用无线电能传输系统的设备避免了传统有线供电设备容易产生的电极电弧和人身触电等危险,而整个设备可以实现与电源间的绝缘和密封,所以安全性能可以大大提高。
目前最流行的无线电能传输系统均通过电磁感应原理来实现,即当发射端线圈通过交变的电流时,在接收端线圈中可以感应出相对应的交变电压。为确保设备安全,系统中通常会加入发射端过压保护、发射端过流保护、发射端过温保护、接收端过压保护、接收端短路保护、接收端过温保护等。
因为无线电能传输系统中能量传输只发生在接收端线圈靠近发射端线圈时,即两线圈间产生电磁耦合的情况下,所以耦合是电磁感应式无线电能传输系统中的最重要特性。同时因为接收端不是固定的,所以绝大部分系统都会设定一个安全耦合距离。在充/供电过程中,当实际耦合突然发生变化时,系统会因为耦合系数的突变产生高电压或高电流,当这些值过高时会造成接收端元器件的损坏,所以需要对过耦合进行检测并在发生过耦合时执行相应的保护动作。
发明内容
本发明实施例提供了一种无线电能传输控制方法及控制系统,在发射端对过耦合状态进行判断,以控制无线传输的开启或关闭,保护接收端过流或过压,保障系统正常运行,提高系统运行的可靠性。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解,下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述,也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念,以此作为后面的详细说明的序言。
根据本发明实施例的第一方面,提供了一种无线电能传输控制方法,用于无线电能传输系统,所述无线电能传输系统包括耦合的发射端和接收端,该方法包括:获取所述发射端的电压值和电流值;根据所述发射端的电压值和所述电流值确定所述发射端和所述接收端是否为过耦合;以及,当所述发射端和所述接收端不为过耦合时,控制所述发射端和所述接收端进入传输状态。
可选地,根据所述电压值和所述电流值确定所述发射端和所述接收端是否为过耦合包括:当判断所述发射端的电压值小于前一个检测周期的电压值,所述电压值的变化量大于或等于电压值变化设定值,且所述发射端的电流值大于或等于前一个检测周期的电流值时,确定所述发射端和所述接收端为过耦合。
可选地,当所述发射端和所述接收端为过耦合时,控制所述发射端和所述接收端的能量传输断开。
可选地,还包括:获取所述接收端的电压值和电流值;根据所述接收端的电压值和所述电流值确定所述发射端和所述接收端是否为过耦合;当所述发射端和所述接收端不为过耦合时,控制所述发射端和所述接收端进入传输状态。
可选地,根据所述接收端的电压值和所述电流值确定所述发射端和所述接收端是否为过耦合包括:当判断所述接收端的电压值大于前一个检测周期的电压值,或所述接收端的电流值大于前一个检测周期的电流值时,确定所述发射端和所述接收端为过耦合。
根据本发明实施例的第二方面,提供了一种无线电能传输控制系统,用于无线电能传输系统,所述无线电能传输系统包括耦合的发射端和接收端,该系统包括:获取装置,用于获取所述发射端的电压值和电流值;控制装置,用于根据所述发射端的电压值和所述电流值确定所述发射端和所述接收端是否为过耦合;以及,当所述发射端和所述接收端不为过耦合时,控制所述发射端和所述接收端进入传输状态。
可选地,所述控制装置根据所述电压值和所述电流值确定所述发射端和所述接收端是否为过耦合包括:当判断所述发射端的电压值小于前一个检测周期的电压值,所述电压值的变化量大于或等于电压值变化设定值,且所述发射端的电流值大于或等于前一个检测周期的电流值时,确定所述发射端和所述接收端为过耦合。
可选地,所述控制装置用于在所述发射端和所述接收端为过耦合时,控制所述发射端和所述接收端的能量传输断开。
可选地,所述获取装置还用于获取所述接收端的电压值和电流值;所述控制装置还用于根据所述接收端的电压值和所述电流值确定所述发射端和所述接收端是否为过耦合;以及,当所述发射端和所述接收端不为过耦合时,控制所述发射端和所述接收端进入传输状态。
可选地,所述控制装置根据所述接收端的电压值和所述电流值确定所述发射端和所述接收端是否为过耦合包括:当判断所述接收端的电压值大于前一个检测周期的电压值,或所述接收端的电流值大于前一个检测周期的电流值时,确定所述发射端和所述接收端为过耦合。
本发明实施方式的无线电能传输控制方法,根据发射端的电压和电流判断发射端和接收端是否为过耦合,并根据判断结果对系统的电能传输进行控制,保证系统运行可靠,提高监测的时效性,避免接收端元器件因过耦合发生过压或过流损坏,提高系统运行的可靠性。
应当理解的是,以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的,并不能限制本发明。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分,示出了符合本发明的实施例,并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1是根据一示例性实施例示出的一种无线电能传输控制方法的流程示意图;
图2是根据另一示例性实施例示出的一种无线电能传输控制方法的流程示意图;
图3是根据另一示例性实施例示出的一种无线电能传输控制方法的流程示意图;
图4是根据一示例性实施例示出的一种无线电能传输控制方法的流程示意图;
图5是根据一示例性实施例示出的一种无线电能传输控制系统的结构示意图;
图6是根据一示例性实施例示出的一种无线电能传输系统的电路连接示意图;
图7为根据图6的电路简图。
附图标记
10、获取装置;20、控制装置。
具体实施方式
以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案,以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求,否则单独的部件和功能是可选的,并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围,以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中,各实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示,这仅仅是为了方便,并且如果事实上公开了超过一个的发明,不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。本文中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用于将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法或者设备中还存在另外的相同要素。本文中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法、产品等而言,由于其与实施例公开的方法部分相对应,所以描述的比较简单,相关之处参见方法部分说明即可。
图1是根据一示例性实施例示出的一种无线电能传输控制方法的流程示意图。如图1所示的本发明一种实施方式的无线电能传输控制方法,用于无线电能传输系统,所述无线电能传输系统包括耦合的发射端和接收端,该方法包括:在步骤S110中,获取所述发射端的电压值和电流值;在步骤S120中,根据所述发射端的电压值和所述电流值确定所述发射端和所述接收端是否为过耦合;以及,当所述发射端和所述接收端不为过耦合时,在步骤S130中,控制所述发射端和所述接收端进入传输状态。
上述方案中,从发射端获取电压值和电流值,根据发射端的电压值和电流值确定是否发生发射端和接收端的过耦合;所谓过耦合,即为发射端和接收端的线圈距离过近,耦合磁场太强,造成接收端的电压和/或电流值过高,对于接收端而言,易发生元器件过压/过流造成损坏;当确定不为过耦合时,进行正常的能量传输状态;相反的,当为过耦合时,为避免发生过耦合造成的接收端元器件损毁,控制发射端到接收端的能量传输暂停,对接收端进行保护,保证系统运行的可靠性。
与上述过耦合相对应的另外两种耦合状态为欠耦合和正常耦合,欠耦合为耦合距离较远,耦合磁场较弱;正常耦合的耦合距离为设定安全距离,耦合磁场为设定强度。
图2是根据另一示例性实施例示出的一种无线电能传输控制方法的流程示意图。如图2所示的本发明另一种实施方式的无线电能传输控制方法,根据所述电压值和所述电流值确定所述发射端和所述接收端是否为过耦合包括:在步骤S122中,判断发射端的电压值Vp_cur是否小于前一个检测周期的电压值Vp_pre,所述电压值的变化量△Vp是否大于或等于电压值变化设定值△Vp_ref,当判断所述发射端的电压值Vp_cur小于前一个检测周期的电压值Vp_pre,所述电压值的变化量△Vp大于或等于电压值变化设定值△Vp_ref,则在步骤S124中,判断发射端的电流值Ip_cur是否大于或等于前一个检测周期的电流值Ip_pre,如所述发射端的电流值Ip_cur大于或等于前一个检测周期的电流值Ip_pre时,确定所述发射端和所述接收端为过耦合。
如否,则确定发射端和接收端不为过耦合,即在步骤S130中,进行能量传输。
上述方案中,当发射端的电压值减小,即小于前一个检测周期的发射端电压值,且变化量大于或等于电压值变化设定值,同时,发射端的电流值大于或等于前一检测周期的电流值,则确定发生过耦合。
上述方案中,当所述发射端和所述接收端为过耦合时,控制所述发射端和所述接收端的能量传输断开。
作为另一示例,当所述发射端和所述接收端为过耦合时,控制无线电能传输系统进入初始化,即并不进行功率发射,再次判断电压值和电流值,并根据判断结果确定是否为过耦合。
图3是根据另一示例性实施例示出的一种无线电能传输控制方法的流程示意图。如图3所示的本发明另一种实施方式的无线电能传输控制方法,还包括:在步骤S112中,获取所述接收端的电压值和电流值;在步骤S126中,根据所述接收端的电压值和所述电流值确定所述发射端和所述接收端是否为过耦合;当所述发射端和所述接收端不为过耦合时,在步骤S130中,控制所述发射端和所述接收端进入传输状态。
上述方案中,根据所述接收端的电压值和所述电流值确定所述发射端和所述接收端是否为过耦合包括:判断所述接收端的电压值Vs_cur大于前一个检测周期的电压值Vs_pre,或所述接收端的电流值Is_cur大于前一个检测周期的电流值Is_pre,当判断所述接收端的电压值大于前一个检测周期的电压值,或所述接收端的电流值大于前一个检测周期的电流值时,确定所述发射端和所述接收端为过耦合。
传统的过耦合保护有着明显的缺陷:现有保护方法是通过在接收端检测到电压超过限值然后,通过各种通信方式(载波或2.4G等)传给发射端,所以从过压到保护动作有相当长的延迟时间,通常为几百毫秒级。传统电子元器件发生故障时通常只需要几十毫秒级的时间就会被烧坏,因此目前的接收端过压保护只对静态过耦合有效果,而对瞬态过耦合没有作用。
上述方案将接收端电压反馈与发射端参数检测相结合,可以迅速对瞬态过耦合作出正确保护动作,从而保护系统元件器不被损坏。
上述方案中,结合发射端和接收端的电压值和电流值确定是否发生过耦合,对瞬态过耦合和静态过耦合同时进行监测,保证系统正常运行。
图4是根据一示例性实施例示出的一种无线电能传输控制方法的流程示意图。如图4所示的无线电能传输控制方法,还包括:在判断不为过耦合后,判断是否存在其他异常状况,以确定是否进行初始化阶段,如无其他异常状况,判断是否能量传输结束,如无,则继续能量传输阶段。
图5是根据一示例性实施例示出的一种无线电能传输控制系统的结构示意图。如图5所示的本发明一种实施方式的无线电能传输控制系统,用于无线电能传输系统,所述无线电能传输系统包括耦合的发射端和接收端,该系统包括:获取装置10,用于获取所述发射端的电压值和电流值;控制装置20,用于根据所述发射端的电压值和所述电流值确定所述发射端和所述接收端是否为过耦合;以及,当所述发射端和所述接收端不为过耦合时,控制所述发射端和所述接收端进入传输状态。
上述方案中,所述控制装置20根据所述发射端的电压值和电流值确定所述发射端和所述接收端是否为过耦合包括:当判断所述发射端的电压值小于前一个检测周期的电压值,所述电压值的变化量大于或等于电压值变化设定值,且所述发射端的电流值大于或等于前一个检测周期的电流值时,确定所述发射端和所述接收端为过耦合。
因受通信延迟的影响,对于只能通过检测接收端过压/过流来改变发射端输入能量的方法来实现过耦合保护的方案,只对静态过耦合有监测和保护效果,而对瞬态过耦合的监测和保护动作时间太长,无法有效保护接收端的元器件不受损坏。
上述方案中,所述控制装置用于在所述发射端和所述接收端为过耦合时,控制所述发射端和所述接收端的能量传输断开。
作为示例,所述获取装置还用于获取所述接收端的电压值和电流值;所述控制装置还用于根据所述接收端的电压值和电流值确定所述发射端和所述接收端是否为过耦合;以及,当所述发射端和所述接收端不为过耦合时,控制所述发射端和所述接收端进入传输状态。
上述方案中,所述控制装置根据所述接收端的电压值和所述电流值确定所述发射端和所述接收端是否为过耦合包括:当判断所述接收端的电压值大于前一个检测周期的电压值,或所述接收端的电流值大于前一个检测周期的电流值时,确定所述发射端和所述接收端为过耦合。
上述无线电能传输控制系统的结构和效果参照上述无线电能传输控制方法的相关说明,此处不一一赘述。
上述方案的无线电能传输控制方法,应用于无线传输系统,图6为一种实施方式的无线电能传输系统电路连接示意图。
基于电磁感应原理的无线电能传输系统分为两大部分:发射端(简称Tx)和接收端(简称Rx)。两部分之间通过电磁感应进行能量传输,通过载波通信或2.4G等方式进行信号传输。
以上原理图中各部分的主要功能如下:
电源:系统输入电源,通常为5VDC~220VAC,并经过整流滤波后转换成直流电源;
开关电路:通过全桥或半桥开关的开通与关断,把直流电压逆变为高频交流电,并且可以通过对开通/关断时间的控制而控制输入能量;
Tx线圈:把高频交流电转换成高频电磁场;
Tx谐振电容:补偿Tx线圈的感抗,以提高能量传输能力;
Tx电流采样:检测Tx输入电流并经放大和滤波后送入Tx控制电路;
Tx电压采样:检测Tx谐振电压并经放大和滤波后送入Tx控制电路;
Tx控制电路:接收Tx电压、Tx电流、Rx电压等电路信息并根据预设好的逻辑对开关电路进行实时控制;
Rx线圈:从高频交变磁场拾取Tx线圈发射出的能量;
Rx谐振电容:补偿Rx线圈的感抗,以提高能量接收能力;
整流电路:将Rx线圈拾取的能量进行整流、滤波;
负载:末端用电设备;
Rx电压采样:检测Rx整流后直流电压值并经放大和滤波后送入Rx控制电路;
Rx控制电路:接收Rx电压采样等电路信息并根据预设好的逻辑对调制电路进行实时控制;
调制电路:对Rx控制电路的信息进行调制并以载波通信的形式发送给Tx控制电路。
正常无线充/供电时,电能从主电源输入至开关电路中进行逆变,然后将高频电场经谐振电路放大后输入到发射端线圈转换为高频磁场并通过磁场耦合方式感应至接收端线圈中把高频磁场转变回高频电场。此高频电场经过补偿电路放大后进入整流电路,最后输出的直流电压用来给设备充/供电。
此外,整流电路的输出同时反馈到Rx控制电路,然后把任何需要调整的信号通过调制电路和补偿电路发送给接收线圈。发射线圈接收到信号后经解调电路解析后发送至Tx控制电路。控制电路根据实际需求来调整开关电路,实现整个系统的稳定运行。
图7为图6的电路简图。
本发明中涉及到的主要耦合参数如下:
耦合方式:电磁感应;
通信方式:载波通信或2.4G等;
线圈构成:多股litz线或PCB印刷板;
线圈形状:圆形、椭圆形、矩形、或方形等;
线圈直径(外径):1cm~30cm;
线圈层数:1层~2层;
每层线圈匝数:1匝~20匝;
发射线圈与接收线圈之间垂直距离:0.5cm~30cm;
发射线圈与接收线圈之间耦合系数:0.1~0.9。
以上电路图中各变量的解释如下:
Vin、Cp、Rp、Lp、M、Ls、Rs、Cs、Road分别代表输入交流电压、发射端谐振电容、发射线圈等效串联电阻、发射线圈电感、互感、接收线圈电感、接收线圈等效串联电阻、接收端补偿电容和负载电阻。Vp、Ip、Vs、Is、Vout分表代表发射线圈两端电压、发射线圈电流、接收线圈两端电压、接收线圈电流和负载电压。
根据电压及电流定律,Vp和Ip可以分别由下列公式推出:
及,
可以看到,当Vin、Cp、Rp、Lp、Ls、Rs、Cs等变量固定后,代表耦合变化的M可以通过以上两条公式反应到Vp和Ip上。因此经过采样并判断发射端Vp和Ip的变化并交由Tx控制电路进行相应处理,即可在不经过通讯延迟的情况下进行过耦合保护。
上图中过耦合判断主要由虚线圈中功能来实现,其中Vp_cur、Vp_pre、△Vp、△Vp_ref、Ip_cur、Ip_pre分别代表本时刻发射线圈电压、上一时刻发射线圈电压、发射线圈电压变化值、发射线圈电压参考变化值、本时刻发射线圈电流和上一时刻发射线圈电流。
结合图4,上述无线电能传输控制系统的控制方式如下:开始上电后,系统进入初始化阶段。初始化成功后进入能量传输阶段,此时控制电路先判断是否Vp_cur<Vp_pre且△Vp≥△Vp_ref;如果是,则判断是否Ip_cur≥Ip_pre;如果是,则确定发射端和接收端为过耦合,则系统回到初始化阶段。如果否,则判断是否有其他异常状况,在无其他异常状况的情况下,准备进入正常能量传输阶段;如果是,则回到初始化阶段;如果否,则判断是否结束能量传输;如果是,则系统停止工作并等待复位。如果否,则继续进行能量传输。
本发明的无线电能传输控制系统及控制方法,在发射端进行信号的检测和过耦合的判断,可对瞬态过耦合有效识别,并保护系统尤其是接收端的元器件不受损坏,提高检测和保护动作的时效性,保证系统可靠、稳定运行。
本领域技术人员可以意识到,结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤,能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行,取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。所属技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能,但是这种实现不应认为超出本发明的范围。所属领域的技术人员可以清楚地了解到,为描述的方便和简洁,上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程,可以参考前述方法实施例中的对应过程,在此不再赘述。
本文所披露的实施例中,应该理解到,所揭露的方法、产品(包括但不限于装置、设备等),可以通过其它的方式实现。例如,以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的,例如,所述单元的划分,仅仅为一种逻辑功能划分,实际实现时可以有另外的划分方式,例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统,或一些特征可以忽略,或不执行。另一点,所显示或讨论的相互之间的对应或直接对应或通信连接可以是通过一些接口,装置或单元的间接对应或通信连接,可以是电性,机械或其它的形式。所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的,作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元,即可以位于一个地方,或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。另外,在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中,也可以是各个单元单独物理存在,也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
Claims (10)
1.一种无线电能传输控制方法,用于无线电能传输系统,所述无线电能传输系统包括耦合的发射端和接收端,其特征在于,该方法包括:
获取所述发射端的电压值和电流值;
根据所述发射端的电压值和电流值确定所述发射端和所述接收端是否为过耦合;以及,
当所述发射端和所述接收端不为过耦合时,控制所述发射端和所述接收端进入传输状态。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,根据所述发射端的电压值和电流值确定所述发射端和所述接收端是否为过耦合包括:
当判断所述发射端的电压值小于前一个检测周期的电压值,所述电压值的变化量大于或等于电压值变化设定值,且所述发射端的电流值大于或等于前一个检测周期的电流值时,确定所述发射端和所述接收端为过耦合。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,当所述发射端和所述接收端为过耦合时,控制所述发射端和所述接收端的能量传输断开。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法,其特征在于,还包括:
获取所述接收端的电压值和电流值;
根据所述接收端的电压值和所述电流值确定所述发射端和所述接收端是否为过耦合;
当所述发射端和所述接收端不为过耦合时,控制所述发射端和所述接收端进入传输状态。
5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,根据所述接收端的电压值和所述电流值确定所述发射端和所述接收端是否为过耦合包括:
当判断所述接收端的电压值大于前一个检测周期的电压值,或所述接收端的电流值大于前一个检测周期的电流值时,确定所述发射端和所述接收端为过耦合。
6.一种无线电能传输控制系统,用于无线电能传输系统,所述无线电能传输系统包括耦合的发射端和接收端,其特征在于,该系统包括:
获取装置,用于获取所述发射端的电压值和电流值;
控制装置,用于根据所述发射端的电压值和电流值确定所述发射端和所述接收端是否为过耦合;以及,当所述发射端和所述接收端不为过耦合时,控制所述发射端和所述接收端进入传输状态。
7.根据权利要求6所述的系统,其特征在于,所述控制装置根据所述发射端的电压值和电流值确定所述发射端和所述接收端是否为过耦合包括:
当判断所述发射端的电压值小于前一个检测周期的电压值,所述电压值的变化量大于或等于电压值变化设定值,且所述发射端的电流值大于或等于前一个检测周期的电流值时,确定所述发射端和所述接收端为过耦合。
8.根据权利要求7所述的系统,其特征在于,所述控制装置用于在所述发射端和所述接收端为过耦合时,控制所述发射端和所述接收端的能量传输断开。
9.根据权利要求6-8中任一项所述的系统,其特征在于,
所述获取装置还用于获取所述接收端的电压值和电流值;
所述控制装置还用于根据所述接收端的电压值和电流值确定所述发射端和所述接收端是否为过耦合;以及,当所述发射端和所述接收端不为过耦合时,控制所述发射端和所述接收端进入传输状态。
10.根据权利要求9所述的系统,其特征在于,所述控制装置根据所述接收端的电压值和所述电流值确定所述发射端和所述接收端是否为过耦合包括:
当判断所述接收端的电压值大于前一个检测周期的电压值,或所述接收端的电流值大于前一个检测周期的电流值时,确定所述发射端和所述接收端为过耦合。
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