CN113132022A - 一种水下非接触式电能数据传输系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水下非接触式电能数据传输系统,包含输入侧系统与输出侧系统;输入侧系统接收水下其他装置提供的电能与数据,以“电—磁”、“电—光”的能量转换形式,发送电能与数据,并“光—电”的能量转换形式,接收输出侧系统发出的光信号;输出侧系统,以“磁—电”、“光—电”的能量转换形式,接收来自输入侧系统的电能与数据,并以“电—光”的能量转换形式,发送水下其他装置提供的数据,实现输入侧系统与输出侧系统之间能量的非接触式传输与全双工可见光通信。本发明集成度高,体积小,承压能力强,能够实现设备之间非接触式的高效供电与高速全双工高速数据通信,提升了水下机电设备之间的供电与通信的安全性。
Description
技术领域
本发明是关于水下非接触式电能数据传输系统,具体地说,涉及一种能够在实现水下设备之间非接触式能量传输的同时,可以进行设备之间全双工高速数据通信的系统。
背景技术
海洋蕴含十分丰富的资源,随着海洋探测与考察的高科技领域飞速发展,海洋技术越来越先进。但是,我们仍然面临着来自于海洋的诸多挑战。由于海水环境中包含较多的导电粒子,因此,海水环境对水下机电设备的使用十分不利,水下电气系统可能存在系统短路、漏电等安全隐患。
在一些特殊的场景下,当水下航行器执行任务之前,需要首先进行状态自检,这个过程中需要基站为水下航行器提供可靠的供电与通信,当航行器完成自检之后,会启动并出站执行任务。现有的航行器与基站之间的有线线缆连接方案,使航行器在出站过程中不得不扯断与母体基站之间的连接线缆,这对航行器的出站非常不利,严重甚至会给航行器或基站造成不可挽回的损坏。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明提供了一种适用于水下的非接触式电能数据传输系统。
本发明的技术方案是:
一种水下非接触式电能数据传输系统,系统包括输入侧系统、输出侧系统,所述输入侧系统,包含“电—磁”转换模块、信号发送端模块、信号接收端模块;所述输出侧系统,包含“磁—电”转换模块、信号发送端模块、信号接收端模块;所述输入侧系统,用于接收水下其他装置或系统提供的电能与数据,以“电—磁”与“电—光”的能量转换形式,将电能与数据进行发送,并以“光—电”的能量转换形式,接收所述输出侧系统发出的调制光信号并转换为数据;所述输出侧系统,接收来自所述输入侧系统的磁能与调制光信号,以“磁—电”、“光—电”的能量转换形式,接收电能和数据,并以“电—光”的能量转换形式,将水下其他装置或系统提供数据以调制光信号发送至输入侧系统;所述输入侧系统与输出侧系统之间实现非接触式能量传输、全双工数据通信。
所述信号发送端模块包括信号转换模块、信号调制模块、通信光源。
所述信号接收端模块包括光电探测器、信号调理模块、信号解调模块、信号转换模块。
所述通信光源是发光二极管,所述光电探测器是雪崩二极管。
所述“电—磁”转换模块至少包含:逆变电路模块、控制模块、电流采样模块、初级侧电容补偿模块、耦合器初级侧线圈。
所述“磁—电”转换模块至少包含:耦合器次级侧线圈、次级侧电容补偿模块、整流滤波模块、电压调整模块。
本发明的工作原理是:
本发明中,所述输入侧系统将所述“电—磁”转换模块、所述信号发送端模块、所述信号接收端模块高度集成,同时实现了能量的“电—磁”形式转换与数据的“电—光”、“光—电”形式转换,所述输出侧系统将所述“磁—电”转换模块、信号发送端模块、信号接收端模块高度集成,同时实现能量的“磁—电”形式转换与数据的“电—光”、“光—电”形式转换。
本发明中,所述逆变电路模块将水下其他装置或系统(如水下基站)提供的直流电转换为本系统设定频率下的交流电,并进行输出到由初级侧电容补偿模块与耦合器初级侧线圈组成的谐振模块,所述耦合器初级侧线圈将电能转换成磁能发射;所述次级侧电容补偿模块与所述耦合器次级侧线圈组成的谐振模块将接收到的磁能转换成电能,并输出到所述整流滤波模块,所述整流滤波模块通过所述电压调整模块,通过基于PI的稳压控制算法,输出要求的直流要求电压。
本发明中,所述信号发射端模块将水下其他装置或系统(如水下基站)输入的数据,依次通过所述信号转换模块、所述信号调制模块,将数据进行转换、调制生成调制信号,将调制信号加载到所述发光二极管上,生成调制光信号;调制光信号通过衰减海水信道并到达信号接收端模块的雪崩二极管,所述雪崩二极管在调制光信号作用下产生对应的相关电信号,之后通过所述信号调理模块与所述信号解调模块,恢复出原始数据,将原始数据通过所述信号转换模块生成约定信号格式的数据后,将数据输出。
本发明中,所述发送端模块与所述信号接收端模块是一组对应的通信链路,通过将所述输入侧系统与所述输出侧系统都集成信号发送端模块与信号接收端模块,从而构成两条反向光通信链路,能够实现所述输入侧系统与所述输出侧系统之间的全双工高速通信。
与现有技术相比,本发明有益效果是:
(1)本发明集成了水下非接触式电能传输系统与水下可见光通信系统,系统的集成度高,设备体积小,能够实现设备之间非接触式的高效供电与高速数据传输功能,安全性高;
(2)本发明所述输入侧系统与所述输出侧系统分别都集成有两条反向光通信链路,使系统之间具备全双工高速通信能力;
(3)本发明通过环氧树脂灌封,使系统具备高强度的力学性能,使系统具备深海作业的能力;
(4)本发明通过使用发光二极管,提升光源照射范围,提高所述输入侧模块与输出侧模块之间的对准精度,通过使用雪崩二极管,提升所述信号接收端模块的灵敏度。
附图说明
图1为本发明实施例的一种水下非接触式电能数据传输系统的组成结构图;
图2为本发明实施例的“电—磁”转换模块结构图;
图3为本发明实施例的“磁—电”转换模块结构图;
图4为本发明实施例的稳压控制算法示意图;
图5为本发明实施例的信号发送端模块结构图;
图6为本发明实施例的信号接收端模块结构图;
图7为本发明实施例的实物装置图;
图8为本发明实施例的典型应用场景图。
附图中标记分别为:
1-输入侧系统;2-输出侧系统;3-“电—磁”转换模块;4-信号发送端模块;5-信号接收端模块;6-“磁—电”转换模块;7-逆变电路模块;8-初级侧电容补偿模块;9-耦合器初级侧线圈;10-电流采样模块;11-控制模块;12-耦合器次级侧线圈;13-次级侧电容补偿模块;14-整流滤波模块;15-电压调整模块;16-信号转换模块;17-信号调制模块;18-发光二极管;19-雪崩二极管;20-跨阻放大器;21-低通滤波模块;22-主放大器模块;23-电压比较器;24-A/D采样模块;25-信号解调模块;26-调压电路开关管;27-电压测量模块;28-罐状铁氧体磁芯;29-水下基站;30-水下航行器。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步详细描述。
如图1所示,本发明包括输入侧系统1与输出侧系统2,输入侧系统1包含“电—磁”转换模块3、信号发送端模块4、信号接收端模块5,输出侧系统2包含“磁—电”转换模块6、信号接收端模块5、信号发送端模块4。
所述输入侧系统1,可以接收水下其他装置或系统提供的电能与数据,以“电—磁”、“电—光”的能量转换形式,将电能与数据进行发送,并以“光—电”的能量转换形式,接收所述输出侧系统2发出的光信号;所述输出侧系统2,以“磁—电”、“光—电”的能量转换形式,将来自所述输入侧系统1的电能与数据接收,并以“电—光”的能量转换形式,将水下其他装置或系统提供数据进行发送。
信号发送端模块4与信号接收端模块5是一组对应的通信链路,通过将输入侧系统1与输出侧系统2都集成信号发送端模块4与信号接收端模块5,从而构成两条反向光通信链路,实现输入侧系统1与输出侧系统2之间的高速全双工通信。所述输入侧系统1与输出侧系统2之间实现能量非接触式传输、高速全双工数据通信。
输入侧系统1中的信号发送端模块4与信号接收端模块5的供电由“电—磁”转换模块3提供,输出侧系统2中的信号发送端模块4与信号接收端模块5的供电由“磁—电”转换模块6提供,这减少了来自外界对信号发送模块4与信号接收模块5的供电线。
如图2所示,“电—磁”转换模块3包含逆变电路模块7、控制模块11、电流采样模块10、初级侧电容补偿模块8、耦合器初级侧线圈9。逆变电路模块7将外界输入的直流电能转变成交流电能,初级侧电容补偿模块8与耦合器初级侧线圈9构成的谐振电路,将逆变模块7输出的交流电变成交变磁场能,以实现“电—磁”能量形式的转换。电流采样模块10采集耦合器初级侧线圈9中的电流,通过电流大小判断系统是否带载,通过控制模块11控制逆变电路模块7的频率与占空比,已达到调节输出功率的目的。
如图3所示,“磁—电”转换模块6包含耦合器次级侧线圈12、次级侧电容补偿模块13、整流滤波模块14、电压调整模块15。由耦合器次级侧线圈12、次级侧电容补偿模块13组成的谐振电路接收空间中的磁能,并将其转换成交流电能输出到整流滤波模块14,以实现“磁—电”能量形式的转换,整流滤波模块14将谐振模块输出的电能整流滤波后,输出直流电,电压调整模块15将整流滤波模块14输出的直流电转换成外界系统要求的电压之后将其输出。
如图4所示,电压调整模块15基于PI的负反馈的稳压控制算法,通过电压测量模块27,对输出端电压U0(t)进行测量后,将反馈电压值与期望输出电压值进行比较,得到实际电压Ui(t)与期望输出电压的偏差值e(t),对电压偏差值e(t)进行比例放大Kp与积分Ti后,即可得到对调压电路开关管26的占空比控制量D(t),这样即可达到调压、稳压的目的,调压电路开关管26的占空比控制量D(t)为:
如图5所示,信号发送端模块4依次包含信号转换模块16、信号调制模块17和通信光源。所述通信光源采用发光二极管18。水下其他装置或系统输入的数据,通过信号转换模块16,转换成调制模块17所需的信号电平格式,之后调制模块17将信号进行调制,生成调制电信号,将调制后生成的调制电信号,加载到发光二极管17上,即生成调制光信号,完成了“电—光”信号形式的转换。
如图6所示,所述信号接收端模块包括光电探测器、信号调理模块、信号解调模块25、信号转换模块16。其中信号调理模块包括跨阻放大器20、低通滤波模块21、主放大器模块22、电压比较器23、A/D采样模块24。所述光电探测器是雪崩二极管19。
调制光信号通过衰减海水信道并到达信号接收端5的雪崩二极管19,雪崩二极管19在调制光信号作用下产生光电流信号,之后通过跨阻放大器20,将光电流信号转换成电压信号,方便后续的处理,并通过低通滤波模块21滤除环境中的其他高频背景光环境噪声与雪崩二极管19的暗电流噪声,低通滤波模块21输出的电压信号通过主放大器模块22进行放大,并通过电压比较器23,输出调理后的两种电平信号值,A/D采样模块24将两种电平信号值采样,并通过信号解调模块25,按照与信号调制模块17相逆的调制规则进行解调,即可恢复出原始数据,最后通过信号转换模块16,转换成外部装置所需求的通信信号格式,并将通信数据输出。
如图7所示,为本发明实施例的实物装置图。耦合器初级侧线圈9、耦合器次级侧线圈12是高频利兹线,其分别绕制于罐状铁氧体磁芯28上,以增强提升线圈之间的耦合能力系数。输入侧系统1与输出侧系统2的装置内部空隙由环氧树脂灌封胶材料完全或部分填充,提升了输入侧系统1与输出侧系统2的耐压能力,使其适用于深海环境。输入侧系统1、输出侧系统2中的发光二极管18与雪崩二极管19位置相对应设置。
图8为本发明实施例的应用场景图,水下基站29通过输入侧系统1,以“电—磁”、“电—光”的能量转换形式,将电能与数据进行发送;水下航行器30通过输出侧系统2以“磁—电”、“光—电”的能量转换形式,将来自所述输入侧系统1的电能与数据接收,进而实现水下基站29与水下航行器30之间的非接触式电能数据传输。
以上仅为本发明的优选实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换,或间接运用在相关技术领域,均包含在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种水下非接触式电能数据传输系统,所述系统包括输入侧系统、输出侧系统,其特征在于:
所述输入侧系统,包含“电—磁”转换模块、信号发送端模块、信号接收端模块;
所述输出侧系统,包含“磁—电”转换模块、信号发送端模块、信号接收端模块;
所述输入侧系统,用于接收水下其他装置或系统提供的电能与数据,以“电—磁”与“电—光”的能量转换形式,将电能与数据进行发送,并以“光—电”的能量转换形式,接收所述输出侧系统发出的调制光信号并转换为数据;
所述输出侧系统,接收来自所述输入侧系统的磁能与调制光信号,以“磁—电”、“光—电”的能量转换形式,接收电能和数据,并以“电—光”的能量转换形式,将水下其他装置或系统提供数据以调制光信号发送至输入侧系统;
所述输入侧系统与输出侧系统之间实现非接触式能量传输、全双工数据通信。
2.根据权利要求1所述的水下非接触式电能数据传输系统,其特征在于:
所述信号发送端模块包括信号转换模块、信号调制模块、通信光源。
3.根据权利要求1所述的水下非接触式电能数据传输系统,其特征在于:
所述信号接收端模块包括光电探测器、信号调理模块、信号解调模块、信号转换模块。
4.根据权利要求1所述的水下非接触式电能数据传输系统,其特征在于:
所述“电—磁”转换模块至少包含:逆变电路模块、控制模块、电流采样模块、初级侧电容补偿模块、耦合器初级侧线圈。
5.根据权利要求1所述的水下非接触式电能数据传输系统,其特征在于:
所述“磁—电”转换模块至少包含:耦合器次级侧线圈、次级侧电容补偿模块、整流滤波模块、电压调整模块。
6.根据权利要求4或5所述的水下非接触式电能数据传输系统,其特征在于:
所述耦合器初级侧线圈与耦合器次级侧线圈绕制在罐状铁氧体磁芯上,由高频利兹线绕制而成,以提升所述耦合器初级侧线圈与耦合器次级侧线圈之间的耦合系数。
7.根据权利要求1所述的水下非接触式电能数据传输系统,其特征在于:
所述输入侧系统的信号发送端模块与信号接收端模块的供电由所述“电—磁”转换模块提供,所述输出侧系统的信号发送端模块与信号接收端模块的供电由所述“磁—电”转换模块提供。
8.根据权利要求5所述的水下非接触式电能数据传输系统,其特征在于:
所述电压调整模块通过基于PI的负反馈的稳压控制算法,控制输出电压的相对稳定。
9.根据权利要求1所述的水下非接触式电能数据传输系统,其特征在于:所述输入侧系统与输出侧系统内部空隙由环氧树脂灌封胶材料完全或部分填充,提升所述输入侧系统与输出侧系统的耐压能力,使其具备深海作业能力。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210716 |
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