CN114368251A - 一种太赫兹无线携能系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种太赫兹无线携能系统，包括信号采集单元、信号转换单元、能量转换单元以及处理单元，处理单元包括太赫兹产生装置以及太赫兹接收装置，信号采集单元固定设置在胎腔内壁，与信号转换单元和能量转换单元通过电子线路相连，信号转换单元和能量转换单元均设置于轮胎的轮辋内，信号转换单元与处理单元内的太赫兹接收装置无线连接，能量转换单元与处理单元内的太赫兹产生装置无线连接，本发明充分利用太赫兹频率高、信息容量大、传输速率高、定向性好以及安全性强等特点，有效解决了信号采集单元及轮胎内部各电子元件供能不足，以及旋转部件内的数据传递等问题，并实现了无接触式的持续供电，使得信息传递更加高效。

Description

一种太赫兹无线携能系统
技术领域
本发明涉及无线供电与传输技术领域，尤其涉及一种太赫兹无线携能系统。
背景技术
轮胎作为车辆与路面接触的唯一部件，它的胎压，温度等对车辆行驶的安全性有很大影响，若在行驶过程中突然发生爆胎，则极其容易导致车辆失稳发生交通事故。因此为了提高车辆行驶的安全性，近年来，如何对轮胎的状态进行实时监测成为众多汽车企业的研究热点。目前的研究方法普遍采用在轮胎中安置传感器，由传感器来感知轮胎的压力、温度等信息，再将信号发送至处理端进一步处理分析，获得轮胎的状态信息，当发生异常时及时反馈至驾驶员，帮助驾驶员及时调整驾驶策略，减少交通事故。这些布置在轮胎内部，用于感知轮胎温度，压力等信息的传感器大多无法自己产生能量，需要额外供电，同时，传感器位于轮胎内，随着轮胎一起旋转，如何向位于旋转件内的传感器供电成为了新的研究方向。
目前，对传感器的能量供给方式主要是通过能量收集的方式向传感器供电，如对轮胎的应变能、热能和多余动能等进行收集以对传感器进行供电，在轮胎内部布置应变片将轮胎应变能转化为电能为传感器供电，以及在轮胎内部布置电磁感应装置以通过轮胎的旋转产生电能等方式，这些方法利用轮胎本身的能量进行供电，无需外部电源，同时也减少了能量损耗，但此类方法产生的能量有限，且受到轮胎特性和运动的限制，无法持续高效地向传感器供给能量。
发明内容
针对上述现有技术存在的目前对于传感器供电方式中存在的能量有限、受轮胎特性和运动限制以及无法持续高效地向传感器供电等问题，本发明提供了一种太赫兹无线携能系统，能够同时传输信号和能量，通过产生负责供能的太赫兹向传感器供电，以及接收传感器的信号产生携带轮胎状态信息的太赫兹，获得轮胎的状态信息，实现了无接触式的持续供电。
本发明的技术方案如下：
一种太赫兹无线携能系统，其特征在于，包括信号采集单元、信号转换单元、能量转换单元以及处理单元，所述处理单元设置在汽车舱内并包括太赫兹产生装置以及太赫兹接收装置；
所述信号采集单元固定设置在胎腔内壁，通过电子线路分别与所述信号转换单元和能量转换单元相连，用于采集包括轮胎的温度、压力以及应变数据的轮胎状态信息；
所述信号转换单元和能量转换单元均设置于轮胎的轮辋内，所述信号转换单元与所述太赫兹接收装置无线连接，用于将信号采集单元采集的轮胎状态信息调制转换为携带有轮胎状态信息的太赫兹发送至太赫兹接收装置进行分析处理；
所述能量转换单元与所述太赫兹产生装置无线连接，用于接收太赫兹产生装置发出的携带有能量的太赫兹波，并转换为稳定的直流电能通过电子线路为信号采集单元以及轮胎内部电子元件供电。
优选地，还包括设置于汽车驾驶室内的车辆报警指示单元，所述车辆报警指示单元与所述处理单元相连，所述处理单元检测到轮胎状态信息超出预设安全阈值时向所述车辆报警指示单元发送报警指令，所述车辆报警指示单元根据接收到的报警指令发出报警。
优选地，所述车辆报警指示单元包括语音模块，所述语音模块与所述处理单元相连，所述车辆报警指示单元还包括与语音模块相连的扬声器和指示灯，在收到报警指令后通过扬声器和指示灯发出音频报警和/或指示灯闪烁报警。
优选地，所述信号转换单元包括依次相连的第一太赫兹激光器、第一调制器和第一滤波器，所述信号转换单元接收信号采集单元传递的电学信号，利用第一太赫兹激光器采用激光脉冲方式激发出携带有轮胎状态信息的太赫兹波，并对产生的太赫兹波通过第一调制器和第一滤波器进行调制、滤波后发送到太赫兹接收装置；
所述太赫兹产生装置包括依次相连的第二太赫兹激光器、第二调制器和第二滤波器，所述太赫兹产生装置利用第二太赫兹激光器采用激光脉冲方式激发出太赫兹波，并对产生的太赫兹波通过第二调制器和第二滤波器进行调制、滤波后发送到能量转换单元。
优选地，所述能量转换单元和太赫兹接收装置均包括相互连接的解调器和滤波器，用于对接收到的太赫兹波解调、滤波及放大。
优选地，所述信号采集单元包括压力传感器、温度传感器以及应变传感器，分别采集轮胎的压力、温度以及应变数据。
优选地，所述压力传感器为施耐德13598773型传感器，采用FXTH87E芯片；
所述温度传感器为Heraeus HDA420型传感器，采用FXTH87E芯片；
所述应变传感器为DT1-028K型传感器，采用stm32h750vb芯片。
优选地，所述语音模块采用LD3320语音芯片。
本发明的技术效果如下：
本发明提供了一种太赫兹无线携能系统，能够同时传输信号和能量，包括设置在轮胎端的信号采集单元、信号转换单元、能量转换单元以及设置在驾驶舱端的处理单元，处理单元包括太赫兹产生装置以及太赫兹接收装置，由处理单元内的太赫兹产生装置采用激光脉冲的方式激发出太赫兹波，并对产生的太赫兹波进行调制、滤波，然后通过无线能量传输发送到能量转换单元，能量转换单元在接收到用于供能的太赫兹后，对其进行解调、放大，将太赫兹的能量转化成轮胎内部电子元件所需的电能，并通过电子线路供给到信号采集单元和其他电子元件，解决了信号采集单元及轮胎内部各电子元件供能不足的问题，并实现了无接触式的持续供电；由信号采集单元通过电子线路接收太赫兹转换成的电能，能够实时采集轮胎的温度、压力、应变等轮胎状态信息，并产生相应的电学信号，然后将电学信号通过电子线路传递至信号转换单元，信号转换单元接收到信号采集单元传递的电学信号后，将其作为外部电场施加在半导体材料内，采用激光脉冲的方式对半导体材料激发，产生携带有信号采集单元电学信息(即轮胎状态信息)的太赫兹波，并将太赫兹波进行调制、滤波后通过无线数据传输发送至处理单元内的太赫兹接收器，太赫兹接收器对携带有轮胎状态信息的太赫兹波进行解调，放大并处理分析，获得当前的轮胎状态参数，实现了轮胎内部信号采集单元向车内处理单元的传输无需传统的电子线路传递，解决了旋转部件内的数据传递问题，而且，由于太赫兹具有频率高、信息容量大、传输速率高、定向性好以及安全性强等特点，使得信息传递更加高效，非常适合短距离内的通讯，且能够使轮胎内传感器高效、实时的传输信号。
附图说明
图1为本发明的太赫兹无线携能系统的结构框图。
图2为本发明的太赫兹无线携能系统的第一种优选结构框图。
图3为本发明的太赫兹无线携能系统的第二种优选结构框图。
图中各标号列示如下：
1-轮胎，2-信号转换单元，3-信号采集单元，4-能量转换单元，5-无线信息传输，6-无线能量传输，7-处理单元，8-太赫兹接收装置，9-太赫兹产生装置，10-车辆报警指示单元。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做详细的说明。
本发明提供一种太赫兹无线携能系统，能够同时传输信号和能量，其结构如图1所示，包括信号采集单元、信号转换单元、能量转换单元以及处理单元，处理单元包括太赫兹产生装置以及太赫兹接收装置，具体地，如图2所示的优选结构图，信号采集单元3固定设置在轮胎1的胎腔内壁，与信号转换单元2和能量转换单元4通过电子线路相连，信号转换单元2和能量转换单元4均设置于轮胎1的轮辋内，信号转换单元2与处理单元7内的太赫兹接收装置8无线连接以无线信息传输5，能量转换单元4与处理单元7内的太赫兹产生装置9无线连接以无线能量传输6，由处理单元7内的太赫兹产生装置9采用激光脉冲的方式激发出太赫兹波，然后通过无线能量传输发送到能量转换单元4，能量转换单元4在接收到用于供能的太赫兹后，将太赫兹的能量转化成轮胎内部电子元件所需的电能，并通过电子线路供给到信号采集单元3和其他电子元件，解决了信号采集单元3及轮胎1内部各电子元件供能不足的问题，并实现了无接触式的持续供电；此外，由设置的特定结构的信号采集单元3通过电子线路接收太赫兹转换成的电能，可实时采集轮胎的温度、压力、应变等信息，并产生相应的电学信号，然后将电学信号通过电子线路传递至信号转换单元2，信号转换单元2接收到信号采集单元3传递的电学信号后，将其作为外部电场施加在半导体材料内，采用激光脉冲的方式对半导体材料激发，产生携带有信号采集单元3电学信息的太赫兹波，并通过无线数据传输发送至处理单元7内的太赫兹接收器8，太赫兹接收器8对携带有轮胎状态信息的太赫兹波处理分析，获得当前的轮胎状态参数，实现了轮胎1内部信号采集单元3向车内处理单元7的传输无需传统电子线路传递，解决了旋转部件内的数据传递问题，使得信息传递更加高效，且能够使轮胎内传感器高效、实时的传输信号。
优选地，信号采集单元3包括压力传感器、温度传感器以及应变传感器，用于采集轮胎的压力、温度以及应变等信息。进一步优选地，压力传感器为施耐德13598773型传感器，采用FXTH87E芯片，温度传感器为Heraeus HDA420传感器，采用FXTH87E芯片，应变传感器为DT1-028K型传感器，采用stm32h750vb芯片。该实施例采用的型号并非对本发明的限定，也可以采用能够采集轮胎的压力、温度以及应变等轮胎状态信息的其它相应传感器实现。
优选地，如图2所示，还包括设置于汽车驾驶室内的车辆报警指示单元10，车辆报警指示单元10与处理单元7相连，处理单元7在检测到轮胎状态信息超出预设安全阈值(也就是检测到轮胎压力、温度以及形变等参数出现异常)时向车辆报警指示单元发送报警指令，车辆报警指示单元10根据接收到的报警指令向车辆驾驶员发出报警。进一步地，如图3所示第二种优选结构，车辆报警指示单元10包括语音模块，语音模块与处理单元相连，车辆报警指示单元还包括与语音模块相连的扬声器和指示灯，在收到报警指令后通过扬声器和指示灯向车辆驾驶员发出音频报警和/或指示灯闪烁报警，告知驾驶员轮胎的具体某一指标的异常，如温度异常、压力异常或应变异常等信息，并通过音频提醒驾驶员小心驾驶，及时进行停车检查或更换轮胎等安全操作。进一步优选地，语音模块采用LD3320语音芯片。
优选地，如图3所示，信号转换单元2和太赫兹产生装置9均包括依次相连的太赫兹激光器、调制器和滤波器，即，信号转换单元包括依次相连的第一太赫兹激光器、第一调制器和第一滤波器，信号转换单元接收信号采集单元传递的电学信号，利用第一太赫兹激光器采用激光脉冲方式激发出携带有轮胎状态信息的太赫兹波，并对产生的太赫兹波通过第一调制器和第一滤波器进行调制、滤波后发送到太赫兹接收装置；太赫兹产生装置包括依次相连的第二太赫兹激光器、第二调制器和第二滤波器，太赫兹产生装置利用第二太赫兹激光器采用激光脉冲方式激发出太赫兹波，并对产生的太赫兹波通过第二调制器和第二滤波器进行调制、滤波后发送到能量转换单元。
优选地，能量转换单元4和太赫兹接收装置8均包括相互连接的解调器和滤波器(滤波器优选为有源滤波器)，用于对接收到的太赫兹波解调、滤波及放大。
实施例一
本实施例能够同时传输信号和能量，具体通过以下两方面实现：
一方面，处理单元内的太赫兹产生装置采用激光脉冲的方式激发出太赫兹波，并对产生的太赫兹波进行调制、滤波，然后通过无线能量传输发送到能量转换单元，能量转换单元在接收到用于供能的太赫兹后，对其进行解调、放大，将太赫兹的能量转化成轮胎内部电子元件所需的电能，并通过电子线路供给到信号采集单元和其他电子元件，解决了信号采集单元及轮胎内部各电子元件供能不足的问题，并实现了无接触式的持续供电；
另一方面，信号采集单元通过电子线路接收太赫兹转换成的电能，可实时采集轮胎的温度、压力、应变等信息，并产生相应的电学信号，然后将电学信号通过电子线路传递至信号转换单元，信号转换单元接收到信号采集单元传递的电学信号后，将其作为外部电场施加在半导体材料内，采用激光脉冲的方式对半导体材料激发，产生携带有信号采集单元电学信息的太赫兹波，并将太赫兹波进行调制、滤波后通过无线数据传输发送至处理单元内的太赫兹接收器，太赫兹接收器对携带有轮胎状态信息的太赫兹波进行解调，放大并处理分析，获得当前的轮胎状态参数，实现了轮胎内部信号采集单元向车内处理单元的传输无需传统电子线路传递，解决了旋转部件内的数据传递问题，而且，由于太赫兹具有频率高、信息容量大、传输速率高、定向性好以及安全性强等特点，使得信息传递更加高效，非常适合短距离内的通讯，且能够使轮胎内传感器高效、实时的传输信号。
本发明所述系统采用了太赫兹产生装置和太赫兹接收装置，充分利用其频率高、信息容量大、传输速率高、定向性好以及安全性强等特点，有效解决了信号采集单元及轮胎内部各电子元件供能不足，以及旋转部件内的数据传递等问题，并实现了无接触式的持续供电，使得信息传递更加高效。
应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims (8)

1.一种太赫兹无线携能系统，其特征在于，包括信号采集单元、信号转换单元、能量转换单元以及处理单元，所述处理单元设置在汽车舱内并包括太赫兹产生装置以及太赫兹接收装置；
所述信号采集单元固定设置在胎腔内壁，通过电子线路分别与所述信号转换单元和能量转换单元相连，用于采集包括轮胎的温度、压力以及应变数据的轮胎状态信息；
所述信号转换单元和能量转换单元均设置于轮胎的轮辋内，所述信号转换单元与所述太赫兹接收装置无线连接，用于将信号采集单元采集的轮胎状态信息调制转换为携带有轮胎状态信息的太赫兹发送至太赫兹接收装置进行分析处理；
所述能量转换单元与所述太赫兹产生装置无线连接，用于接收太赫兹产生装置发出的携带有能量的太赫兹波，并转换为稳定的直流电能通过电子线路为信号采集单元以及轮胎内部电子元件供电。
2.根据权利要求1所述的太赫兹无线携能系统，其特征在于，还包括设置于汽车驾驶室内的车辆报警指示单元，所述车辆报警指示单元与所述处理单元相连，所述处理单元检测到轮胎状态信息超出预设安全阈值时向所述车辆报警指示单元发送报警指令，所述车辆报警指示单元根据接收到的报警指令发出报警。
3.根据权利要求2所述的太赫兹无线携能系统，其特征在于，所述车辆报警指示单元包括语音模块，所述语音模块与所述处理单元相连，所述车辆报警指示单元还包括与语音模块相连的扬声器和指示灯，在收到报警指令后通过扬声器和指示灯发出音频报警和/或指示灯闪烁报警。
4.根据权利要求1所述的太赫兹无线携能系统，其特征在于，所述信号转换单元包括依次相连的第一太赫兹激光器、第一调制器和第一滤波器，所述信号转换单元接收信号采集单元传递的电学信号，利用第一太赫兹激光器采用激光脉冲方式激发出携带有轮胎状态信息的太赫兹波，并对产生的太赫兹波通过第一调制器和第一滤波器进行调制、滤波后发送到太赫兹接收装置；
所述太赫兹产生装置包括依次相连的第二太赫兹激光器、第二调制器和第二滤波器，所述太赫兹产生装置利用第二太赫兹激光器采用激光脉冲方式激发出太赫兹波，并对产生的太赫兹波通过第二调制器和第二滤波器进行调制、滤波后发送到能量转换单元。
5.根据权利要求1所述的太赫兹无线携能系统，其特征在于，所述能量转换单元和太赫兹接收装置均包括相互连接的解调器和滤波器，用于对接收到的太赫兹波解调、滤波及放大。
6.根据权利要求1所述的太赫兹无线携能系统，其特征在于，所述信号采集单元包括压力传感器、温度传感器以及应变传感器，分别采集轮胎的压力、温度以及应变数据。
7.根据权利要求6所述的太赫兹无线携能系统，其特征在于，所述压力传感器为施耐德13598773型传感器，采用FXTH87E芯片；
所述温度传感器为Heraeus HDA420型传感器，采用FXTH87E芯片；
所述应变传感器为DT1-028K型传感器，采用stm32h750vb芯片。
8.根据权利要求3所述的太赫兹无线携能系统，其特征在于，所述语音模块采用LD3320语音芯片。
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