CN114759690A - 一种基于磁耦合的无线携能通信系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于磁耦合的无线携能通信系统，直流电源经逆变器产生交变信号，外部线圈驱动器接收电源经逆变的信号，经过功率放大之后激励外部线圈，在外部线圈中的高频电流会在其周围产生高频交变的磁场，影响内部线圈使其产生交变电流，经整流稳压电路为直流输送给压电传感器，将减速器外部电源的电能传输到内部，以实现对内部电路及压电传感器的电能供应。当压电传感器采集到内部的压力变化情况，根据逆压电效应会产生变化的电流，经过第二信号处理电路处理，由内部线圈驱动器驱动从而影响两线圈的互感，再经两线圈电磁耦合通道传输到外部线圈，经过第一信号处理电路发送至处理器，以此进行内部压电传感器数据的传输。
Description
技术领域
本发明属于通信领域，特别是涉及一种基于磁耦合的无线携能通信系统。
背景技术
能量与信息一直促进着人类社会的发展，信息的传输自无线电的发现后，已经实现了无线传输，而电能的传输则主要还是依赖于导线、电缆等有线方式，而传统的有线输电方式在很多领域有着一定的局限性，例如检测密闭的金属结构的状态信息，传统的做法是在密闭金属结构上穿孔后通过导线来实现信息的传输，而这种方式一方面破坏了金属结构的完整性，另一方面，由于在金属结构内外布置了导线，会增加金属结构工作运转时发生故障的可能性，如果对金属结构要求严苛的领域如军事、工业行业，这会大大增加装置的全寿命周期的维修费用，因此，研究无线能量与信息传输方法显得极为重要。
2012年Seo等人提出了一种基于电感耦合的方法通过无线的方式实现能量传输的系统，并对各种材料墙体的穿透效果进行了研究，结果显示，两线圈之间的间隔距离是影响传输效率和输出效率的主要因素，线圈的尺寸也在很大部分影响了传输的功率。Imoru等人对穿过薄壁金属管的基于电磁感应式的无线能量传输系统结构进行了研究，实验证明，在较小能量的传输实验中，可以将少量能量通过这种无线的方式实现传输，这种方式对于传统燃油行业及工业、制造业等实际应用中有着广泛的应用前景。但由于铁磁介质高的磁导率，金属具有强烈的趋肤效应。当金属壁厚度为1cm时，仅有最大为23%的传输效率。
综上，目前面临的是强电磁屏蔽效应下的压电传感器无线携能通信问题，亟待开发一种高效率的无线携能通信技术，实现金属壁内部关键部位的应变、应力、振动监测。
发明内容
针对以上技术问题，本发明提供一种基于磁耦合的无线携能通信系统。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
一种基于磁耦合的无线携能通信系统，包括电磁耦合通道、减速器外部电路和减速器内部电路，电磁耦合通道包括外部线圈、金属介质和内部线圈，减速器外部电路包括处理器、逆变器、外部线圈驱动器、功率放大器、第一信号处理电路和第一阻抗匹配网络，减速器内部电路包括第二阻抗匹配网络、整流稳压电路、压电传感器、信号采集电路、内部线圈驱动器和第二信号处理电路，处理器用于连接上位机，逆变器接入直流电源，处理器连接逆变器和第一信号处理电路，逆变器通过外部线圈驱动器连接功率放大器，功率放大器连接第一阻抗匹配网络，第一阻抗匹配网络和第一信号处理电路连接外部线圈，外部线圈通过金属介质与内部线圈感应连接，内部线圈连接第二阻抗匹配网络和第二信号处理电路，第二阻抗匹配网络通过整流稳压电路连接压电传感器，压电传感器连接信号采集电路，信号采集电路通过内部线圈驱动器连接第二信号处理电路。
优选地，减速器内部电路还包括信号调制电路，减速器外部电路还包括信号提取与解调电路，信号采集电路通过信号调制电路连接内部线圈驱动器，外部线圈通过信号提取与解调电路连接处理器。
优选地，第一信号处理电路包括第一运算放大器和模数转换器，信号提取与解调电路通过第一运算放大器连接模数转换器，模数转换器连接处理器。
优选地，第二信号处理电路为信号调理电路，内部线圈驱动器通过信号调理电路连接内部线圈，信号调理电路包括第二运算放大器和滤波电路。
优选地，第一阻抗匹配网路和第二阻抗匹配网络为LC谐振块。
优选地， 内部线圈和外部线圈的品质因素为：
其中，Q是品质因素，L、C、R分别是线圈电感、电容和电阻；
内部线圈和外部线圈本身的自谐振频率为：
线圈本身的自谐振频率
比Q值最高点所在的频率
高，在减速器外部电路和减速器内部电路中需增加额外的电容Cr，使得内部线圈和外部线圈的谐振频率为能量传输最高点，谐振频率的计算公式为：
内部线圈和外部线圈应用的电路系统中存在寄生电容Ct，若该寄生电容值大于Cr，则系统无法工作在在谐振频率，因此，Cr > Ct:
上述一种基于磁耦合的无线携能通信系统，减速器外部电路由直流电源经逆变器产生交变信号，外部线圈驱动器接收电源经逆变的信号，经过功率放大之后激励外部线圈，外部线圈与内部线圈之间存在电磁耦合，在外部线圈中的高频电流会在其周围产生高频交变的磁场，高频交变磁场又会影响内部线圈使其产生交变电流，传输效率与两线圈之间的互感有关。内部线圈产生的交变电流经第二阻抗匹配网络及整流稳压电路为直流输送给压电传感器，将减速器外部电源的电能传输到内部，以实现对内部电路及压电传感器的电能供应。当压电传感器采集到减速器内部的压力变化情况，根据逆压电效应会产生变化的电流，经过第二信号处理电路处理，由内部线圈驱动器驱动，产生变化的阻抗从而影响两线圈的互感，再经两线圈电磁耦合通道传输到外部线圈，经过第一信号处理电路发送至处理器，以此进行内部压电传感器数据的传输。
相对于射频传输或电容耦合传输等方式，磁感应耦合在近场传输效率上具有显著优势且实现控制简单，能够方便大规模推广使用；其次，通过无线电能传输，可减少无线应变传感器对于电池供电的需求，减少整个无线应变传感器的体积，从而可实现在金属壁内关键部位的安装部署；最后，通过材料进行的数据传输速率高于使用现有无线携能通信技术进行的数据传输速率、传输数据和功率的能力、增强的数据安全性，以及穿透各种介质特别是金属介质的能力。
附图说明
图1为本发明一实施例中一种基于磁耦合的无线携能通信系统的结构示意图；
图2为本发明一实施例中过金属壁能量传输过程示意图；
图3为E类放大器电路图；
图4为改进后的E类放大器电路结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
在金属结构内部空间狭小且电磁环境复杂的条件下，通过磁耦合的方式利用减速器外部电路给金属壁内部的压电传感器供电的同时将压电传感器采集到的传感信号传输给减速器外部电路，以实现金属结构内部的实时在线检测。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。
根据麦克斯韦电磁场理论，变化的电场和变化的磁场密切相关，在空间中电场和磁场相互变化产生电磁场，在金属壁外壁和内壁分别放置外部线圈（发射端）和内部线圈（接收端），场源为发射端，接收端必须选定在距离场源较近的位置，将电场聚集在外部线圈和内部线圈之间，外部线圈和内部线圈之间就可以凭借着时变磁场进行能量与信号的传输。其中外部线圈将电能传输给内部线圈，内部线圈同时将压电传感信号逆向传输给外部线圈，整个过程就是一个电生磁、磁生电的无线携能通信的过程。
在一个实施例中，如图1所示，一种基于磁耦合的无线携能通信系统，包括电磁耦合通道、减速器外部电路和减速器内部电路，电磁耦合通道包括外部线圈、金属介质和内部线圈，减速器外部电路包括处理器、逆变器、功率放大器、第一信号处理电路和第一阻抗匹配网络，减速器内部电路包括第二阻抗匹配网络、整流稳压电路、压电传感器、信号采集电路和第二信号处理电路，处理器用于连接上位机，逆变器接入直流电源，处理器连接逆变器和第一信号处理电路，逆变器通过功率放大器连接第一阻抗匹配网络，第一阻抗匹配网络和第一信号处理电路连接外部线圈，外部线圈通过金属介质与内部线圈感应连接，内部线圈连接第二阻抗匹配网络和第二信号处理电路，第二阻抗匹配网络通过整流稳压电路连接压电传感器，压电传感器通过信号采集电路连接第二信号处理电路。
具体地，减速器外部电路由直流电源经逆变器产生交变信号，外部线圈驱动器接收电源经逆变的信号，经过功率放大之后激励外部线圈，外部线圈与内部线圈之间存在电磁耦合，在外部线圈（一次线圈）中的高频电流会在其周围产生高频交变的磁场，高频交变磁场又会影响内部线圈(二次线圈)使其产生交变电流，传输效率与两线圈之间的互感有关。内部线圈产生的交变电流经第二阻抗匹配及整流稳压电路为直流输送给压电传感器，将减速器外部电源的电能传输到内部，以实现对内部电路及压电传感器的电能供应，这是整个系统的前向电能传输过程，如图2所示。当压电传感器采集到减速器内部的压力变化情况，根据逆压电效应会产生变化的电流，经过第二信号处理电路处理，由内部线圈驱动器驱动，产生变化的阻抗从而影响两线圈的互感，再经两线圈电磁耦合通道传输到外部线圈，经过第一信号处理电路发送至处理器，以此进行内部压电传感器数据的传输。
进一步地，用于通过金属壁的双向无线传输能量/信号的装置包括：外部线圈：安装在金属壁的外侧，产生外部时变磁场，并能检测外部时变磁场的变化；外部线圈驱动器：安装在金属壁的外侧，用于接收电源经逆变的信号，驱动外部线圈，从而产生带有电能信号的外部时变磁场。内部线圈：安装在金属壁的内侧，产生内部时变磁场，并能检测内部时变磁场的变化；内部线圈驱动器：安装在金属壁的内侧，用于接收压电传感器的信号，驱动内部线圈，从而产生带有传感器信号的内部时变磁场。
进一步地，由电源侧即一次侧向二次侧传输的主要是电能，由二次侧向一次侧传输的主要是压力传感器产生的传感信号，这种产生双向无线传输能量/信号的步骤主要有以下两步：
（1）由直流电源产生直流信号，经逆变器转变为交流信号，在外部线圈处产生时变磁场，这个信号被阻挡在金属壁的外侧，外部线圈能检测到内部线圈的磁场变化。
（2）由内外线圈的电磁耦合，在内部线圈处产生内部时变磁场，内部信号在金属壁的内侧，内部线圈也能检测到外部线圈的磁场变化。由此，通过金属壁的信号的无线传输是双向的。
进一步地，整体系统的各个模块需要做到尽可能高效率与低功耗。因此，选用E类功率放大器作为无线能量发射部分，其原理是“场效应管的电压和电流不同时出现”，所以其理论效率可以达到100%。
E类放大器如图3所示，图中金氧半场效晶体管(MOSFET)作为开关工作，射频扼流圈（RFC)是用来消除高频交流信号与直流源耦合的大电感。MOSFET的栅极连接一个时钟源，其频率为无线能量发射的载波频率。Cp是一个外部并联电容。Cs和Lcoil构成LC谐振块。在一个实施例中，第一阻抗匹配网路和第二阻抗匹配网络为LC谐振块。LC谐振块的谐振频率是电力传输系统的载波频率。Rload为电路的等效负载。功率放大器和耦合线圈间的阻抗不匹配会降低传输效率、破坏功率放大器系统功能。
优化后的E类放大器结构如图4所示，电源是给整个外部电路系统供电的电源，然后电源与E类放大器的RFC之间需要加上一个稳压器，信号提取对应于图1 的信号提取与解调电路的信号提取部分。与图3中E类放大器电路的区别是在线圈后串联了小电感用作信号提取，在E类放大器开关管输入前增加了一级反相驱动器作为外部线圈驱动器。提取信号值范围需在解调电路工作电压范围以内，保证解调电路得到能够解调的信号。因为晶振的驱动能力不足，所以添加了大驱动反相器，反相器的驱动能力保证开关管能够正常打开关断。同理，减速器内部电路中也在信号调理电路的输入前增加了一级反相驱动器作为内部线圈驱动器。
在一个实施例中，减速器内部电路还包括信号调制电路，减速器外部电路还包括信号提取与解调电路，信号采集电路通过信号调制电路连接内部线圈驱动器，外部线圈通过信号提取与解调电路连接处理器。
具体地，信号调制电路是将所需传送的基带信号加载到载波信号上去，以调幅波、调相波或调频波的形式发送出去。信号提取与解调电路是将接收到的调制波的原调制信号取出来、从调幅波的振幅变化中取出原调制信号、从调相波的瞬时相位变化中取出原调制信号、从调频波的瞬时频率变化中取出原调制信号。
在一个实施例中，第一信号处理电路包括第一运算放大器和模数转换器，信号提取与解调电路通过第一运算放大器连接模数转换器，模数转换器连接处理器。
具体地，提取出来的原调制信号经过放大和模数转换后，转后后的数据为数字量，可以直接经过处理器处理，单片机可通过总线与上位机相连实现实时的数据观测，同时，上位机可通过处理器给整个电路系统下达指令，如改变数据的传输速率等。
在一个实施例中，第二信号处理电路为信号调理电路，内部线圈驱动器通过信号调理电路连接内部线圈，信号调理电路包括第二运算放大器和滤波电路。
在一个实施例中，内部线圈和外部线圈的品质因素为：
其中，Q是品质因素，L、C、R分别是线圈电感、电容和电阻；
内部线圈和外部线圈本身的自谐振频率为：
线圈本身的自谐振频率
比Q值最高点所在的频率
高，在减速器外部电路和减速器内部电路中需增加额外的电容Cr，使得内部线圈和外部线圈的谐振频率为能量传输最高点，谐振频率的计算公式为：
内部线圈和外部线圈应用的电路系统中存在寄生电容Ct，若该寄生电容值大于Cr，则系统无法工作在在谐振频率，因此，Cr > Ct:
上述一种基于磁耦合的无线携能通信系统，能够以比目前使用传统技术更高的数据速率传输能量和通信，首先，相对于射频传输或电容耦合传输等方式，磁感应耦合在近场传输效率上具有显著优势且实现控制简单，能够方便大规模推广使用；其次，通过无线电能传输，可减少无线应变传感器对于电池供电的需求，减少整个无线应变传感器的体积，从而可实现在金属壁内关键部位的安装部署；最后，通过材料进行的数据传输速率高于使用现有无线携能通信技术进行的数据传输速率、传输数据和功率的能力、增强的数据安全性，以及穿透各种介质特别是金属介质的能力。
以上对本发明所提供的一种基于磁耦合的无线携能通信系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于磁耦合的无线携能通信系统，其特征在于，包括电磁耦合通道、减速器外部电路和减速器内部电路，所述电磁耦合通道包括外部线圈、金属介质和内部线圈，所述减速器外部电路包括处理器、逆变器、外部线圈驱动器、功率放大器、第一信号处理电路和第一阻抗匹配网络，所述减速器内部电路包括第二阻抗匹配网络、整流稳压电路、压电传感器、信号采集电路、内部线圈驱动器和第二信号处理电路，所述处理器用于连接上位机，所述逆变器接入直流电源，所述处理器连接所述逆变器和所述第一信号处理电路，所述逆变器通过所述外部线圈驱动器连接所述功率放大器，所述功率放大器连接所述第一阻抗匹配网络，所述第一阻抗匹配网络和所述第一信号处理电路连接所述外部线圈，所述外部线圈通过金属介质与所述内部线圈感应连接，所述内部线圈连接所述第二阻抗匹配网络和所述第二信号处理电路，所述第二阻抗匹配网络通过所述整流稳压电路连接所述压电传感器，所述压电传感器连接所述信号采集电路，所述信号采集电路通过所述内部线圈驱动器连接所述第二信号处理电路。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述减速器内部电路还包括信号调制电路，所述减速器外部电路还包括信号提取与解调电路，所述信号采集电路通过所述信号调制电路连接所述内部线圈驱动器，所述外部线圈通过所述信号提取与解调电路连接所述处理器。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一信号处理电路包括第一运算放大器和模数转换器，所述信号提取与解调电路通过所述第一运算放大器连接所述模数转换器，所述模数转换器连接所述处理器。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第二信号处理电路为信号调理电路，所述内部线圈驱动器通过所述信号调理电路连接所述内部线圈，所述信号调理电路包括第二运算放大器和滤波电路。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述第一阻抗匹配网路和所述第二阻抗匹配网络为LC谐振块。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于， 内部线圈和外部线圈的品质因素为：
其中，Q是品质因素，L、C、R分别是线圈电感、电容和电阻；
内部线圈和外部线圈本身的自谐振频率为：
线圈本身的自谐振频率
比Q值最高点所在的频率
高，在所述减速器外部电路和所述减速器内部电路中需增加额外的电容Cr，使得内部线圈和外部线圈的谐振频率为能量传输最高点，谐振频率的计算公式为：
内部线圈和外部线圈应用的电路系统中存在寄生电容Ct，若该寄生电容值大于Cr，则系统无法工作在在谐振频率，因此，Cr > Ct:
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