CN116418373A - 一种基于机械谐振的无线能量和数据同步传输系统及负载 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于机械谐振的无线能量和数据同步传输系统及负载，涉及无线电能传输技术领域。本发明用于非接触式能量和数据同步传输，所述无线能量和数据同步传输系统，包括功率放大电路、耦合结构、控制器、调制器、频率跟踪模块、整流滤波电路和解调器，其中耦合结构由两个复合悬臂梁通过永磁体强耦合作用组成。本发明的优点在于：系统工作时，通过耦合结构的机械谐振作用，有效提高能量输出的功率和效率，并且大幅增加系统工作带宽和通信容量，由于系统在两个不同频率下均能发生机械谐振，具有两个不相等谐振频率的特性，进而实现无线能量和数据的同步传输，且结构简单，有效避免了传统无线信能同传方法中多线圈的复杂结构。
Description
技术领域
本发明涉及无线电能传输技术领域，具体为一种基于机械谐振的无线能量和数据同步传输系统及负载。
背景技术
近年来，无线电能传输技术作为一种新兴技术，已广泛应用于手机、蓝牙耳机、智能手表、无人机、生物医学设备、电动汽车等电子电气设备的充电。在相关应用中，有时需要在能量传输的过程中同时进行控制信号等数据的传输，故无线能量和数据同步传输技术引起了许多学者的关注。现有技术主要采用双通道方法，使用一对耦合结构进行能量传输，另一对耦合结构进行数据通信，该方法需要采用多线圈结构，会增加设备的体积和结构复杂性，一些学者对上述方法进行了优化，虽然简化了多线圈的复杂结构，但数据传输通道和能量传输通道仍是单独设置的，多通道的设置会导致传输载波之间的相互干扰从而降低通信质量，为此，我们提出一种基于机械谐振的无线能量和数据同步传输系统及负载。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于机械谐振的无线能量和数据同步传输系统及负载，能够利用机械谐振方法及复合式压电悬臂梁结构实现能量和信息的同步有效传输，结构简单，有效避免了传统无线信能同传方法中多线圈的复杂结构。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于机械谐振的无线能量和数据同步传输系统，包括：
能量信息发射端，所述能量信息发射端包括控制器，所述控制器上电性连接有调制器，所述调制器上电性连接有功率放大电路，所述功率放大电路上电性连接有频率跟踪模块，所述功率放大电路上电性连接有发射端耦合结构；
能量信息接收端，所述能量信息接收端包括接收端耦合结构，所述接收端耦合结构与发射端耦合结构之间通过能量传输介质连接，所述接收端耦合结构上电性连接有整流滤波电路，所述接收端耦合结构上电性连接有解调器；
发射端耦合结构，所述发射端耦合结构包括第一梁体，所述第一梁体的两端分别粘接有第一永磁体与第一压电换能器，第一梁体与第一压电换能器均通过导线连接在功率放大电路的输出端，并构成闭合回路，用于接收功率放大电路传输的能量信息，并将能量信息通过传输介质进行传输；
接收端耦合结构，所述接收端耦合结构包括第二梁体，所述第二梁体的两端分别粘接有第二永磁体与第二压电换能器，第二梁体与第二压电换能器均通过导线连接在整流滤波电路的输入端，并构成闭合回路，用于接收发射端耦合结构传输的能量信息并产生机械共振；
所述发射端耦合结构和接收端耦合结构的固有频率不相等，且发射端耦合结构和接收端耦合结构通过尺寸、安装位置决定第一梁体和第二梁体的固有频率，用于使得无线能量和数据同步传输系统在两个不同频率下均能发生机械谐振。
进一步的，所述第一永磁体通过瞬干胶粘接在第一梁体上，第一压电换能器通过导电胶粘接在第一梁体上。
进一步的，所述第二永磁体通过瞬干胶粘接在第二梁体上，第二压电换能器通过导电胶粘接在第二梁体上。
进一步的，发射端耦合结构和接收端耦合的整体结构均为长边远大于宽边的矩形，且发射端耦合结构和接收端耦合结构之间的传输介质为气体、液体或固体。
进一步的，所述第一压电换能器与第二压电换能器由压电晶体材料或压电陶瓷材料制成。
根据本发明的一个方面，本发明提供一种负载，其使用一种基于机械谐振的无线能量和数据同步传输系统进行供电，该负载可以为感性负载、容性负载、阻性负载。
本发明至少具备以下有益效果：
本发明所述系统工作时，通过耦合结构的相互作用，有效提高输出功率，并且大幅增加系统工作带宽和通信容量，由于系统在两个不同频率下均能发生机械谐振，具有两个不相等谐振频率的特性，进而实现无线能量和数据的同步传输，且结构简单，有效避免了传统无线信能同传方法中多线圈的复杂结构。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明的频域响应曲线。
附图标记：
1、控制器；2、调制器；3、功率放大电路；4、频率跟踪模块；5.1、发射端耦合结构；511、第一梁体；512、第一永磁体；513、第一压电换能器；5.2、接收端耦合结构；521、第二梁体；522、第二永磁体；523、第二压电换能器；53、传输介质；6、整流滤波电路；7、解调器。
具体实施方式
下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本公开保护的范围。
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种基于机械谐振的无线能量和数据同步传输系统，包括：
能量信息发射端，能量信息发射端包括控制器1，控制器1上电性连接有调制器2，调制器2上电性连接有功率放大电路3，功率放大电路3上电性连接有频率跟踪模块4，功率放大电路3上电性连接有发射端耦合结构5.1；
能量信息接收端，能量信息接收端包括接收端耦合结构5.2，接收端耦合结构5.2与发射端耦合结构5.1之间通过能量传输介质53连接，接收端耦合结构5.2上电性连接有整流滤波电路6，接收端耦合结构5.2上电性连接有解调器7；
发射端耦合结构5.1，用于接收功率放大电路3传输的能量信息，并将能量信息通过传输介质53进行传输；
接收端耦合结构5.2，用于接收发射端耦合结构5.1传输的能量信息并产生机械共振。
需要说明的是，发射端耦合结构5.1包括第一梁体511，第一梁体511的两端分别粘接有第一永磁体512与第一压电换能器513，第一梁体511为金属导体，具有良好的导电性能，第一永磁体512通过瞬干胶固定粘接在第一梁体511上，第一压电换能器513通过导电胶粘接在第一梁体511上，针对于本申请的技术方案，导电胶优选为环氧胶粘剂DP420从而使得第一压电换能器513与第一梁体511之间电性连接，并且第一梁体511与第一压电换能器513均通过导线连接在功率放大电路3的输出端，并构成闭合回路，便于发射端耦合结构5.1接收来自于功率放大电路3的能量信息。
接收端耦合结构5.2包括第二梁体521，所述第二梁体521的两端分别粘接有第二永磁体522与第二压电换能器523，其中，第二梁体521为金属导体，也具有良好的导电性能，第二永磁体522通过瞬干胶粘接在第二梁体521上，第二压电换能器523通过导电胶粘接在第二梁体521上，针对于本申请的技术方案，导电胶优选为环氧胶粘剂DP420，从而使得第二压电换能器523与第二梁体521之间电性连接，并且第二梁体521与第二压电换能器523均通过导线连接在整流滤波电路6的输入端，并构成闭合回路，便于使得接收端耦合结构5.2将能量信息传输至整流滤波电路6。
发射端耦合结构5.1和接收端耦合结构5.2的固有频率不相等，其尺寸及位置等机械参数决定了第一梁体511和第二梁体521的固有频率，使得无线能量和数据同步传输系统在两个不同频率下均能发生机械谐振，这两个频率分别定义为第一谐振频率f0和第二谐振频率f1，且f0≠f1。
发射端耦合结构5.1和接收端耦合结构5.2的一端固定，另一端悬空或两端均固定不动，所述无线能量和数据同步传输系统工作时，发射端耦合结构5.1和接收端耦合机构处于机械谐振状态，并且发射端耦合结构5.1和接收端耦合结构5.2由于在两个不同的频率下均能发生机械共振，因此该系统具有宽频带的特性，以保证利用系统第一谐振频率f0和第二谐振频率f1特性时具有更高的通信容量。
其中，发射端耦合结构5.1和接收端耦合结构5.2的整体形状可设置为矩形、六边形或八边形，其形状将影响系统固有频率及系统工作在能量和数据传输状态时的第一谐振频率f0和第二谐振频率f1，针对于本申请的技术方案，发射端耦合结构5.1和接收端耦合结构5.2的整体形状为长边远大于宽边的矩形悬臂梁，用于尽可能提高能量输出功率。
永磁体是指在开路状态下能长期保留较高剩磁的磁体，第一永磁体512与第二永磁体522可使用长方体或圆柱体或其他形状立方体，针对于本申请的技术方案，第一永磁体512与第二永磁体522设置为长方体状，且第一永磁体512与第二永磁体522之间存在吸引或排斥的相互作用力。
压电换能器是指利用压电材料的正逆压电效应制成的换能器，换能器顾名思义就是指可以进行能量转换的器件，第一压电换能器513与第二压电换能器523固定在耦合双梁侧或外侧，可设置为多边形压电片、圆形压电片或者压电堆栈，针对于本申请的技术方案，第一压电换能器513与第二压电换能器523均设置为长方形压电片，并且第一压电换能器513与第二压电换能器523由压电晶体材料或压电陶瓷材料制成，其中，压电晶体材料包括石英晶体、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛铁晶体管铌酸锂、钽酸锂；压电陶瓷材料包括钛酸钡、锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂。
频率跟踪模块4，主要用于对因能量传输距离、耦合结构相对位置、各永磁体间相互作用力大小等因素引起的第一谐振频率f0和第二谐振频率f1的变化进行追踪，并通过控制器1内置的ADC采样电路反馈到调制器2，进而影响所设置载波频率。
控制器1是指按照预定顺序改变主电路或控制电路的接线和改变电路中电阻值来控制电动机的启动、调速、制动和反向的主令装置，由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器1组成，针对于本申请的技术方案，控制器1为STM32或C8051，利用控制器1能够产生一个频率介于系统第一谐振频率f0和第二谐振频率f1之间跳跃的方波，其中，谐振频率指对能量信息发射端施加扫频正弦波激励后，能量信息接收端输出的响应电压峰值所对应的频率。
调制器2是指通过数字信号处理技术，将低频数字信号(如音频、视频、数据等)调制到高频数字信号中，进行信号传输的一种设备，调制器2广泛运用于音频信号、视频信号等信息的传输，调制器2和解调器7成对使用，调制器2用于将数字信号处理到高频信号上进行传输，而解调器7则将数字信号还原成原始的信号。
功率放大电路3主要用于对调制器2产生的方波进行放大，针对于本申请的技术方案，优选为LM386，LM386是一种功率放大器，具有自身功耗低、更新内链增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点。
此外，传输介质53是通信网络中发送方和接收方之间进行数据传输的物理通路，发射端耦合结构5.1和接收端耦合结构5.2之间能量传输介质53可以为气体、液体、固体，由于气体是自然界最常见的传输介质53，能量传输介质53优选为气体，针对于本申请的技术方案，能量传输介质53为空气。
具体而言，系统的能量和数据同步传输过程为，在系统的能量信息发射端，驱动电源为在整个系统提供能量，然后控制器1控制的调制器2产生一个频率介于系统第一谐振频率f0和第二谐振频率f1之间跳跃的方波，经过功率放大电路3放大后激励能量信息发射端耦合结构5.1振动，然后能量再经传输介质53传递到接收端耦合结构5.2产生机械共振，最后经桥式整流电路和电容滤波电路处理后由能量输出端为负载提供能量，其中，系统能量输入端口由外部电源提供能量，与此同时，在系统的能量信息发射端，第一谐振频率f0和第二谐振频率f1分别分配二进制数据信号0和1，这两个频率f0和f1的载波分别进行能量和信息的传输，在能量信息接收端，解调器7对接收到的载波信息进行解调实现能量与数据的同步传输。
参照图2，图2为在不同传输距离下，对能量信息发射端施加正弦激励后，能量信息接收端输出的频域响应曲线。发射端耦合结构5.1和接收端耦合结构5.2的固有频率不相等，其尺寸及位置等机械参数决定了第一梁体511和第二梁体521的固有频率及系统工作时耦合结构的谐振频率，以使无线能量和数据同步传输系统的频域响应曲线具有第一谐振频率f0和第二谐振频率f1的特性，且f0≠f1，频域响应曲线中两个谐振峰的响应幅值及谐振频率可以通过改变耦合结构中永磁体和压电换能器大小、尺寸、位置等机械参数来调整。
进一步的，无线能量和数据同步传输系统可以在多种频率条件下工作，常选取的工作频率范围为几十到几千赫兹。
根据本发明的一个方面，本发明提供一种负载，其使用一种基于机械谐振的无线能量和数据同步传输系统进行供电，该负载可以为感性负载、容性负载、阻性负载。
综上所述，本发明在系统工作时，通过耦合结构的相互作用，有效提高输出功率，并且大幅增加系统工作带宽和通信容量，由于系统在两个不同频率下均能发生机械谐振，具有两个不相等谐振频率的特性，进而实现无线能量和数据的同步传输，且结构简单，有效避免了传统无线信能同传方法中多线圈的复杂结构。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种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、物品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、物品或者设备所固有的要素。
对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。当元件被称为“装配于”、“安装于”、“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
Claims (6)
1.一种基于机械谐振的无线能量和数据同步传输系统，包括；
能量信息发射端，所述能量信息发射端包括控制器，所述控制器上电性连接有调制器，所述调制器上电性连接有功率放大电路，所述功率放大电路上电性连接有频率跟踪模块，所述功率放大电路上电性连接有发射端耦合结构；
能量信息接收端，所述能量信息接收端包括接收端耦合结构，所述接收端耦合结构与发射端耦合结构之间通过能量传输介质连接，所述接收端耦合结构上电性连接有整流滤波电路，所述接收端耦合结构上电性连接有解调器；
发射端耦合结构，所述发射端耦合结构包括第一梁体，所述第一梁体的两端分别粘接有第一永磁体与第一压电换能器，第一梁体与第一压电换能器均通过导线连接在功率放大电路的输出端，并构成闭合回路，用于接收功率放大电路传输的能量信息，并将能量信息通过传输介质进行传输；
接收端耦合结构，所述接收端耦合结构包括第二梁体，所述第二梁体的两端分别粘接有第二永磁体与第二压电换能器，第二梁体与第二压电换能器均通过导线连接在整流滤波电路的输入端，并构成闭合回路，用于接收发射端耦合结构传输的能量信息并产生机械共振；
所述发射端耦合结构和接收端耦合结构的固有频率不相等，且发射端耦合结构和接收端耦合结构通过尺寸、安装位置决定第一梁体和第二梁体的固有频率，用于使得无线能量和数据同步传输系统在两个不同频率下均能发生机械谐振。
2.根据权利要求1所述的一种基于机械谐振的无线能量和数据同步传输系统，其特征在于：所述第一永磁体通过瞬干胶粘接在第一梁体上，第一压电换能器通过导电胶粘接在第一梁体上。
3.根据权利要求1所述的一种基于机械谐振的无线能量和数据同步传输系统，其特征在于：所述第二永磁体通过瞬干胶粘接在第二梁体上，第二压电换能器通过导电胶粘接在第二梁体上。
4.根据权利要求1所述的一种基于机械谐振的无线能量和数据同步传输系统，其特征在于：所述发射端耦合结构和接收端耦合的整体结构均为长边远大于宽边的矩形，且发射端耦合结构和接收端耦合结构之间的传输介质为气体、液体或固体。
5.根据权利要求1所述的一种基于机械谐振的无线能量和数据同步传输系统，其特征在于：所述第一压电换能器与第二压电换能器由压电晶体材料或压电陶瓷材料制成。
6.一种负载，其特征在于，其使用权利要求1至5中任一项所述的一种基于机械谐振的无线能量和数据同步传输系统进行供电。
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| CN202310407427.2A Active CN116418373B (zh) | 2023-04-17 | 2023-04-17 | 一种基于机械谐振的无线能量和数据同步传输系统及负载 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116418373B (zh) |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104158305A (zh) * | 2014-07-30 | 2014-11-19 | 华南理工大学 | 基于自适应磁耦合谐振匹配的能量与信息同步传输系统 |
| CN104821667A (zh) * | 2015-03-16 | 2015-08-05 | 中国计量学院 | 基于低频pwm整流器的磁耦合谐振式无线电能传输装置 |
| RU2693536C1 (ru) * | 2018-12-11 | 2019-07-03 | Общество с ограниченной ответственностью "Лаборатория подводной связи и навигации" | Способ и система беспроводной передачи энергии и информации |
| CN110190686A (zh) * | 2019-07-04 | 2019-08-30 | 东北大学 | 一种多线圈非接触能量与信号同步传输系统及其控制方法 |
| CN112701800A (zh) * | 2021-01-19 | 2021-04-23 | 重庆大学 | 共享通道式单电容耦合无线电能与信号并行传输系统 |
| CN114448111A (zh) * | 2022-03-28 | 2022-05-06 | 东南大学 | 一种基于磁耦合的压电无线能量传输装置 |
| CN114825656A (zh) * | 2022-04-06 | 2022-07-29 | 浙江大学 | 一种无线电能与数据同步传输系统及数据调制方法 |
| CN115967192A (zh) * | 2022-08-16 | 2023-04-14 | 浙江大学 | 基于集成式磁路耦合结构的能量与信号同步无线传输系统 |
-
2023
- 2023-04-17 CN CN202310407427.2A patent/CN116418373B/zh active Active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 刘飞飞 等: "磁耦合谐振式无线电能与信号同步传输技术", 科学技术与工程, no. 12, 28 April 2019 (2019-04-28) * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116418373B (zh) | 2024-05-17 |
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