CN205945131U - 近场谐振与感应耦合协同式生物遥测装置无线充电系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及无线电能传输技术领域，具体涉及近场谐振与感应耦合协同式生物遥测装置无线充电系统，包括充电系统发射单元和充电系统接收单元；充电系统发射单元包括电源模块，与电源模块依次连接的功率振荡模块、功率控制电路、距离传感器和模式选择电路和信息解调模块，与功率振荡模块依次连接的通信线圈、发射加密芯片和电磁发射线圈；充电系统接收单元包括依次连接的电磁接收线圈、接收加密芯片、信息调制模块、电池信息检测模块、整流降压模块、带温度补偿的稳压模块和遥测装置电池。该无线充电系统能够在充电时对磁场的距离做出判断，并选择效率较高、效果较好的方式进行充电，对环境的适应性较强，能量利用率较高。
Description
技术领域
本实用新型属于无线电能传输技术领域，尤其涉及近场谐振与感应耦合协同式生物遥测装置无线充电系统。
背景技术
无线供电装置是一种在不依赖电线的情况下，能对电子设备等远距离充电的特殊装置。由于充电不需要物理上的连接，无线供电装置可以布置在各种场所，有效地保证了充电及时性，使其实用性和便利性大大增强。由此，无线供电技术将随时随地充电变为可能。
植入式生物遥测设备可由多种与健康指数相关的传感器组成并且长期植入人体之内，对人体各项健指数进行观察控制，在日常对人们进行建议与提醒。现有的一些生物遥测装置的供电系统通常采用有线供电法，即通过体外的导线与遥测装置相连，不断向其供电。但该方法无法对近年来日益兴起的胶囊型内窥镜和植入式的医疗装置进行能源供给，现在，人类对治疗的无创、无痛苦、低危险等要求越来越高。同时，采用寿命有限的微型电池作为能源供给方式，对于心脏起搏器等植入式医疗器械来说，患者需要冒手术开刀的危险来延续能源供给，不能满足人类安全要求。要保证电能的持续供应，维持植入式生物遥测装置正常工作，无线供电装置的研发被放上了重要议程。
现有的无线电能传输技术至少包括以下五个方向：电磁感应式、电磁共振式、微波式、 超声波式及激光式。
电磁感应式：电磁感应的基本原理基于法拉第电磁感应定律，其基本结构方式类似于变压器，在发射器和接收器上各有一个线圈，发射端线圈连接有线电源，电流通过线圈产生电磁信号，接收端线圈感应发射端的电磁信号从而产生电流供给用电端设备。特点是传输功率大、效率高，但传输距离短，用于小中功率的近距离送电。
电磁共振式：电磁共振的原理是与音叉的共振原理相同。排列在一个磁场中的有相同振动频率的线圈，由于其振动频率 特性相同也可以实现能量从一个线圈向另一个线圈的电能传输。特点是传输距离较远、可实现一对多传能，但传输效率偏低，适用于中等功率的中等距离传输。
微波式：微波技术发展较为成熟，原理与收音机相同，主要有微波发射装置和微波接收装置构成，接收装置通过微带整理天线接收到发射端发射的微波信号并将之转换为稳定的电压电流输出。特点是传输距离远，能量较大，但效率较低，且存在微波辐射安全性问题，可用于大功率、几米到几千米的远距离传输。
超声波式：超声波是指超过人耳识别范围外的声波, 其工作原理是基于压电效应与逆压电效应。 超声波可通过压电材料的逆压电效应,方便的转化成电能，其实现方式发射端通过 控制压电材料器件将电能转换为超声波，接收端通过压电材料 接收器件的逆压电效应将超声波能量转换为电能。特点是传输距离较远、可实现“一对多”传能，但功率较小，可用于手机等电子产品的无线充电。
激光式：激光传能是利用激光的定向性传输及其在空间中的衰减特性来实现能量的传输，其原理是发射端将电能通过光 学器件转换为定向激光，接收端通过激光接收器件将光能转换为电能，从而实现电能的无线传输。特点是传输距离远，传输效率高，传输功率较大，但无法隔输，应用于无人机等设备的点对点充电。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种生物遥测装置无线充电系统，通过判断充电系统与生物遥测装置之间的距离，通过对充电系统发射单元的频率进行调节，选用电磁感应方式或电磁共振方式进行充电。提升了无线充电系统的自动化程度，避免了生物遥测装置有线供电方式可能会带给人体的伤害。克服了无线电能传输技术中电磁感应方式传输功率大，效率高但传输距离较近，电磁共振方式传输距离较远，但传输效率偏低的缺陷。
为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：包括充电系统发射单元和充电系统接收单元；
所述充电系统发射单元包括电源模块，与电源模块依次连接的功率振荡模块、功率控制电路、距离传感器和模式选择电路和信息解调模块，与所述功率振荡模块依次连接的通信线圈、发射加密芯片和电磁发射线圈；
所述充电系统接收单元包括依次连接的电磁接收线圈、接收加密芯片、信息调制模块、电池信息检测模块、整流降压模块、带温度补偿的稳压模块和遥测装置电池；
所述信息解调模块实现与充电系统接收单元的无线电信息交互；所述通信线圈与电磁接收线圈之间通过电力载波通信；所述发射加密芯片与接收加密芯片通过密码匹配连接；
所述电源模块为功率振荡模块提供输入电压；所述功率振荡模块将电源模块输入的功率振荡为高频振荡电磁场，由所述电磁发射线圈进行发射；所述信息解调模块控制功率控制电路；所述功率控制电路控制功率振荡模块的通断和振荡频率；所述距离传感器和模式选择电路用于测量判断所述发射单元与接收单元距离，选择相应的无线充电模式；
所述电磁接收线圈接收电磁发射线圈所发射的能量；所述电池信息检测模块检测遥测装置电池的工作信息，所述信息调制模块调制电池信息检测模块所检测得到的电池信息，通过高频信号和通信通道发送至所述信息解调模块；所述整流降压模块将接收的能量整流成直流电，并控制电压值降至所述生物遥测装置所需要的范围；经所述带温度补偿的稳压模块稳压后向遥测装置电池供电，所述遥测装置电池储存电能为所述生物遥测装置供电。
上述的近场谐振与感应耦合协同式生物遥测装置无线充电系统中，所述距离传感器和模式选择电路测量距离小于0.1 m时，选用电磁感应充电方式，选用工作频率为100kHz；当距离大于0.1 m小于10 m时，选用电磁共振充电方式，保持发射单元与接收单元频率一致。
上述的近场谐振与感应耦合协同式生物遥测装置无线充电系统中，所述电磁发射线圈采用多层六边形线圈交互排列，将所述线圈第二层磁场强度较强的区域与第一层磁场强度最弱的区域重合，第三层、第四层，至第n层、第n+1层（n=1，2，3，…n）均采用同样的方式交互排列，获得均匀的磁场强度；并以所述多层交互排列的线圈作为充电导轨。
上述的近场谐振与感应耦合协同式生物遥测装置无线充电系统中，所述充电系统发射单元外部加入防电磁辐射外壳，以减少电磁辐射。
上述的近场谐振与感应耦合协同式生物遥测装置无线充电系统中，所述电磁接收线圈包括电磁感应式接收线圈和电磁共振式接收线圈，分别用于电磁感应式充电模式和电磁共振式充电模式。
上述的近场谐振与感应耦合协同式生物遥测装置无线充电系统中，所述整流降压模块选用与其稳压值匹配的齐纳二极管。
本实用新型无线充电系统的发射单元设置有距离传感器和模式选择电路，感应到发射单元与接收单元的距离并进行判断，在电磁感应式和电磁共振式两种充电方式中选取效率较高、效果较好的方式；当距离小于0.1 m时，选用电磁感应充电方式，选用100 kHz的工作频率；当距离大于0.1 m小于10 m时，选用电磁共振充电方式，使发射单元与接收单元的频率保持一致。
本实用新型无线充电系统的发射单元采用多层六边形线圈交互排列的方式，在排布时，把第二层中磁场强度较强的区域与第一层中磁场强度最弱的区域重合，第三、四层类似排列，直至第n层、第n+1层（n=1，2，3，…n）采用同样的方式交互排列，线圈产生的磁场强度相互叠加，以获得较为均匀的磁场强度。以多层叠放的线圈为充电导轨,并在外部设有加入磁屏蔽材料的防电磁辐射外壳，以减少电磁辐射。
本近场谐振与感应耦合协同式生物遥测装置无线充电系统的接收端设有感应式接收线圈和共振磁耦合接收线圈两种线圈，分别与电磁感应式和电磁共振式两种充电模式相对应。
本实用新型无线充电系统的发射单元设置有发射加密芯片，与生物遥测装置内部的发射加密芯片配合使用，只有两者密码匹配时，接收单元才可接收到来自发射单元的能量，提高了无线充电系统的安全性和稳定性。
本实用新型有益效果是，本实用新型无线充电系统的发射单元能够在充电时对磁场的距离做出判断，并选择效率较高、效果较好的方式进行充电，对环境的适应性较强，工作运行时对人工操控要求较低，能量利用率较高，安全性较好，能有效地为植入式生物遥测装置充电。避免了生物遥测装置有线供电方式可能会带给人体的伤害，提升了无线充电系统的自动化程度。由于发射单元和接收单元设置有加密芯片，只有两者密码匹配时，接收单元才可接收到来自发射单元的能量，保证了无线充电系统的安全性和稳定性。
附图说明
图1是本实用新型一个实施例的结构示意图；
图2是本实用新型一个实施例充电方案选取过程示意图；
图3是本实用新型一个实施例充电系统发射单元电磁发射线圈的结构示意图；
图4是本实用新型一个实施例接收单元的电磁接收线圈示意图；
其中：1-充电系统发射单元，2-充电系统接收单元，11-电源模块，12-信息解调模块，13-距离传感器和模式选择电路，14-功率控制电路，15-功率振荡模块，16-通信线圈，17-发射加密芯片，18-电磁发射线圈，19-防电磁辐射外壳，20-电磁接收线圈，21-接收加密芯片，22-信息调制模块，23-电池信息检测模块，24-整流降压模块，25-带温度补偿的稳压模块，26-遥测装置电池。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的实施方式进行详细描述。
下文中对特定例子的部件和设置进行描述，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本实用新型。在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有规定，术语“相连”、“连接”应作广义理解，比如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，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的具体含义。
实施例采用的技术方案如下：包括充电系统发射单元和充电系统接收单元；
所述充电系统发射单元包括电源模块，与电源模块依次连接的功率振荡模块、功率控制电路、距离传感器和模式选择电路和信息解调模块，与所述功率振荡模块依次连接的通信线圈、发射加密芯片和电磁发射线圈；
所述充电系统接收单元包括依次连接的电磁接收线圈、接收加密芯片、信息调制模块、电池信息检测模块、整流降压模块、带温度补偿的稳压模块和遥测装置电池；
所述信息解调模块实现与充电系统接收单元的无线电信息交互；所述通信线圈与电磁接收线圈之间通过电力载波通信；所述发射加密芯片与接收加密芯片通过密码匹配连接；
所述电源模块为功率振荡模块提供输入电压；所述功率振荡模块将电源模块输入的功率振荡为高频振荡电磁场，由所述电磁发射线圈进行发射；所述信息解调模块控制功率控制电路；所述功率控制电路控制功率振荡模块的通断和振荡频率；所述距离传感器和模式选择电路用于测量判断所述发射单元与接收单元距离，选择相应的无线充电模式；
所述电磁接收线圈接收电磁发射线圈所发射的能量；所述电池信息检测模块检测遥测装置电池的工作信息，所述信息调制模块调制电池信息检测模块所检测得到的电池信息，通过高频信号和通信通道发送至所述信息解调模块；所述整流降压模块将接收的能量整流成直流电，并控制电压值降至所述生物遥测装置所需要的范围；经所述带温度补偿的稳压模块稳压后向遥测装置电池供电，所述遥测装置电池储存电能为所述生物遥测装置供电。
进一步地，所述距离传感器和模式选择电路测量距离小于0.1 m时，选用电磁感应充电方式，选用工作频率为100 kHz；当距离大于0.1 m小于10 m时，选用电磁共振充电方式，保持发射单元与接收单元频率一致。
进一步地，所述电磁发射线圈采用多层六边形线圈交互排列，将所述线圈第二层磁场强度较强的区域与第一层磁场强度最弱的区域重合，第三层、第四层，至第n层、第n+1层（n=1，2，3，…n）均采用同样的方式交互排列，获得均匀的磁场强度；并以所述多层交互排列的线圈作为充电导轨。
进一步地，所述充电系统发射单元外部加入防电磁辐射外壳，以减少电磁辐射。
进一步地，所述电磁接收线圈包括电磁感应式接收线圈和电磁共振式接收线圈，分别用于电磁感应式充电模式和电磁共振式充电模式。
更进一步地，所述整流降压模块选用与其稳压值匹配的齐纳二极管。
以下是将植入式生物遥测装置无线充电系统为例来说明本实施例的具体实施过程，如图1所示，近场谐振与感应耦合协同式生物遥测装置无线充电系统，包含充电系统发射单元1和植入式装置接收单元2；充电系统发射单元1包括电源模块11，信息解调模块12，距离传感器和模式选择电路13，功率控制电路14，功率振荡模块15，通信线圈16，发射加密芯片17，功率发射线圈18，防电磁辐射外壳19。植入式装置接收单元2包括电磁接收线圈20，接收加密芯片21，信息调制模块22，电池信息检测模块23，整流降压模块24，带温度补偿的稳压模块25，遥测装置电池26；其中电磁接收线圈20包括电磁感应式接收线圈和电磁共振式接收线圈两种。
电源模块11为功率振荡模块17提供输入电压；信息解调模块12实现与植入式生物遥测装置接收单元2的无线电信息交互，并控制功率控制电路14。距离传感器和模式选择电路13对发射单元与接收单元的距离进行判断，并选择相应的无线充电模式。功率控制电路14控制功率振荡模块15的通断和振荡频率；功率振荡模块15将电源模块11输入的功率振荡为高频振荡电磁场。通信线圈16与充电系统接收单元2的电磁接收线圈20通过电力载波传送的通信信息。发射加密芯片17与接收加密芯片21配合，密码匹配的接收装置才可进行充电。电磁发射线圈18发射功率振荡模块15振荡出的高频振荡电磁场，外部设有防电磁辐射外壳19，减少辐射对人体的危害。电磁接收线圈20接收电磁发射线圈18所发射的能量；接收加密芯片21与发射加密芯片17进行密码匹配；信息调制模块22调制电池信息检测模块23所检测到的电池信息，通过高频信号和通信通道发送至信息调制模块22；电池信息检测模块23检测植入式装置电池26的电池电压等工作信息；整流降压模块24将接收的能量整流成直流电，选用适宜稳压值的齐纳二极管，使整流后的电压值降低到所希望的范围内；带温度补偿的稳压模块25使得稳压后的电压电平只在很小的范围内浮动，且不影响系统的正常运行，为遥测装置电池26供电；遥测装置电池26储存遥测装置用电。
本实施例植入式生物遥测装置的无线充电系统充电方式的选择如图2所示，通过距离传感器和模式选择电路13对发射单元与接收单元的距离进行判断，当距离小于0.1 m时，选用电磁感应充电方式，在功率振荡模块选用100 kHz的工作频率；当距离大于0.1 m并小于10 m时，选用电磁共振充电方式，使发射端频率与接收端频率保持一致。
本实施例植入式生物遥测装置的无线充电系统电磁发射线圈结构如图3所示，采用多层六边形线圈交互排列的方式，在排布时，把第二层中磁场强度较强的区域与第一层中磁场强度最弱的区域重合，第三、四层类似排列。线圈产生的磁场强度相互叠加，以获得较为均匀的磁场强度。
本实施例植入式生物遥测装置的无线充电系统接收单元电磁接收线圈结构如图4所示，设有电磁感应式接收线圈和电磁共振式接收线圈两种线圈，分别作为电磁感应式充电和电磁共振磁式充电模式的电磁接收线圈。
上述实施例根据电磁感应方式无线传输功率大、效率高、但传输距离较近等特点，和电磁共振方式无线传输距离较远、但传输效率偏低等特点，利用距离传感器对充电装置与植入式生物遥测装置之间的距离进行判断，对充电系统发射端的频率进行调节，并选用电磁感应方式或电磁共振方式的接收线圈进行充电。提升了系统的自动化程度，避免有线电能传输中对人体的伤害。可选择的充电方案提高了充电过程中电能使用的效率。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
虽然以上结合附图描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本实用新型的原理和实质。本实用新型的范围仅由所附权利要求书限定。
Claims (6)
1.近场谐振与感应耦合协同式生物遥测装置无线充电系统，其特征在于：包括充电系统发射单元和充电系统接收单元；
所述充电系统发射单元包括电源模块，与电源模块依次连接的功率振荡模块、功率控制电路、距离传感器和模式选择电路和信息解调模块，与所述功率振荡模块依次连接的通信线圈、发射加密芯片和电磁发射线圈；
所述充电系统接收单元包括依次连接的电磁接收线圈、接收加密芯片、信息调制模块、电池信息检测模块、整流降压模块、带温度补偿的稳压模块和遥测装置电池；
所述信息解调模块实现与充电系统接收单元的无线电信息交互；所述通信线圈与电磁接收线圈之间通过电力载波通信；所述发射加密芯片与接收加密芯片通过密码匹配连接；
所述电源模块为功率振荡模块提供输入电压；所述功率振荡模块将电源模块输入的功率振荡为高频振荡电磁场，由所述电磁发射线圈进行发射；所述信息解调模块控制功率控制电路；所述功率控制电路控制功率振荡模块的通断和振荡频率；所述距离传感器和模式选择电路用于测量判断所述发射单元与接收单元距离，选择相应的无线充电模式；
所述电磁接收线圈接收电磁发射线圈所发射的能量；所述电池信息检测模块检测遥测装置电池的工作信息，所述信息调制模块调制电池信息检测模块所检测得到的电池信息，通过高频信号和通信通道发送至所述信息解调模块；所述整流降压模块将接收的能量整流成直流电，并控制电压值降至所述生物遥测装置所需要的范围；经所述带温度补偿的稳压模块稳压后向遥测装置电池供电，所述遥测装置电池储存电能为所述生物遥测装置供电。
2.如权利要求1所述的近场谐振与感应耦合协同式生物遥测装置无线充电系统，其特征在于：所述距离传感器和模式选择电路测量距离小于0.1m时，选用电磁感应充电方式，选用工作频率为100kHz；当距离大于0.1m小于10m时，选用电磁共振充电方式，保持发射单元与接收单元频率一致。
3.如权利要求1所述的近场谐振与感应耦合协同式生物遥测装置无线充电系统，其特征在于：所述电磁发射线圈采用多层六边形线圈交互排列，将所述线圈第二层磁场强度较强的区域与第一层磁场强度最弱的区域重合，第三层、第四层，至第n层、第n+1层，n＝1，2，3，…n，均采用同样的方式交互排列，获得均匀的磁场强度；并以所述多层交互排列的线圈作为充电导轨。
4.如权利要求1所述的近场谐振与感应耦合协同式生物遥测装置无线充电系统，其特征在于：所述充电系统发射单元外部加入防电磁辐射外壳，以减少电磁辐射。
5.如权利要求1所述的近场谐振与感应耦合协同式生物遥测装置无线充电系统，其特征在于：所述电磁接收线圈包括电磁感应式接收线圈和电磁共振式接收线圈，分别用于电磁感应式充电模式和电磁共振式充电模式。
6.如权利要求1所述的近场谐振与感应耦合协同式生物遥测装置无线充电系统，其特征在于：所述整流降压模块选用与其稳压值匹配的齐纳二极管。
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