水下超声无线携能通信系统的设计和搭建
发布时间：2022-01-16 09:50
随着无线通信和无线能量传输技术的不断发展进步,超声波因其具有方向性好、能量大、穿透能力强等优势,在现代化国防和医疗等领域里,超声波携能通信技术拥有其独特的应用价值。利用超声波携能通信技术为水下传感器网络和植入式医疗设备进行智能化供电,能够在保证能量传输效率的同时提升供能系统的安全性和可用性。目前,水下超声携能通信技术的发展还不够完善,超声传能效率的进一步提升和超声通信链路的高可用性是两个亟待解决的难点问题。由于超声波无线能量传输系统的谐振状态会随着换能器探头间距、传输介质以及接收端负载等条件的变化而变化,因此需要找到一种可自动跟踪谐振状态的技术方案,从而保证水下超声携能通信系统能够稳定地工作在较高的传输效率下。本文搭建了完整的水下超声无线携能通信系统,一方面,通过设计高效率的逆变电路、阻抗匹配电路、低功耗的整流滤波以及DC-DC稳压电路来提升系统的传能效率,并采用频率调谐和距离调谐两种方案来解决谐振状态跟踪问题,从而进一步提升了传能效率。另一方面,设计了基于超声波通信的2ASK调制解调电路,测试达到了9.6kbps的数据传输速率。随后,对所搭建的水下超声携能通信系统进行了性能测试,结果...
【文章来源】：南京邮电大学江苏省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
水下IoUT平台本文所设计搭建的水下超声携能通信系统，模拟为UWSNs设备供电及数据收集的应用
开始于21世纪初，各方面技术的研究还都相对较为薄弱。近年来，重庆大学的戴欣教授、大连理工大学的陈希有教授、东南大学的黄学良教授、南京邮电大学曹自平教授等等国内的研究团队在超声波无线能量传输以及超声波通信方面做了较为深入的研究，并取得了很多优秀的成果，主要列举如下：1997年，香港城市大学的YinghuiLi,StephenHarrold等人[27]，将容器中充满水后进行通信试验，采用2FSK调制、非相干解调方式进行通信，其所使用的收发端超声换能器的中心频率均为1MHz，换能器带宽为2MHz，收发端通信的波特率为600bps，具体设计如图1.2所示。当利用如图1.2所示的聚氯乙烯管道进行通信时，相比与不使用此管道而言，通信系统产生了明显的混响，引起了信号相位和幅度的畸变，实验结果分析表明，在利用超声波通过管道进行通信时，应该采用低速率的2FSK调制的方式，同时，接收端应该采用均衡技术进行解调。图1.2水下管道超声波通信示意图2011年，东南大学黄学良教授带领的团队[28]从原理上分析超声波可在空气介质下进行能量传输的机制。采用机电等效和类比的方法建立系统数学模型，并根据声波能量传输理论和电路理论对系统模型进行分析，并通过实验研究了负载阻抗与传输功率以及传输距离与负载功率之间的关系。2013年，华南理工大学史景伦副教授带领的团队[29]设计了一个用于海洋探测中数据传输的系统，以钢管为传输媒介，搭建了超声通信系统，在传输距离超过20m的条件下，传输速
南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第二章水下超声无线携能通信系统理论分析12的研究发现[38]，当方柱的厚度和宽度的比值为10:1、压电功能增强体的体积分数在40%-80%时，压电材料可以达到比较理想的性能，但是后续研究发现[39]，纵横比不低于3时，复合材料的机电耦合性能就可以达到最大值的80%，因此本论文实验中所制备换能器选取高宽比为4.5，压电体积分数为60%来进行加工制作，所制备出的压电换能器机电耦合系数大约为0.647，仍明显高于传统的压电陶瓷材料，压电复合材料在保证所制备复合材料总体性能的同时，避免了过高纵横比导致的制造时难以加工、易于损毁等等缺点。图2.1PMN-PT单晶方柱图2.2未封装压电片图2.3压电换能器在水耦合超声换能器的制备过程中，除复合材料压电片的制备环节较为关键以外，其匹配层材料、背衬层材料以及封装材料和封装方法等同样影响着超声探头进行携能通信的性能，本论文实验所定制换能器的组装结构如图2.2所示，而图2.3所示为探头实体。良好的匹配层设计具有使换能器与超声传输介质有更好的声学匹配、减少声波反射、增大换能器的带宽等等作用，常用的匹配层材料有石英、天然橡胶、氯丁橡胶、硅胶等等，本论文所研究的水介质的声阻抗约为（1.5MRayl），因此选取声阻抗大约为3.4MRayl的聚酰亚胺高分子材料作为匹配层材料较为合适[40]。背衬层主可以用来吸收多余的反向声波，从而使换能器具有更好的发射响应及接收分辨率。常用作背衬材料的有环氧树脂+钨粉、空气、硬质泡沫等等，本文选用空气+硬质泡沫作为背衬材料。将背衬层、压电材料和匹配层三者进行的良好粘贴之后，最后使用树脂材料外壳进行封装，以起到保护、支撑和绝缘的效果。2.1.2压电换能器的参数指标和特性（1）压电振子的厚度振动模式压电振子常?
【参考文献】：
期刊论文
[1]超声波在水中衰减的频率效应及其对脉冲回波的影响[J]. 程明,潘勤学,肖定国,徐春广,刘然,杨超. 计测技术. 2020(01)
[2]空气耦合超声换能器的频域声场研究[J]. 李骥,李力,邓勇刚,PIWAKOWSKI Bogdan,陈法法. 机械工程学报. 2019(10)
[3]植入式医疗器械用电池的进展[J]. 房艺,侯文博,周文秀,张海军. 中国医疗器械杂志. 2018(04)
[4]兆声化学机械复合抛光及其抛光均匀性的实现[J]. 翟科,任奕,李亮,何勍. 纳米技术与精密工程. 2017(06)
[5]压电陶瓷电特性测试与分析[J]. 黄家荣,叶晓靖. 电子技术应用. 2016(08)
[6]基于电流和相位差的超声换能器频率自动跟踪[J]. 左传勇,杨明,李世阳. 应用声学. 2016(03)
[7]高分子压电复合材料研究进展[J]. 陈忠红,刘佳,陈琼,杨雄发,罗蒙贤,来国桥. 化工新型材料. 2016(01)
[8]超声波技术应用现状浅析[J]. 曾意翔. 技术与市场. 2015(11)
[9]基于超声波的水下无线能量传输初探[J]. 李永烽. 电声技术. 2014(12)
[10]基于PZT的超声波无接触能量传输系统的研究[J]. 邹玉炜,黄学良,柏杨,谭林林. 电工技术学报. 2011(09)
博士论文
[1]面向海洋监测与用户服务的海洋网络关键技术研究[D]. 羊秋玲.天津大学 2017
硕士论文
[1]面向植入式医疗设备的超声无线能量传输系统的设计[D]. 周波.南京邮电大学 2019
[2]钢轨超声导波通信调制与解调的研究[D]. 丁孝超.西安理工大学 2019
[3]基于发射侧检测的植入式无线电能传输系统研究[D]. 孟祥添.华南理工大学 2019
[4]金属板介质下用超声波实现能量与信号的同步传输[D]. 高菲.大连理工大学 2018
[5]基于压电振子径向振动的匹配层气介超声换能器设计[D]. 宋智.浙江大学 2018
[6]超声波高效清洗电子连接器相关技术研究[D]. 胡善峰.安徽工业大学 2017
[7]超声无线电能传输系统功率传输特性及功率提升方法研究[D]. 李璐.重庆大学 2017
[8]径向无铅压电变压器的制备及其驱动控制电路的研究[D]. 孙琦.南京航空航天大学 2017
[9]海水介质超声波耦合无线电能传输技术研究[D]. 许康.大连理工大学 2016
[10]超声波穿厚壁通信信道自适应均衡和能量采集技术研究[D]. 田义德.西南科技大学 2015
本文编号：3592416
【文章来源】：南京邮电大学江苏省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
水下IoUT平台本文所设计搭建的水下超声携能通信系统，模拟为UWSNs设备供电及数据收集的应用
开始于21世纪初，各方面技术的研究还都相对较为薄弱。近年来，重庆大学的戴欣教授、大连理工大学的陈希有教授、东南大学的黄学良教授、南京邮电大学曹自平教授等等国内的研究团队在超声波无线能量传输以及超声波通信方面做了较为深入的研究，并取得了很多优秀的成果，主要列举如下：1997年，香港城市大学的YinghuiLi,StephenHarrold等人[27]，将容器中充满水后进行通信试验，采用2FSK调制、非相干解调方式进行通信，其所使用的收发端超声换能器的中心频率均为1MHz，换能器带宽为2MHz，收发端通信的波特率为600bps，具体设计如图1.2所示。当利用如图1.2所示的聚氯乙烯管道进行通信时，相比与不使用此管道而言，通信系统产生了明显的混响，引起了信号相位和幅度的畸变，实验结果分析表明，在利用超声波通过管道进行通信时，应该采用低速率的2FSK调制的方式，同时，接收端应该采用均衡技术进行解调。图1.2水下管道超声波通信示意图2011年，东南大学黄学良教授带领的团队[28]从原理上分析超声波可在空气介质下进行能量传输的机制。采用机电等效和类比的方法建立系统数学模型，并根据声波能量传输理论和电路理论对系统模型进行分析，并通过实验研究了负载阻抗与传输功率以及传输距离与负载功率之间的关系。2013年，华南理工大学史景伦副教授带领的团队[29]设计了一个用于海洋探测中数据传输的系统，以钢管为传输媒介，搭建了超声通信系统，在传输距离超过20m的条件下，传输速
南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第二章水下超声无线携能通信系统理论分析12的研究发现[38]，当方柱的厚度和宽度的比值为10:1、压电功能增强体的体积分数在40%-80%时，压电材料可以达到比较理想的性能，但是后续研究发现[39]，纵横比不低于3时，复合材料的机电耦合性能就可以达到最大值的80%，因此本论文实验中所制备换能器选取高宽比为4.5，压电体积分数为60%来进行加工制作，所制备出的压电换能器机电耦合系数大约为0.647，仍明显高于传统的压电陶瓷材料，压电复合材料在保证所制备复合材料总体性能的同时，避免了过高纵横比导致的制造时难以加工、易于损毁等等缺点。图2.1PMN-PT单晶方柱图2.2未封装压电片图2.3压电换能器在水耦合超声换能器的制备过程中，除复合材料压电片的制备环节较为关键以外，其匹配层材料、背衬层材料以及封装材料和封装方法等同样影响着超声探头进行携能通信的性能，本论文实验所定制换能器的组装结构如图2.2所示，而图2.3所示为探头实体。良好的匹配层设计具有使换能器与超声传输介质有更好的声学匹配、减少声波反射、增大换能器的带宽等等作用，常用的匹配层材料有石英、天然橡胶、氯丁橡胶、硅胶等等，本论文所研究的水介质的声阻抗约为（1.5MRayl），因此选取声阻抗大约为3.4MRayl的聚酰亚胺高分子材料作为匹配层材料较为合适[40]。背衬层主可以用来吸收多余的反向声波，从而使换能器具有更好的发射响应及接收分辨率。常用作背衬材料的有环氧树脂+钨粉、空气、硬质泡沫等等，本文选用空气+硬质泡沫作为背衬材料。将背衬层、压电材料和匹配层三者进行的良好粘贴之后，最后使用树脂材料外壳进行封装，以起到保护、支撑和绝缘的效果。2.1.2压电换能器的参数指标和特性（1）压电振子的厚度振动模式压电振子常?
【参考文献】：
期刊论文
[1]超声波在水中衰减的频率效应及其对脉冲回波的影响[J]. 程明,潘勤学,肖定国,徐春广,刘然,杨超. 计测技术. 2020(01)
[2]空气耦合超声换能器的频域声场研究[J]. 李骥,李力,邓勇刚,PIWAKOWSKI Bogdan,陈法法. 机械工程学报. 2019(10)
[3]植入式医疗器械用电池的进展[J]. 房艺,侯文博,周文秀,张海军. 中国医疗器械杂志. 2018(04)
[4]兆声化学机械复合抛光及其抛光均匀性的实现[J]. 翟科,任奕,李亮,何勍. 纳米技术与精密工程. 2017(06)
[5]压电陶瓷电特性测试与分析[J]. 黄家荣,叶晓靖. 电子技术应用. 2016(08)
[6]基于电流和相位差的超声换能器频率自动跟踪[J]. 左传勇,杨明,李世阳. 应用声学. 2016(03)
[7]高分子压电复合材料研究进展[J]. 陈忠红,刘佳,陈琼,杨雄发,罗蒙贤,来国桥. 化工新型材料. 2016(01)
[8]超声波技术应用现状浅析[J]. 曾意翔. 技术与市场. 2015(11)
[9]基于超声波的水下无线能量传输初探[J]. 李永烽. 电声技术. 2014(12)
[10]基于PZT的超声波无接触能量传输系统的研究[J]. 邹玉炜,黄学良,柏杨,谭林林. 电工技术学报. 2011(09)
博士论文
[1]面向海洋监测与用户服务的海洋网络关键技术研究[D]. 羊秋玲.天津大学 2017
硕士论文
[1]面向植入式医疗设备的超声无线能量传输系统的设计[D]. 周波.南京邮电大学 2019
[2]钢轨超声导波通信调制与解调的研究[D]. 丁孝超.西安理工大学 2019
[3]基于发射侧检测的植入式无线电能传输系统研究[D]. 孟祥添.华南理工大学 2019
[4]金属板介质下用超声波实现能量与信号的同步传输[D]. 高菲.大连理工大学 2018
[5]基于压电振子径向振动的匹配层气介超声换能器设计[D]. 宋智.浙江大学 2018
[6]超声波高效清洗电子连接器相关技术研究[D]. 胡善峰.安徽工业大学 2017
[7]超声无线电能传输系统功率传输特性及功率提升方法研究[D]. 李璐.重庆大学 2017
[8]径向无铅压电变压器的制备及其驱动控制电路的研究[D]. 孙琦.南京航空航天大学 2017
[9]海水介质超声波耦合无线电能传输技术研究[D]. 许康.大连理工大学 2016
[10]超声波穿厚壁通信信道自适应均衡和能量采集技术研究[D]. 田义德.西南科技大学 2015
本文编号：3592416
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