基于压电超声的便携式能量传输和信息处理研究

发布时间：2020-12-31 02:01

　　在工业控制应用中,跨越金属屏障传输数字信息的需求经常出现。在一些应用程序中,可以通过布线穿透金属璧,而在另一些应用程序中,这种方法是不可行的,例如有毒的密闭金属容器等。另外,针对密闭金属结构,在其金属壁上进行打孔破坏了结构的完整性,从而导致一系列不必要的损害发生,还会增加设备的维护费用。为了实现对密闭金属结构内部信息的获取,需要在金属容器内部安装传感器,但是由于金属璧对电磁信号的屏蔽,无法基于电磁波进行数据的传输且传输能量时效率比较低。因此,本文针对上述的问题设计了基于压电超声的过金属璧能量传输和信息传输系统。通过调查了超声波信号在跨越金属屏障的数据传输中的应用,分析了基于压电超声的过金属璧能量传输和信息传输的实际应用需求,设计了应用于由密闭金属容器内部向外部进行数据传输以及外部电源通过金属壁向内部电子设备供电的实验装置,设计相应的硬件电路,并对该实验装置在实验室环境下进行了实验:1:基于电磁波在进行过金属璧能量传输和信息传输时,电磁波信号可能被密闭金属结构屏蔽,无法实现能量和数据的传输。因此,本文提出了基于压电超声进行数据传输和能量传输,并对超声信号在金属壁中传播的过程进行了理论分析... 

【文章来源】：内蒙古科技大学内蒙古自治区

【文章页数】：66 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

电感耦合电路模型

内蒙古科技大学硕士学位论文22012年Seo等人基于电感耦合方法提出了一种无线能量传输的系统，并研究了不同材料墙体的穿透效果。系统在谐振频率为1.3MHz的情况下发生谐振电感耦合，线圈具有相同的尺寸，半径从5cm~15cm。实验结果表明，对于最大功率输出和能量传输的效率主要影响是线圈之间的距离。另外，材料中会产生寄生效应，通过调节谐振频率可以抵消。[6]在文献[7]中，Imoru等人基于电磁感应原理实现了过薄壁金属管无线能量传输系统结构设计，如图1.2所示。实验结果表明金属管壁厚度为1cm时，能量传输效率为23%。因此，对于能量需求较小的实验中，该能量传输的方式更为实用，另外，基于该方式的能量传输在制造业、天然气等工业应用中有很好的应用前景。图1.2基于电磁耦合的过金属管的无线能量传输（2）电容耦合方式基于电场耦合的电容式能量传输技术(CapacitivePowerTransfer,CPT)，在交流电路中，电容一端的电压逐渐升高，对应的极板集聚电荷，若该端所接的电路中的电压下降时，积聚的电荷将会返回电路。另外一端也是同样的原理。在此过程中，电流并没有流过电容，但是随着该端电位升高或降低会产生集聚和释放电荷的现象。因此，利用电容具有隔直通交的优点，通过电压的升高或降低传给下一级电路元件。并且利用隔直通交的优点将上一级放大电路的直流进行隔断，使之在接下来的电路中不会产生影响。由于电容具有存储作用，在交流信号的正半周对电容进行充电，信号的负半周使电容进行放电，如此不断的重复该过程，相当于电容能够通过电流。Liu等人在2009年提出了利用旋转电容耦合的方式实现无线能量传输，文章分别对空气和PZT两种介质的介点特性进行了研究。实验结果表明，对于PZT介质时，输入功率为28.8W时，输出电流为3.2A，传输效率为42.7%

内蒙古科技大学硕士学位论文3在文献[9]中，Huang等人研究了利用电容耦合实现能量传输的技术，并且综述了该项技术的基本原理。同时对基于电场耦合的电容式能量传输技术可能的耦合结构进行了分析。基于电场耦合的电容式能量传输技术系统的特征是实现了过金属壁能量传输。并通过实验验证了该系统具有较低的功耗以及电路的拓补结构较为简单，更容易实现。图1.3是一种应用比较广泛的系统结构。图1.3一种典型的基于电场耦合的电容式能量传输技术系统结构（3）磁共振耦合方式磁共振耦合类似于感应耦合，是利用两个线圈或者是更多线圈之间的相互作用实现能量从介质的一侧传输到另外一侧的传递。在文献[10]Ishida等人开发了基于磁共振耦合向金属密闭容器内进行无线能量传输系统。实验结果表明，透过不锈钢钢璧传输的能量为3W。在金属壁厚度为10mm的情况下，传输距离为120mm时，系统的传输效率为40%。另外，在该金属壁的情况下，传输1.2W的功率去点亮发光二极管。实验原理及实验演示系统如图1.4所示。图1.4无线能量传输结构示意图总之，在对密闭金属容器进行无线数据和能量传输时，由于金属密闭容器对电磁波有屏蔽的作用[11]，基于电磁波进行能量传输和数据传输在金属壁比较后的情况


本文编号：2948729