一种基于磁耦合的无线携能通信系统技术方案

本发明专利技术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。以此进行内部压电传感器数据的传输。以此进行内部压电传感器数据的传输。

A wireless energy carrying communication system based on magnetic coupling

【技术实现步骤摘要】
一种基于磁耦合的无线携能通信系统


[0001]本专利技术属于通信领域，特别是涉及一种基于磁耦合的无线携能通信系统。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]针对以上技术问题，本专利技术提供一种基于磁耦合的无线携能通信系统。
[0006]本专利技术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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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C
r
，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C
t
，若该寄生电容值大于C
r
，则系统无法工作在在谐振频率，因此，C
r > C
t
: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。
[0011]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
[0012]图1为本专利技术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为本专利技术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
[0013]为了使本
的人员更好地理解本专利技术的技术方案，下面结合附图对本专利技术作进一步的详细说明。
[0014]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。
[0015]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案。
[0016]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。
[0017]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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：欧阳博，黄耀琪，刘宏立，陈果，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：