一種針對密閉金屬容器進行無線輸能的系統及方法與流程

本發明涉及超聲無線能量傳輸技術領域，尤其涉及一種針對密閉金屬容器進行無線輸能的系統及方法。

背景技術：

利用電纜作為電力傳輸媒介不僅存在布線，線路老化，尖端放電等問題，而且隨著用電設備的增加，各種電源線纏繞在一起給人們的生活帶來了極大不便。為此，近年來無線輸電技術的研究與應用得到了越來越多的重視與發展。目前運用比較多的無線輸能方式主要有感應耦合，電容耦合，微波，激光，磁耦合諧振方式等。當傳輸介質是空氣時，這些方式可適應大部分的應用場合和不同功率需求的能量傳輸。但在一些特定環境下，如透過密閉金屬容器進行無線輸能，這些方式由于自身技術的局限性而難以滿足要求。為此近年來不少學者提出利用超聲波進行無線能量傳輸。

利用超聲波進行無線輸能的研究過去主要集中在透過人體組織為人體的植入設備進行充電。而利用超聲波在空氣中進行無線輸能，由于不具備明顯優勢，研究很少。這些應用主要都是小功率的，功率級別都在毫瓦級。除此之外，近年來利用超聲波透過金屬進行無線輸能正越來越受到各國研究人員的重視。因為其不僅不存在法拉第電磁屏蔽效應，而且金屬與用于聲電能量轉換的換能器聲阻抗接近，比起空氣和人體組織，更容易實現能量的高效傳輸。

盡管利用超聲波進行無線輸能得到越來越多的應用，但是目前并沒有一種針對密閉金屬容器進行超聲輸能的有效方法與系統。并且在實驗過程中發現，隨著無線輸電系統工作時間的增加，金屬介質由于機械損耗積累大量熱能，發熱現象嚴重，將直接影響系統的傳輸效率。

技術實現要素：

本發明的目的在于，解決現有技術中向密閉金屬容器下工作的電子設備進行無線充電的技術問題。

為實現上述目的，一方面，本發明提供了一種針對密閉金屬容器進行無線輸能的系統，該系統包括：控制處理模塊、功率放大模塊、發射匹配網絡、相位控制模塊、超聲能量傳輸通道、環境監測模塊、接收匹配網絡和電壓轉換與儲能模塊；其中，超聲能量傳輸通道主要由超聲發射換能器和超聲接收換能器組成，其固定在密閉金屬容器金屬層表面；環境監測模塊用于采集密閉金屬容器金屬層以及環型相控陣超聲發射換能器的溫度狀態，將采集信息反饋給控制處理模塊；控制處理模塊用于接收并處理采集信息；根據采集信息產生相應頻率的激勵正弦信號，以及根據采集信息對各陣元對應通道的正弦信號幅值進行設置；相位控制模塊用于控制各陣元激勵信號的相位關系，使到達超聲接收換能器的能量最大化；環型相控陣超聲發射換能器各陣元將各自激發的電信號轉換為超聲波，超聲波透過密閉金屬容器金屬層由超聲接收換能器接收并重新轉換為電信號；接收匹配網絡用于超聲能量傳輸通道與后續各級電路的阻抗匹配，使能量傳輸效率最大化；電壓轉換與儲能電路用于將超聲接收換能器轉換得到的電信號進行整流濾波并根據用電設備的電壓需求將信號轉換到合適電壓。

優選地，超聲發射換能器設置為環型相控陣超聲發射換能器,其由多個同心的環形壓電晶體按照規定的間距排列組成，且各環形壓電晶體的橫截面積相同；所述各個環形壓電晶體引出電極形成陣元用于連接發射激勵信號。

優選地，超聲能量傳輸通道還包括耦合劑，超聲發射換能器和超聲接收換能器通過耦合劑固定在密閉金屬容器金屬層表面。

優選地，用電設備是密閉金屬容器金屬層內任何需要供電的儀器，包括各類檢測儀器，傳感器和通信系統。

另一方面，本發明提供了一種針對密閉金屬容器進行無線輸能的方法，包括以下步驟：

步驟一：環境監測模塊采集密閉金屬容器金屬層以及超聲發射換能器的溫度狀態，將采集信息反饋給控制處理模塊；

步驟二：控制處理模塊根據采集信息產生相應頻率的激勵正弦信號，對各陣元對應通道的正弦信號幅值進行設置；

步驟三：功率放大器將控制處理模塊產生的各個通道的正弦波信號放大到合適功率，從而驅動后續電路；

步驟四：發射匹配網絡將各通道前端各級電路與后續電路的阻抗匹配，使超聲發射換能器各陣元通道能量最大化；

步驟五：相位控制模塊控制各陣元激勵信號的相位關系，使到達超聲接收換能器的能量最大化；

步驟六：超聲發射換能器將電能轉化為超聲波，超聲波透過密閉金屬容器金屬層，再由超聲接收換能器接收并重新轉化為電信號；

步驟七：接收匹配網絡將超聲能量傳輸通道與后續各級電路的阻抗進行匹配，使能量傳輸效率最大化；

步驟八：電壓轉換與儲能電路對超聲接收換能器轉換得到的交流電信號進行整流濾波，并根據用電設備的電壓需求將信號轉換到合適電壓。

本發明的有益效果是：本發明利用超聲波透過金屬，可以在不破壞金屬容器結構完整性的情況下對容器內設備進行無線輸能，實現能力的高效傳輸，不會產生額外的電磁輻射干擾；利用環境監測模塊將采集信息反饋給控制處理模塊用于產生相應的控制信號，實現系統的智能監控，避免了因工作時間的增加而產生的發熱現象，能量損耗低、指向性良好、傳輸效率高。

附圖說明

圖1為本發明實施例提供的一種針對密閉金屬容器進行無線輸能的系統結構示意圖。

圖2為本發明實施例提供的一種超聲能量傳輸通道結構示意圖。

圖3為本發明實施例提供的一種環形相控陣截面示意圖。

圖4為本發明實施例提供的一種環形相控陣工作原理示意圖。

圖5為本發明實施例提供的一種針對密閉金屬容器進行無線輸能的方法流程示意圖。

具體實施方式

下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。

圖1為本發明實施例提供的一種針對密閉金屬容器進行無線輸能的系統結構示意圖。

圖2為本發明實施例提供的一種超聲能量傳輸通道結構示意圖。

如圖1所示，該無線輸能的系統包括，控制處理模塊1、功率放大模塊2、發射匹配網絡3、相位控制模塊4、超聲能量傳輸通道5、環境監測模塊6、接收匹配網絡8和電壓轉換與儲能模塊9；其中，超聲能量傳輸通道5由超聲發射換能器11和接收換能器12組成。

具體地，控制處理模塊1用于接收并處理所述采集信息；根據采集信息產生相應頻率的激勵正弦信號，以及根據采集信息對各陣元對應通道的正弦信號幅值進行設置。

具體地，功率放大器2用于將控制處理模塊1產生的各個通道的正弦波信號放大到合適功率，從而驅動后續電路。

具體地，發射匹配網絡3用于完成各通道前端各級電路與后續電路的阻抗匹配，使超聲發射換能器11各陣元通道能量最大化。

具體地，相位控制模塊4用于控制所述超聲發射換能器11各陣元激勵信號的相位關系，保證到達超聲接收換能器12的能量最大化。

具體地，環境監測模塊6用于采集密閉金屬容器金屬層7以及超聲發射換能器11的溫度狀態，從而將采集信息反饋給控制處理模塊1用于產生相應的控制信號，實現系統的智能監控。

具體地，接收匹配網絡8用于超聲能量傳輸通道5與后續各級電路的阻抗匹配，使能量傳輸效率最大化。

具體地，電壓轉換與儲能電路9用于將超聲接收換能器12轉換得到的交流電信號進行整流濾波并根據用電設備10的電壓需求將信號轉換到合適電壓。

具體地，用電設備10可以是密閉金屬容器7內任何需要供電的儀器，包括各類檢測儀器，傳感器，通信系統等。

具體地，粘結用耦合劑13用于將超聲發射換能器11和超聲接收換能器12固定在密閉金屬容器金屬層7表面，并起到耦合劑的作用。

圖3為本發明實施例提供的一種環形相控陣截面示意圖。環型相控陣超聲發射換能器11由多個同心的環形壓電晶體按照規定的間距排列組成，且各晶體的橫截面積相同。

具體的，如圖2和圖3所示，其由4個同心的環形壓電晶體按照規定的間距排列組成，且各晶體的橫截面積相同。各個環形壓電晶體引出電極形成陣元用于連接發射激勵信號，陣元數量決定了系統發射的通道數。各陣元將各自激發的電信號轉換為超聲波即機械能，超聲波透過密閉金屬容器金屬層7由超聲接收換能器12接收并重新轉換為電信號。

需要說明的是，相控陣探頭形式不局限于環形相控陣，可存在其他形式，且陣元數量也不限定于4個，可根據實際情況增減陣元數量。

圖4為本發明實施例提供的一種環形相控陣工作原理示意圖。如圖4所示，超聲發射換能器可以結合相控陣技術，通過控制環型相控陣超聲發射換能器11不同陣元通道激勵信號的幅值和相位，使能量可以在不同位置(如圖4中的a、b或c點位置)實現能量的最大化傳輸，從而自動適應不同厚度金屬的無線輸能。

具體地，環型相控陣超聲發射換能器11可根據激勵信號將能量聚焦在a、b或c的位置,根據不同厚度的金屬確定需要能量最大的位置。

在一個例子中，當確定能量最大位置(比如a)后，根據環境監測模塊6采集的采集信息，調整各激勵信號，使得在不同溫度下在該位置始終保持能量最大化傳輸。

圖5為本發明實施例提供的一種針對密閉金屬容器進行無線輸能的方法流程示意圖。如圖2和圖5所示，該方法包括以下步驟：

步驟s401：環境監測模塊6采集密閉金屬容器金屬層7以及超聲發射換能器11的溫度狀態，將采集信息反饋給控制處理模塊1；

步驟s402：控制處理模塊1產生相應頻率的激勵正弦信號，對各陣元對應通道的正弦信號幅值進行設置；

步驟s403：功率放大器2將控制處理模塊1產生的各個通道的正弦波信號放大到合適功率，從而驅動后續電路；

步驟s404：發射匹配網絡3將各通道前端各級電路與后續電路的阻抗匹配，使超聲發射換能器11各陣元通道能量最大化；

步驟s405：相位控制模塊4用于控制所述超聲發射換能器11各陣元激勵信號的相位關系，使到達超聲接收換能器12的能量最大化；

步驟s406：超聲發射換能器11將電能轉化為超聲波，超聲波透過密閉金屬容器金屬層7，再由超聲接收換能器12接收并重新轉化為電信號；

步驟s407：接收匹配網絡8將超聲能量傳輸通道5與后續各級電路的阻抗進行匹配，使能量傳輸效率最大化；

步驟s408：電壓轉換與儲能電路9對超聲接收換能器12轉換得到的交流電信號進行整流濾波，并根據用電設備10的電壓需求將信號轉換到合適電壓。

本發明實施例通過壓電換能器將電能轉化為所需的超聲波,超聲波透過密封外殼后,再由壓電器件轉換成電能傳送給電子設備。同時采用環形換能器陣充當發射換能器，通過環境檢測模塊檢測系統工作情況并反饋給控制處理模塊。然后控制處理模塊可根據換能器與金屬板的溫度情況，自動調節發射換能器各陣元的激勵信號，使整個系統始終工作在最佳傳輸效率點，大大提高了系統的穩定性。本發明可以在不破壞金屬容器結構完整性的情況下對容器內設備進行無線輸能，且具有能量損耗低、良好的指向性、高傳輸效率，不會產生額外的電磁輻射干擾的優點。

以上的具體實施方式，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上僅為本發明的具體實施方式而已，并不用于限定本發明的保護范圍，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。