本發(fā)明涉及超聲波能量傳輸技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及一種超聲信道能量衰落建模方法及其實(shí)驗(yàn)裝置。
背景技術(shù):
無線輸能是現(xiàn)在能量傳輸?shù)囊粋€(gè)研究熱點(diǎn),目前研究超聲波輸能有直接讓超聲波換能器與超聲波接收裝置接觸,或者將超聲波換能器放置在傳輸介質(zhì)(如液體)中。但此種實(shí)驗(yàn)方式無法對變量進(jìn)行精確和定量的控制,難以對影響系統(tǒng)效率的參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)測量。
對于傳輸信道建模目前并沒有一個(gè)確定性的方法。有學(xué)者通過機(jī)電等效的方法,將信道等效為電路模型,采用耦合的方式描述傳輸衰落信道和傳輸系統(tǒng),但此方法無法與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)緊密結(jié)合。
當(dāng)在研究超聲波在液體介質(zhì)中的傳輸效率時(shí),需要對超聲波接收裝置相對于超聲波發(fā)生器及超聲波換能器的源宿距離、相對高度、相對角度進(jìn)行定量的測量,但如果采用傳統(tǒng)的衰落信道建模方法和實(shí)驗(yàn)方式,則無法對實(shí)驗(yàn)變量進(jìn)行精確控制,不能保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和精確性。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
為了解決上述技術(shù)問題,本發(fā)明的目的是提供一種能精確控制,且能提高準(zhǔn)確性的一種超聲信道能量衰落建模方法。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種能精確控制,且能實(shí)現(xiàn)快速測量的一種超聲信道能量衰落建模實(shí)驗(yàn)裝置。
本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是:
一種超聲信道能量衰落建模方法,包括以下步驟:
設(shè)置信道系統(tǒng)參數(shù),并建立用于超聲波傳輸能量信道的黑盒模型,所述黑盒模型包括有輸入端口和輸出端口;
通過測量儀器采集實(shí)驗(yàn)的測試集數(shù)據(jù),并根據(jù)黑盒模型對其進(jìn)行處理得到衰落信道模型。
作為所述的一種超聲信道能量衰落建模方法的進(jìn)一步改進(jìn),所述通過測量儀器采集實(shí)驗(yàn)的測試集數(shù)據(jù),并根據(jù)黑盒模型對其進(jìn)行處理得到衰落信道模型,其具體包括:
在多次實(shí)驗(yàn)中利用測量儀器通過電氣測量點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,得到實(shí)驗(yàn)的測試集數(shù)據(jù);
對測試集數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理,并進(jìn)而進(jìn)行回歸分析,建立有相關(guān)關(guān)系的變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式,從而確定變量之間的相關(guān)關(guān)系,進(jìn)而得到變量之間的相互依賴和制約關(guān)系,得到衰落信道模型。
作為所述的一種超聲信道能量衰落建模方法的進(jìn)一步改進(jìn),所述對測試集數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理,并進(jìn)而進(jìn)行回歸分析,建立有相關(guān)關(guān)系的變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式,從而確定變量之間的相關(guān)關(guān)系,進(jìn)而得到變量之間的相互依賴和制約關(guān)系,得到衰落信道模型,之后還包括以下步驟:
根據(jù)得到的衰落信道模型,對其進(jìn)行驗(yàn)證處理。
作為所述的一種超聲信道能量衰落建模方法的進(jìn)一步改進(jìn),所述根據(jù)得到的衰落信道模型,對其進(jìn)行驗(yàn)證處理,其具體包括:
重復(fù)獲取測試集數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)步驟,在同一實(shí)驗(yàn)參數(shù)下,取不同的實(shí)驗(yàn)數(shù)值,得到檢驗(yàn)集數(shù)據(jù);
根據(jù)得到的衰落信道模型進(jìn)行預(yù)測和控制,得到模型預(yù)測集數(shù)據(jù);
將檢驗(yàn)集數(shù)據(jù)和模型預(yù)測集數(shù)據(jù)進(jìn)行對比處理,從而根據(jù)對比結(jié)果判斷衰落信道模型的有效性。
本發(fā)明所采用的另一技術(shù)方案是:
一種超聲信道能量衰落建模實(shí)驗(yàn)裝置,包括超聲波發(fā)生部件、矩形水槽、接收裝置底座和超聲波接收裝置,所述矩形水槽的側(cè)壁設(shè)有連接口,所述超聲波發(fā)生部件通過連接口與矩形水槽連接,所述矩形水槽的底部設(shè)有與側(cè)壁垂直設(shè)置的導(dǎo)軌和標(biāo)尺,所述接收裝置底座安裝在導(dǎo)軌上,所述超聲波接收裝置安裝在接收裝置底座上。
作為所述的一種超聲信道能量衰落建模實(shí)驗(yàn)裝置的進(jìn)一步改進(jìn),所述超聲波發(fā)生部件包括超聲波發(fā)生器和第一超聲波換能器,所述超聲波發(fā)生器的輸出端與第一超聲波換能器的輸入端連接,所述第一超聲波換能器通過連接口與矩形水槽連接。
作為所述的一種超聲信道能量衰落建模實(shí)驗(yàn)裝置的進(jìn)一步改進(jìn),所述接收裝置底座包括底座主體,所述底座主體底部設(shè)有安裝座,所述底座主體通過安裝座安裝在導(dǎo)軌上,所述底座主體上由上到下依次設(shè)有角度調(diào)節(jié)盤、細(xì)調(diào)連桿和粗調(diào)連桿,所述底座主體底部設(shè)有超聲波接收裝置夾具,所述超聲波接收裝置安裝在超聲波接收裝置夾具上。
作為所述的一種超聲信道能量衰落建模實(shí)驗(yàn)裝置的進(jìn)一步改進(jìn),所述超聲波接收裝置包括有第二超聲波換能器和整流電路,所述第二超聲波換能器的輸出端與整流電路的輸入端連接。
作為所述的一種超聲信道能量衰落建模實(shí)驗(yàn)裝置的進(jìn)一步改進(jìn),所述安裝座通過螺栓與導(dǎo)軌連接。
作為所述的一種超聲信道能量衰落建模實(shí)驗(yàn)裝置的進(jìn)一步改進(jìn),所述角度調(diào)節(jié)盤可自由旋轉(zhuǎn),能實(shí)現(xiàn)0°~180°的旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)。
本發(fā)明的有益效果是:
本發(fā)明一種超聲信道能量衰落建模方法通過對測試集數(shù)據(jù)的采集和處理,從而建立了測量變量與系統(tǒng)參數(shù)的相關(guān)關(guān)系模型,進(jìn)而擇優(yōu)選擇和修正模型,對傳輸信道的特征和性能進(jìn)行了描述,本發(fā)明可有效控制參數(shù)變量,對影響系統(tǒng)效率的參數(shù)進(jìn)行多方面探究和試驗(yàn)測量,使用快捷簡便,且能有效提高準(zhǔn)確性,可廣泛用于對超聲波輸能的研究領(lǐng)域。
本發(fā)明的另一個(gè)有益效果是:
本發(fā)明一種超聲信道能量衰落建模實(shí)驗(yàn)裝置通過側(cè)面連接超聲波發(fā)生部件,并將超聲波接收裝置置于接收裝置底座上,在液體介質(zhì)中通過改變接收裝置底座在導(dǎo)軌上不同距離螺栓的連接和移動(dòng),從而能有效控制源宿距離,并可通過矩形水槽底面標(biāo)尺讀出,使用簡單方便。
進(jìn)一步,通過接收裝置底座的粗調(diào)連桿和細(xì)調(diào)連桿實(shí)現(xiàn)在垂直于水面的相對高度調(diào)節(jié),通過底座上角度調(diào)節(jié)器的旋轉(zhuǎn)改變,從而調(diào)節(jié)超聲波接收裝置與超聲波發(fā)生部件的相對角度,再通過超聲波接收裝置的測量點(diǎn)測量相關(guān)數(shù)據(jù),提高了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性,實(shí)現(xiàn)了有效地對實(shí)驗(yàn)變量進(jìn)行精確控制,能滿足超聲波輸能多次實(shí)驗(yàn)要求。
附圖說明
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步說明:
圖1為本發(fā)明一種超聲信道能量衰落建模方法的步驟流程圖;
圖2為本發(fā)明一種超聲信道能量衰落建模方法的數(shù)據(jù)處理的步驟流程圖;
圖3為本發(fā)明一種超聲信道能量衰落建模實(shí)驗(yàn)裝置的超聲發(fā)生部件的結(jié)構(gòu)方框圖;
圖4為本發(fā)明一種超聲信道能量衰落建模實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖5為本發(fā)明一種超聲信道能量衰落建模實(shí)驗(yàn)裝置的側(cè)視圖;
圖6為本發(fā)明一種超聲信道能量衰落建模實(shí)驗(yàn)裝置的俯視圖;
圖7為本發(fā)明一種超聲信道能量衰落建模實(shí)驗(yàn)裝置的接收裝置底座正視示意圖;
圖8為本發(fā)明一種超聲信道能量衰落建模實(shí)驗(yàn)裝置的接收裝置底座俯視示意圖;
圖9為本發(fā)明一種超聲信道能量衰落建模實(shí)驗(yàn)裝置的超聲波接收裝置框圖。
具體實(shí)施方式
參考圖1,本發(fā)明一種超聲信道能量衰落建模方法,包括以下步驟:
設(shè)置信道系統(tǒng)參數(shù),并建立用于超聲波傳輸能量信道的黑盒模型,所述黑盒模型包括有輸入端口和輸出端口;
通過測量儀器采集實(shí)驗(yàn)的測試集數(shù)據(jù),并根據(jù)黑盒模型對其進(jìn)行處理得到衰落信道模型。
其中,所述信道系統(tǒng)參數(shù)包括源宿距離、角度、高度、頻率和傳輸介質(zhì)等。
優(yōu)選的,在控制變量的前提下,調(diào)整信道系統(tǒng)參數(shù),如源宿距離、角度、高度、頻率和傳輸介質(zhì)等,重復(fù)上述步驟,即可得到不同參數(shù)下的衰落信道模型。
參考圖2,進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式,所述通過測量儀器采集實(shí)驗(yàn)的測試集數(shù)據(jù),并根據(jù)黑盒模型對其進(jìn)行處理得到衰落信道模型,其具體包括:
在多次實(shí)驗(yàn)中利用測量儀器通過電氣測量點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,得到實(shí)驗(yàn)的測試集數(shù)據(jù);
對測試集數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理,并進(jìn)而進(jìn)行回歸分析,建立有相關(guān)關(guān)系的變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式,從而確定變量之間的相關(guān)關(guān)系,進(jìn)而得到變量之間的相互依賴和制約關(guān)系,得到衰落信道模型。
其中,所述測試集數(shù)據(jù)包括但不限于電壓、電流和功率等參數(shù)。所述統(tǒng)計(jì)學(xué)處理包括但不限于標(biāo)準(zhǔn)化處理、異常點(diǎn)剔除和共線性分析等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析處理方法。
進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式,所述對測試集數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理,并進(jìn)而進(jìn)行回歸分析,建立有相關(guān)關(guān)系的變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式,從而確定變量之間的相關(guān)關(guān)系,進(jìn)而得到變量之間的相互依賴和制約關(guān)系,得到衰落信道模型,之后還包括以下步驟:
根據(jù)得到的衰落信道模型,對其進(jìn)行驗(yàn)證處理。
進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式,所述根據(jù)得到的衰落信道模型,對其進(jìn)行驗(yàn)證處理,其具體包括:
重復(fù)獲取測試集數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)步驟,在同一實(shí)驗(yàn)參數(shù)下,取不同的實(shí)驗(yàn)數(shù)值,得到檢驗(yàn)集數(shù)據(jù);
根據(jù)得到的衰落信道模型進(jìn)行預(yù)測和控制,得到模型預(yù)測集數(shù)據(jù);
將檢驗(yàn)集數(shù)據(jù)和模型預(yù)測集數(shù)據(jù)進(jìn)行對比處理,從而根據(jù)對比結(jié)果判斷衰落信道模型的有效性。
參考圖3~圖9,本發(fā)明一種超聲信道能量衰落建模實(shí)驗(yàn)裝置,包括超聲波發(fā)生部件、矩形水槽11、接收裝置底座4和超聲波接收裝置,所述矩形水槽11的側(cè)壁設(shè)有連接口,所述超聲波發(fā)生部件通過連接口與矩形水槽11連接,所述矩形水槽11的底部設(shè)有與側(cè)壁垂直設(shè)置的導(dǎo)軌1和標(biāo)尺3,所述接收裝置底座4安裝在導(dǎo)軌1上,所述超聲波接收裝置安裝在接收裝置底座4上。
優(yōu)選的,所述矩形水槽11為不銹鋼體,側(cè)邊通過耦合劑及與第一超聲波換能器12同樣直徑的圓形的連接口與第一超聲波換能器12相連接;所述矩形水槽11底面設(shè)置導(dǎo)軌1及標(biāo)尺3,可在上述導(dǎo)軌1上對超聲波接收裝置進(jìn)行相對超聲波發(fā)生器和第一超聲波換能器12的源宿距離,相對高度和相對角度的調(diào)節(jié)。
進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式,所述超聲波發(fā)生部件包括超聲波發(fā)生器和第一超聲波換能器12,所述超聲波發(fā)生器的輸出端與第一超聲波換能器12的輸入端連接,所述第一超聲波換能器12通過連接口與矩形水槽11連接。
優(yōu)選的,所述超聲波發(fā)生器可以產(chǎn)生相應(yīng)頻率的超聲波。所述第一超聲波換能器12為壓電陶瓷圓環(huán)形換能片。所述超聲波發(fā)生器的正負(fù)電極與所述第一超聲波換能器12的正負(fù)電極通過導(dǎo)線進(jìn)行連接。
進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式,所述接收裝置底座4包括底座主體16,所述底座主體16底部設(shè)有安裝座17,所述底座主體16通過安裝座17安裝在導(dǎo)軌1上,所述底座主體16上由上到下依次設(shè)有角度調(diào)節(jié)盤5、細(xì)調(diào)連桿7和粗調(diào)連桿8,所述底座主體16底部設(shè)有超聲波接收裝置夾具10,所述超聲波接收裝置安裝在超聲波接收裝置夾具10上。
優(yōu)選的,所述導(dǎo)軌1為空心圓柱體,并設(shè)有螺栓2,螺栓2間距為5cm,用于與接收裝置底座4的固定和連接,可實(shí)現(xiàn)接收裝置底座4在導(dǎo)軌1上遠(yuǎn)近距離的調(diào)節(jié);所述標(biāo)尺3平行于導(dǎo)軌1,用于記錄第一超聲波換能器12與超聲波接收裝置的源宿距離。所述接收裝置底座4頂部設(shè)有超聲波接收裝置夾具10,夾具為L型,由絕緣材料制作;所述底座粗調(diào)連桿8和細(xì)調(diào)連桿7上均標(biāo)明刻度,分別實(shí)現(xiàn)相對高度H的精細(xì)調(diào)節(jié)。
進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式,所述超聲波接收裝置包括有第二超聲波換能器和整流電路,所述第二超聲波換能器的輸出端與整流電路的輸入端連接。
優(yōu)選的,所述第二超聲波換能器為壓電陶瓷圓環(huán)換能器,其正負(fù)電極通過導(dǎo)線與整流電路的電極相連;整流電路后端設(shè)置相應(yīng)輸出電極作為的電氣測量點(diǎn)14,可通過示波器,萬用表等相關(guān)儀器進(jìn)行測量。
進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式,所述安裝座17通過螺栓2與導(dǎo)軌1連接。
進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式,所述角度調(diào)節(jié)盤5可自由旋轉(zhuǎn),能實(shí)現(xiàn)0°~180°的旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)。
本發(fā)明具體實(shí)施例中,以系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置為超聲波頻率為F1,源宿距離L1,相對高度H1,相對角度為90°下超聲波在介質(zhì)A中的能量傳輸實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行說明。
首先在矩形水槽11內(nèi)放置相應(yīng)的介質(zhì)A。確定實(shí)驗(yàn)頻率后,調(diào)整超聲波發(fā)生器至相應(yīng)的起振頻率F1,連接至第一超聲波發(fā)生器電極13,給超聲波換能器12提供相應(yīng)頻率F1正弦波電流。將超聲波接收裝置放置在接收裝置底座4的L型絕緣的超聲波接收裝置夾具10,調(diào)節(jié)接收裝置底座4上的粗調(diào)連桿8,再調(diào)節(jié)接收裝置底座4上的細(xì)調(diào)連桿7,分別讀出高度數(shù)值h1和h2(H1=h1+h2)。轉(zhuǎn)動(dòng)接收裝置底座4上的角度調(diào)節(jié)盤5,使得超聲波接收裝置與第一超聲波換能器12成一定的角度α(此例為90?)。接收裝置底座4放置在導(dǎo)軌1上,接收裝置底座4通過導(dǎo)軌1上的螺栓2卡口2進(jìn)行固定。并通過底面上的標(biāo)尺3讀出源宿距離L1,做好數(shù)據(jù)記錄(F1,H1,L1,α,介質(zhì)A)。通過超聲波接收裝置讀出接收數(shù)值,可得到超聲波在條件:頻率F1,源宿距離L1,相對高度H1,相對角度為 α 下在介質(zhì)A中傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),在以上系統(tǒng)參數(shù)條件下,重復(fù)多次實(shí)驗(yàn),采集實(shí)驗(yàn)的測試集數(shù)據(jù)D1。
將傳輸信道等效為黑盒模型,根據(jù)所述黑盒模型輸入輸出端口實(shí)驗(yàn)測試集數(shù)據(jù)D1的分布情況,運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法,對測試集數(shù)據(jù)D1進(jìn)行處理,進(jìn)行回歸分析,選擇合適模型,建立有相關(guān)關(guān)系的變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式。從而確定變量之間的相關(guān)關(guān)系。
通過參數(shù)分析,判別所建立的數(shù)學(xué)關(guān)系式的有效性,并對模型進(jìn)行擇優(yōu)選擇。
重復(fù)以上D1實(shí)驗(yàn)步驟,在同一實(shí)驗(yàn)參數(shù)下,取不同的實(shí)驗(yàn)數(shù)值,得到檢驗(yàn)集數(shù)據(jù)D2。
利用所得到的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行預(yù)測和控制,得到模型預(yù)測集數(shù)據(jù)D3,對比試驗(yàn)檢驗(yàn)集D2數(shù)據(jù),觀測其預(yù)測性并進(jìn)行驗(yàn)證。
在控制變量的前提下,調(diào)整信道參數(shù),如源宿距離,角度,高度,頻率,傳輸介質(zhì)等,重復(fù)以上實(shí)施方式步驟,得到不同參數(shù)下的衰落信道模型。
因?yàn)樵谘芯砍暡ㄝ斈艿膶?shí)驗(yàn)中,需要對多個(gè)實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行控制,并進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)觀測。實(shí)踐發(fā)現(xiàn),使用該實(shí)驗(yàn)裝置,可以簡單便捷地通過上述方法對實(shí)驗(yàn)變量頻率F,源宿距離L,相對高度H,相對角度α,介質(zhì)種類進(jìn)行多次控制調(diào)整,并多次實(shí)驗(yàn)。保證了實(shí)驗(yàn)的高效性,提高了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性,實(shí)現(xiàn)了有效地對實(shí)驗(yàn)變量(源宿距離,相對高度,相對角度,傳輸介質(zhì)等)進(jìn)行精確控制,能滿足超聲波輸能多次實(shí)驗(yàn)要求。同時(shí)通過測試集數(shù)據(jù)D1的采集和處理,建立了測量變量與系統(tǒng)參數(shù)的相關(guān)關(guān)系模型。擇優(yōu)選擇和修正模型,對傳輸信道的特征和性能進(jìn)行了描述,對檢驗(yàn)集數(shù)據(jù)D2進(jìn)行了預(yù)測。此裝置可有效控制參數(shù)變量,對影響系統(tǒng)效率的參數(shù)進(jìn)行多方面探究和試驗(yàn)測量,使用快捷簡便,結(jié)合建模方法可廣泛用于對超聲波輸能的研究領(lǐng)域。
以上是對本發(fā)明的較佳實(shí)施進(jìn)行了具體說明,但本發(fā)明創(chuàng)造并不限于所述實(shí)施例,熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不違背本發(fā)明精神的前提下還可做作出種種的等同變形或替換,這些等同的變形或替換均包含在本申請權(quán)利要求所限定的范圍內(nèi)。