本發(fā)明屬于超聲波無線能量傳輸技術領域，特別是涉及一種基于蘭姆波的無線供能裝置和方法。

背景技術：

金屬板形構件，尤其是厚度在8mm以下的金屬薄板件，無論是在航空航天、汽車、船舶領域，還是在壓力容器、大型化工容器方面均有廣泛的應用。由于金屬板狀構件在生產過程中與使用過程中會產生損傷與破壞，從而對其結構的安全性構成了極大威脅。通過結構健康監(jiān)測技術進行在線、實時有效的監(jiān)測，從而及時發(fā)現(xiàn)這些材料中的疲勞與損傷對于預防事故的發(fā)生是非常重要的。

結構健康監(jiān)測技術需要利用集成或貼附于結構上的傳感系統(tǒng)，在線實時地獲取與結構健康狀況相關的信息，并結合信號信息處理方法提取特征參數(shù)，實現(xiàn)結構健康診斷，以保證結構安全和降低維修費用。一個完整的傳感系統(tǒng)需要有電源線與數(shù)據(jù)線，不僅具有昂貴的通信供電電纜的安裝和維護費用，而且其整體系統(tǒng)穩(wěn)定性與魯棒性也受到電纜的限制。雖然目前無線通訊技術已經(jīng)比較成熟，但對結構健康監(jiān)測使用的無線傳感器供電問題又成為制約其技術發(fā)展的一個瓶頸。

目前使用較為成熟的供能方案為傳統(tǒng)的電池供電，該方案的缺點是成本較高、電池體積較大且需要定期替換，而且在某些環(huán)境中難以更換電池，比如在飛機機翼艙體中、在軌航天器艙壁中、高鐵車架中。而目前的無線供能裝置大多數(shù)是利用電磁原理，存在著裝置體積大、傳輸距離較短、效率較低等問題，因此不適合用于薄板件的結構健康檢測傳感器供電使用。

目前還有利用環(huán)境能量為其供電的解決方案。環(huán)境能量包括在自然界廣泛存在的各種環(huán)境能量，包括太陽能、風能、機械振動能、熱能、海洋能、生化能等，利用各種新型的智能換能材料及結構可以將上述能夠轉化為電能并進行儲存利用。

對于工程環(huán)境中的板型構件來說，振動能量是廣泛存在的，且振動能量的功率密度較高，是目前的環(huán)境能量收集領域研究熱點之一。以常用的壓電式振動能量收集方法為例，其利用壓電元件的正壓電效應，在外界振動的激勵作用下，壓電元件產生機械變形，在其表面形成正負電荷的堆積，再通過能量采集電路將其轉換成供電設備需要的形式。壓電式振動能量收集方法的局限在于壓電器件普遍存在較窄的共振頻帶，而外界環(huán)境需要與壓電器件達到共振狀態(tài)時才能保證輸出電能的水平較高。

雖然已經(jīng)可以看出現(xiàn)有的振動能量收集技術應用的潛力，但該技術受限于環(huán)境的條件。一方面機械結構的振動能量來源不穩(wěn)定，一旦外界因素導致振動減少，將使收集到的能量減少，因此難以穩(wěn)定供給傳感器使用。另一方面結構中的振動來源復雜，其振動特征頻帶較寬且不穩(wěn)定，從而直接限制了俘能器的接收效率。而其他的環(huán)境能量收集技術也面臨著同樣的問題，比如熱能收集技術中的熱梯度不是時刻存在的，這些問題都會限制環(huán)境能量收集技術在無線傳感器供電領域的應用。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于蘭姆波的無線供能裝置和方法，用于解決現(xiàn)有技術中金屬薄板件健康監(jiān)測傳感器利用電纜或者電池供電的問題，以提供一種更穩(wěn)定、更長久、無需人員經(jīng)常操作的供電技術。

為了達到上述目的，本發(fā)明提供的基于蘭姆波的無線供能裝置包括信號發(fā)生器、電壓放大器、激發(fā)換能器、金屬薄板件、接收換能器、能量采集電路和儲能元件；其中激發(fā)換能器和接收換能器間隔設置在金屬薄板件的表面，并且上端面設有上電極和下電極；信號發(fā)生器的輸出端連接電壓放大器；電壓放大器的輸出端與接地端分別與激發(fā)換能器的上電極和下電極用導線連接；接收換能器的上電極和下電極分別與能量采集電路的輸入端及接地端用導線連接；能量采集電路的輸出端連接儲能元件。

所述的激發(fā)換能器和接收換能器形狀相同，均采用扁平圓片狀壓電陶瓷換能器，直徑為2-5個蘭姆波A0模態(tài)的波長。

所述的激發(fā)換能器采用由PZT-4或PZT-8材料制成的發(fā)射型壓電陶瓷換能器；所述的接收換能器采用由PZT-5材料制成的接收型壓電陶瓷換能器。

所述的上電極和下電極選用銀電極和銅電極。

所述的儲能元件為超級電容器或可充電鋰電池。

所述的金屬薄板件采用鋁合金、鈦合金、鋼合金材料，厚度在0.5-8mm之間。

所述的能量采集電路由整流橋與濾波電容組成。

所述的激發(fā)換能器和接收換能器采用醫(yī)用超聲耦合劑或甘油和磁鐵吸座固定在金屬薄板件的表面。

本發(fā)明提供的基于蘭姆波的無線供能裝置的無線供能方法包括按順序進行的下列步驟：

1)啟動基于蘭姆波的無線供能裝置，利用信號發(fā)生器產生峰值大于20V，頻率為10KHz-1MHz的交流電壓激勵信號，并由電壓放大器將上述交流電壓激勵信號放大，然后傳送給激發(fā)換能器；

2)激發(fā)換能器受到上述交流電壓激勵信號激發(fā)后產生機械振動并將其耦合到金屬薄板件中，以激發(fā)金屬薄板件中的蘭姆波；

3)上述蘭姆波將沿著金屬薄板件的板面方向傳播，然后設置在金屬薄板件上且需要能量的位置處的接收換能器將蘭姆波的振動能量轉換成具有電勢差的壓電交流信號并輸出給能量采集電路；

4)能量采集電路將上述壓電交流信號進行整流穩(wěn)壓后提供給儲能元件，以供金屬薄板結構中的結構健康監(jiān)測設備使用。

本發(fā)明提供的基于蘭姆波的無線供能裝置和方法具有以下有益效果：

(1)本發(fā)明以金屬薄板件中的蘭姆波作為能量的載體，能夠以無線的方式進行能量傳輸，對金屬薄板件上的結構健康監(jiān)測傳感器供電，降低了傳統(tǒng)傳感器系統(tǒng)的布線及維護成本，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

(2)本發(fā)明以壓電陶瓷換能器作為主要組成部分，換能效率高，體積小，成本低。因為通過主動激發(fā)的方式進行，蘭姆波頻率可以與激發(fā)與接收換能器的共振頻率接近，大大提高了傳統(tǒng)方法的效率。

(3)本發(fā)明以屬于超聲導波的蘭姆波作為能量載體，因此能量衰減小傳遞效率高。因為發(fā)射采用連續(xù)模式，無需考慮蘭姆波的頻散效應。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供的基于蘭姆波的無線供能裝置結構示意圖；

圖2是本發(fā)明提供的基于蘭姆波的無線供能裝置中激發(fā)換能器和接收換能器結構示意圖；

圖3是本發(fā)明提供的基于蘭姆波的無線供能方法流程圖。

具體實施方式

以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點與功能。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應用，本說明書中的各項細節(jié)也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進行各種修飾或改變。需說明的是，在不沖突的情況下，以下實施例及實施例中的特征可以相互組合。

需要說明的是，以下實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復雜。

為了使本領域技術人員能夠更好地理解本發(fā)明中的技術方案，這里對下面將要涉及的技術予以解釋說明。

因此，基于現(xiàn)有技術中所存在的缺陷與不足，本發(fā)明提出一種基于蘭姆波的的無線供能方法，蘭姆波是薄板材料中的超聲導波，在能量傳輸方面，蘭姆波的優(yōu)勢在于能量衰減小，適合用于長距離的能量傳輸。

如圖1、圖2所示，本發(fā)明提供的基于蘭姆波的無線供能裝置包括信號發(fā)生器1、電壓放大器2、激發(fā)換能器3、金屬薄板件4、接收換能器5、能量采集電路6和儲能元件7；其中激發(fā)換能器3和接收換能器5間隔設置在金屬薄板件4的表面，并且上端面設有上電極8和下電極9；信號發(fā)生器1的輸出端連接電壓放大器2；電壓放大器2的輸出端與接地端分別與激發(fā)換能器3的上電極8和下電極9用導線連接；接收換能器5的上電極8和下電極9分別與能量采集電路6的輸入端及接地端用導線連接；能量采集電路6的輸出端連接儲能元件7。

所述的激發(fā)換能器3和接收換能器5形狀相同，均采用扁平圓片狀壓電陶瓷換能器，直徑為2-5個蘭姆波A0模態(tài)的波長。

所述的激發(fā)換能器3采用由PZT-4或PZT-8材料制成的發(fā)射型壓電陶瓷換能器。PZT-4材料具有較低的機械損耗和介電損耗、較大的交流退極化場，并具有較大的介電常數(shù)、機電耦合系數(shù)和壓電常數(shù)，特別適合于強電場、大機械振幅的激勵使用。而PZT-8材料具有比PZT-4材料更低的機械損耗和介電損耗，介電常數(shù)、機械耦合系數(shù)、壓電常數(shù)也比PZT-4材料的稍低，然而抗張強度和穩(wěn)定性均優(yōu)于PZT-4材料，也適合于高機械振幅的激勵。

所述的接收換能器5采用由PZT-5材料制成的接收型壓電陶瓷換能器。PZT-5材料具有高機電耦合系數(shù)、高壓電應變常數(shù)和高電阻率，各機電參數(shù)具有優(yōu)異的時間穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性，因此對低功率共振和非共振使用都很適合。

所述的上電極8和下電極9選用銀電極和銅電極。銀電極與銅電極的參數(shù)差別不大，但因為銀分子更為活潑，滲透力更強，其靜電容量更大，因此可以優(yōu)先選用銀電極。

所述的儲能元件7為超級電容器或可充電鋰電池。

所述的金屬薄板件4采用鋁合金、鈦合金、鋼合金材料，厚度在0.5-8mm之間。

所述的能量采集電路6由整流橋與濾波電容組成。其中整流橋的作用是將接收換能器5輸出的周期交流電壓轉換成能夠儲存使用的穩(wěn)定直流電壓；濾波電容必須足夠大以保證輸出電壓的基本穩(wěn)定。

所述的激發(fā)換能器3和接收換能器5采用醫(yī)用超聲耦合劑或甘油和磁鐵吸座固定在金屬薄板件4的表面，目的是減少換能器與金屬薄板件4之間的空氣間隙，提高耦合效率。其中醫(yī)用超聲耦合劑的黏度較大，安裝時將醫(yī)用超聲耦合劑涂抹在金屬薄板件4的表面，隨后壓緊換能器以擠壓出多余的醫(yī)用超聲耦合劑。甘油的流動性更強，因此涂抹要求低，但是黏性低，對換能器無固定作用，且容易造成換能器的滑動，因此可以搭配磁鐵吸座來固定換能器以增加壓力。

如圖3所示，采用上述基于蘭姆波的無線供能裝置的無線供能方法包括按順序進行的下列步驟：

1)啟動基于蘭姆波的無線供能裝置，利用信號發(fā)生器1產生峰值大于20V，頻率為10KHz-1MHz的交流電壓激勵信號，并由電壓放大器2將上述交流電壓激勵信號放大，然后傳送給激發(fā)換能器3；

2)激發(fā)換能器3受到上述交流電壓激勵信號激發(fā)后產生機械振動并將其耦合到金屬薄板件4中，以激發(fā)金屬薄板件4中的蘭姆波；

3)上述蘭姆波將沿著金屬薄板件4的板面方向傳播，然后設置在金屬薄板件4上且需要能量的位置處的接收換能器5將蘭姆波的振動能量轉換成具有電勢差的壓電交流信號并輸出給能量采集電路6；

4)能量采集電路6將上述壓電交流信號進行整流穩(wěn)壓后提供給儲能元件7，以供金屬薄板結構中的結構健康監(jiān)測設備使用。

所述的蘭姆波在金屬薄板件4中遵循瑞利-蘭姆方程進行傳播：

式中：ω為角頻率，c_L為縱波波速，c_T為橫波波速，k為沿水平方向的波數(shù)，h為金屬薄板件4厚度的一半。

另外，激發(fā)換能器3和接收換能器5的尺寸選擇與諧振頻率相關，需要先選擇能量傳遞使用的頻率，本發(fā)明優(yōu)選頻率為10KHz-1MHz。通常金屬薄板件4越厚頻率選擇越低，因為金屬薄板件4厚度增加或頻率增加將使蘭姆波的群速度增加，群速度太快對于接收換能器5的能量捕獲效率有影響。需要注意的是，諧振頻率盡量與金屬薄板件4、周邊結構的諧振頻率錯開，因為如果與金屬薄板件4諧振，容易引起宏觀上的振動，對于結構的穩(wěn)定性有影響。

總的來說，結合上述優(yōu)選方式，如果要進一步提升無線能量傳輸?shù)墓β?，可以提高裝置的激發(fā)電壓，還可以提高整個裝置的傳遞效率。通過在上述優(yōu)選實施例中可以知道，涉及能量轉換的主要部件是換能器，雖然換能器的諧振頻率是可以達到與激發(fā)信號一致的，但其負載情況與頻率選擇會影響整體的效率，這需要通過換能器的設置以及科學實驗的對比分析，才能調試到裝置達到最佳工作狀態(tài)的結構。除此之外，還可以通過較為先進的壓電換能材料或形式達到更高的效率，比如選取新型的高壓電系數(shù)復合材料，選取換能器陣列的形式等，但會提高整個裝置的成本。

上述說明僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發(fā)明的權利要求所涵蓋。