本發(fā)明涉及超聲無線能量傳輸技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種針對(duì)密閉金屬容器進(jìn)行無線輸能的系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

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(shè)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(shù)的研究與應(yīng)用得到了越來越多的重視與發(fā)展。目前運(yùn)用比較多的無線輸能方式主要有感應(yīng)耦合，電容耦合，微波，激光，磁耦合諧振方式等。當(dāng)傳輸介質(zhì)是空氣時(shí)，這些方式可適應(yīng)大部分的應(yīng)用場(chǎng)合和不同功率需求的能量傳輸。但在一些特定環(huán)境下，如透過密閉金屬容器進(jìn)行無線輸能，這些方式由于自身技術(shù)的局限性而難以滿足要求。為此近年來不少學(xué)者提出利用超聲波進(jìn)行無線能量傳輸。

利用超聲波進(jìn)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(shè)備進(jìn)行充電。而利用超聲波在空氣中進(jìn)行無線輸能，由于不具備明顯優(yōu)勢(shì)，研究很少。這些應(yīng)用主要都是小功率的，功率級(jí)別都在毫瓦級(jí)。除此之外，近年來利用超聲波透過金屬進(jìn)行無線輸能正越來越受到各國(guó)研究人員的重視。因?yàn)槠洳粌H不存在法拉第電磁屏蔽效應(yīng)，而且金屬與用于聲電能量轉(zhuǎn)換的換能器聲阻抗接近，比起空氣和人體組織，更容易實(shí)現(xiàn)能量的高效傳輸。

盡管利用超聲波進(jìn)行無線輸能得到越來越多的應(yīng)用，但是目前并沒有一種針對(duì)密閉金屬容器進(jìn)行超聲輸能的有效方法與系統(tǒng)。并且在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，隨著無線輸電系統(tǒng)工作時(shí)間的增加，金屬介質(zhì)由于機(jī)械損耗積累大量熱能，發(fā)熱現(xiàn)象嚴(yán)重，將直接影響系統(tǒng)的傳輸效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，解決現(xiàn)有技術(shù)中向密閉金屬容器下工作的電子設(shè)備進(jìn)行無線充電的技術(shù)問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，一方面，本發(fā)明提供了一種針對(duì)密閉金屬容器進(jìn)行無線輸能的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：控制處理模塊、功率放大模塊、發(fā)射匹配網(wǎng)絡(luò)、相位控制模塊、超聲能量傳輸通道、環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊、接收匹配網(wǎng)絡(luò)和電壓轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)能模塊；其中，超聲能量傳輸通道主要由超聲發(fā)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(huán)境監(jiān)測(cè)模塊用于采集密閉金屬容器金屬層以及環(huán)型相控陣超聲發(fā)射換能器的溫度狀態(tài)，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(jù)采集信息產(chǎn)生相應(yīng)頻率的激勵(lì)正弦信號(hào)，以及根據(jù)采集信息對(duì)各陣元對(duì)應(yīng)通道的正弦信號(hào)幅值進(jìn)行設(shè)置；相位控制模塊用于控制各陣元激勵(lì)信號(hào)的相位關(guān)系，使到達(dá)超聲接收換能器的能量最大化；環(huán)型相控陣超聲發(fā)射換能器各陣元將各自激發(fā)的電信號(hào)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為電信號(hào)；接收匹配網(wǎng)絡(luò)用于超聲能量傳輸通道與后續(xù)各級(jí)電路的阻抗匹配，使能量傳輸效率最大化；電壓轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)能電路用于將超聲接收換能器轉(zhuǎn)換得到的電信號(hào)進(jìn)行整流濾波并根據(jù)用電設(shè)備的電壓需求將信號(hào)轉(zhuǎn)換到合適電壓。

優(yōu)選地，超聲發(fā)射換能器設(shè)置為環(huán)型相控陣超聲發(fā)射換能器,其由多個(gè)同心的環(huán)形壓電晶體按照規(guī)定的間距排列組成，且各環(huán)形壓電晶體的橫截面積相同；所述各個(gè)環(huán)形壓電晶體引出電極形成陣元用于連接發(fā)射激勵(lì)信號(hào)。

優(yōu)選地，超聲能量傳輸通道還包括耦合劑，超聲發(fā)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(yōu)選地，用電設(shè)備是密閉金屬容器金屬層內(nèi)任何需要供電的儀器，包括各類檢測(cè)儀器，傳感器和通信系統(tǒng)。

另一方面，本發(fā)明提供了一種針對(duì)密閉金屬容器進(jìn)行無線輸能的方法，包括以下步驟：

步驟一：環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊采集密閉金屬容器金屬層以及超聲發(fā)射換能器的溫度狀態(tài)，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(jù)采集信息產(chǎn)生相應(yīng)頻率的激勵(lì)正弦信號(hào)，對(duì)各陣元對(duì)應(yīng)通道的正弦信號(hào)幅值進(jìn)行設(shè)置；

步驟三：功率放大器將控制處理模塊產(chǎn)生的各個(gè)通道的正弦波信號(hào)放大到合適功率，從而驅(qū)動(dòng)后續(xù)電路；

步驟四：發(fā)射匹配網(wǎng)絡(luò)將各通道前端各級(jí)電路與后續(xù)電路的阻抗匹配，使超聲發(fā)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(lì)信號(hào)的相位關(guān)系，使到達(dá)超聲接收換能器的能量最大化；

步驟六：超聲發(fā)射換能器將電能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化為電信號(hào)；

步驟七：接收匹配網(wǎng)絡(luò)將超聲能量傳輸通道與后續(xù)各級(jí)電路的阻抗進(jìn)行匹配，使能量傳輸效率最大化；

步驟八：電壓轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)能電路對(duì)超聲接收換能器轉(zhuǎn)換得到的交流電信號(hào)進(jìn)行整流濾波，并根據(jù)用電設(shè)備的電壓需求將信號(hào)轉(zhuǎn)換到合適電壓。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明利用超聲波透過金屬，可以在不破壞金屬容器結(jié)構(gòu)完整性的情況下對(duì)容器內(nèi)設(shè)備進(jìn)行無線輸能，實(shí)現(xiàn)能力的高效傳輸，不會(huì)產(chǎn)生額外的電磁輻射干擾；利用環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊將采集信息反饋給控制處理模塊用于產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能監(jiān)控，避免了因工作時(shí)間的增加而產(chǎn)生的發(fā)熱現(xiàn)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(fā)明實(shí)施例提供的一種針對(duì)密閉金屬容器進(jìn)行無線輸能的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種超聲能量傳輸通道結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種環(huán)形相控陣截面示意圖。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種環(huán)形相控陣工作原理示意圖。

圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種針對(duì)密閉金屬容器進(jìn)行無線輸能的方法流程示意圖。

具體實(shí)施方式

下面通過附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種針對(duì)密閉金屬容器進(jìn)行無線輸能的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種超聲能量傳輸通道結(jié)構(gòu)示意圖。

如圖1所示，該無線輸能的系統(tǒng)包括，控制處理模塊1、功率放大模塊2、發(fā)射匹配網(wǎng)絡(luò)3、相位控制模塊4、超聲能量傳輸通道5、環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊6、接收匹配網(wǎng)絡(luò)8和電壓轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)能模塊9；其中，超聲能量傳輸通道5由超聲發(fā)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(jù)采集信息產(chǎn)生相應(yīng)頻率的激勵(lì)正弦信號(hào)，以及根據(jù)采集信息對(duì)各陣元對(duì)應(yīng)通道的正弦信號(hào)幅值進(jìn)行設(shè)置。

具體地，功率放大器2用于將控制處理模塊1產(chǎn)生的各個(gè)通道的正弦波信號(hào)放大到合適功率，從而驅(qū)動(dòng)后續(xù)電路。

具體地，發(fā)射匹配網(wǎng)絡(luò)3用于完成各通道前端各級(jí)電路與后續(xù)電路的阻抗匹配，使超聲發(fā)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(fā)射換能器11各陣元激勵(lì)信號(hào)的相位關(guān)系，保證到達(dá)超聲接收換能器12的能量最大化。

具體地，環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊6用于采集密閉金屬容器金屬層7以及超聲發(fā)射換能器11的溫度狀態(tài)，從而將采集信息反饋給控制處理模塊1用于產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能監(jiān)控。

具體地，接收匹配網(wǎng)絡(luò)8用于超聲能量傳輸通道5與后續(xù)各級(jí)電路的阻抗匹配，使能量傳輸效率最大化。

具體地，電壓轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)能電路9用于將超聲接收換能器12轉(zhuǎn)換得到的交流電信號(hào)進(jìn)行整流濾波并根據(jù)用電設(shè)備10的電壓需求將信號(hào)轉(zhuǎn)換到合適電壓。

具體地，用電設(shè)備10可以是密閉金屬容器7內(nèi)任何需要供電的儀器，包括各類檢測(cè)儀器，傳感器，通信系統(tǒng)等。

具體地，粘結(jié)用耦合劑13用于將超聲發(fā)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(fā)明實(shí)施例提供的一種環(huán)形相控陣截面示意圖。環(huán)型相控陣超聲發(fā)射換能器11由多個(gè)同心的環(huán)形壓電晶體按照規(guī)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(gè)同心的環(huán)形壓電晶體按照規(guī)定的間距排列組成，且各晶體的橫截面積相同。各個(gè)環(huán)形壓電晶體引出電極形成陣元用于連接發(fā)射激勵(lì)信號(hào)，陣元數(shù)量決定了系統(tǒng)發(fā)射的通道數(shù)。各陣元將各自激發(fā)的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲波即機(jī)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(zhuǎn)換為電信號(hào)。

需要說明的是，相控陣探頭形式不局限于環(huán)形相控陣，可存在其他形式，且陣元數(shù)量也不限定于4個(gè)，可根據(jù)實(shí)際情況增減陣元數(shù)量。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種環(huán)形相控陣工作原理示意圖。如圖4所示，超聲發(fā)射換能器可以結(jié)合相控陣技術(shù)，通過控制環(huán)型相控陣超聲發(fā)射換能器11不同陣元通道激勵(lì)信號(hào)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(diǎn)位置)實(shí)現(xiàn)能量的最大化傳輸，從而自動(dòng)適應(yīng)不同厚度金屬的無線輸能。

具體地，環(huán)型相控陣超聲發(fā)射換能器11可根據(jù)激勵(lì)信號(hào)將能量聚焦在a、b或c的位置,根據(jù)不同厚度的金屬確定需要能量最大的位置。

在一個(gè)例子中，當(dāng)確定能量最大位置(比如a)后，根據(jù)環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊6采集的采集信息，調(diào)整各激勵(lì)信號(hào)，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(fā)明實(shí)施例提供的一種針對(duì)密閉金屬容器進(jìn)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(huán)境監(jiān)測(cè)模塊6采集密閉金屬容器金屬層7以及超聲發(fā)射換能器11的溫度狀態(tài)，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(chǎn)生相應(yīng)頻率的激勵(lì)正弦信號(hào)，對(duì)各陣元對(duì)應(yīng)通道的正弦信號(hào)幅值進(jìn)行設(shè)置；

步驟s403：功率放大器2將控制處理模塊1產(chǎn)生的各個(gè)通道的正弦波信號(hào)放大到合適功率，從而驅(qū)動(dòng)后續(xù)電路；

步驟s404：發(fā)射匹配網(wǎng)絡(luò)3將各通道前端各級(jí)電路與后續(xù)電路的阻抗匹配，使超聲發(fā)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(fā)射換能器11各陣元激勵(lì)信號(hào)的相位關(guān)系，使到達(dá)超聲接收換能器12的能量最大化；

步驟s406：超聲發(fā)射換能器11將電能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化為電信號(hào)；

步驟s407：接收匹配網(wǎng)絡(luò)8將超聲能量傳輸通道5與后續(xù)各級(jí)電路的阻抗進(jìn)行匹配，使能量傳輸效率最大化；

步驟s408：電壓轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)能電路9對(duì)超聲接收換能器12轉(zhuǎn)換得到的交流電信號(hào)進(jìn)行整流濾波，并根據(jù)用電設(shè)備10的電壓需求將信號(hào)轉(zhuǎn)換到合適電壓。

本發(fā)明實(shí)施例通過壓電換能器將電能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成電能傳送給電子設(shè)備。同時(shí)采用環(huán)形換能器陣充當(dāng)發(fā)射換能器，通過環(huán)境檢測(cè)模塊檢測(cè)系統(tǒng)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(jù)換能器與金屬板的溫度情況，自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)射換能器各陣元的激勵(lì)信號(hào)，使整個(gè)系統(tǒng)始終工作在最佳傳輸效率點(diǎn)，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本發(fā)明可以在不破壞金屬容器結(jié)構(gòu)完整性的情況下對(duì)容器內(nèi)設(shè)備進(jìn)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(huì)產(chǎn)生額外的電磁輻射干擾的優(yōu)點(diǎn)。

以上的具體實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式而已，并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。