CN109560619B - 利用压电陶瓷实现穿透金属能量传输的频率设置方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用压电陶瓷实现穿透金属能量传输的频率设置方法，包括：1)设置调频起始频率、终止频率和步进间隔；2)***从起始频率开始，通过功率检测获得第一个极大值功率和该极值处对应的频率；3)通过功率检测获得第一极大值功率之后的第一个极小值功率以及该极小值功率对应频率；4)计算出金属障板的厚度；5)根据金属障板厚度和金属障板中声速计算出满足金属障板厚度为声波半波长整数倍的所有频点；6)功率检测调频范围内所有频点对应的极大值功率值，将最大值功率及其对应的最佳工作频率保存在***；7)***工作在最大功率对应的最佳工作频率并以最大功率给负载供电。与现有技术相比，本发明具有实现最大功率为负载充电等优点。

Description

利用压电陶瓷实现穿透金属能量传输的频率设置方法
技术领域
本发明涉及无线能量传输技术领域，尤其是涉及一种利用压电陶瓷实现穿透金属能量传输的频率设置方法。
背景技术
一直以来，钻孔布线是穿透水下武器、水下航行器、水面船舶、航空航天设备、核能设备和输油管道等金属壳体实现能量传输的主要方法。但是，钻孔布线方法不可避免地会破坏金属结构的密闭性，降低金属壳体对人员和重要设备的使用和防护效能。
由于金属外壳强大的法拉第屏蔽效果，基于电磁波、电感耦合和电容耦合等技术的能量传输方法难以应用。由于机械波可以穿透金属类弹性介质，压电材料能够实现较高效率的电信号和机械波互相转换，因此，人们提出了利用压电换能器实现穿透金属能量传输技术。
虽然当下压电输能技术在穿透金属实现无线能量中应用广泛，但是对于同一种类换能器，不同个体的最佳谐振频点，由于制作工艺和材料的细微差别会导致最佳频点不完全一致。对于同一对压电陶瓷换能器，耦合到金属障板，安装之后的谐振频点也会偏移。换能器的最佳谐振频点不是一定值。
另外，在穿透金属能量传输过程中，由于金属障板和换能器声阻抗不匹配，入射声波在换能器和金属连接的界面处会发生反射和透射。当金属障板厚度为声波1/4波长偶数倍(半波长整数倍)时，透射强度最大；当金属障板厚度为声波1/4波长奇数倍时，透射强度最小。
在实际应用场景中，不同场合下各金属障板种类不一样，环境温度不一样，声波在该金属中的声速不一样导致声波波长不一样。对于同一金属障板同一温度下，即使声波波长一样，但是金属障板厚度不一样，同样无法满足金属障板厚度恰好是换能器最佳谐振频点所对应波长的半波长整数倍关系。
综上所述，对于不同温度下，穿透不同种类、不同厚度金属障板的自动调频的高效率充电方法研究迫在眉睫。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种利用压电陶瓷实现穿透金属能量传输的频率设置方法，用于解决不同环境温度下，超声波穿透不同种类、不同厚度金属障板时为负载充电过程中，自动调频来满足金属展板厚度为声波半波长整数倍关系，实现***最大效率为负载充电。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种利用压电陶瓷实现穿透金属能量传输的频率设置方法，包括以下步骤：
1)根据换能器最佳谐振频率及宽带阻抗匹配后的频带，设置调频起始频率f1、终止频率f2和步进间隔Δf；
2)***从起始频率开始，在频带范围内按步进间隔步进调频，通过功率检测获得第一个极大值功率Pmax1和该极值处对应的频率fmax1；
3)***通过功率检测获得第一极大值功率之后的第一个极小值功率Pmin1以及该极小值功率对应频率fmin1；
4)根据极大值功率处对应的频率fmax1和极小值功率处对应的频率fmin1，计算出金属障板的厚度d；
5)***根据金属障板厚度d和金属障板中声速υ计算出满足金属障板厚度为声波半波长整数倍的所有频点fmax n；
6)功率检测调频范围内所有频点fmax n对应的极大值功率值Pmax n，将最大值功率Pmax＝max{Pmax1,Pmax2...Pmax n}及其对应的最佳工作频率fmax保存在***；
7)***工作在最大功率对应的最佳工作频率fmax并以最大功率Pmax给负载供电。
优选地，所述的fmax1是通过步进调频，逐步收敛调节并利用功率检测电路测试所得。
优选地，所述的fmin1是通过步进调频，逐步收敛调节并利用功率检测电路测试所得。
优选地，所述的金属障板厚度d计算如下：
Figure BDA0001895131360000031
Figure BDA0001895131360000032
其中υ为金属障板中声速，n为金属障板中声波半波长的个数，d和n为需要求解的未知数，通过上述两个方程进行求解得到。
优选地，所述的根据金属障板厚度d和金属障板中声速υ计算出满足金属障板厚度为声波半波长整数倍的所有频点fmax n
Figure BDA0001895131360000033
其中n＝1,2,3...，υ为金属障板中声速，n为金属障板中声波半波长的个数，d为金属障板厚度。
优选地，所述的最佳工作频率fmax的选择机制为若干满足金属障板厚度为声波半波长整数倍频点fmax n对应功率值比较所得。
与现有技术相比，本发明采用超声波作为穿透金属障板传输能量的载体，根据金属板的材料和厚度、环境温度等自适应调整最佳充电频率，实现最大功率为负载充电。
附图说明
图1是本发明实施的电路原理框图。
图2是声波信号在能量通道中传播示意图。
图3是声波穿透12mm金属铝板S参数测试结果图。
图4是本发明利用压电陶瓷实现穿透金属能量传输的频率设置方法流程简图。
附图标记
1、信号发生器 2、前级运算放大器 3、功率放大器 4、宽带阻抗匹配
5、发射换能器 6、金属障板 7、接收换能器 8、宽带阻抗匹配
9、全桥整流 10、负载 11、MCU控制器 12、功率检测电路
13、耦合剂
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
如图1所示电路原理框图包括发射端、能量通道和接收端。发射端MCU控制信号发生器产生连续载波，连续载波经过初级放大和功率放大后完成阻抗匹配，匹配后的电信号加载到发射换能器，并经过能量通道传递到接收换能器。功率检测***为实现本发明的自动调频，以最大效率为内部传输能量。在接收端，功率信号经接收换能器拾取后经接阻抗匹配，全桥整流滤波，为内部负载供电。
如图2所示声波信号在能量通道中传播示意图。声波在穿透金属障板实现能量传输过程中，由于金属障板声阻抗和换能器声阻抗不匹配，入射声波在接收换能器和金属连接的界面处会发生反射和透射。反射波的方向和入射波方向相反，反射波传播到发射换能器与金属障板的界面，会再次发生反射，多次反射会存在多径效应。透射波信号直接透射到接收换能器中。
如图3所示声波穿透12mm铝金属障板S参数测试结果图。网络分析仪在100KHz-2MHz之间，扫频一电信号经过换能器穿过12mm金属障板后，信号幅度随频率的分布特性，S11为反射系数，S21为正向传输系数。在金属障板厚度满足金属障板厚度为声波1/4波长偶数倍频点处，S21很大，S11很小；在金属障板厚度满足金属障板厚度为声波1/4波长奇数倍频点处，S21很小，S11很大；
如图4所示是本发明一种利用压电陶瓷实现穿透金属能量传输的频率设置方法流程简图。包括以下步骤：
1)根据换能器最佳谐振频率及宽带阻抗匹配后的频带，设置调频起始频率f1、终止频率f2和步进间隔Δf；
2)***从起始频率开始，在频带范围内按步进间隔步进调频，通过功率检测获得第一个极大值功率Pmax1和该极值处对应的频率fmax1；
3)***通过功率检测获得第一极大值功率之后的第一个极小值功率Pmin1以及该极小值功率对应频率fmin1；
4)根据极大值功率处对应的频率fmax1和极小值功率处对应的频率fmin1，计算出金属障板的厚度d；
5)***根据金属障板厚度d和金属障板中声速υ计算出满足金属障板厚度为声波半波长整数倍的所有频点fmax n；
6)功率检测调频范围内所有频点fmax n对应的极大值功率值Pmax n，将最大值功率Pmax＝max{Pmax1,Pmax2...Pmax n}及其对应的最佳工作频率fmax保存在***；
7)***工作在最大功率对应的最佳工作频率fmax并以最大功率Pmax给负载供电。
其中fmax1、fmin1是通过步进调频，逐步收敛调节并利用功率检测电路测试所得。
其中厚度d的计算方法如下：
Figure BDA0001895131360000051
Figure BDA0001895131360000052
其中最佳工作频率fmax的选择机制为若干满足金属障板厚度为声波半波长整数倍频点fmax n对应功率值比较所得。
其中fmax n的计算方法如下：
Figure BDA0001895131360000053
本发明采用超声波作为穿透金属障板传输能量的载体，根据金属板的材料和厚度、环境温度等自适应调整最佳充电频率。解决了在不同应用场合下，金属障板厚度不能完全匹配换能器最佳谐振频点处声波半波长整数倍问题，通过在宽带匹配的频带范围内自动调频满足金属障板厚度为声波半波长整数倍。实现最大功率为负载充电，节约***能耗，提高充电效率。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种利用压电陶瓷实现穿透金属能量传输的频率设置方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据换能器最佳谐振频率及宽带阻抗匹配后的频带，设置调频起始频率f1、终止频率f2和步进间隔Δf；
2)***从起始频率开始，在频带范围内按步进间隔步进调频，通过功率检测获得第一个极大值功率Pmax1和该极大值功率处对应的频率fmax1；
3)***通过功率检测获得第一极大值功率之后的第一个极小值功率Pmin1以及该极小值功率对应频率fmin1；
4)根据极大值功率处对应的频率fmax1和极小值功率处对应的频率fmin1，计算出金属障板的厚度d；
5)***根据金属障板厚度d和金属障板中声速υ计算出满足金属障板厚度为声波半波长整数倍的所有频点fmaxn；
6)功率检测调频范围内所有频点fmaxn对应的极大值功率值Pmaxn，将最大值功率Pmax＝max{Pmax1,Pmax2...Pmaxn}及其对应的最佳工作频率fmax保存在***；
7)***工作在最大功率对应的最佳工作频率fmax并以最大功率Pmax给负载供电；
所述的金属障板厚度d计算如下：
Figure FDA0003280314570000011
Figure FDA0003280314570000012
其中υ为金属障板中声速，n为金属障板中声波半波长的个数，d和n为需要求解的未知数，通过上述两个方程进行求解得到；
所述的根据金属障板厚度d和金属障板中声速υ计算出满足金属障板厚度为声波半波长整数倍的所有频点fmaxn
Figure FDA0003280314570000013
其中n＝1,2,3...，υ为金属障板中声速，n为金属障板中声波半波长的个数，d为金属障板厚度。
2.根据权利要求1所述的一种利用压电陶瓷实现穿透金属能量传输的频率设置方法，其特征在于，所述的fmax1是通过步进调频，逐步收敛调节并利用功率检测电路测试所得。
3.根据权利要求1所述的一种利用压电陶瓷实现穿透金属能量传输的频率设置方法，其特征在于，所述的fmin1是通过步进调频，逐步收敛调节并利用功率检测电路测试所得。
4.根据权利要求1所述的一种利用压电陶瓷实现穿透金属能量传输的频率设置方法，其特征在于，所述的最佳工作频率fmax的选择机制为若干满足金属障板厚度为声波半波长整数倍频点fmaxn对应功率值比较所得。
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