隨著無線通信和無線能量傳輸技術的不斷發(fā)展進步,超聲波因其具有方向性好、能量大、穿透能力強等優(yōu)勢,在現(xiàn)代化國防和醫(yī)療等領域里,超聲波攜能通信技術擁有其獨特的應用價值。利用超聲波攜能通信技術為水下傳感器網(wǎng)絡和植入式醫(yī)療設備進行智能化供電,能夠在保證能量傳輸效率的同時提升供能系統(tǒng)的安全性和可用性。目前,水下超聲攜能通信技術的發(fā)展還不夠完善,超聲傳能效率的進一步提升和超聲通信鏈路的高可用性是兩個亟待解決的難點問題。由于超聲波無線能量傳輸系統(tǒng)的諧振狀態(tài)會隨著換能器探頭間距、傳輸介質以及接收端負載等條件的變化而變化,因此需要找到一種可自動跟蹤諧振狀態(tài)的技術方案,從而保證水下超聲攜能通信系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地工作在較高的傳輸效率下。本文搭建了完整的水下超聲無線攜能通信系統(tǒng),一方面,通過設計高效率的逆變電路、阻抗匹配電路、低功耗的整流濾波以及DC-DC穩(wěn)壓電路來提升系統(tǒng)的傳能效率,并采用頻率調諧和距離調諧兩種方案來解決諧振狀態(tài)跟蹤問題,從而進一步提升了傳能效率。另一方面,設計了基于超聲波通信的2ASK調制解調電路,測試達到了9.6kbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。隨后,對所搭建的水下超聲攜能通信系統(tǒng)進行了性能測試,結果... 

【文章來源】：南京郵電大學江蘇省

【文章頁數(shù)】：65 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

水下IoUT平臺本文所設計搭建的水下超聲攜能通信系統(tǒng)，模擬為UWSNs設備供電及數(shù)據(jù)收集的應用

開始于21世紀初，各方面技術的研究還都相對較為薄弱。近年來，重慶大學的戴欣教授、大連理工大學的陳希有教授、東南大學的黃學良教授、南京郵電大學曹自平教授等等國內(nèi)的研究團隊在超聲波無線能量傳輸以及超聲波通信方面做了較為深入的研究，并取得了很多優(yōu)秀的成果，主要列舉如下：1997年，香港城市大學的YinghuiLi,StephenHarrold等人[27]，將容器中充滿水后進行通信試驗，采用2FSK調制、非相干解調方式進行通信，其所使用的收發(fā)端超聲換能器的中心頻率均為1MHz，換能器帶寬為2MHz，收發(fā)端通信的波特率為600bps，具體設計如圖1.2所示。當利用如圖1.2所示的聚氯乙烯管道進行通信時，相比與不使用此管道而言，通信系統(tǒng)產(chǎn)生了明顯的混響，引起了信號相位和幅度的畸變，實驗結果分析表明，在利用超聲波通過管道進行通信時，應該采用低速率的2FSK調制的方式，同時，接收端應該采用均衡技術進行解調。圖1.2水下管道超聲波通信示意圖2011年，東南大學黃學良教授帶領的團隊[28]從原理上分析超聲波可在空氣介質下進行能量傳輸?shù)臋C制。采用機電等效和類比的方法建立系統(tǒng)數(shù)學模型，并根據(jù)聲波能量傳輸理論和電路理論對系統(tǒng)模型進行分析，并通過實驗研究了負載阻抗與傳輸功率以及傳輸距離與負載功率之間的關系。2013年，華南理工大學史景倫副教授帶領的團隊[29]設計了一個用于海洋探測中數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)，以鋼管為傳輸媒介，搭建了超聲通信系統(tǒng)，在傳輸距離超過20m的條件下，傳輸速

南京郵電大學專業(yè)學位碩士研究生學位論文第二章水下超聲無線攜能通信系統(tǒng)理論分析12的研究發(fā)現(xiàn)[38]，當方柱的厚度和寬度的比值為10:1、壓電功能增強體的體積分數(shù)在40%-80%時，壓電材料可以達到比較理想的性能，但是后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)[39]，縱橫比不低于3時，復合材料的機電耦合性能就可以達到最大值的80%，因此本論文實驗中所制備換能器選取高寬比為4.5，壓電體積分數(shù)為60%來進行加工制作，所制備出的壓電換能器機電耦合系數(shù)大約為0.647，仍明顯高于傳統(tǒng)的壓電陶瓷材料，壓電復合材料在保證所制備復合材料總體性能的同時，避免了過高縱橫比導致的制造時難以加工、易于損毀等等缺點。圖2.1PMN-PT單晶方柱圖2.2未封裝壓電片圖2.3壓電換能器在水耦合超聲換能器的制備過程中，除復合材料壓電片的制備環(huán)節(jié)較為關鍵以外，其匹配層材料、背襯層材料以及封裝材料和封裝方法等同樣影響著超聲探頭進行攜能通信的性能，本論文實驗所定制換能器的組裝結構如圖2.2所示，而圖2.3所示為探頭實體。良好的匹配層設計具有使換能器與超聲傳輸介質有更好的聲學匹配、減少聲波反射、增大換能器的帶寬等等作用，常用的匹配層材料有石英、天然橡膠、氯丁橡膠、硅膠等等，本論文所研究的水介質的聲阻抗約為（1.5MRayl），因此選取聲阻抗大約為3.4MRayl的聚酰亞胺高分子材料作為匹配層材料較為合適[40]。背襯層主可以用來吸收多余的反向聲波，從而使換能器具有更好的發(fā)射響應及接收分辨率。常用作背襯材料的有環(huán)氧樹脂+鎢粉、空氣、硬質泡沫等等，本文選用空氣+硬質泡沫作為背襯材料。將背襯層、壓電材料和匹配層三者進行的良好粘貼之后，最后使用樹脂材料外殼進行封裝，以起到保護、支撐和絕緣的效果。2.1.2壓電換能器的參數(shù)指標和特性（1）壓電振子的厚度振動模式壓電振子常?

【參考文獻】：
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博士論文
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碩士論文
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本文編號：3592416