在工業(yè)控制應(yīng)用中,跨越金屬屏障傳輸數(shù)字信息的需求經(jīng)常出現(xiàn)。在一些應(yīng)用程序中,可以通過布線穿透金屬璧,而在另一些應(yīng)用程序中,這種方法是不可行的,例如有毒的密閉金屬容器等。另外,針對(duì)密閉金屬結(jié)構(gòu),在其金屬壁上進(jìn)行打孔破壞了結(jié)構(gòu)的完整性,從而導(dǎo)致一系列不必要的損害發(fā)生,還會(huì)增加設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)密閉金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)部信息的獲取,需要在金屬容器內(nèi)部安裝傳感器,但是由于金屬璧對(duì)電磁信號(hào)的屏蔽,無法基于電磁波進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸且傳輸能量時(shí)效率比較低。因此,本文針對(duì)上述的問題設(shè)計(jì)了基于壓電超聲的過金屬璧能量傳輸和信息傳輸系統(tǒng)。通過調(diào)查了超聲波信號(hào)在跨越金屬屏障的數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用,分析了基于壓電超聲的過金屬璧能量傳輸和信息傳輸?shù)膶?shí)際應(yīng)用需求,設(shè)計(jì)了應(yīng)用于由密閉金屬容器內(nèi)部向外部進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及外部電源通過金屬壁向內(nèi)部電子設(shè)備供電的實(shí)驗(yàn)裝置,設(shè)計(jì)相應(yīng)的硬件電路,并對(duì)該實(shí)驗(yàn)裝置在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn):1:基于電磁波在進(jìn)行過金屬璧能量傳輸和信息傳輸時(shí),電磁波信號(hào)可能被密閉金屬結(jié)構(gòu)屏蔽,無法實(shí)現(xiàn)能量和數(shù)據(jù)的傳輸。因此,本文提出了基于壓電超聲進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和能量傳輸,并對(duì)超聲信號(hào)在金屬壁中傳播的過程進(jìn)行了理論分析... 

【文章來源】：內(nèi)蒙古科技大學(xué)內(nèi)蒙古自治區(qū)

【文章頁(yè)數(shù)】：66 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

電感耦合電路模型

內(nèi)蒙古科技大學(xué)碩士學(xué)位論文22012年Seo等人基于電感耦合方法提出了一種無線能量傳輸?shù)南到y(tǒng)，并研究了不同材料墻體的穿透效果。系統(tǒng)在諧振頻率為1.3MHz的情況下發(fā)生諧振電感耦合，線圈具有相同的尺寸，半徑從5cm~15cm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于最大功率輸出和能量傳輸?shù)男手饕绊懯蔷�圈之間的距離。另外，材料中會(huì)產(chǎn)生寄生效應(yīng)，通過調(diào)節(jié)諧振頻率可以抵消。[6]在文獻(xiàn)[7]中，Imoru等人基于電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)了過薄壁金屬管無線能量傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖1.2所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明金屬管壁厚度為1cm時(shí)，能量傳輸效率為23%。因此，對(duì)于能量需求較小的實(shí)驗(yàn)中，該能量傳輸?shù)姆绞礁鼮閷?shí)用，另外，基于該方式的能量傳輸在制造業(yè)、天然氣等工業(yè)應(yīng)用中有很好的應(yīng)用前景。圖1.2基于電磁耦合的過金屬管的無線能量傳輸（2）電容耦合方式基于電場(chǎng)耦合的電容式能量傳輸技術(shù)(CapacitivePowerTransfer,CPT)，在交流電路中，電容一端的電壓逐漸升高，對(duì)應(yīng)的極板集聚電荷，若該端所接的電路中的電壓下降時(shí)，積聚的電荷將會(huì)返回電路。另外一端也是同樣的原理。在此過程中，電流并沒有流過電容，但是隨著該端電位升高或降低會(huì)產(chǎn)生集聚和釋放電荷的現(xiàn)象。因此，利用電容具有隔直通交的優(yōu)點(diǎn)，通過電壓的升高或降低傳給下一級(jí)電路元件。并且利用隔直通交的優(yōu)點(diǎn)將上一級(jí)放大電路的直流進(jìn)行隔斷，使之在接下來的電路中不會(huì)產(chǎn)生影響。由于電容具有存儲(chǔ)作用，在交流信號(hào)的正半周對(duì)電容進(jìn)行充電，信號(hào)的負(fù)半周使電容進(jìn)行放電，如此不斷的重復(fù)該過程，相當(dāng)于電容能夠通過電流。Liu等人在2009年提出了利用旋轉(zhuǎn)電容耦合的方式實(shí)現(xiàn)無線能量傳輸，文章分別對(duì)空氣和PZT兩種介質(zhì)的介點(diǎn)特性進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于PZT介質(zhì)時(shí)，輸入功率為28.8W時(shí)，輸出電流為3.2A，傳輸效率為42.7%

內(nèi)蒙古科技大學(xué)碩士學(xué)位論文3在文獻(xiàn)[9]中，Huang等人研究了利用電容耦合實(shí)現(xiàn)能量傳輸?shù)募夹g(shù)，并且綜述了該項(xiàng)技術(shù)的基本原理。同時(shí)對(duì)基于電場(chǎng)耦合的電容式能量傳輸技術(shù)可能的耦合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。基于電場(chǎng)耦合的電容式能量傳輸技術(shù)系統(tǒng)的特征是實(shí)現(xiàn)了過金屬壁能量傳輸。并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)具有較低的功耗以及電路的拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，更容易實(shí)現(xiàn)。圖1.3是一種應(yīng)用比較廣泛的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。圖1.3一種典型的基于電場(chǎng)耦合的電容式能量傳輸技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（3）磁共振耦合方式磁共振耦合類似于感應(yīng)耦合，是利用兩個(gè)線圈或者是更多線圈之間的相互作用實(shí)現(xiàn)能量從介質(zhì)的一側(cè)傳輸?shù)搅硗庖粋?cè)的傳遞。在文獻(xiàn)[10]Ishida等人開發(fā)了基于磁共振耦合向金屬密閉容器內(nèi)進(jìn)行無線能量傳輸系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，透過不銹鋼鋼璧傳輸?shù)哪芰繛?W。在金屬壁厚度為10mm的情況下，傳輸距離為120mm時(shí)，系統(tǒng)的傳輸效率為40%。另外，在該金屬壁的情況下，傳輸1.2W的功率去點(diǎn)亮發(fā)光二極管。實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)演示系統(tǒng)如圖1.4所示。圖1.4無線能量傳輸結(jié)構(gòu)示意圖總之，在對(duì)密閉金屬容器進(jìn)行無線數(shù)據(jù)和能量傳輸時(shí)，由于金屬密閉容器對(duì)電磁波有屏蔽的作用[11]，基于電磁波進(jìn)行能量傳輸和數(shù)據(jù)傳輸在金屬壁比較后的情況


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