超声耦合无线传能系统金属介质传输效率研究

闫孝姮 姜亚雷 陈伟华 朱正印

(辽宁工程技术大学电气与控制工程学院 辽宁 葫芦岛 125105)

0 引 言

在一些高温、高压、放射性及水下等特殊金属环境如汽潜艇壳体、压力容器、炮弹壳体，要对其内部的传感器进行充电，如果采用打孔引线来实现，就会破坏其结构的完整性，对其安全性造成一定的影响[1-2]。由于磁耦合谐振式的无线电能传输方式在金属环境中，会有涡流效应的产生，这将导致系统产生大量热量造成能量损失以及系统破坏[3]。压电材料与金属材料比较相似的声阻抗特性，使超声波对金属具有良好的透射能力，因此超声耦合无线传能系统，可在密闭的金属环境中实现高效的能量传输[4-5]。该技术良好的安全性能和便捷性能，使它海洋、矿山、医疗、航空航天、生物、军事、石化等比较特殊的环境中具有非常广阔的应用前景[6-8]。为了研究不同金属介质在超声无线传能系统中的传输特性，本文设计了一套采用压电换能器的金属介质超声无线传能实验系统，其中包括高频信号产生、功率放大以及发射端与接收端阻抗匹配等模块。在该实验平台，分别对铁、铝、铜三种金属作为传输介质时的超声无线传能系统进行实验。

1 超声无线传能系统的结构

超声耦合无线电能传输系统包括函数发生器、功率放大器、发射端阻抗匹配模块、发射换能器、金属介质、接收换能器、接收端阻抗匹配模块以及负载等几部分组成。其系统结构如图1所示。其中函数发生器和功率放大器构成超声信号源，通过发射端阻抗匹配模块进行阻抗匹配，使发射端压电换能器能够获得理想的电信号，压电换能器将电信号转化为超声信号。超声波通过在金属介质中的传递，进入接收换能器中，接收换能器利用逆压电效应将超声波再转化为电信号，经接收端阻抗匹配模块的处理，为负载提供理想的电能，从而实现产生无线传能的效果。

图1 超声无线传能系统结构图

2 超声传能系统金属介质传输特性分析

由文献[9]可知，声能的衰减可分为扩散衰减、吸收衰减和散射衰减三种类型。扩散衰减主要跟换能器特性有关，而吸收衰减和散射衰减主要受介质特性的影响。从声学角度来分析，介质传输特性对超声无线传能系统的性能影响是比较复杂的物理过程。本文从机电等效原理引入的M值出发，通过实验直接验证不同金属介质传输特性对超声无线传能系统的性能影响。根据压电换能器工作原理和机电等效原理[10-11]，可得系统的等效电路模型如图2所示，超声无线传能系统由发射端和接收端组成。图中下标符号1和2的Cp、L、C、R，分别表示发射端和接收端的静态电容、动态电感、动态电容、换能器的机械损耗电阻与负载电阻的和。

图2 系统等效电路模型

当发射端施加激励电压的频率与换能器的串联谐振频率相同时，发射端与接受端发生机械共振。此时系统中L1和C1，L2和C2分别发生串联谐振时，压电换能器的振幅最大，弹性能量最大，换能器在串联谐振频率点fs上工作，系统可获得最大的电能传输能力。可得到简化的系统等效电路模型如图3所示。其中接收端输入电压可以看作为一个大小为Mi的电流控制电压源(ccvs)，其中动态支路电流i和控制系数M，分别反映了发射换能器振子的振速和超声波在耦合介质中传播时振幅衰减的大小。

图3 系统简化等效电路模型

由图3可知，接收端输出电压为：

(1)

(2)

由式(1)、式(2)可知，当系统参数确定后，系统的输出电压U0仅与控制系数M值有关，而M的值与超声波在金属介质中的扩散损耗、散射损耗以及金属介质对超声波的吸收损耗有关。

3 超声耦合无线传能系统设计

3.1 信号产生模块设计

本文采用的信号产生模块，是一种由单片机对高频函数发生器MAX038芯片进行程序控制的函数发生器。该发生器能够输出正弦波、三角波和方波三种信号波，输出信号的频率可通过程序控制在0.1 Hz～20 MHz范围内，具有输出波形稳定，失真度小等优点。

3.2 功率放大模块设计

目前供无线电能传输系统的高频电源电路主要有全桥逆变电路和E类放大电路。全桥电路是对直流电源进行逆变产生正负交替的方波交流电，而E类放大电路是对直流电进行斩波产生正和零交替的高频方波。由于拓扑结构和控制方法的不同，两种电路适用于不同的场合。

3.2.1 全桥电路

全桥电路如图4所示，将开关管VT1、VT4作为一组一起导通，VT2、VT3作为一组一起导通，两组MOS管轮流通断，依靠MOS管的通断控制电流的流通路径。这样在阻感负载上就会产生高低电平交替变化的矩形波电压信号，其幅值和输入电压相同。但是在全桥电路换流过程中，需要防止一组桥臂两个MOS管一起开通而致使电路短路，需要留有一定的死区时间，控制相对复杂，并且受制于开关器件开关速度的限制。因此全桥逆变电路更适合逆几百赫兹以下的大功率、低频的谐振式无线电能传输系统[12]。

图4 全桥逆变电路

3.2.2 E类放大电路

E类放大电路如图5所示，整个电路仅有一个开关管。与全桥电路相比，E类电路结构简单，激励信号只控制一个开关管的开通和关断，可以产生较高频率的电源，但是开关管承受的电压为全桥电路的两倍。因此E类放大电路更适合为高频、中小功率的无线电能传输供电。目前的研究表明，E类放大电路能产生高频电源(MHz)，传输效率的理论值可以达到100%，因此采用E类放大电路更合适。

图5 E类放大电路

图5中电感L0为电源供电端的输入电感，起到扼流作用，应该足够大，以保证流过电感L0的电流I0为恒定值。C0为开关管的旁路电容，可以保证开关管处于软开关状态。L1、C1为无线传输系统的发射部分，其电路的工作原理为：在信号Vdrain的激励作用下，当开关管导通时，电容C0被短路，L1、C1两端的电压近似为零；当开关管关断时，电源Vdc对L1、C1电路充电，谐振电路两端的电压为近似为Vds。在一个周期内，由于C0的存在，使开关管处于软开关状态，L1、C1的二端口网络在幅值为Vds，周期为激励信号频率的方波激励下处于串联谐振状态。

3.3 发射接收端阻抗匹配模块

根据系统电路对外表现为容性的特性，可采用串、并联电感的方式进行调谐，使其电路对外成纯电阻特性，其等效电路如图6所示。

(a) 串联电感匹配等效电路

(b) 并联电感匹配等效电路图6 换能器匹配电路

由图6(a)可知在系统工作在串联谐振频率fs处时，其等效总输入阻抗Zi可表示为：

(3)

为使换能器系统对外表现为纯电阻的工作状态，可令Zi的虚部等于零，进而得串联电感Ls的大小为：

(4)

由图6(b)可得，在fs处换能器的等效输入阻抗Zi为：

(5)

令虚部为零，得并联电感Lp的大小为：

(6)

对于系统的发射端而言，发射换能器的阻抗匹配网络不但要能消除换能器的容性无功，还应起到阻抗变换的作用，使其等效电阻Re上获得可控的功率。本文采用LC阻抗匹配网络如图7所示，由并联电容和串联电感构成。通过调整匹配电感L和匹配电容C的值，系统可以实现调谐和阻抗变换，使输入电压电流同相位和等效输入阻抗Zi的值可控，进而获得可控的系统功率。

图7 发射换能器LC匹配电路

匹配后换能器的输入阻抗为：

(7)

为消除系统容性无功，可令阻抗虚部为零，设系统等效输入阻抗的期望值为RT，则有：

(8)

(9)

故匹配电容和电感的值分别为：

(10)

(11)

匹配后，换能器与匹配网络整体的电品质因数为：

(12)

对于系统接受端而言，要求得到稳定的输出、较大的有功功率，同样需要做匹配网络。由前文分析可知，接收端可等效为受控电压源，故匹配后系统的等效输出阻抗应为纯电阻。本文采用LC匹配网络，对系统进行调谐和阻抗变换，以满足系统的要求。其等效电路如图8所示。

图8 接收换能器LC匹配电路

令Mie=0，则其分析过程与发射端LC匹配一致，则可得匹配电容、电感为：

(13)

(14)

式中：RL为接收换能器等效输出阻抗的期望值。

4 超声无线传能系统实验

4.1 实验装置

系统发射和接收换能器均采用同型号压电换能器，换能器参数为：中心频率28 kHz，电容Cp值为5.2 nF，电阻Re值为200 Ω。负载为纯阻性滑动变阻器，阻值在0～100 Ω之间。发射端换能器激励电压为50 V。实验平台如图9所示。

图9 超声无线传能系统实物图

发射端输入阻抗RT取50 Ω，换能器参数代入式(10)、式(11)，即可求出匹配电容值为44.05 nF,电感值为0.66 mH。同理，接收端RL取100 Ω，换能器参数代入式(13)、式(14)，即可求出匹配电容值为23.20 nF，电感值为0.57 mH。

系统中金属介质分别采用长宽为20 cm×20 cm，厚度为2 mm的铜板、铝板和铁板作为超声传能系统中超声传播的介质材料进行实验。板子材料如图10所示。

① 铜板 ② 铝板 ③ 铁板图10 金属介质

4.2 实验分析

该超声无线传能系统的负载RL=100 Ω时，三种金属接收端电压电流波形如图11所示。金属铝为介质时发射端输入电压有效值Ui=36.8 V，输入电流Ii=138.6 mA,电压电流相位差φ=-6°，接收端电压UL=3.28 V；金属铁为介质时发射端输入电压有效值Ui=36.8 V，输入电流Ii=123.0 mA,电压电流相位差φ=-4°，接收端电压UL=2.66 V；金属铜为介质时发射端输入电压有效值Ui=36.8 V，输入电流Ii=108.2 mA,电压电流相位差φ=-4°，接收端电压UL=2.09 V。

(a) 金属铝电压电流波形

(b) 金属铁电压电流波形

(c) 金属铜电压电流波形图11 接收端电压电流波形

金属铝为介质时发射端功率：

Ps1=UiIicosφ=3.334 W

金属铝为介质时接收端功率：

金属铝为介质时系统效率为：

金属铁为介质时发射端功率：

Ps2=UiIicosφ=3.200 W

金属铁为介质时接收端功率：

金属铁为介质时系统效率为：

金属铜为介质时发射端功率：

PL3=UiIicosφ=2.603 W

金属铜为介质时接收端功率：

金属铜为介质时系统效率为：

由以上数据可知，金属铝为介质时的传输效率比金属铁金属铜分别增加了45.5%，91.1%。铝金属在超声无线传输系统中的传输性能明显优于其他两种。

在不同金属介质情况下，最终得出负载RL变化时负载电压UL的变化情况，如图12所示。由图可知，随着负载的增大，负载端接收到的负载电压整体趋向于增大；同时，在同一负载情况下，超声波经过不同介质传输到负载端的负载电压不同，经过铜板和铁板传输的超声波转化到负载端时电压值都比较低，而经过铝板传输的负载电压值均高于铜板和铁板。

图12 负载RL变化时负载电压UL的变化趋势

目前，该系统在金属铝为介质时，发射端功率可达到3.334 W，接收端功率可达到0.108 W,系统传输效率还比较低。系统的高频信号产生模块未进行频率自动跟踪的设计，故对于系统中的谐振频率漂移问题还不能有效解决。而且，目前对于系统的阻抗匹配问题仅采用静态匹配方式，对于系统长时间工作等因素产生的系统参数变化问题，还不能得到有效的调整。

5 结 语

本文搭建了采用压电换能器的金属介质超声无线传能系统实验平台，实现了超声波隔金属介质的无线电能传输。该系统以超声波作为能量传输媒介，基于机械共振实现能量的无线传输，可用于对无线传感器等微功耗电子设备进行无线供电。而利用超声波无线能量传输这种方式与磁耦合、磁共振、微波等无接触能量传输方式相比，不会产生电磁干扰，因此不会给无线传感器带来电磁干扰。同时，实验在系统参数确定的情况下，对铁、铝、铜三种介质下的系统输出电压以及负载变化时输出电压的变化趋势做了对比，实验结果表明，金属铝具有良好的传输特性。