一种基于非厄米差频线圈阵列的异物检测方法

余跃

（同济大学物理科学与工程学院，上海 200082）

0 引言

近年来，随着科学技术的革新，无线电能传输（Wireless Power Transfer, WPT）因其具有的便携性、低损耗性、使用场景灵活等特性，越来越受到人们的广泛关注，其应用也越来越广，如水下传能[1]，为电动汽车[2-3]和心脏起搏器[4]充电。尤其是麻省理工学院Marin Soljacic教授团队于2007年提出的一种磁共振耦合无线电能传输的方案[5]，更是为无线传能打开了研究空间。然而在实际的无线电能传输过程中，磁耦合WPT往往会受到周围环境的影响，如金属和非金属磁性材料等异物落入无线传能系统中，就会产生涡流效应导致金属本身急剧升温，继而可能引发火灾，引发安全事故，同时在传输过程中由于金属异物的损耗，整个系统的传能效率会降低。这些问题都对无线传能系统中的异物检测提出了迫切的要求。

针对这一问题，国内外学者进行了一系列的研究。有的通过检测系统的物理特征是否发生变化来实现异物的检测，如吴坤[6]等提出一种基于声波的异物检测方法：在发射线圈上放置检测平台，平台中央装有一个声波发生器，四周则装有一系列声波接收器，通过接收器接收到的声波信号判断是否存在异物。有学者[7]则提出一种检测热能损耗的方法：搭建一个检测电路和分析功率的装置，采集系统的功率，分析功率的损耗，若测得功率的损耗大于1.5W，即超过了报警阈值，则判断有金属异物。还有的通过检测无线传能系统的系统参量变化来实现异物检测，如通过检测系统的工作频率[8]，接收线圈的Q值[9]等，来判断无线传能系统是否有金属异物。这些方法中，基于检测系统物理特征变化的方法成本高，占用空间大，结构复杂。基于检测工作频率，Q值等系统参数变化的方法，虽然结构简单，占用空间小，但是这些系统参量不易测量，且检测精度和灵敏度较低，对体积较小的金属异物难以检测，同时难以确定异物落入的位置。而耦合模理论指出[10]，共振线圈的本征频率和驱动频率的变化，会引起共振线圈振幅的变化，而振幅可以通过电压表现出来。因此，本文利用异物落入时引起检测单元的振幅参量发生变化的现象，设计了一个4×4单元的异物检测线圈阵列。当异物落入时，通过对线圈阵列的各个检测单元进行独立的检测，观察被检测单元线圈上电压的变化，并计算其相对无异物时被检测单元上电压的变化率，来实现对金属异物的检测，并判断异物落入的大概位置。

1 理论分析

1.1 单共振检测单元的理论模型

一个单共振检测单元，包含一个输入端口，一个非共振驱动线圈和一个共振线圈，如图1所示。其中非共振驱动线圈接入驱动频率为ω的信号发生器，ω0是共振线圈的本征频率，γ是非共振驱动线圈到共振线圈的能量耦合速率，Γ是共振线圈的本征损耗速率。

图1 单共振检测单元模型示意图

由于系统为单向的，是仅有发射端的无线传输系统，因此，共振线圈的耦合模方程为：

其中ω是单个检测单元的输入频率，即驱动频率，a是共振线圈的振动，，因此(1)中的相位项可以约去：

上述理论推导表明，欲使振幅|A|最大，则需使最小，即ω=ω0。因此，在接下来的模型设计中，在非共振驱动线圈接入的输入口，信号发生器设定的频率ω应为ω0；当单共振线圈单元附近有异物时，异物会引起共振线圈本征频率ω0发生漂移，导致振幅|A|变小，且异物引起的ω0变化越大，振幅|A|的相对变化率就越大。

1.2 单共振线圈检测阵列的理论模型

基于上述单共振检测单元的理论分析，我们还可以将上述检测单元进行拼接，构造检测阵列。本文设计了一个4×4个检测单元的平面检测阵列，如图2所示。

图2 4×4个单共振检测单元组成的检测阵列示意图

对于这个检测阵列，每次测量时皆对每一个检测单元进行独立检测，检测振幅|A|的相对变化率，如果在某一个检测单元上测得振幅|A|相对变化大，那么则可以判定异物在平面上所处的位置。在该阵列中，如果所有检测单元的本征频率相同的话，那么当其中一个检测单元附近有异物时，该检测单元和相邻检测单元会谐振，频率都会发生变化，导致无法判定异物位置。因此，为了解耦，令相邻的检测单元本征频率不同，分别为ω1和ω2；同时，互为对角的检测单元耦合影响可忽略，因此，整个检测阵列只需要两个不同频率即可[11]。

2 实验结果与分析

2.1 样品制备

根据之前的理论分析，我们可以设计试验样品。为了控制手绕误差，我们采用PCB打样技术制作样品，在PCB基板两面蚀刻铜带线作为检测单元的非共振驱动线圈和共振线圈，并在共振线圈的两端预留焊盘，通过在焊盘上焊接集总电容来调节共振线圈的本征频率。

将单个检测单元拼接在一起，则得到一个尺寸为16cm×16cm的检测线圈阵列，为了便于区分及记录数据，我们将检测单元从1～16进行了标号，如图3所示。其中，序号为1、3、6、8、9、11、14、16单元，其共振频率调节为7.5MHz；序号为2、4、5、7、10、12、13、15单元，其共振频率调节为6.5MHz。

图3 16cm×16cm检测阵列样品

2.2 实验验证

我们将待检测单元的非共振驱动线圈接入信号发生器，共振线圈通过差分探头接入示波器。信号发生器给出正弦波，电压值设置为10V，频率设置为待检测单元的共振频率——若检测序号为1、3、6、8、9、11、14、16的检测单元，频率设为7.5MHz，若检测序号为2、4、5、7、10、12、13、15的检测单元，频率设为6.5MHz。示波器检测的是电压峰峰值，即振幅|A|，实验装置示意图如图4所示，其中左边的线圈是驱动线圈，右边的线圈是共振线圈。

图4 实验装置示意图

在实验中，每次实验我们都将一个检测单元接入实验平台，即待检测单元，分别将三种异物放入不同位置点，用示波器测量检测单元的振幅，与无异物时待检测单元的振幅作比较，得出振幅相对变化率，即可判断待检测单元附近是否存在异物，以及落入异物的位置。实验中待检测单元的异物检测位置点如图5所示，以待检测单元中心为原点检测点，向X轴正方向和X轴负方向每间隔1 cm设置一个检测点，共11个检测点，其中“±1、0”三个检测点位于待检测单元上，“±2”两个检测点位于待检测单元和近邻单元的公共边上，“±3、±4、±5”六个检测点位于近邻单元上。

图5 异物检测位置点

异物检测平面阵列存在对称性，因此只对编号为1、2、3、4、6、7的检测单元进行了检测。实验结果如图6所示，其中，蓝色代表一元硬币的电压相对变化率，红色代表一脚硬币的电压相对变化率，绿色代表隔磁片的电压相对变化率[12]。

图6 异物落入不同位置时被检测单元的电压相对变化率

实验结果表明，在被检测单元的范围内（-2cm～2cm），如果落入异物，共振线圈两端的振幅变化率均大于10%，说明该线圈检测阵列可以通过振幅变化率有效检测异物的存在；而当异物落入被检测单元范围外（-5cm～-2cm和2cm～5cm）时，振幅变化率几乎为零，说明该异物检测阵列可以判断异物落入的位置。此外，异物越靠近被检测单元的中心，异物的尺寸越大，则振幅变化率越大，说明该异物检测阵列同样可以判断异物的尺寸以及所在的位置。

3 结语

本文设计了一种由两种不同频率的检测单元组成的异物检测线圈阵列，实现了对异物的检测。该设计的创新点在于，不仅可以检测金属异物，也可以检测铁氧体，扩大了异物检测范围；同时通过近邻单元频率不同解耦的方式，实现对异物位置的判断，并且检测单元面积小，可以检测尺寸很小的异物，且检测单元可自由拼接。因此该检查方法可以适应不同环境，具有很强的实用性。