隨著無(wú)線通信和無(wú)線能量傳輸技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步,超聲波因其具有方向性好、能量大、穿透能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì),在現(xiàn)代化國(guó)防和醫(yī)療等領(lǐng)域里,超聲波攜能通信技術(shù)擁有其獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值。利用超聲波攜能通信技術(shù)為水下傳感器網(wǎng)絡(luò)和植入式醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行智能化供電,能夠在保證能量傳輸效率的同時(shí)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(shù)的發(fā)展還不夠完善,超聲傳能效率的進(jìn)一步提升和超聲通信鏈路的高可用性是兩個(gè)亟待解決的難點(diǎn)問(wèn)題。由于超聲波無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)的諧振狀態(tài)會(huì)隨著換能器探頭間距、傳輸介質(zhì)以及接收端負(fù)載等條件的變化而變化,因此需要找到一種可自動(dòng)跟蹤諧振狀態(tài)的技術(shù)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(wú)線攜能通信系統(tǒng),一方面,通過(guò)設(shè)計(jì)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(lái)提升系統(tǒng)的傳能效率,并采用頻率調(diào)諧和距離調(diào)諧兩種方案來(lái)解決諧振狀態(tài)跟蹤問(wèn)題,從而進(jìn)一步提升了傳能效率。另一方面,設(shè)計(jì)了基于超聲波通信的2ASK調(diào)制解調(diào)電路,測(cè)試達(dá)到了9.6kbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。隨后,對(duì)所搭建的水下超聲攜能通信系統(tǒng)進(jìn)行了性能測(cè)試,結(jié)果... 

【文章來(lái)源】：南京郵電大學(xué)江蘇省

【文章頁(yè)數(shù)】：65 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

水下IoUT平臺(tái)本文所設(shè)計(jì)搭建的水下超聲攜能通信系統(tǒng)，模擬為UWSNs設(shè)備供電及數(shù)據(jù)收集的應(yīng)用

開(kāi)始于21世紀(jì)初，各方面技術(shù)的研究還都相對(duì)較為薄弱。近年來(lái)，重慶大學(xué)的戴欣教授、大連理工大學(xué)的陳希有教授、東南大學(xué)的黃學(xué)良教授、南京郵電大學(xué)曹自平教授等等國(guó)內(nèi)的研究團(tuán)隊(duì)在超聲波無(wú)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(xué)的YinghuiLi,StephenHarrold等人[27]，將容器中充滿水后進(jìn)行通信試驗(yàn)，采用2FSK調(diào)制、非相干解調(diào)方式進(jìn)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(shè)計(jì)如圖1.2所示。當(dāng)利用如圖1.2所示的聚氯乙烯管道進(jìn)行通信時(shí)，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(hào)相位和幅度的畸變，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明，在利用超聲波通過(guò)管道進(jìn)行通信時(shí)，應(yīng)該采用低速率的2FSK調(diào)制的方式，同時(shí)，接收端應(yīng)該采用均衡技術(shù)進(jìn)行解調(diào)。圖1.2水下管道超聲波通信示意圖2011年，東南大學(xué)黃學(xué)良教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)[28]從原理上分析超聲波可在空氣介質(zhì)下進(jìn)行能量傳輸?shù)臋C(jī)制。采用機(jī)電等效和類比的方法建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)聲波能量傳輸理論和電路理論對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行分析，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了負(fù)載阻抗與傳輸功率以及傳輸距離與負(fù)載功率之間的關(guān)系。2013年，華南理工大學(xué)史景倫副教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)[29]設(shè)計(jì)了一個(gè)用于海洋探測(cè)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(guò)20m的條件下，傳輸速

南京郵電大學(xué)專業(yè)學(xué)位碩士研究生學(xué)位論文第二章水下超聲無(wú)線攜能通信系統(tǒng)理論分析12的研究發(fā)現(xiàn)[38]，當(dāng)方柱的厚度和寬度的比值為10:1、壓電功能增強(qiáng)體的體積分?jǐn)?shù)在40%-80%時(shí)，壓電材料可以達(dá)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(shí)，復(fù)合材料的機(jī)電耦合性能就可以達(dá)到最大值的80%，因此本論文實(shí)驗(yàn)中所制備換能器選取高寬比為4.5，壓電體積分?jǐn)?shù)為60%來(lái)進(jìn)行加工制作，所制備出的壓電換能器機(jī)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(fù)合材料在保證所制備復(fù)合材料總體性能的同時(shí)，避免了過(guò)高縱橫比導(dǎo)致的制造時(shí)難以加工、易于損毀等等缺點(diǎn)。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(guò)程中，除復(fù)合材料壓電片的制備環(huán)節(jié)較為關(guān)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(jìn)行攜能通信的性能，本論文實(shí)驗(yàn)所定制換能器的組裝結(jié)構(gòu)如圖2.2所示，而圖2.3所示為探頭實(shí)體。良好的匹配層設(shè)計(jì)具有使換能器與超聲傳輸介質(zhì)有更好的聲學(xué)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(zhì)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(lái)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(yīng)及接收分辨率。常用作背襯材料的有環(huán)氧樹(shù)脂+鎢粉、空氣、硬質(zhì)泡沫等等，本文選用空氣+硬質(zhì)泡沫作為背襯材料。將背襯層、壓電材料和匹配層三者進(jìn)行的良好粘貼之后，最后使用樹(shù)脂材料外殼進(jìn)行封裝，以起到保護(hù)、支撐和絕緣的效果。2.1.2壓電換能器的參數(shù)指標(biāo)和特性（1）壓電振子的厚度振動(dòng)模式壓電振子常?

【參考文獻(xiàn)】：
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本文編號(hào)：3592416