在工業(yè)控制應用中,跨越金屬屏障傳輸數(shù)字信息的需求經常出現(xiàn)。在一些應用程序中,可以通過布線穿透金屬璧,而在另一些應用程序中,這種方法是不可行的,例如有毒的密閉金屬容器等。另外,針對密閉金屬結構,在其金屬壁上進行打孔破壞了結構的完整性,從而導致一系列不必要的損害發(fā)生,還會增加設備的維護費用。為了實現(xiàn)對密閉金屬結構內部信息的獲取,需要在金屬容器內部安裝傳感器,但是由于金屬璧對電磁信號的屏蔽,無法基于電磁波進行數(shù)據(jù)的傳輸且傳輸能量時效率比較低。因此,本文針對上述的問題設計了基于壓電超聲的過金屬璧能量傳輸和信息傳輸系統(tǒng)。通過調查了超聲波信號在跨越金屬屏障的數(shù)據(jù)傳輸中的應用,分析了基于壓電超聲的過金屬璧能量傳輸和信息傳輸?shù)膶嶋H應用需求,設計了應用于由密閉金屬容器內部向外部進行數(shù)據(jù)傳輸以及外部電源通過金屬壁向內部電子設備供電的實驗裝置,設計相應的硬件電路,并對該實驗裝置在實驗室環(huán)境下進行了實驗:1:基于電磁波在進行過金屬璧能量傳輸和信息傳輸時,電磁波信號可能被密閉金屬結構屏蔽,無法實現(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行數(shù)據(jù)傳輸和能量傳輸,并對超聲信號在金屬壁中傳播的過程進行了理論分析... 

【文章來源】：內蒙古科技大學內蒙古自治區(qū)

【文章頁數(shù)】：66 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

電感耦合電路模型

內蒙古科技大學碩士學位論文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。實驗結果表明，對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，材料中會產生寄生效應，通過調節(jié)諧振頻率可以抵消。[6]在文獻[7]中，Imoru等人基于電磁感應原理實現(xiàn)了過薄壁金屬管無線能量傳輸系統(tǒng)結構設計，如圖1.2所示。實驗結果表明金屬管壁厚度為1cm時，能量傳輸效率為23%。因此，對于能量需求較小的實驗中，該能量傳輸?shù)姆绞礁鼮閷嵱茫硗�，基于該方式的能量傳輸在制造業(yè)、天然氣等工業(yè)應用中有很好的應用前景。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耦合的電容式能量傳輸技術(CapacitivePowerTransfer,CPT)，在交流電路中，電容一端的電壓逐漸升高，對應的極板集聚電荷，若該端所接的電路中的電壓下降時，積聚的電荷將會返回電路。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產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，通過電壓的升高或降低傳給下一級電路元件。并且利用隔直通交的優(yōu)點將上一級放大電路的直流進行隔斷，使之在接下來的電路中不會產生影響。由于電容具有存儲作用，在交流信號的正半周對電容進行充電，信號的負半周使電容進行放電，如此不斷的重復該過程，相當于電容能夠通過電流。Liu等人在2009年提出了利用旋轉電容耦合的方式實現(xiàn)無線能量傳輸，文章分別對空氣和PZT兩種介質的介點特性進行了研究。實驗結果表明，對于PZT介質時，輸入功率為28.8W時，輸出電流為3.2A，傳輸效率為42.7%

內蒙古科技大學碩士學位論文3在文獻[9]中，Huang等人研究了利用電容耦合實現(xiàn)能量傳輸?shù)募夹g，并且綜述了該項技術的基本原理。同時對基于電場耦合的電容式能量傳輸技術可能的耦合結構進行了分析�；陔妶鲴詈系碾娙菔侥芰總鬏敿夹g系統(tǒng)的特征是實現(xiàn)了過金屬壁能量傳輸。并通過實驗驗證了該系統(tǒng)具有較低的功耗以及電路的拓補結構較為簡單，更容易實現(xiàn)。圖1.3是一種應用比較廣泛的系統(tǒng)結構。圖1.3一種典型的基于電場耦合的電容式能量傳輸技術系統(tǒng)結構（3）磁共振耦合方式磁共振耦合類似于感應耦合，是利用兩個線圈或者是更多線圈之間的相互作用實現(xiàn)能量從介質的一側傳輸?shù)搅硗庖粋鹊膫鬟f。在文獻[10]Ishida等人開發(fā)了基于磁共振耦合向金屬密閉容器內進行無線能量傳輸系統(tǒng)。實驗結果表明，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，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的功率去點亮發(fā)光二極管。實驗原理及實驗演示系統(tǒng)如圖1.4所示。圖1.4無線能量傳輸結構示意圖總之，在對密閉金屬容器進行無線數(shù)據(jù)和能量傳輸時，由于金屬密閉容器對電磁波有屏蔽的作用[11]，基于電磁波進行能量傳輸和數(shù)據(jù)傳輸在金屬壁比較后的情況


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