一种用于密闭金属容器内置设备充电的装置 |
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| 申请号 | CN201610446682.8 | 申请日 | 2016-06-20 | 公开(公告)号 | CN107528390A | 公开(公告)日 | 2017-12-29 |
| 申请人 | 中国科学院声学研究所; | 发明人 | 王俊; 张碧星; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供了一种用于密闭金属容器内置设备充电的装置，包括： 信号 发生器(1)、超声发射换能器(9)、超声接收换能器(11)；所述的信号发生器(1)和超声发射换能器(9)连接，所述超声发射换能器(9)的 辐射 端与超声接收换能器(11)的接收端分别贴于密闭金属容器(5)的外壁和内壁上，并保持相对设置后形成超声 能量 传输通道(4)；所述的超声发射换能器(9)将信号发生器(1)激发的 电信号 转换为 超 声波 后，输出至超声接收换能器(11)；所述的超声接收换能器(11)将接收到的 超声波 重新转换为电信号输出至密闭金属容器(5)内置的设备。该装置在不破坏金属容器结构完整性的情况下对容器内设备进行无线输能。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于密闭金属容器内置设备充电的装置，其特征在于，包括：信号发生器(1)、超声发射换能器(9)、超声接收换能器(11)；所述的信号发生器(1)和超声发射换能器(9)连接，所述超声发射换能器(9)的辐射端与超声接收换能器(11)的接收端分别贴于密闭金属容器(5)的外壁和内壁上，并保持相对设置后形成超声能量传输通道(4)；所述的信号发生器(1)根据换能器的工作频率产生所需频率的持续正弦波信号，所述的超声发射换能器(9)将信号发生器(1)激发的电信号转换为超声波后，输出至超声接收换能器(11)；所述的超声接收换能器(11)将接收到的超声波重新转换为电信号输出至密闭金属容器(5)内置的设备。 |
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| 说明书全文 | 一种用于密闭金属容器内置设备充电的装置技术领域背景技术[0002] 近年来，如何定向向密封环境下工作的电子设备进行充电，引起了人们极大的兴趣。对各种特殊环境(如密封仪器、密闭装置等)内的电子设备进行供电时，由于这些环境的特殊性无法采用常规的供电模式。例如：为了确保潜水艇的可靠性(结构完整性和气密性等)，潜艇中许多装置的密封外壳是不能随便打开的，但其内部电子仪器自身携带的电池在工作一段时间后必须充电。同样的问题也发生在人造卫星、核电站、坦克等特殊环境需求设备上。为此，非接触式电能传输技术因为其安全性高,无需电路连接维护,能够实现完全气密性、防水性和无人化管理的充电功能，近年来一直备受国际学术界关注。 [0003] 目前，实现非接触式电能传输的方法,主要包括电磁耦合、电磁共振感应、激光和微波方式。其中电磁耦合是能量传输技术中研究和应用最为广泛的技术。但是电磁波在固体和液体介质中衰减迅速，根据法拉第电磁屏蔽效应，利用电磁波透过金属无法进行有效的无线输能，而且该方法的电磁辐射严重，极易对整个系统产生额外干扰，所以并不适合于密封环境下工作的电子设备进行无线输电。 [0005] 在专利号为ZL201120057880.8的授权公布文献中公开了一种超声波能量传输系统，针对架空线路与电缆为主流的电能输送方式在特殊环境下非常脆弱，其提出了通过金属杆作为超声波传输介质对小功率仪器、仪表提供工作电源的一种超声波能量传输系统。新电能源传输通道有很强的抗机械损坏能力，同时具有抗高温、高压，耐水浸，避免短路现象产生的特点，但是该系统仅适用于为小功率仪器提供电能，并且要求传递介质为横截面直径为4mm～70mm的圆柱形金属。 [0006] 在专利申请号为201110443083.8的公开文件中公开了一种基于压电陶瓷的超声波无线输电装置，其提出的一种超声波无线输电装置解决了现有技术中采用电磁耦合及磁共振方式进行无线输电所存在电磁干扰的问题。 [0007] 在专利申请号为201410423492.5的公开文件中公开了一种超声波无线输电系统，其提出的一种多级的超声波无线输电系统，有效地提高了超声波作用距离。 [0008] 综上所述，尽管利用超声波进行无线输能得到越来越多的应用，但是，目前并没有一种针对密闭金属容器进行超声输能的系统。 发明内容[0009] 本发明的目的在于，本发明是针对密闭金属容器进行无线充电而提出的一种充电装置，从而解决向密封环境下工作的电子设备进行无线充电的问题。 [0010] 为实现上述目的，本发明提供的一种用于密闭金属容器内置设备充电的装置，包括：信号发生器、超声发射换能器、超声接收换能器；所述的信号发生器和超声发射换能器连接，所述超声发射换能器的辐射端与超声接收换能器的接收端分别贴于密闭金属容器的外壁和内壁上，并保持相对设置后形成超声能量传输通道；所述的信号发生器根据换能器的工作频率产生所需频率的持续正弦波信号，所述的超声发射换能器将信号发生器激发的电信号转换为超声波后，输出至超声接收换能器；所述的超声接收换能器将接收到的超声波重新转换为电信号输出至密闭金属容器内置的设备。 [0011] 作为上述技术方案的进一步改进，还包括：功率放大器、发射匹配网络和接收匹配网络；所述的功率放大器将信号发生器产生的正弦波信号放大到合适功率；所述的发射匹配网络用于实现前端各级电路与超声能量传输通道的阻抗匹配，使输出至超声发射换能器的能量最大化；所述的接收匹配网络用于实现超声能量传输通道与后续各级电路的阻抗匹配，使能量传输效率最大化。 [0012] 作为上述技术方案的进一步改进，还包括电压转换与储能电路；所述的电压转换与储能电路和超声接收换能器的输出端连接，用于将超声接收换能器转换得到的电信号进行整流滤波，并根据需要充电的设备的电压需求将电信号转换到合适电压。 [0013] 作为上述技术方案的进一步改进，所述超声发射换能器与超声接收换能器均采用夹心式压电陶瓷超声换能器。 [0014] 作为上述技术方案的进一步改进，所述超声发射换能器的辐射端与密闭金属容器外壁之间、超声接收换能器的接收端与密闭金属容器内壁之间均采用耦合剂粘接。 [0015] 本发明的一种用于密闭金属容器内置设备充电的装置优点在于： [0016] 主要通过压电换能器将电能转化为所需的超声波,超声波透过密封外壳后,再由压电器件转换成电能传送给电子设备。本发明可以在不破坏金属容器结构完整性的情况下对容器内设备进行无线输能，且具有能量损耗低、良好的指向性、高传输效率，不会产生额外的电磁辐射干扰的优点。附图说明 [0017] 图1为本发明的一种用于密闭金属容器内置设备充电的装置结构示意图。 [0018] 图2为本发明实施例中的一种用于密闭金属容器内置设备充电的装置结构示意图。 [0019] 图3为本发明实施例中的超声能量传输通道的结构示意图。 [0020] 图4为本发明实施例中的夹心式压电陶瓷超声换能器的结构示意图。 [0021] 图5为采用图4中示出的夹心式压电陶瓷超声换能器的超声能量传输通道结构示意图。 [0022] 附图标记 [0023] 1、信号发生器 2、功率放大器 3、发射匹配网络[0024] 4、超声能量传输通道 5、密闭金属容器 6、接收匹配网络[0025] 7、电压转换与储能电路 8、仪器 9、超声发射换能器[0026] 10、耦合剂 11、超声接收换能器 12、紧固支架[0027] 13、压电陶瓷元件 14、金属前盖板 15、金属后盖板[0028] 16、绝缘套管 17、预应力螺栓 具体实施方式[0029] 下面结合附图和实施例对本发明所述的一种用于密闭金属容器内置设备充电的装置进行详细说明。 [0030] 如图1所示，本发明的用于密闭金属容器内置设备充电的装置主要由超声波发射和接收两部分组成，包括：信号发生器1、超声能量传输通道4如图2所示，其中超声能量传输通道4由超声发射换能器9和超声接收换能器11组成，即所述的信号发生器1和超声发射换能器9连接，所述超声发射换能器9的辐射端与超声接收换能器11的接收端分别贴于密闭金属容器5的外壁和内壁上，并保持相对设置后形成超声能量传输通道4。所述的信号发生器1用于根据换能器工作频率产生所需频率的持续正弦波信号。所述的超声能量传输通道4主要用于电能与机械能之间的转换，其中超声发射换能器9将激发的电信号转换为超声波即机械能，超声波透过密闭金属容器5的金属层后，由超声接收换能器11接收并重新转换为电信号输出至密闭金属容器5内置的需要供电的仪器8。 [0031] 基于上述结构的装置，如图2所示，该装置还包括：功率放大器2、发射匹配网络3、接收匹配网络6、电压转换与储能电路7；功率放大器2用于将信号发生器1产生的正弦波信号放大到合适功率，从而驱动后续电路。所述的发射匹配网络3用于完成前端各级电路与超声能量传输通道4的阻抗匹配，使到达超声发射换能器9的能量最大化。所述的接收匹配网络6用于超声能量传输通道4与后续各级电路的阻抗匹配，使能量传输效率最大化。所述的电压转换与储能电路7用于将超声接收换能器11转换得到的交流电信号进行整流滤波并根据需要供能的仪器8的电压需求，将信号转换到合适电压。需要供能的仪器8可以是密闭金属容器5内任何需要供电的仪器，包括：各类检测仪器、传感器、通信系统等。 [0032] 所述的前端各级电路指发射匹配网络3之前的电路：信号发生器1和功率放大器2和连接电缆；后续各级电路指功率放大器2之后的电路：超声能量传输通道4、电压转换与储能电路7及所需驱动的仪器8。 [0033] 发射匹配网络3将源阻抗(信号发生器器1和功率放大器2的输出阻抗)转换成超声能量传输通道4输入阻抗的共轭值；接收匹配网络6将超声能量传输通道4后所接电路的负载阻抗转换为超声能量传输通道4的输出阻抗共轭值，从而有效减少能量反射，最大程度地提高能量传输效率。 [0034] 如图3所示，本发明的装置可采用粘结用耦合剂10将超声发射换能器9和超声接收换能器11固定在密闭金属容器5金属层表面，并起到耦合剂的作用。耦合剂的作用主要是排除超声换能器与金属板之间的微小空隙，防止空隙间的微量空气影响超声的穿透。另外，本发明中设置的耦合剂还起到将换能器粘结在金属层表面的作用。 [0035] 经过实际测试，根据密闭金属容器5金属属性和厚度选择合适频率和大小的超声发射换能器9和超声接收换能器11，并设计相应的发射匹配网络3，接收匹配网络6可使超声能量传输通道4的能量传输效率达到50％以上，具有极大的实用性。另外，当所需传输功率过大，达到百瓦甚至千瓦级别时，使用单一的压电陶瓷作为超声发射换能器9和超声接收换能器11极易被振碎，粘结用耦合剂10也极易脱落，此时超声发射换能器9和超声接收换能器11应选用夹心式压电陶瓷超声换能器，在增加换能器功率容量的同时保证压电陶瓷片不破裂，所述夹心式压电陶瓷超声换能器的基本结构如图4所示，其设有若干个堆叠在一起的压电陶瓷元件13，并通过预应力螺栓17依次穿过金属后盖板15、压电陶瓷元件13后，固定于金属前盖板14上，该预应力螺栓17的外表套设有绝缘套管16。 [0036] 此时的超声能量传输通道4如图5所示。增设紧固支架12，通过预应力螺栓17将超声发射换能器9和超声接收换能器11固定在密闭金属容器5表面。其中紧固支架12形式多样，可根据实际情况进行设计。 [0037] 由上述结构的装置进行充电测试的结果可知，本发明的充电装置能够有效地向对密闭金属容器内进行无线充电，并可进行大功率无线能量传输。该装置充分发挥了超声输能优势，在未来的军事、航空航天、生物医疗等领域具有巨大优势和发展前景。 |
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