已经知道，能够使功率传输装置耦连到功率接收装置的无触点电源 (power supply)和传输系统包括数据采集器件，用于采集功率接收装置中 设置的各种传感器所提供的数据。
传统上，这种功率接收装置就其电源来说不是自备(self-contained)的。
通过功率传输装置的所谓初级绕组与功率接收装置的所谓次级绕组之 间的磁耦合，功率传输装置不需要电触点就能耦连到功率接收装置，从而向 功率接收装置供电，并向它分配一定量的数据，数据中特别包括这样的指令， 功率接收装置通过传输其传感器提供的数据来响应这些指令。
传统上，功率传输装置与所耦连的功率接收装置之间的数据传输是根据 类似于载波电流的技术来进行的，也就是说，对产生初级绕组到次级绕组的 磁通的交变电流进行调制，调制频率充分大于交变电流频率，从而在功率传 输装置与功率接收装置之间传送信号。
这种已知技术的缺点是需要特殊的调制/解调电路，这种调制/解调电路 消耗电能，因此限制了功率传输装置的有效能量，且必须满足功率传输装置 的电路及其所能耦连的功率接收装置的电路的电能需要。
此外，即使调制技术能提高数据率，但是是脆弱的，易受干扰的影响。
例如，专利文献US 2005/063488描述了用于发射器与接收器之间的无触 点电源和传输系统，其中对发射器的信号进行频率调制以传输数据。
更特别地，发射器使用频移调制方法(FSK，即“频移键控”)将数据 传送到接收装置。
这种对发射器的信号进行频率调制的技术使得难以将接收器与发射器 同步，因此使数据传输变得困难。
此外，这种技术要求发射器和接收器中有调制/解调电路，因此使系统更 加复杂，并且耗能。
特别地，US 2005/063488的接收器包括多相解调器，能根据传输装置产 生的信号提供数据流和时钟信号。

本发明的目的是克服无触点电源和数据传输领域中现有技术的局限性， 并提出一种简单、耐用、有能效的新系统。
因此，根据本发明的第一方案，我们提供一种无触点电源和无触点数据 传输系统，该系统包括发射器和接收器，所述发射器具有电能源，所述接收 器就其电源来说不是自备(self-contained)的，其中所述发射器和所述接收 器分别包括初级绕组和次级绕组，所述初级绕组和所述次级绕组能处于磁通 传送关系，所述发射器包括用于向所述初级绕组提供低频交变电源电流的电 路，从而在所述次级绕组上产生用于所述接收器电源的电流，所述发射器和 所述接收器具有数据传输电路，所述数据传输电路连接到所述初级绕组和所 述次级绕组，所述系统中，所述发射器一侧的所述数据传输电路能选择性地 直接修正所述交变电源电流的波形，所述接收器一侧的所述数据传输电路能 检测这种波形修正，从而从所述发射器向所述接收器分别传输对应于不同波 形的不同值的数据，其中所述交变电源电流的频率恒定。
如上所述，为了在所述发射器与所述接收器之间传输数据，现有技术的 系统在电源电流上叠加载波电流。
但是，为了在发射器与接收器之间传输数据，根据本发明的系统提供在 不改变电源电流的周期或频率下直接修正电源电流的波形。这使得传送到接 收器的功率传递的效率始终保持最佳，并且能在发射器与接收器之间实现特 别简单和可靠的同步。
因为将波形调制与高质量的同步相结合，所以该系统不需要使用会增加 制造成本、使用电能的特殊调制/解调电路来进行数据传输。
根据本发明的第二方案，一种保证接收装置的无触点电源并向其传输数 据的传输装置，所述接收装置就其电源来说不是自备的，所述传输装置包括 初级绕组，所述初级绕组要与所述接收装置的次级绕组处于磁通传送关系， 所述传输装置还包括用于向所述初级绕组提供低频交变电源电流的电路，以 及连接到所述初级绕组的数据传输电路，在所述装置中，所述数据传输电路 能选择性地直接修正所述交变电源电流的波形，从而选择性地传输对应于不 同波形的不同值的数据。
本发明的第三方案提供上述传输装置在与水下地球物理数据采集设备 协作的水下机器人中的应用。
本发明的第四方案提供一种接收装置，该装置就其电源来说不是自备 的，要通过传输装置向它无触点供电，向所述传输装置传输数据，以及从所 述传输装置接收数据，所述接收装置包括次级绕组，所述次级绕组要与所述 传输装置的初级绕组处于磁通传送关系，所述接收装置还包括用于从所述次 级绕组中流动的低频交变电流向所述装置供电的电路，以及数据传输电路， 该数据传输电路能检测所述交变电流自身波形的修正，从而分别接收对应于 不同波形的不同值的数据。
本发明的第五方案提供一种水下地球物理数据采集设备，其中该水下设 备包括如上所述的接收装置和传输装置。
本发明的第六方案提供一种用于机器的固定结构与旋转元件之间的无 触点电源和无触点数据传输的系统，所述系统在所述固定结构上包括上述传 输装置，在所述旋转元件上包括上述接收装置，所述初级绕组和所述次级绕 组是圆柱形的，设置为其中一个根据所述旋转元件的旋转轴环绕另一个。
附图说明
根据下文的描述，本发明的其他特征、目标和优点将变得更加清楚，这 种描述的目的仅仅是说明性和非限制性的，应当参照附图来理解，附图中：
图1是感应连接器的示意图；
图2是感应连接器绕组的立体图；
图3是感应连接器的一个应用实例的示意图；
图4是示出功率发射器的电路板的电路图；
图5是示出功率接收器的电路板的电路图；
图6示出从功率发射器到功率接收器没有数据传输时受功率发射器的控 制单元控制的开关控制信号；
图7示出从功率发射器到功率接收器有数据传输时受该控制单元控制的 开关控制信号；
图8示出在接收器这一级(level)计算周期比(cyclic ratio)的实例。

一般原理：
图1示出要在电源和数据传输系统中使用的感应连接器，该电源和数据 传输系统包括功率传输装置和功率接收器(以下称为“发射器”和“接收器”)。
连接器是电磁感应类型的，能实现无电触点传输：
-从发射器向接收器传输功率，从而向接收器供电，以及
-在发射器与接收器之间传输数据。
发射器与接收器之间的无电触点数据传输是双向的，也就是说，数据可 以从发射器向接收器传输，也可以从接收器向发射器传输。
这种双向通信是交替双向通信。
在本发明的上下文中，我们用“交替双向通信”表示在两个方向上都能 传送数据的通信，但是是以交替的方式(即“半双工”通信)传送的。
更特别地，在这种交替双向通信中，传输的数据是二进制数据。交替双 向通信逐位进行。
有利的是，这种连接器可用于发射器与接收器之间具有至少一个自由度 的系统。
感应连接器可以是：
-连接器型(hookup-type)电连接系统，其中，两个装置之间的相对运动 是轴向运动，
-收集器型(collector-type)电传输系统，其中，两个装置之间的相对运 动是旋转运动，
-两种运动相结合的系统。
连接器包括初级绕组11和次级绕组22，它们分别设置在发射器和接收 器上。
在图1所示的实施例中，初级绕组11缠绕在鞘(sheath)12内侧，并连 接到发射器。
次级绕组22环绕圆筒(drum)23缠绕。次级绕组连接到接收器。
在图1所示的实施例中，初级绕组11和次级绕组22中的一个要安装在 另一个中。更特别地，次级绕组22要进入初级绕组11内部。
在未示出的另一实施例中，初级绕组要进入次级绕组内部。在这种情况 下，初级绕组缠绕在磁芯上，次级绕组缠绕在套筒(sleeve)内侧。
显然，还可以构思初级绕组与次级绕组之间的其他磁通传送(transfer) 关系(平板型初级绕组和次级绕组，设置为平行相对；或者弯曲板型初级绕 组和次级绕组，从而得到直径不同的圆柱体，能将其中一个设置在另一个中， 等等)。
因此，感应连接器能根据用途适用于不同的系统。
绕组：
初级绕组11和次级绕组22设计如下。
根据初级电压和次级电压，初级绕组11和次级绕组22包括的线匝数量 不同。
在一个实施例中，次级绕组22在轴向上比初级绕组11短。
在图1所示的实施例中，初级绕组和次级绕组依直径不同的两个共轴圆 柱体延伸。
绕组11、22各自包括两个相同的平行导体。
特别地，绕组11、22各自包括两个电导线绕组34、35，电导线绕组34、 35各自包括两个端部31、32’、32”、33。
对于每个绕组11、22而言，两个绕组34、35同心地交错排列。
对于每个绕组11、22而言，两个绕组34、35中绕组34的端部32’连接 到两个绕组34、35中另一绕组35的端部32”。
这些端部32’、32”连接后形成绕组11、22的中点32。
因此，初级绕组11和次级绕组22是有三个连接点31、32、33的绕组， 中点是32。
初级绕组11的三个连接点31、32、33连接到发射器的电路板13，下文 将对其进行描述。
次级绕组22的三个连接点31、32、33连接到接收器的电路板24，下文 将对其进行描述。
当交流电通过绕组时，两个绕组34、35的自由端31、33具有反相电势。
优选地，交流电频率在1kHz到500kHz之间。
实施例的说明：
上述感应连接器可用于需要通过功率发射器E实现功率接收器R的无电 触点电源、以及在发射器E与功率接收器R之间进行无触点数据传输的各种 应用。
电源和双向通信是无触点的，这使感应连接器能适用于很多应用。
特别地，上述感应连接器可以和固定元件以及相对于固定元件可移动的 元件一起使用。
在这种情况下，可移动元件可以是功率发射器，也可以是功率接收器。
感应连接器也可以和相对于彼此可移动的两个元件一起使用。
参照图3，下面提供的应用实例中可使用上述连接器。
在该应用中，发射器E是包括电能源(未示出)的可移动元件，该电能 源用于接收器R的功率供应。
接收器R是固定元件，就其电源来说不是自备的。有利的是，接收器R 不能包括储能器件(例如电池)，只能单独地专门由发射器E供电。接收器 R包括传感器40，用于测量要传输到发射器E的数据。
更特别地，在该应用中，发射器E是海洋机器人，接收器R是沉入海底 41的桩基(pile)。接收器R的传感器40能测量海洋地震数据。
桩基要搁置在海底很多年(例如10到15年)，适用于大深度(例如海 平面42以下2000米)。
机器人要安置在桩基上例如一个月，以进行海洋地震数据的测量工作。
初级绕组11和次级绕组22被保护免受腐蚀和老化影响。特别地，初级 绕组11和次级绕组22的线匝可包括不变热塑涂层。
这种水下地球物理数据采集设备的工作模式如下。
包括初级绕组11的机器人(发射器E)在海水43中移动。
当机器人(发射器E)靠近桩基(接收器R)时，它盖住桩基，使得次 级绕组22穿入初级绕组11。
一旦机器人(发射器E)被定位好，初级绕组11发出的磁通就被次级绕 组22接收。这个磁通使桩基(接收器R)的电路得到供电。
机器人(发射器E)向桩基(接收器R)发送微程序(或者只是参数)， 用于测量海洋地震数据。
桩基利用其传感器40测量地震数据。一旦测得地震数据以后，桩基(接 收器R)将它发送给机器人(发射器E)，机器人(发射器E)将地震数据 存储在存储器(未示出)中，或者利用辅助器件(例如射频天线)将地震数 据发送到外部。
因此，初级绕组11和次级绕组22能实现通过机器人对桩基的无电触点 供电，并且能实现机器人与桩基之间的无电触点双向通信。
如上所述，机器人与桩基之间的磁通传送关系可以是与将次级绕组插入 初级绕组不同的类型，例如通过设置为平行相对的平板，或者弯曲板型初级 绕组和次级绕组，从而得到直径不同而能将一个设置在另一个中的圆柱体。
发射器的电路板：
下面更详细地描述发射器与接收器之间通信和供电的无电触点模式。
发射器包括：
-电源电路，用于在初级绕组上提供低频交变电源电流，
-数据传输电路，连接到初级绕组。
这些电路都设置在电路板上，下面将更详细地描述电路板的各种元件。
图4示出发射器E的电路板13。
发射器的电路板13的示意图示出第一连接点J1、第二连接点J2、第三 连接点J3，要连接到初级绕组11的三个连接点31、32、33。
初级绕组11的中点32连接到第二连接点J2。初级绕组11的两个自由 端31、33连接到第一连接点J1、第三连接点J3。
用于向初级绕组提供交变电流的电路包括第一开关Q1、第二开关Q2， 第一开关Q1、第二开关Q2受控制单元14控制。在图4所示的实施例中， 控制单元14是微控制器。
第一受控开关Q1、第二受控开关Q2能将直流电压转变成交变电压(因 此将直流电转变成交流电)。特别地，第一受控开关Q1、第二受控开关Q2 的开关使得能产生低频交变电源电流。
交变电源电流的频率优选在1kHz到500kHz之间。
通过线圈L1向初级绕组供电，线圈L1在初级绕组11的中点32连接J2。
初级绕组11形成共振电路，共振电路通过电路板13的电容器C2、C3 调谐到低频交变电流的频率。根据初级绕组11的电感(单位：亨利)来选 择这些电容器的电容(单位：法拉)。
通过第一受控开关Q1、第二受控开关Q2保持中频(几千赫到几百千赫) 振荡。
启动时，第三受控开关Q3打开(即断开)，防止第一受控开关Q1、第 二受控开关Q2在上电过程中发生短路。
例如当第一受控开关Q1、第二受控开关Q2是MOS晶体管或IGBT晶 体管时，为了在初级绕组中产生交变电源电流，任选通过控制器(pilot)U1A、 U1B，由控制单元14以固定频率对第一开关和第二开关进行控制。
特别地，通过控制单元发出的复归信号(slot signal)来控制第一开关和 第二开关，从而控制受控开关的输入。这些复归信号彼此偏移(相移)，如 图6所示，图6示出控制单元的控制信号。
当控制单元14控制第二受控开关Q2的阻塞(blocking)50(断开状态) 时，经过“短暂”时延52(例如等于0.2μs)，控制单元14控制第一开关 Q1的传导36(导通状态)。当控制单元14控制第一开关Q1的阻塞30时， 经过短暂时延(通常等于0.2μs)，控制单元14控制第二开关Q2的传导51。
通过这种方式，第一受控开关和第二受控开关使得能够在初级绕组11 中保持交变电源电路的振荡。
注意：用于阻塞受控开关Q1、Q2其中一个的控制与用于传导受控开关 Q1、Q2中另一个的控制之间的“短暂”时延52使得能够防止第一受控开关 Q1、第二受控开关Q2同时导通，而第一受控开关Q1、第二受控开关Q2同 时导通会导致发射器电路的损坏。
在图4所示的实施例中，为了将数据发送给接收器R，发射器E的控制 单元14使得第一受控开关Q1、第二受控开关Q2的传导时间31、51发生变 化。
这种经修正的周期产生的数据与那些对应于对称振荡的数据互补。
有利的是，以二进制方式来传输数据。
如图7所示，为了传输第一数据值61(在实例中为“1”)，控制单元 14向第一开关和第二开关的控制输入端发送复归信号。
第一开关和第二开关上的复归信号彼此偏移，使得提供给第一开关Q1 的复归信号的高电平处于提供给第二开关Q2的复归信号的低电平的时间间 隔内，而提供给第二开关Q2的复归信号的高电平处于提供给第一开关Q1 的复归信号的低电平的时间间隔内。
为了传输第二数据值60(在实例中为“0”)，控制单元14向第一受控 开关Q1发出复归信号，但是不向第二受控开关Q2发出复归信号。
为了传输第二数据值而提供给其中一个开关的复归信号的持续时间可 以不同于包括初级绕组的调谐电路共振周期的一半。例如，该复归信号的持 续时间可大于共振周期的一半。
根据本实施例，传输的数据是8位或16位数据。当然，也可以构思其 他实施例，其中所传输的数据包括N位(其中N是整数，优选为8的倍数)。
在图7所示的实施例中，传输第二值时第一受控开关Q1的传导时间延 长。
特别地，在传输第二值时，复归信号的尾边沿37相对于提供给第一开 关Q1(受控传输第一数据值)的复归信号的尾边沿38的时间有延迟。
因此，为了从发射器向接收器传输数据项目，发射器的数据传输电路能 选择性地直接修正交变电源电流的波形。
根据替代方案，发射器的数据传输电路能够仅仅对于交变电流的半个周 期(alternation)修正交变电源电流的波形。
在本发明的上下文中，我们用“半个周期(alternation)”表示交变电源 电流的半周期中的一个或另一个，在该半个周期期间电源电流不改变方向。
有利的是，可以将发射器(以及接收器)构造为使得，从发射器向接收 器传输数据时，在包括数据值的两个信号之间使用不包括数据值的半个周期 (所谓的无调制或净半周期)。这样能在发射器与接收器之间避免频移，从 而提高系统的可靠性。
第二连接点J2连接到器件能实现：
-初级绕组11的供电，以及
-功率接收器所传输信号的检测和接收。
这些器件包括线圈L1和第四晶体管Q4。
初级绕组11的电源是通过线圈KL1以及用于检测线圈L1中电流的装 置(包括第四晶体管Q4和二极管D2)来提供的。
根据线圈L1中电流的方向，第四晶体管Q4导通或断开。因此，通过第 四受控开关Q4来检测线圈L1中电流方向的反转。
这样产生二进制信号(通过第五晶体管Q5形成)，从而被控制单元14 接收，控制单元14将所述二进制信号存储起来或者将它发送到外设。
控制单元14通过RX线或TX线与外部交换串行数据。这些通信是“半 双工”通信。
接收器的电路板：
图5示出接收器R的第二连接器2的电路板24。
接收器的电路板24的电路图示出第一连接点J1’、第二连接点J2’、第 三连接点J3’，要连接到次级绕组22的三个连接点31、32、33。
次级绕组22的中点32连接到第二连接点J2’。该第二连接点J2’连接到 参考电势(地)。
次级绕组22的两个自由端31、33连接到第一连接点J1’、第三连接点 J3’。
第一连接点J1’与第三连接点J3’之间的信号可通过电容器C1进行滤波。 选择电容器C1的电容(足够小)以避免与次级绕组22形成共振电路。
因此，次级绕组22不被调谐为交变电源电流的频率。这使得能够发现 次级绕组中的“缺点”，或者更特别地，在接收器这一级发现发射器产生的 波形修正。例如，对于交变正弦波形电源电路的情况，次级绕组不调谐为交 变电流的频率这一事实使得在接收器这一级能够发现正弦波形中的失真。
第三连接点J3’连接到向接收器供电的器件。
向接收器供电的器件包括二极管D4和调节器(regulator)26。
通过二极管D4对连接到第三连接点J3’的次级绕组22端部的交流电压 进行整流，以产生直流电压。通过调节器26接收该直流电压。
调节器26将接收器的电路板24的控制单元26的电源所必须的电压返 回。在图5所示的实施例中，控制单元26是微控制器。
第一连接点J1’连接到：
-将数据传输到发射器E的器件，
-接收发射器E的数据的器件。
向发射器传输数据的器件包括第一开关T1，第一开关T1由控制单元25 控制。
通过桥式整流器对连接到第一连接点J1’的次级绕组22端部处的交流电 压进行整流。在图5所示的实施例中，桥式整流器包括二极管D2。
控制单元25控制第一受控开关T1的传导，第一受控开关T1通过第二 受控开关T2加电。
控制单元25通过第四连接点J4’和第五连接点J5’连接到传感器40，用 于接收信号和将信号传输给传感器40。
当控制单元25从连接到第四连接点J4’的其中一个传感器40中接收测 量数据时，它控制第一受控开关T1的阻塞，以中断来自次级绕组22的电流 的通过。
第一受控开关T1的阻塞会修正次级绕组22的端口处的阻抗。
在发射器这一级，对次级绕组22端口处的阻抗的修正造成发射器电路 中的电流变化(发射器电路的线圈L1中电流方向的反转)。发射器已经检 测到通过接收器的数据传输后，发射器不再传输数据，并且向初级绕组提供 波形未修正的交变电源电流(即交变稳定电源电流)。
发射器的第四开关Q4根据线圈L1中电流的方向改变状态(导通或断 开)。因此，该第四受控开关Q4产生对应于接收器传输的数据值的二进制 信号。该二进制信号形成后(通过第五受控开关Q5)被发送到发射器的控 制单元14，控制单元14将其存储起来或者发送到外部。
这就是数据如何从接收器传输到发射器的方式。
有利的是，接收器可构造为使得，在将数据从接收器传输到发射器时， 在包括数据值的两个信号之间使用不包括数据值的N个半周期(即N个净 半周期)。这样使得能够提高系统的可靠性。
优选地，N在2和4之间。
第三受控开关T3连接到第一连接点J1’。第三受控开关T3用于将接收 器的控制单元25与发射器的控制单元14同步，并接收发射器的数据。
发射器的信号的周期恒定使得能够在发射器与接收器之间提供同步时 钟信号。
根据次级绕组22中的电流方向导通或阻塞第三受控开关T3，从而产生 二进制矩形信号，该信号被控制单元25接收。
当初级绕组11的交变电源电流稳定时(即为了发送数据值，发射器不 修正交变电源信号的波形)，第三受控开关产生(二进制)稳定的矩形信号， 该信号被控制单元接收。这个稳定的矩形信号使得接收器的控制单元能够与 发射器的控制单元同步。因此，获得传输装置与接收装置之间的同步时钟信 号。
第三受控开关T3也用于接收发射器的数据。
通过第三受控开关T3检测因为通过发射器传输数据而造成交变电源电 流波形的失真。
这种失真造成从第三受控开关T3发出、送往控制单元的矩形信号的变 化。
为了确定发射器发出的数据的值，计算从第三受控开关T3发出的矩形 信号的周期比(cyclic ratio)。
参照图8，在本发明的上下文中，我们用“周期比”表示以下两者之间 的比：
-持续时间70、71、72+73，在周期P内第三受控开关T3发出的矩形信 号在这些持续时间内处于高电平，和
-同一周期P的持续时间74。
周期P对应于一个时间间隔：当发射器不修正交变电源电流的波形时， 在这个时间间隔之后，第三受控开关T3发出的信号采用相同序列的值。
第三受控开关T3发出的矩形信号处于高电平的持续时间可以对应于：
-在一周期内对应于单一持续时间71，并在所述周期内对应于单一高电 平，
-在所述周期内对应于多个高电平的多个持续时间72、73之和。
周期比代表发射器传输的数据的值(“0”或“1”)。
这就是数据如何从发射器传输到接收器的方式。
上述连接器可适用于例如反应器叶片(reactor blade)中的应力测量等的 多种应用，或者任何其他应用，其中第一元件由第二元件供电，在这两个元 件之间要建立双向通信，其中所述元件可以是：
-固定元件以及相对于该固定元件可移动的元件，
-或者两个可移动元件。