水下监测设备远距离无线充电方法 |
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| 申请号 | CN202410214550.7 | 申请日 | 2024-02-27 | 公开(公告)号 | CN118017717A | 公开(公告)日 | 2024-05-10 |
| 申请人 | 福州海洋研究院; 闽江学院; | 发明人 | 钟耀照; 张峰; 孙媛; 上官明禹; | ||||
| 摘要 | 本 发明 属于 水 下监测设备无线充电技术领域，且公开了水下监测设备远距离无线充电方法，包括接收 信号 ：所述信号为 超 声波 信号；处理信号：将 超声波 信号转换为 电能 ，并通过第二 连接线 传输至全波整流 电路 ；水下监测设备远距离无线充电方法还包括：接收信号：信号为交流信号；处理信号：将交流电转换为直流电进行蓄能，并为发光 二极管 供电。利用超声波在水下优良的传导性，将声信号转化为 电信号 ，不但可以实现海下高效充电，还可以实现高效的信息传输；同时努 力 实现大量深海作业的机器大范围、长时间连续作业，将在海洋探测、海洋工程、科学考察、水下无人作战网络等军民融合领域具有广泛的应用价值。 | ||||||
| 权利要求 | 1.水下监测设备远距离无线充电方法，其特征在于，所述方法包括： |
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| 说明书全文 | 水下监测设备远距离无线充电方法技术领域[0001] 本发明属于水下监测设备无线充电技术领域，具体为水下监测设备远距离无线充电方法。 背景技术[0002] 控制和利用海洋一直是世界大国追求的目标，可以说，建设海洋强国不仅有利于涉海国家的安全与发展，也是维护与拓展海外利益的关键，更是塑造面向全球性大国的有效途径，我国从21世纪初就提出逐步建设成为海洋强国的战略目标，我国科学家近年又先后提出了“数字海洋”“透明海洋”“智慧海洋”发展构想，旨在实现对海洋的全面立体感知、广泛互联互通、海量数据共享、知识分析与决策、深入智慧服务，从而提升我国的海洋军事、海洋管控和海洋开发能力，实现海洋观测智能化，海洋数据应用智能化。 [0004] 水下监测设备通常使用电池作为能源来源，电池在使用过程中会消耗电能，并且水下监测设备需要对水下环境进行持续的监测和数据采集，长时间的工作也会加剧电能的消耗，因此定期充电以保持设备的正常运转； [0006] 但是由于水是一种导电介质，会对电磁波的传输产生很大的衰减和吸收；同时，水中的温度、盐度、悬浮物等因素也会对电磁波的传输产生影响，从而进一步缩短无线充电的有效距离，而超声波虽然可以穿透水体，但其传播距离会受到一定的影响，因此充电距离通常较短，一般在数厘米到数十厘米之间，导致水下监测设备的移动距离受限，从而影响检测范围的问题。 发明内容[0007] 本发明的目的在于提供水下监测设备远距离无线充电方法，以解决上述背景技术中提出的问题。 [0008] 为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：水下监测设备远距离无线充电方法，所述方法包括： [0011] 所述水下监测设备远距离无线充电方法还包括： [0012] 接收信号：所述信号为交流信号； [0016] 第一超声波换能器：发送超声波信号； [0017] 第二超声波换能器：接收超声波信号，将超声波通过第二连接线传输至全波整流电路转换为电能； [0018] 全波整流电路：将交流电转换为直流电进行蓄能，并点亮发光二极管； [0019] 所述超声波开发板的一侧通过第一连接线安装有第一超声波换能器，所述第一超声波换能器的一侧设置有第二超声波换能器，所述第一超声波换能器和第二超声波换能器皆由外壳和换能器阵元组成，所述外壳和换能器阵元之间通过固定组件固定连接，所述第二超声波换能器通过第二连接线连接有全波整流电路，所述全波整流电路的顶端安装有发光二极管，利用超声波在水下优良的传导性，将声信号转化为电信号，目前水下唯一可以进行远程传输信息的媒体仍然是声波，因此我们使水下设备通过深海高精度对接技术，不但可以实现海下高效充电，还可以实现高效的信息传输；同时努力实现大量深海作业的机器大范围、长时间连续作业，将在海洋探测、海洋工程、科学考察、水下无人作战网络等军民融合领域具有广泛的应用价值，避免了由于水是一种导电介质，会对电磁波的传输产生很大的衰减和吸收；同时，水中的温度、盐度、悬浮物等因素也会对电磁波的传输产生影响，从而进一步缩短无线充电的有效距离，而超声波虽然可以穿透水体，但其传播距离会受到一定的影响，因此充电距离通常较短，一般在数厘米到数十厘米之间，导致水下监测设备的移动距离受限，从而影响检测范围的问题，提高了水下监测设备无线充电的距离。 [0020] 作为本发明进一步的技术方案，所述第一超声波换能器和第二超声波换能器皆设置为压电换能器，压电换能器是把电能转换成超声波的一种可逆超声波换能器，所谓可逆，指的是换能器既可以将电能转换成超声波，也可以把超声波转换成电能。 [0021] 作为本发明进一步的技术方案，所述固定组件包括滑动安装在换能器阵元内部的固定块，所述固定块与换能器阵元之间连接有弹簧，所述固定块的一端嵌入在滑槽的内壁，所述滑槽开设在外壳的内壁，在需要将外壳和换能器阵元安装时，首先将换能器阵元滑入外壳内，换能器阵元的移动带动固定块在外壳的内壁中向下滑动，当固定块滑动至滑槽的一侧时，可以通过弹簧释放弹性势能，推动固定块从换能器阵元内壁滑出至滑槽的内壁，从而使外壳和换能器阵元连接，避免了目前的连接方式通常只采用环氧树脂胶粘剂粘接，胶粘剂在长时间使用过程中可能会发生老化，特别是在水下这种高湿度、高温度的环境下，老化的胶粘剂可能会失去粘接强度，导致外壳和换能器阵元之间的连接失效，并且换能器阵元在长时间使用过程中可能会经历振动、冲击等动态载荷作用，这可能会导致胶粘剂疲劳，降低其粘接强度的问题，通过固定组件与配合使用，保证了外壳和换能器阵元之间连接的稳定性。 [0022] 作为本发明进一步的技术方案，所述固定块的两侧固定安装有限位块，所述限位块滑动安装在限位槽的内壁，所述限位槽开设在换能器阵元的内壁。 [0023] 作为本发明进一步的技术方案，所述换能器阵元的顶端安装有安装盖，所述和安装盖通过内外螺纹配合连接，安装盖和换能器阵元转动连接，在将换能器阵元放入外壳内后，可以通过转动安装盖，将安装盖与外壳拧紧，将换能器阵元牢固的与外壳连接，与固定组件配合使用，进一步提高了外壳和换能器阵元之间连接的稳定性。 [0024] 作为本发明进一步的技术方案，所述安装盖套接在第一连接线的外壁，所述安装盖和第一连接线之间安装有密封垫，转动安装盖的时候，密封垫不转动，通过密封垫对安装盖和第一连接线之间起到密封的作用。 [0025] 作为本发明进一步的技术方案，所述安装盖的内壁开设有第一卡槽和第二卡槽，所述第二卡槽的内壁嵌入有密封圈，所述密封圈固定安装在密封垫的外壁，拧动安装盖时，安装盖在密封圈的外壁上向下滑动，迫使密封圈发生形变并滑入第二卡槽的内壁中，通过密封圈的形变力将第二卡槽填充满，进一步提高密封效果。 [0026] 作为本发明进一步的技术方案，所述固定块的内壁开设有固定槽，所述固定槽的内壁嵌入有固定杆，所述固定杆固定安装在滑槽的内壁，当拧动安装盖时，安装盖向下移动一点距离，安装盖的移动带动换能器阵元的移动，换能器阵元的移动带动固定块在滑槽的内壁中向下移动，使固定杆嵌入在固定槽的内壁中，使固定杆对固定块进行进一步的锁死，进一步提高了连接的稳定性。 [0027] 本发明的有益效果如下： [0028] 1、本发明通过超声波在水下优良的传导性，将声信号转化为电信号，目前水下唯一可以进行远程传输信息的媒体仍然是声波，因此我们使水下设备通过深海高精度对接技术，不但可以实现海下高效充电，还可以实现高效的信息传输；同时努力实现大量深海作业的机器大范围、长时间连续作业，将在海洋探测、海洋工程、科学考察、水下无人作战网络等军民融合领域具有广泛的应用价值，避免了由于水是一种导电介质，会对电磁波的传输产生很大的衰减和吸收；同时，水中的温度、盐度、悬浮物等因素也会对电磁波的传输产生影响，从而进一步缩短无线充电的有效距离，而超声波虽然可以穿透水体，但其传播距离会受到一定的影响，因此充电距离通常较短，一般在数厘米到数十厘米之间，导致水下监测设备的移动距离受限，从而影响检测范围的问题，提高了水下监测设备无线充电的距离。 [0029] 2、本发明通过压电陶瓷作为换能材料，陶瓷管两并两串排列形成竹节状结构，以提高水听器的灵敏度及抗干扰能力；压电陶瓷管之间用绝缘垫圈粘接定位，陶瓷管在声压作用下形变，借助其压电效应，从而产生电信号输出，水声换能器使信号放大并转换成电压输出，具有体积小﹑结构简单、灵敏度高以及灵敏度可调等特点，体积小、重里轻可提高声呐载体的机动性，结构简单在工艺上便于实现和操作，灵敏度高可提供声呐的探测能力。 [0030] 3、本发明通过固定组件的设置，在需要将外壳和换能器阵元安装时，首先将换能器阵元滑入外壳内，换能器阵元的移动带动固定块在外壳的内壁中向下滑动，当固定块滑动至滑槽的一侧时，可以通过弹簧释放弹性势能，推动固定块从换能器阵元内壁滑出至滑槽的内壁，从而使外壳和换能器阵元连接，避免了目前的连接方式通常只采用环氧树脂胶粘剂粘接，胶粘剂在长时间使用过程中可能会发生老化，特别是在水下这种高湿度、高温度的环境下，老化的胶粘剂可能会失去粘接强度，导致外壳和换能器阵元之间的连接失效，并且换能器阵元在长时间使用过程中可能会经历振动、冲击等动态载荷作用，这可能会导致胶粘剂疲劳，降低其粘接强度的问题，通过固定组件与配合使用，保证了外壳和换能器阵元之间连接的稳定性。附图说明 [0031] 图1为本发明整体结构示意图； [0032] 图2为本发明第一超声波换能器处结构剖面示意图； [0033] 图3为本发明固定组件处结构示意图； [0034] 图4为本发明安装盖处结构剖面示意图； [0035] 图5为本发明图2中A处结构放大示意图； [0036] 图6为本发明图3中B处结构放大示意图； [0037] 图7为本发明水下监测设备远距离无线充电设备结构图； [0038] 图8为本发明水下监测设备远距离无线充电方法流程图。 [0039] 图中：1、超声波开发板；2、第一连接线；3、第一超声波换能器；4、第二超声波换能器；5、第二连接线；6、全波整流电路；7、发光二极管；8、外壳；9、换能器阵元；10、粘接胶层；11、固定块；12、限位块；13、限位槽；14、弹簧；15、滑槽；16、固定杆；17、固定槽；18、安装盖； 19、密封垫；20、密封圈；21、第一卡槽；22、第二卡槽。 具体实施方式[0040] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0041] 实施例一 [0042] 如图1至图8所示，本发明实施例中，水下监测设备远距离无线充电方法，所述方法包括： [0043] 接收信号：所述信号为超声波信号； [0044] 处理信号：将超声波信号转换为电能，并通过第二连接线5传输至全波整流电路6。 [0045] 由软件驱动超声波开发板1，产生持续脉冲波，第一超声波换能器3将电能转换成超声波发射出去，以水为介质传播。 [0046] 第二超声波换能器4接收第一超声波换能器3发出的超声波，并将超声波通过第二连接线5传输至全波整流电路6。 [0047] 如图7所示，水下监测设备远距离无线充电方法还包括： [0048] 接收信号：信号为交流信号； [0049] 处理信号：将交流电转换为直流电进行蓄能，并为发光二极管7供电。 [0050] 全波整流电路6接收第二超声波换能器4发出的超声波，并将交流电转换为直流电进行蓄能并成功地为发光二极管7供电。 [0051] 如图7所示，水下监测设备远距离无线充电设备： [0052] 接收模块：接收第二超声波换能器4发出的超声波； [0053] 处理模块：将交流电转换为直流电进行蓄能，并为发光二极管7供电； [0054] 声音不止可以在空气中传播，亦可以在水中传播，声音在空气中传播的速度是340m/s，声音在水中传播的速度是1500m/s，显然，声音在水中的传播的能量要比空气中的能量更大，换句话说声音在水中被衰减的能量更少； [0055] 利用超声波在水下优良的传导性，将声信号转化为电信号，目前水下唯一可以进行远程传输信息的媒体仍然是声波，因此我们使水下设备通过深海高精度对接技术，不但可以实现海下高效充电，还可以实现高效的信息传输；同时努力实现大量深海作业的机器大范围、长时间连续作业，将在海洋探测、海洋工程、科学考察、水下无人作战网络等军民融合领域具有广泛的应用价值，避免了由于水是一种导电介质，会对电磁波的传输产生很大的衰减和吸收；同时，水中的温度、盐度、悬浮物等因素也会对电磁波的传输产生影响，从而进一步缩短无线充电的有效距离，而超声波虽然可以穿透水体，但其传播距离会受到一定的影响，因此充电距离通常较短，一般在数厘米到数十厘米之间，导致水下监测设备的移动距离受限，从而影响检测范围的问题，提高了水下监测设备无线充电的距离。 [0056] 实施例二 [0057] 如图1至图8所示，本发明实施例中，水下监测设备远距离无线充电方法，应用于水下监测设备远距离无线充电设备，包括超声波开发板1、第一连接线2、第一超声波换能器3、第二超声波换能器4、第二连接线5、全波整流电路6和发光二极管7； [0058] 超声波开发板1：由软件驱动产生持续脉冲波，并驱动发射第一超声波换能器3； [0059] 第一超声波换能器3：发送超声波信号； [0060] 第二超声波换能器4：接收超声波信号，将超声波通过第二连接线5传输至全波整流电路6转换为电能； [0061] 全波整流电路6：将交流电转换为直流电进行蓄能，并点亮发光二极管7； [0062] 超声波开发板1的一侧通过第一连接线2安装有第一超声波换能器3，第一超声波换能器3的一侧设置有第二超声波换能器4，第一超声波换能器3和第二超声波换能器4皆由外壳8和换能器阵元9组成，外壳8和换能器阵元9之间通过固定组件固定连接，第二超声波换能器4通过第二连接线5连接有全波整流电路6，全波整流电路6的顶端安装有发光二极管7。 [0063] 第一超声波换能器3和第二超声波换能器4的型号设置为：DYW‑1M‑01T(频率1M换能器)； [0064] 全波整流电路6用万用板搭建； [0065] 首先，超声波开发板1由软件驱动，产生1M频率(因为第一超声波换能器3和第二超声波换能器4频率1M，所以这里需要1M频率的脉冲)峰峰值为3.3V的持续脉冲波(实际脉冲由示波器检测得到)； [0066] 然后，超声波开发板1上的驱动电路将这3.3V峰峰值的脉冲波放大到峰峰值为29V的驱动波(示波器实际测得)，用于驱动第一超声波换能器3；使第一超声波换能器3得到更大的能量，发出的超声波信号也就更强，第二超声波换能器4能接收到的信号也更强，第一超声波换能器3将电能转换成超声波发射出去，以水为介质传播出去； [0067] 第二超声波换能器4在与第一超声波换能器3距离10cm的位置，进行超声波接收； [0068] 这里第一超声波换能器3与第二超声波换能器4之间的充电距离通过后期实验验证，可以达到1.5米； [0069] 然后，第二超声波换能器4接收到超声波，将超声波转换为电能，并将超声波转换为峰峰值为9V的交流信号； [0070] 然后再通过全波整流电路6将交流电转换为直流电进行蓄能，并为发光二极管7供电。 [0072] 如图1所示，第一超声波换能器3和第二超声波换能器4皆设置为压电换能器。 [0073] 压电换能器是把电能转换成超声波的一种可逆超声波换能器，所谓可逆，指的是换能器既可以将电能转换成超声波，也可以把超声波转换成电能； [0074] 本发明中的换能器采用压电陶瓷作为换能材料，陶瓷管两并两串排列形成竹节状结构，以提高水听器的灵敏度及抗干扰能力； [0075] 压电陶瓷管之间用绝缘垫圈粘接定位，陶瓷管在声压作用下形变，借助其压电效应，从而产生电信号输出，水声换能器使信号放大并转换成电压输出，具有体积小﹑结构简单、灵敏度高以及灵敏度可调等特点，体积小、重力轻可提高声呐载体的机动性，结构简单在工艺上便于实现和操作，灵敏度高可提供声呐的探测能力； [0076] 当超声波换能器工作频率是压电晶片的谐振频率，当加在其两端的交流电压的频率等于芯片的谐振频率时，输出能量最高，灵敏度最高，有效减少能量损耗。 [0077] 如图1‑6所示，所述固定组件包括滑动安装在换能器阵元9内部的固定块11，固定块11与换能器阵元9之间连接有弹簧14，固定块11的一端嵌入在滑槽15的内壁，滑槽15开设在外壳8的内壁。 [0078] 换能器阵元9的底部和外壳8之间安装有粘接胶层10； [0079] 在需要将外壳8和换能器阵元9安装时，首先将换能器阵元9滑入外壳8内，换能器阵元9的移动带动固定块11在外壳8的内壁中向下滑动，当固定块11滑动至滑槽15的一侧时，可以通过弹簧14释放弹性势能，推动固定块11从换能器阵元9内壁滑出至滑槽15的内壁，从而使外壳8和换能器阵元9连接，避免了目前的连接方式通常只采用环氧树脂胶粘剂粘接，胶粘剂在长时间使用过程中可能会发生老化，特别是在水下这种高湿度、高温度的环境下，老化的胶粘剂可能会失去粘接强度，导致外壳8和换能器阵元9之间的连接失效，并且换能器阵元9在长时间使用过程中可能会经历振动、冲击等动态载荷作用，这可能会导致胶粘剂疲劳，降低其粘接强度的问题，通过固定组件与10配合使用，保证了外壳8和换能器阵元9之间连接的稳定性。 [0080] 如图1‑6所示，固定块11的两侧固定安装有限位块12，限位块12滑动安装在限位槽13的内壁，限位槽13开设在换能器阵元9的内壁。 [0081] 通过限位槽13对限位块12的滑动距离进行限位，防止限位块12脱离出换能器阵元9的内部，保证连接的稳定性。 [0082] 如图1‑6所示，换能器阵元9的顶端安装有安装盖18，和安装盖18通过内外螺纹配合连接。 [0083] 安装盖18和换能器阵元9转动连接，在将换能器阵元9放入外壳8内后，可以通过转动安装盖18，将安装盖18与外壳8拧紧，将换能器阵元9牢固的与外壳8连接，与固定组件配合使用，进一步提高了外壳8和换能器阵元9之间连接的稳定性。 [0084] 如图1‑6所示，安装盖18套接在第一连接线2的外壁，安装盖18和第一连接线2之间安装有密封垫19。 [0085] 安装盖18和密封垫19转动连接，密封垫19固定安装在2的外壁； [0086] 在转动安装盖18的时候，密封垫19不转动，通过密封垫19对安装盖18和第一连接线2之间起到密封的作用； [0087] 密封垫19由高弹性的橡胶材料制成，如三元乙丙橡胶(EPDM)、氯丁橡胶(CR)等； [0088] 这些材料具有良好的耐候性、耐腐蚀性和耐老化性，能够有效地抵御水和腐蚀性物质的侵蚀。 [0089] 如图1‑6所示，安装盖18的内壁开设有第一卡槽21和第二卡槽22，第二卡槽22的内壁嵌入有密封圈20，密封圈20固定安装在密封垫19的外壁。 [0090] 密封圈20设置为高弹性的橡胶材料，具有较好的压缩性和回弹性，能够在受到压力时发生形变，但当压力消失时又能够迅速恢复原状，这种特性可以确保密封垫在长期使用过程中保持其原有的性能和形状； [0091] 在未将安装盖18与外壳8拧紧时(图示中为未拧紧状态)，密封圈20嵌入在第一卡槽21的内壁中，第一卡槽21与密封圈20滑动贴合； [0092] 第二卡槽22的直径小于密封圈20的直径； [0093] 在拧动安装盖18时，安装盖18在密封圈20的外壁上向下滑动，迫使密封圈20发生形变并滑入第二卡槽22的内壁中，通过密封圈20的形变力将第二卡槽22填充满，进一步提高密封效果。 [0094] 如图1‑6所示，固定块11的内壁开设有固定槽17，固定槽17的内壁嵌入有固定杆16，固定杆16固定安装在滑槽15的内壁。 [0095] 滑槽15的宽大于固定块11的宽度，使固定块11可以在滑槽15的内壁中上下活动一段距离； [0096] 当拧动安装盖18时，安装盖18向下移动一点距离，安装盖18的移动带动换能器阵元9的移动，换能器阵元9的移动带动固定块11在滑槽15的内壁中向下移动，使固定杆16嵌入在固定槽17的内壁中，使固定杆16对固定块11进行进一步的锁死，进一步提高了连接的稳定性。 [0097] 工作原理及使用流程： [0098] 首先，超声波开发板1由软件驱动，产生1M频率(因为第一超声波换能器3和第二超声波换能器4频率1M，所以这里需要1M频率的脉冲)峰峰值为3.3V的持续脉冲波(实际脉冲由示波器检测得到)； [0099] 然后，超声波开发板1上的驱动电路将这3.3V峰峰值的脉冲波放大到峰峰值为29V的驱动波(示波器实际测得)，用于驱动第一超声波换能器3；使第一超声波换能器3得到更大的能量，发出的超声波信号也就更强，第二超声波换能器4能接收到的信号也更强，第一超声波换能器3将电能转换成超声波发射出去，以水为介质传播出去； [0100] 然后，第二超声波换能器4接收到超声波，将超声波转换为电能，并将超声波转换为峰峰值为9V的交流信号。 [0101] 然后再通过全波整流电路6将交流电转换为直流电进行蓄能，并为发光二极管7供电。 |
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