海水介质超声波耦合无线电能传输技术研究

摘要

海洋资源的开发以及海洋环境的监测需要用到各种机电设备，如何为这些机电设备安全、便捷地供电或充电是一个难题。目前常用的湿插拔接口存在漏电等安全隐患，且使用不方便。利用超声波耦合无线电能传输(Acoustically Coupled Power Transfer，ACPT)为海下的用电装置供电或充电可避免上述问题。ACPT是借助超声波，实现电-声-电的能量传输方式。由于超声波具有方向性好、无电磁干扰、不受介质导电性的影响等优点，ACPT技术在海洋开发中具有美好而广阔的应用前景。
　　本文旨在研究海水中ACPT系统能量传输的特点，以及如何通过阻抗变换、阻抗匹配的方法来改善系统的性能。具体研究工作和成果主要包括以下方面。
　　对海水中的ACPT系统进行理论分析，包括超声波传输过程中能量损耗机理、机电类比原理以及压电换能器的机电等效电路模型，建立了发射端和接收端换能器工作在谐振状态时，ACPT系统的等效电路模型。
　　研究了压电换能器的阻抗变换方法。在发射端，阻抗变换是为了消除发射端电路中的无功功率，同时使发射换能器获得可控的有功功率输出。分别针对电压型和电流型高频发射电源提出了相应的阻抗变换方法。在接收端，阻抗变换是为了消除接收端电路中的无功功率，同时获得稳定的输出电压。根据负载等效电阻的大小，提出了对应的阻抗变换方法。实验结果验证了本文提出的阻抗变换方法的有效性。
　　当ACPT用于海洋环境时，往往需要数百米长的传输线将海面平台或岸上的高频电源与发射端换能器相连。因此，本文研究了长导线与发射端换能器之间的阻抗匹配问题，以消除长传输线与发射换能器连接处的反射波。基于四分之一波长(λ/4)无损线的阻抗变换原理设计无损匹配线，再分别用T形和Π形电路等效该匹配线，以得到由集中参数元件组成的近似阻抗匹配网络，从而省掉了长度可观的匹配线。实验结果验证了本文提出的阻抗匹配方法的有效性。
　　为了对比，本文还研究了海水中电磁感应耦合式无线电能传输(Inductively CoupledPower Transfer，ICPT)。首先建立了海水中ICPT系统的电路模型，然后通过实验，从能量传输效率与工作频率的关系、传输效率与耦合距离的关系、功率传输量值三个方面对海下ICPT和ACPT进行比较。结果表明，在一定频率范围内海水中ICPT和ACPT的能量传输效率都随着工作频率的增大而先增大后减小，两者都可以在海水中进行较大功率的能量传输，ICPT适用于近距离能量传输，而距离较远时ACPT效率更高。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 可用于海下的WPT技术简介

1．3 海水介质ACPT研究意义

1．4 ACPT研究现状

1．4．1 国外研究现状

1．4．2 国内研究现状

1．5 研究目的和研究内容

1．5．1 研究目的

1．5．2 研究内容

1．6 本章小结

2 海水介质ACPT系统原理分析

2．1 海水介质ACPT系统结构

2．2 压电超声换能器原理简介

2．3 声能的衰减规律分析

2．3．1 扩散衰减

2．3．2 吸收衰减

2．3．3 散射衰减

2．4 ACPT系统研究方法

2．4．1 换能器的机电类比

2．4．2 压电换能器机电等效模型

2．5 ACPT系统阻抗匹配技术

2．6 本章小结

3 海水中ACPT系统的阻抗变换

3．1 发射端阻抗变换

3．1．1 采用电压型高频电源时的阻抗变换

3．1．2 采用电流型高频电源时的阻抗变换

3．2 接收端阻抗变换

3．3 实验结果及分析

3．3．1 发射端换能器阻抗变换实验

3．3．2 接收端换能器阻抗变换实验

3．4 本章小结

4 海水中ACPT长线传输的阻抗匹配

4．1 传输线与换能器阻抗匹配原理

4．1．1 换能器变换成纯阻性

4．1．2 四分之一波长无损线阻抗变换原理

4．1．3 传输线与换能器之间的阻抗匹配

4．2 实验结果与分析

4．2．1 实验平台

4．2．2 换能器参数测量

4．2．3 传输线与换能器直接连接

4．2．4 Π形等效电路阻抗匹配

4．3 本章小结

5 海水中ICPT与ACPT对比研究

5．1 海水中ICPT系统理论研究

5．1．1 海水介质ICPT系统建模

5．1．2 ICPT系统阻抗匹配

5．2 实验平台

5．2．1 海水介质ICPT系统实验平台

5．2．2 海水介质ACPT系统实验平台

5．3 测量结果与分析

5．3．1 效率与频率关系的对比

5．3．2 效率与耦合距离关系的对比

5．3．3 传输功率对比

5．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢