确定过金属壁超声无线能量传输通道优化频率的装置及方法

摘要

一种确定过金属壁超声无线能量传输通道优化频率的装置及方法，DDS信号源的输出信号经功率放大后施加到外部压电超声换能器的两端作为激励信号，该信号转换为超声波，并传播穿过外部压电超声换能器的粘贴耦合层、密闭金属结构金属壁，一部分能量被内部压电超声换能器接收，另一部分返回到外部，被外部压电超声换能器接收，转换为电信号，与功率放大器的输出信号叠加，形成叠加信号，外部压电超声换能器两端的电信号连接至增益调节模块，而后依次连接有效值检测模块、A/D转换模块和微控制器模块。其可在不拆封密闭金属结构的前提下，确定出已经变化的优化频率，重新设定超声压电换能器工作的优化频率，从而保证过金属壁超声能量传输效率处于优化状态。

说明书

技术领域

本发明涉及为密闭金属结构内传感节点利用超声方法实现无线供能的技术领域，具体涉 及一种如何确定优化的超声波频率的方法与装置，以保证超声能量传输通道的传输效率达到 优化状态。

背景技术

现代装备为适应高温、高压、放射性、剧毒等特殊环境，广泛采用密闭金属结构，为了 实现密闭结构内部的状态监测，需要在结构内部安装传感器。传感器的工作电源可以由电池 提供，但电池寿命有限；另外也可以采用在封闭结构的金属壁上打穿透孔，利用导线来实现 能量与信号传输，但是打孔一方面会导致结构完整性受损，另一方面还会增加装备的维护费 用。由于金属材料趋肤效应的影响，常见的电磁无线传输方式不能有效地穿透厚金属壁实现 能量与信号的传输。

超声波具有较好的透射能力、容易实现大功率的特点，利用超声来实现穿透金属壁的无 线能量传输为解决以上问题提供了一种技术手段。其中一种方法是将一对压电换能器分别用 耦合剂面对面同轴地粘贴在金属壁的两侧，构成超声传输通道，外部压电超声换能器用作发 射，内部压电超声换能器用作接收，实现能量的传输。通常压电换能器工作在共振频率时能 量传输效率最大，但实际中由于耦合层、金属壁、环境温度等因素的影响，超声能量传输效 率并不是在压电换能器共振频率处达到最大，优化频率与共振频率相比往往有一定的偏差， 而且超声能量的传输效率随超声波频率的不同变化很大。在长期工作中，超声传输通道阻抗 特性会随着粘贴耦合层的老化、环境温度的变化而发生改变，导致优化传输频率的变化，由 于服役于实际工作环境，密闭金属结构已经密封，难以通过直接测量内部压电超声换能器两 端输出电压信号的方法来确定优化频率，因此需要一种在不拆封密闭金属结构条件下，能够 方便确定优化超声频率的方法与装置。

发明内容

针对隔着金属壁面对面同轴安装的压电超声换能器所构成的超声能量传输通道，本发明 提供一种确定过金属壁超声无线能量传输通道优化频率的装置及方法，以保证超声信号实现 穿过金属壁高效率的传输。

本发明采用的技术方案是：

外部与内部压电超声换能器均具有收发功能，微控制器模块控制直接数字合成(Direct DigitalSynthesis，DDS)信号源产生超声频率范围的电信号，经功率放大后加载到外部压电超 声换能器，外部压电超声换能器产生厚度振动模式的超声波。该超声波穿过粘接耦合层，透 过金属壁及内部压电超声换能器耦合层，由内部的压电超声换能器接收，入射的超声能量由 内部换能器转换为电信号，电信号由能量收集与控制模块转换为内部传感节点工作所需的电 源，实现无线能量传输。

超声波在不同的传播介质分界面处会产生反射，因此另有一部分能量会以回波形式反射 回来，一直传播到外部换能器并由外部换能器转换为电信号并与功率放大模块输出信号叠加。 反射回的能量越大则传输的效率就越低，反射能量所占的比重与超声传输通道的阻抗特性有 关，与超声波的频率也有关。在超声传输通道确定的情况下，存在优化的超声频率，使得传 输效率达到最大，此时外部压电超声换能器激励端的叠加信号有效值与非优化状态相比较存 在明显区别。因此对外部压电超声换能器的激励电信号频率进行扫频，测量不同频率下外部 压电超声换能器两端叠加信号的有效值，得到外部压电超声换能器叠加信号的有效值随频率 变化曲线，通过对曲线特性的分析可以确定优化的超声传输频率。

具体地，本发明提供一种确定过金属壁超声无线能量传输通道优化频率的装置，包括上 位机、微控制器模块、DDS信号源、功率放大模块、外部压电超声换能器、增益调节模块、 有效值检测模块和A/D转换模块，上位机通过USB接口或RS232接口与微控制器模块相连 接，微控制器模块接收上位机的扫频频率设置命令，同时将采样数据发送给上位机；微控制 器模块与DDS信号源相连接，控制DDS信号源输出指定频率的正弦电压信号，同时微控制 器模块与A/D转换模块相连接，控制A/D转换模块进行数据采集；DDS信号源连接到功率 放大模块，功率放大模块对DDS信号源输出信号进行放大，功率放大信号施加到超声能量传 输通道的外部压电超声换能器的两端作为激励信号，该信号转换为超声波，并传播穿过外部 压电超声换能器的粘贴耦合层、密闭金属结构金属壁，一部分能量被超声能量传输通道的内 部压电超声换能器接收，另一部分能量返回到外部，被外部压电超声换能器接收，转换为电 信号，与功率放大器的输出信号叠加，形成叠加信号，外部压电超声换能器两端的电信号连 接至增益调节模块，增益调节模块对外部压电超声换能器两端电信号幅度进行衰减，增益调 节模块其输出连接至有效值检测模块，有效值检测模块检测增益调节模块输出信号的有效值， 并输出相应的有效值检测电压信号送至A/D转换模块，A/D转换模块在微控制器模块的控制 下进行A/D转换，并将采样结果传送至微控制器模块。

超声能量传输通道由外部压电超声换能器及其粘贴耦合层、密闭金属结构金属壁、内部 压电超声换能器及其粘贴耦合层构成，能量收集模块及传感节点布置在密闭金属结构金属壁 内部。内部压电超声换能器输出端与能量收集模块连接，能量收集模块与传感节点相连，为 传感节点的提供工作电源。

外部压电超声换能器和内部压电超声换能器均采用直径25.4mm，厚度2.1mm，由PZT5A 材料制作的圆盘式压电换能器，其厚度模式振动的共振频率为971KHz，两面均为镀银电极。

上位机，实现与微控制器模块通信，设置激励频率值，获取微控制器模块采样得到的A/D 转换数据，获取外部压电超声换能器两端电压有效值随频率变化的曲线并予以显示。

微控制器模块，控制DDS信号源产生所需的超声频率范围的正弦电压信号；控制A/D 转换模块的采样；与上位机进行通信。

DDS信号源，受微控制器模块控制产生超声频率范围内指定频率的正弦电压信号，输出 到功率放大模块。

功率放大模块，接收DDS信号源的输出信号进行功率放大，输出加载到外部压电超声换 能器。

增益调节模块，接收外部压电超声换能器两端信号，对信号幅度进行衰减，输出送至有 效值检测模块。

有效值检测模块，接收增益调节模块的输出信号，检测其有效值，并转换化电压量输出。

A/D转换模块，接收有效值检测模块的输出电压信号，在微控制器模块的控制下完成A/D 转换及并将结果传送至微控制器模块。

其中微控制器模块可选用MSP430系列的微控制器模块。

其中DDS信号源可选用AD9850DDS信号源集成芯片，功率放大模块可选用D类高频 功率放大模块。

利用上述装置，本发明提供一种确定过金属壁超声无线能量传输通道优化频率的方法， 包括以下步骤：

1)选定扫频范围，确定扫频的下限频率f_d与上限频率f_u，由于优化频率与压电换能器的 共振频率有偏差，但较为接近，因此扫频频率范围应选择包含内部和外部压电换能器共振频 率的频率段，下限频率f_d选择一般大于共振频率的90％，上限频率f_u选择一般小于共振频率 的1.1倍；

2)上位机设置扫频频率f＝f_d+n·Δf，其中n为整数，令初始值n＝0；Δf为相邻两个 扫频频率的频率间隔，可根据实际需要确定，Δf越小，频率分辨率越小，整个优化过程所花 费时间越长，但同时结果就越精确，通常Δf取值小于10KHz；

3)上位机将扫频频率f的值发送至微控制器模块，微控制器模块控制DDS信号源输出 频率为f、幅值为2.5V的正弦波，经功率放大模块放大，加载到外部压电超声换能器，外部 换能器两端最终是功率放大模块的输出信号与所接收的反射回波转换为电信号后相叠加产生 的信号；

4)微控制器模块启动A/D转换，将外部压电超声换能器两端上的叠加信号经幅值衰减、 有效值检测后的电压输出信号进行A/D转换，并将采样结果传送至上位机；

5)上位机根据采样结果计算有效值，记录由当前扫频频率f与计算所得有效值构成的一 组数对；

6)重新设置扫频频率f＝f_d+n·Δf，其中n＝n+1；

7)根据步骤3)—步骤6)得到由扫频频率和有效值构成的一组新数对，继续重复步骤 3)—步骤6)直到f＞f_u，停止扫频。

8)绘出外部压电超声换能器上的叠加信号有效值随频率变化的曲线，在优化频率时，有 效值会出现明显的降低现象，此时说明反射能量在急剧减小，能量传输效率达到优化状态， 优化的超声频率落在外部压电超声换能器上的叠加信号有效值由高向低急剧降低所对应的较 小的频率范围内，由此可确定出过金属壁能量传输优化频率。

本发明的有益技术效果是：

当过金属壁超声无线能量传输系统应用于实际工作环境时，随着长期服役、耦合层老化、 环境温度变化等因素影响，能量通道的阻抗特性会发生变化，系统研制时设置好的优化频率 可能不再是当前状态下的优化频率，从而导致能量传输效率降低甚至不能实现有效能量传输。 由于密闭金属结构已经密封，难以通过直接测量内部压电超声换能器两端的输出信号来得到 当前优化频率。根据本发明提供的装置与方法可在不拆封密闭金属结构的前提下，确定出已 经变化的优化频率，重新设定超声压电换能器工作的优化频率，从而保证过金属壁超声能量 传输效率处于优化状态。

附图说明

图1是过金属壁超声无线能量传输通道及优化频率确定装置结构示意图。

图2是外部发送端压电换能器两端的电压有效值随超声频率的变化曲线。

图3是内部接收端压电换能器两端的电压有效值随超声信号频率的变化曲线。

具体实施方式

以下将结合具体实施例和说明书附图对本发明做进一步详细说明。

图1中，超声能量传输通道由外部压电超声换能器及其粘贴耦合层、密闭金属结构金属 壁、内部压电超声换能器及其粘贴耦合层构成，能量收集电路及传感节点布置在密闭金属结 构内部。过金属壁超声无线能量传输通道优化频率确定装置由上位机、微控制器模块、DDS 信号源、功率放大模块、外部压电超声换能器、增益调节模块、有效值检测模块、A/D转换 模块等部件构成。

装置具体连接如下：

上位机通过USB接口或RS232接口与微控制器模块相连接，微控制器模块接收上位机 的扫频频率设置命令，同时将采样数据发送给上位机；微控制器模块与DDS信号源相连接， 控制DDS信号源输出指定频率的正弦电压信号，同时微控制器模块与A/D转换模块相连接， 控制A/D转换，进行数据采集，其中微控制器模块可选用MSP430系列的微控制器模块。DDS 信号源连接到功率放大模块，功率放大模块对DDS信号源输出信号进行放大，功率放大信号 施加到外部压电超声换能器的两端作为激励信号，该信号转换为超声波，并传播穿过耦合层、 密闭金属结构金属壁，一部分能量被内部压电超声换能器接收，另一部分能量返回到外部， 被外部压电超声换能器接收，转换为电信号，与功率放大器的输出信号叠加，形成叠加信号， 其中DDS信号源可选用AD9850DDS信号源集成芯片，功率放大模块可选用D类高频功率 放大模块。功率放大模块输出(外部压电超声换能器两端的电信号)连接至增益调节模块， 对外部压电超声换能器两端电信号幅度进行衰减，其输出连接至有效值检测模块，有效值检 测模块检测增益调节模块输出信号的有效值，并输出相应的有效值检测电压信号送至A/D转 换模块，A/D转换模块在微控制器模块的控制下进行A/D转换，并将采样结果传送至微控制 器模块。

在具体实施例中，外部和内部压电超声换能器均采用直径25.4mm，厚度2.1mm，由PZT5A 材料制作的圆盘式压电换能器，其厚度模式振动的共振频率为971KHz，两面均为镀银电极。 优化频率确定的具体步骤如下：

1)选定扫频范围，考虑到压电换能器共振频率为971KHz，确定扫频下限频率f_d＝900KHz， 上限频率f_u＝1000KHz；

2)上位机设置扫频初始频率f＝f_d+n·Δf，令初始值n＝0；Δf＝1KHz；

3)上位机将扫频频率f的值发送至微控制器模块，微控制器模块控制DDS信号源输出 频率为f、幅值为2.5V的正弦波，送至功率放大模块；

4)微控制器模块启动A/D转换，将外部压电超声换能器两端上的叠加信号经幅值衰减、 有效值检测后的电压输出信号进行A/D转换，并将采样结果传送至上位机；

5)上位机根据采样结果计算有效值，记录由当前扫频频率f与计算所得有效值构成的一 组数对；

6)重新设置扫频频率f＝f_d+n·Δf，其中n＝n+1；

7)根据步骤3)—步骤6)得到由扫频频率和有效值构成的一组新数对，继续重复步骤 3)—步骤6)直到f＞1000KHz，停止扫频。

8)绘出外部压电超声换能器上的叠加信号有效值随频率变化的曲线，如图2所示。由图 可见，在频率范围945KHz—952KHz内，外部换压电换能器上叠加信号的有效值急剧下降， 说明反射回的超声能量在急剧减小，能量传输效率较高，优化频率应在这一频率范围内，可 取优化频率为该频率范围内的中间值948KHz。

为了对本发明所确定的超声优化频率进行验证，通过直接测量内部压电超声换能器两端 的电压信号，并计算其有效值，进而得到其有效值随频率变化的关系曲线如图3所示。由图 可知，当超声频率在945KHz—952KHz范围内时，内部压电超声换能器接收的电压幅值最大， 能量传输效率最高。这一频率段与压电换能器的共振频率971KHz有一定偏离，并且当频率 在947KHz—948KHz附近时达到传输效率的极大值，极大值所对应的频率并不是外部换压电 换能器上叠加信号有效值的最低点，而接近有效值急剧下降频率段的中间位置。实测结果所 得的优化频率与本发明所提供方法所确定的优化频率一致。

以上结果说明本发明所提供的过金属壁超声无线能量传输通道优化频率确定方法与装置 能够有效确定超声能量传输通道的优化频率，从而保证超声信号实现穿过金属壁高效率地传 输。