海水介質(zhì)超聲波耦合無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)研究.pdf

1、海洋資源的開(kāi)發(fā)以及海洋環(huán)境的監(jiān)測(cè)需要用到各種機(jī)電設(shè)備，如何為這些機(jī)電設(shè)備安全、便捷地供電或充電是一個(gè)難題。目前常用的濕插拔接口存在漏電等安全隱患，且使用不方便。利用超聲波耦合無(wú)線(xiàn)電能傳輸(Acoustically Coupled Power Transfer，ACPT)為海下的用電裝置供電或充電可避免上述問(wèn)題。ACPT是借助超聲波，實(shí)現(xiàn)電-聲-電的能量傳輸方式。由于超聲波具有方向性好、無(wú)電磁干擾、不受介質(zhì)導(dǎo)電性的影響等優(yōu)點(diǎn)，ACPT技術(shù)

2、在海洋開(kāi)發(fā)中具有美好而廣闊的應(yīng)用前景。
　　本文旨在研究海水中ACPT系統(tǒng)能量傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，以及如何通過(guò)阻抗變換、阻抗匹配的方法來(lái)改善系統(tǒng)的性能。具體研究工作和成果主要包括以下方面。
　　對(duì)海水中的ACPT系統(tǒng)進(jìn)行理論分析，包括超聲波傳輸過(guò)程中能量損耗機(jī)理、機(jī)電類(lèi)比原理以及壓電換能器的機(jī)電等效電路模型，建立了發(fā)射端和接收端換能器工作在諧振狀態(tài)時(shí)，ACPT系統(tǒng)的等效電路模型。
　　研究了壓電換能器的阻抗變換方法。在發(fā)射端，

3、阻抗變換是為了消除發(fā)射端電路中的無(wú)功功率，同時(shí)使發(fā)射換能器獲得可控的有功功率輸出。分別針對(duì)電壓型和電流型高頻發(fā)射電源提出了相應(yīng)的阻抗變換方法。在接收端，阻抗變換是為了消除接收端電路中的無(wú)功功率，同時(shí)獲得穩(wěn)定的輸出電壓。根據(jù)負(fù)載等效電阻的大小，提出了對(duì)應(yīng)的阻抗變換方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文提出的阻抗變換方法的有效性。
　　當(dāng)ACPT用于海洋環(huán)境時(shí)，往往需要數(shù)百米長(zhǎng)的傳輸線(xiàn)將海面平臺(tái)或岸上的高頻電源與發(fā)射端換能器相連。因此，本文研究了長(zhǎng)

4、導(dǎo)線(xiàn)與發(fā)射端換能器之間的阻抗匹配問(wèn)題，以消除長(zhǎng)傳輸線(xiàn)與發(fā)射換能器連接處的反射波。基于四分之一波長(zhǎng)(λ/4)無(wú)損線(xiàn)的阻抗變換原理設(shè)計(jì)無(wú)損匹配線(xiàn)，再分別用T形和Π形電路等效該匹配線(xiàn)，以得到由集中參數(shù)元件組成的近似阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，從而省掉了長(zhǎng)度可觀(guān)的匹配線(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文提出的阻抗匹配方法的有效性。
　　為了對(duì)比，本文還研究了海水中電磁感應(yīng)耦合式無(wú)線(xiàn)電能傳輸(Inductively CoupledPower Transfer，ICPT