過金屬壁感測器超聲無線供能與信號傳輸方法研究

《過金屬壁感測器超聲無線供能與信號傳輸方法研究》是依託中國人民解放軍國防科技大學，由楊定新擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：過金屬壁感測器超聲無線供能與信號傳輸方法研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：楊定新
• 依託單位：中國人民解放軍國防科技大學

中文摘要

為封閉金屬空間或密閉金屬容器中的感測器以無線的方式提供能源，實現感測信號穿過金屬壁的無線傳輸在諸多領域有著重要與迫切的需求。由於金屬材料趨膚效應的影響，通常的電磁無線傳輸方式不能穿透厚金屬壁實現能量與信號的傳輸，而在金屬壁上通過鑽孔穿線實現能量與信號傳輸的方案，由於會破壞密閉結構的完整性，往往是迫不得已的選擇。本項目以超音波過金屬壁無線供能與信號傳輸為目標，重點針對超音波過金屬壁無線供能與信號傳輸系統建模與仿真、超音波過金屬壁高速信號傳輸均衡算法、超聲換能器工作頻率自適應調節與最佳化方法等關鍵技術開展深入的理論與實驗研究，使現有的超音波過金屬壁無線供能與信號傳輸技術的水平得到顯著提升，並建立起一套超音波過金屬壁無線供能與信號傳輸原理樣機，為形成實用化的裝備奠定堅實的理論和技術基礎。

結題摘要

現代裝備為了適應高溫、高壓、放射性、劇毒等特殊環境，廣泛採用密閉金屬結構。為了實現內部的狀態監測，需要為結構體內部的感測器提供能源。由於法拉第禁止效應的影響，電磁無線能量傳輸方式難以穿透金屬壁實現能量的有效傳輸。超音波具有透射能力強、集束性好的特點，設計高效的超聲無線能量傳輸系統具有重要工程套用價值。項目在深入調研國內外過金屬壁無線供能與信號傳輸技術現狀的基礎上，基於波動方程與壓電方程的理論建模方法、等效電路法對超音波過金屬壁能量傳輸通道進行了建模與仿真分析，分析了不同參數對電壓傳輸比及能量傳輸效率的影響規律，為過金屬壁超聲無線能量傳輸系統設計提供了理論指導。 研究了基於阻抗匹配的提高能量傳輸效率方法和超聲換能器工作頻率自適應調節與最佳化方法，保證了能量傳輸的最佳化狀態；設計了基於並聯非線性同步開關電路的高效能量收集電路，實現了內部壓電換能器能量的高效轉換與收集。研究了過金屬壁雙向信號可靠傳輸方法，設計了基於阻抗調製式由內向外數據傳輸方式；研究了基於隨機共振原理的微弱數位訊號增強傳輸方法，提高了噪聲背景下過金屬壁數位訊號傳輸的可靠性。研究了基於回波消除均衡技術與OFDM技術的過金屬壁單向高速通信技術並對方法進行了仿真驗證。構建了超聲過金屬壁感測器的無線供能與信號傳輸實驗原理樣機，進行了能量傳輸和信號傳輸的實驗測試，實現了穿過3cm厚金屬壁，360mW能量的傳輸，實現了向內部溫度感測節點的供能以及溫度監測數據由內到外的同步傳輸。構建了半雙工低速通信系統，通過傳輸溫度、圖片等實驗對系統性能進行了測試，結果表明系統可在低誤碼率下以10Kbps的速率穩定運行。雙向半雙工數據傳輸速率達到10Kbps，對基於OFDM調製過金屬壁高速通信技術進行了原理實驗驗證，結果表明高速通信速率能夠達到1Mbps，驗證了高速方案切實可行。