金属管道探测微机器人无线供能系统的制作方法
【专利摘要】一种金属管道探测微机器人无线供能系统，包括微波激励装置、金属管道、整流天线和微机器人。其中，微波激励装置用于将微波能量耦合进金属管道，金属管道用于定向引导微波能量的辐射；整流天线设置于在金属管道通道内作业的微机器人上，整流天线包括接收天线和整流电路，接收天线用于接收微波能量并传输至整流电路，由整流电路将微波能量转换为直流电，以达到向微机器人供电的目的。本实用新型利用波导传输机理，较好的解决了微波耦合进不锈钢管道和微波在不锈钢管道传输过程中的极化旋转以及能量传输的稳定性问题。
【专利说明】金属管道探测微机器人无线供能系统
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于微波供能【技术领域】，具体涉及一种金属管道探测微机器人无线供 能系统。
【背景技术】
[0002] 工业管道无损检测微机器人无线供能就是微波输能技术的一个应用方面，主要是 针对一些核电厂、化工厂、发电厂的细小管道损伤，以及障碍物探测等特殊用途而开发研制 的微机器人探测系统，其关键问题之一是能量的供给方法。目前管内作业机器人大多由电 机驱动，其能源供给方式有两种：有缆方式和无缆方式。对于有缆方式，当有缆机器人在管 道内行走的距离过长或经过弯道时，线缆与管壁的摩擦较大，有可能超过微机器人的牵引 力。对于无缆方式，无缆机器人所需电能主要依靠携带电池或者携带燃油发电机组；当采用 电池时，电池容量是有限的；当采用燃油发电机组时，在管道深处可能会由于氧气不足造成 燃油发电机组停火。因此，这两种供能方式均限制了微机器人的工作距离和稳定性。而金 属管道对微波来说相当于传输波导，所以完全可以将管道机器人用微波来供能，它克服了 现有缆方式和无缆方式供能的缺点。 实用新型内容
[0003] 为了克服现有技术中存在的缺陷，本实用新型提供一种金属管道探测微机器人无 线供能系统。具体技术方案如下：
[0004] 一种金属管道探测微机器人无线供能系统，包括微波激励装置、金属管道、整流天 线和微机器人；
[0005] 微波激励装置用于将微波能量耦合进所述金属管道；
[0006] 金属管道用于定向引导微波能量的辐射；
[0007] 整流天线设置于在金属管道通道内作业的微机器人上，整流天线包括接收天线和 整流电路，接收天线用于接收微波能量并传输至整流电路，由整流电路将微波能量转换为 直流电，以达到向微机器人供电的目的。
[0008] 优选地，微波激励装置包括依次相连的微波源、电控衰减器、功率放大器、定向耦 合器、波导-同轴转换器、矩-圆波导过渡器和过渡接头；
[0009] 微波源用于产生小功率微波信号，该小功率微波信号经过电控衰减器，后将经电 控衰减器处理后的微波信号经过功率放大器，功率放大器将微波信号放大，再经过定向耦 合器、波导-同轴转换器、矩-圆波导过渡器和过渡接头后传输至金属管道，经过金属管道 的管道壁传输至接收天线。
[0010] 优选地，整流天线还包括第一匹配网络和第二匹配网络，接收天线、第一匹配网 络、第二匹配网络和整流电路依次连接；接收天线接收到微波信号后，依次传输至第一匹配 网络和第二匹配网络，实现接收天线和整流电路的阻抗匹配并滤除高次谐波分量，由整流 电路整流，再经过直通滤波器滤除谐波，在负载端输出直流电流，向微机器人供电；整流电 路还包括一功率分配器和电容，功率分配器一分四路，电容为滤波电容，用于滤除微波高次 谐波分量。
[0011] 与现有技术相比，本实用新型利用波导传输机理，较好的解决了微波耦合进不锈 钢管道和微波在不锈钢管道传输过程中的极化旋转以及能量传输的稳定性问题；
[0012] 针对管道内微波接收装置的特点一是解决整流电路的尺寸受管道内径的制约，二 是解决微机器人旋转作业时造成的微波极化方向失配，设计了管道内微带圆极化贴片天 线；整流电路采用了倍压电路，最终获得整个整流天线的RF-DC转换效率为31 %，输出的直 流功率达到了此微机器人电机正常工作驱动要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0013] 图1为管道微机器人微波供能系统框图。
[0014] 图2为微波信号传输装置框图。
[0015] 图3为整流天线基本结构。
[0016] 图4为微带贴片接收天线。
[0017] 图5为整流电路。
【具体实施方式】
[0018] 下面结合附图以实施例的方式详细描述本实用新型。
[0019] 实施例1
[0020] 如图1所示，一种金属管道探测微机器人无线供能系统，包括微波激励装置1、金 属管道2、整流天线3和微机器人4。其中，微波激励装置1用于将微波能量耦合进金属管 道2,金属管道2相当于传输波导，用于定向引导微波能量的辐射；整流天线3设置于在金 属管道2通道内作业的微机器人4上，整流天线包括接收天线31和整流电路32,接收天线 31用于接收微波能量并传输至整流电路32,由整流电路32将微波能量转换为直流电，以达 到向微机器人4供电的目的。
[0021] 具体地，如图2所示，在本实施例中，微波激励装置1包括依次相连的微波源11、 电控衰减器12、功率放大器13、定向耦合器14、波导-同轴转换器15、矩-圆波导过渡器 16和过渡接头17,微波源11用于产生小功率微波信号，该小功率微波信号经过电控衰减器 12,电控衰减器12根据机器人在管道中的爬行距离，电调衰减器的作用是保证管道中传输 到机器人处的微波能量是一个恒定值，后将经电控衰减器12处理后的微波信号经过功率 放大器13,功率放大器13将微波信号放大，再经过定向稱合器14、波导-同轴转换器15、 矩-圆波导过渡器16和过渡接头17后传输至金属管道2,（微波源信号经过功率放大器 13进行功率放大，为了监测此处微波功率，放大后的信号接了一个定向耦合器14,然后由 波导-同轴转换器15将微波信号从同轴线过渡到矩形波导传输，由矩-圆波导过渡器16 将微波信号从矩形波导传入到圆形波导中，圆形波导由一个过渡接头17将圆形波导和金 属管道2连接起来，微波信号经过波导-同轴转换器15、矩-圆波导过渡器16和过渡接头 17后，在圆波导中将保证单模TE11传输）经过金属管道2的管道壁传输至接收天线31。
[0022] 具体的，如图3所示，在本实施例中，整流天线3还包括第一匹配网络和第二匹配 网络，接收天线31、第一匹配网络、第二匹配网络和整流电路32依次连接。接收天线31接 收到微波信号后，传输至第一匹配网络实现接收天线31和整流电路32的阻抗匹配并滤除 高次谐波分量，由整流电路32整流，再经过第二匹配网络滤除高次谐波，在负载端输出直 流电流，向微机器人4供电。
[0023] 具体地，如图4所示，在本实施例中，接收天线31采用圆极化微带贴片天线，利用 圆极化天线的圆极化性能，使得接收天线31在管道空腔内运动时反射系数变化减小。
[0024] 具体地，如图5所示，在本实施例中，为了输出足够大的功率电平即整流电路的饱 和功率要足够大，以保证微机器人的驱动电机正常工作，整流电路32还包括一功率分配器 321，功率分配器321 -分四路，电容C为滤波电容，滤除微波高次谐波分量。不断调整电容 C在微带线上的位置可以进一步抵消肖特基二极管的输入电抗，以实现更好的匹配。
[0025] 本实施例中，微波激励装置1较好地解决了微波在不锈钢管道传输过程中的极化 旋转和微机器人能量接收不稳定性问题；整流天线2的设计实现整流天线的最高整流效 率；另一方面，接收天线31在管道空腔内运动时反射系数变化减小，并且整流电路32能够 输出足够大的功率电平即整流电路的饱和功率要足够大，以保证微机器人的驱动电机正常 工作。
[0026] 实施例2
[0027] -种金属管道探测微机器人无线供能方法，包括如下步骤：
[0028] S1微波信号产生：微波源11产生微波信号，传输至电控衰减器12 ;
[0029] S2微波信号处理：微波信号依次经过电控衰减器12、功率放大器13、定向耦合器 14、波导-同轴转换器15、矩-圆波导过渡器16和过渡接头17 ;
[0030] 电控衰减操作：控制电路产生一个A (t) = Beavt指数波形；其中B为幅度常数，a 是圆波导中微波传输衰减常数，v和t分别为机器人爬行速度和爬行时间，此指数波形控制 电调衰减器的微波输出功率，使传输到机器人处的微波能量是一个稳定值；
[0031] 功率放大操作：对微波信号进行放大；
[0032] 定向耦合操作：定向耦合器可以将微波信号分离出一部分到微波功率计，以便监 测此处的微波功率大小；
[0033] 波导-同轴转换操作：将微波信号从同轴电缆过渡到矩形波导中传输，此处连接 了一个波导-同轴转换器；
[0034] 矩-圆波导过渡器操作：将微波信号从矩形波导过渡到圆形波导中传输；
[0035] 过渡接头操作：；将圆波导和工业管道进行对接；
[0036] S3微波信号接收：接收天线31接收到微波信号后，依次传输至第一匹配网络和第 二匹配网络，实现接收天线31和整流电路32的阻抗匹配并滤除高次谐波分量；后将微波信 号传输至整流电路32 ;
[0037] S4微波信号整流：整流电路32将微波信号能量转换为直流电能，完成向微机器人 供电。
[0038] 以上公开的仅为本申请的几个具体实施例，但本申请并非局限于此，何本领域的 技术人员能思之的变化，都应落在本申请的保护范围内。
【权利要求】
1. 一种金属管道探测微机器人无线供能系统，其特征在于，包括微波激励装置、金属管 道、整流天线和微机器人； 所述微波激励装置用于将微波能量耦合进所述金属管道； 所述金属管道用于定向引导微波能量的辐射； 所述整流天线设置于在所述金属管道通道内作业的所述微机器人上，所述整流天线包 括接收天线和整流电路，所述接收天线用于接收微波能量并传输至所述整流电路，由所述 整流电路将微波能量转换为直流电，以达到向所述微机器人供电的目的。
2. 根据权利要求1所述的金属管道探测微机器人无线供能系统，其特征在于，所述微 波激励装置包括依次相连的微波源、电控衰减器、功率放大器、定向耦合器、波导-同轴转 换器、矩-圆波导过渡器和过渡接头； 所述微波源用于产生小功率微波信号，该小功率微波信号经过所述电控衰减器，后将 经所述电控衰减器处理后的微波信号经过所述功率放大器，功率放大器将微波信号放大， 再经过所述定向耦合器、所述波导-同轴转换器、所述矩-圆波导过渡器和所述过渡接头后 传输至所述金属管道，经过所述金属管道的管道壁传输至所述接收天线。
3. 根据权利要求2所述的金属管道探测微机器人无线供能系统，其特征在于，所述整 流天线还包括第一匹配网络和第二匹配网络，所述接收天线、所述第一匹配网络、所述第二 匹配网络和所述整流电路依次连接；所述接收天线接收到微波信号后，依次传输至所述第 一匹配网络和所述第二匹配网络，实现所述接收天线和所述整流电路的阻抗匹配并滤除高 次谐波分量，由所述整流电路整流，再经过直通滤波器滤除谐波，在负载端输出直流电流， 向所述微机器人供电； 所述整流电路还包括一功率分配器和电容，所述功率分配器一分四路，所述电容为滤 波电容，用于滤除微波高次谐波分量。
【文档编号】H02J17/00GK203911598SQ201420321423
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年6月17日 优先权日:2014年6月17日
【发明者】徐君书, 陈晓磊, 吴冬燕 申请人:苏州工业职业技术学院