一种基于兰姆波的无线供能装置和方法与流程

本发明属于超声波无线能量传输技术领域，特别是涉及一种基于兰姆波的无线供能装置和方法。

背景技术：

金属板形构件，尤其是厚度在8mm以下的金属薄板件，无论是在航空航天、汽车、船舶领域，还是在压力容器、大型化工容器方面均有广泛的应用。由于金属板状构件在生产过程中与使用过程中会产生损伤与破坏，从而对其结构的安全性构成了极大威胁。通过结构健康监测技术进行在线、实时有效的监测，从而及时发现这些材料中的疲劳与损伤对于预防事故的发生是非常重要的。

结构健康监测技术需要利用集成或贴附于结构上的传感系统，在线实时地获取与结构健康状况相关的信息，并结合信号信息处理方法提取特征参数，实现结构健康诊断，以保证结构安全和降低维修费用。一个完整的传感系统需要有电源线与数据线，不仅具有昂贵的通信供电电缆的安装和维护费用，而且其整体系统稳定性与鲁棒性也受到电缆的限制。虽然目前无线通讯技术已经比较成熟，但对结构健康监测使用的无线传感器供电问题又成为制约其技术发展的一个瓶颈。

目前使用较为成熟的供能方案为传统的电池供电，该方案的缺点是成本较高、电池体积较大且需要定期替换，而且在某些环境中难以更换电池，比如在飞机机翼舱体中、在轨航天器舱壁中、高铁车架中。而目前的无线供能装置大多数是利用电磁原理，存在着装置体积大、传输距离较短、效率较低等问题，因此不适合用于薄板件的结构健康检测传感器供电使用。

目前还有利用环境能量为其供电的解决方案。环境能量包括在自然界广泛存在的各种环境能量，包括太阳能、风能、机械振动能、热能、海洋能、生化能等，利用各种新型的智能换能材料及结构可以将上述能够转化为电能并进行储存利用。

对于工程环境中的板型构件来说，振动能量是广泛存在的，且振动能量的功率密度较高，是目前的环境能量收集领域研究热点之一。以常用的压电式振动能量收集方法为例，其利用压电元件的正压电效应，在外界振动的激励作用下，压电元件产生机械变形，在其表面形成正负电荷的堆积，再通过能量采集电路将其转换成供电设备需要的形式。压电式振动能量收集方法的局限在于压电器件普遍存在较窄的共振频带，而外界环境需要与压电器件达到共振状态时才能保证输出电能的水平较高。

虽然已经可以看出现有的振动能量收集技术应用的潜力，但该技术受限于环境的条件。一方面机械结构的振动能量来源不稳定，一旦外界因素导致振动减少，将使收集到的能量减少，因此难以稳定供给传感器使用。另一方面结构中的振动来源复杂，其振动特征频带较宽且不稳定，从而直接限制了俘能器的接收效率。而其他的环境能量收集技术也面临着同样的问题，比如热能收集技术中的热梯度不是时刻存在的，这些问题都会限制环境能量收集技术在无线传感器供电领域的应用。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于兰姆波的无线供能装置和方法，用于解决现有技术中金属薄板件健康监测传感器利用电缆或者电池供电的问题，以提供一种更稳定、更长久、无需人员经常操作的供电技术。

为了达到上述目的，本发明提供的基于兰姆波的无线供能装置包括信号发生器、电压放大器、激发换能器、金属薄板件、接收换能器、能量采集电路和储能元件；其中激发换能器和接收换能器间隔设置在金属薄板件的表面，并且上端面设有上电极和下电极；信号发生器的输出端连接电压放大器；电压放大器的输出端与接地端分别与激发换能器的上电极和下电极用导线连接；接收换能器的上电极和下电极分别与能量采集电路的输入端及接地端用导线连接；能量采集电路的输出端连接储能元件。

所述的激发换能器和接收换能器形状相同，均采用扁平圆片状压电陶瓷换能器，直径为2-5个兰姆波A0模态的波长。

所述的激发换能器采用由PZT-4或PZT-8材料制成的发射型压电陶瓷换能器；所述的接收换能器采用由PZT-5材料制成的接收型压电陶瓷换能器。

所述的上电极和下电极选用银电极和铜电极。

所述的储能元件为超级电容器或可充电锂电池。

所述的金属薄板件采用铝合金、钛合金、钢合金材料，厚度在0.5-8mm之间。

所述的能量采集电路由整流桥与滤波电容组成。

所述的激发换能器和接收换能器采用医用超声耦合剂或甘油和磁铁吸座固定在金属薄板件的表面。

本发明提供的基于兰姆波的无线供能装置的无线供能方法包括按顺序进行的下列步骤：

1)启动基于兰姆波的无线供能装置，利用信号发生器产生峰值大于20V，频率为10KHz-1MHz的交流电压激励信号，并由电压放大器将上述交流电压激励信号放大，然后传送给激发换能器；

2)激发换能器受到上述交流电压激励信号激发后产生机械振动并将其耦合到金属薄板件中，以激发金属薄板件中的兰姆波；

3)上述兰姆波将沿着金属薄板件的板面方向传播，然后设置在金属薄板件上且需要能量的位置处的接收换能器将兰姆波的振动能量转换成具有电势差的压电交流信号并输出给能量采集电路；

4)能量采集电路将上述压电交流信号进行整流稳压后提供给储能元件，以供金属薄板结构中的结构健康监测设备使用。

本发明提供的基于兰姆波的无线供能装置和方法具有以下有益效果：

(1)本发明以金属薄板件中的兰姆波作为能量的载体，能够以无线的方式进行能量传输，对金属薄板件上的结构健康监测传感器供电，降低了传统传感器系统的布线及维护成本，提高了系统的稳定性。

(2)本发明以压电陶瓷换能器作为主要组成部分，换能效率高，体积小，成本低。因为通过主动激发的方式进行，兰姆波频率可以与激发与接收换能器的共振频率接近，大大提高了传统方法的效率。

(3)本发明以属于超声导波的兰姆波作为能量载体，因此能量衰减小传递效率高。因为发射采用连续模式，无需考虑兰姆波的频散效应。

附图说明

图1是本发明提供的基于兰姆波的无线供能装置结构示意图；

图2是本发明提供的基于兰姆波的无线供能装置中激发换能器和接收换能器结构示意图；

图3是本发明提供的基于兰姆波的无线供能方法流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功能。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

为了使本领域技术人员能够更好地理解本发明中的技术方案，这里对下面将要涉及的技术予以解释说明。

因此，基于现有技术中所存在的缺陷与不足，本发明提出一种基于兰姆波的的无线供能方法，兰姆波是薄板材料中的超声导波，在能量传输方面，兰姆波的优势在于能量衰减小，适合用于长距离的能量传输。

如图1、图2所示，本发明提供的基于兰姆波的无线供能装置包括信号发生器1、电压放大器2、激发换能器3、金属薄板件4、接收换能器5、能量采集电路6和储能元件7；其中激发换能器3和接收换能器5间隔设置在金属薄板件4的表面，并且上端面设有上电极8和下电极9；信号发生器1的输出端连接电压放大器2；电压放大器2的输出端与接地端分别与激发换能器3的上电极8和下电极9用导线连接；接收换能器5的上电极8和下电极9分别与能量采集电路6的输入端及接地端用导线连接；能量采集电路6的输出端连接储能元件7。

所述的激发换能器3和接收换能器5形状相同，均采用扁平圆片状压电陶瓷换能器，直径为2-5个兰姆波A0模态的波长。

所述的激发换能器3采用由PZT-4或PZT-8材料制成的发射型压电陶瓷换能器。PZT-4材料具有较低的机械损耗和介电损耗、较大的交流退极化场，并具有较大的介电常数、机电耦合系数和压电常数，特别适合于强电场、大机械振幅的激励使用。而PZT-8材料具有比PZT-4材料更低的机械损耗和介电损耗，介电常数、机械耦合系数、压电常数也比PZT-4材料的稍低，然而抗张强度和稳定性均优于PZT-4材料，也适合于高机械振幅的激励。

所述的接收换能器5采用由PZT-5材料制成的接收型压电陶瓷换能器。PZT-5材料具有高机电耦合系数、高压电应变常数和高电阻率，各机电参数具有优异的时间稳定性和温度稳定性，因此对低功率共振和非共振使用都很适合。

所述的上电极8和下电极9选用银电极和铜电极。银电极与铜电极的参数差别不大，但因为银分子更为活泼，渗透力更强，其静电容量更大，因此可以优先选用银电极。

所述的储能元件7为超级电容器或可充电锂电池。

所述的金属薄板件4采用铝合金、钛合金、钢合金材料，厚度在0.5-8mm之间。

所述的能量采集电路6由整流桥与滤波电容组成。其中整流桥的作用是将接收换能器5输出的周期交流电压转换成能够储存使用的稳定直流电压；滤波电容必须足够大以保证输出电压的基本稳定。

所述的激发换能器3和接收换能器5采用医用超声耦合剂或甘油和磁铁吸座固定在金属薄板件4的表面，目的是减少换能器与金属薄板件4之间的空气间隙，提高耦合效率。其中医用超声耦合剂的黏度较大，安装时将医用超声耦合剂涂抹在金属薄板件4的表面，随后压紧换能器以挤压出多余的医用超声耦合剂。甘油的流动性更强，因此涂抹要求低，但是黏性低，对换能器无固定作用，且容易造成换能器的滑动，因此可以搭配磁铁吸座来固定换能器以增加压力。

如图3所示，采用上述基于兰姆波的无线供能装置的无线供能方法包括按顺序进行的下列步骤：

1)启动基于兰姆波的无线供能装置，利用信号发生器1产生峰值大于20V，频率为10KHz-1MHz的交流电压激励信号，并由电压放大器2将上述交流电压激励信号放大，然后传送给激发换能器3；

2)激发换能器3受到上述交流电压激励信号激发后产生机械振动并将其耦合到金属薄板件4中，以激发金属薄板件4中的兰姆波；

3)上述兰姆波将沿着金属薄板件4的板面方向传播，然后设置在金属薄板件4上且需要能量的位置处的接收换能器5将兰姆波的振动能量转换成具有电势差的压电交流信号并输出给能量采集电路6；

4)能量采集电路6将上述压电交流信号进行整流稳压后提供给储能元件7，以供金属薄板结构中的结构健康监测设备使用。

所述的兰姆波在金属薄板件4中遵循瑞利-兰姆方程进行传播：

式中：ω为角频率，c_L为纵波波速，c_T为横波波速，k为沿水平方向的波数，h为金属薄板件4厚度的一半。

另外，激发换能器3和接收换能器5的尺寸选择与谐振频率相关，需要先选择能量传递使用的频率，本发明优选频率为10KHz-1MHz。通常金属薄板件4越厚频率选择越低，因为金属薄板件4厚度增加或频率增加将使兰姆波的群速度增加，群速度太快对于接收换能器5的能量捕获效率有影响。需要注意的是，谐振频率尽量与金属薄板件4、周边结构的谐振频率错开，因为如果与金属薄板件4谐振，容易引起宏观上的振动，对于结构的稳定性有影响。

总的来说，结合上述优选方式，如果要进一步提升无线能量传输的功率，可以提高装置的激发电压，还可以提高整个装置的传递效率。通过在上述优选实施例中可以知道，涉及能量转换的主要部件是换能器，虽然换能器的谐振频率是可以达到与激发信号一致的，但其负载情况与频率选择会影响整体的效率，这需要通过换能器的设置以及科学实验的对比分析，才能调试到装置达到最佳工作状态的结构。除此之外，还可以通过较为先进的压电换能材料或形式达到更高的效率，比如选取新型的高压电系数复合材料，选取换能器阵列的形式等，但会提高整个装置的成本。

上述说明仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。