本发明涉及无线充电领域，尤其是涉及了一种用于地下位移测量集成传感器的无线电能传输装置和方法。
背景技术：
滑坡、崩塌、泥石流、地塌、地陷等危害人民生命和财产安全的地质灾害发生前和发生时会出现地下深部的位移现象。如果我们能够有效的对地下深部位移进行监测，那么可以有效避免这些灾害的发生。
目前有申请人提出一种基于互感机理的地下位移测量集成传感器用于地下深部的位移监测。它是由一个个独立的地下位移测量单元通过金属导线串接组成，在测量时通过从上到下逐一测出相邻的两个地下位移测量单元的相对变化量，从而测出从地面到地下深部的变形情况。
地下位移测量单元间的供电和通信都是通过金属导线相连完成，这样的连接方式使装置的密封受到影响，并且安装运输不方便。再者由于整个集成传感器是长期掩埋于地下，金属导线会受到外界环境的腐蚀，造成传感器不能够稳定的工作。当发生雷雨天气时，由于金属导线的导电作用，雷击会打坏传感器。
而非接触式供电利用磁场耦合实现“无线供电”，即采用发射端、接收端完全分离的线圈，通过高频磁场的耦合传输电能，使得在能量传输过程中无物理连接。这样可以有效解决地下位移测量集成传感器以有线供电中存在的问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种用于地下位移测量集成传感器的无线电能传输装置和方法，为每个地下位移测量单元提供电能，使集成传感器摆脱有线供电的束缚。
为了实现本发明之目的，拟采用以下的技术方案：
一、一种用于地下位移测量集成传感器的无线电能传输装置：
装置包括多个电能传送节点和一个地上总电源，地上总电源布置在地面上，多个电能传送节点从地面上向地底下依次间隔布置；最接近地面的第一个电能传送节点通过金属导线与地上总电源相连，其余各个电能传送节点之间以连接进行通信和供电。
所述地上总电源包含ac-dc转换器，ac-dc转换器输入端连接市电，ac-dc转换器输出端连接到所述电能传送节点的微控制器mcu，ac-dc转换器将市电转换为直流电输入到第一个电能传送节点。
所述的电能传送节点包括电能传输线圈、微控制器mcu、接收端电路、发送端电路、开关切换电路和无线通信模块；微控制器mcu分别与接收端电路、发送端电路和无线通信模块相连，接收端电路/发送端电路经双掷开关和电能传输线圈连接，微控制器mcu经开关切换电路连接到双掷开关，控制开关使得电能传输线圈经开关连接到接收端电路或者发送端电路。
所述接收端电路包含整流滤波电路、储能电路和dc-dc转换器；整流滤波电路的输入端经双掷开关和电能传输线圈连接，整流滤波电路的输出端分为两路，一路经dc-dc转换器连接到微控制器mcu，另一路经单掷开关连接到储能电路，储能电路连接到微控制器mcu，微控制器mcu经开关切换控制线和单掷开关连接。
所述的发送端电路包含线圈电压电流采集电路、逆变电路、调频驱动电路；调频驱动电路的输入端连接到微控制器mcu，调频驱动电路的输出端与逆变电路的输入端相连，逆变电路的输出端连接到电能传输线圈，逆变电路的输出端和电能传输线圈之间的电线上设有线圈电压电流采集电路，微控制器mcu经线圈电压电流反馈线和线圈电压电流采集电路连接。
所述调频驱动电路包含数模转换电路、dds信号发生电路和比较器；数模转换电路、dds信号发生电路的输入端均连接到微控制器mcu，数模转换电路、dds信号发生电路的输出端分别连接到比较器的两个输入端，比较器输出端连接到逆变电路的输入端；微控制器mcu控制数模转换电路输出可调直流电压信号到比较器的正向输入端，作为比较器的参考电压；同时，微控制器mcu控制dds信号发生电路输出可调频率正弦波电压信号到比较器的反向输入端，作为比较器的比较电压；两路电压信号经比较器输出pwm波信号到逆变电路，驱动逆变电路进行逆变转换。
所述的逆变电路包括两个串联连接的场效应管q1和q2，一个场效应管q1的源极和另一个场效应管q2的漏极连接，两个场效应管q1和q2栅极连接到调频驱动电路的输出端，两个场效应管q1的源极和漏极之间通过二极管连接；场效应管q2的源极和漏极两端分别连接到电能传输线圈的两端。
二、一种用于地下位移测量集成传感器的无线电能传输方法：
无线电能传输装置由地上总电源向最接近地面的第一个电能传送节点进行供电，电能通过微控制器mcu存储在接收端电路的储能电路中；然后相邻两个电能传送节点之间通过以下方式进行电能传输，使得从第一个电能传送节点开始作为上一个电能传送节点，向下一个电能传送节点逐个传输电能：上一个电能传送节点中，微控制器mcu通过来自无线通信模块的控制信号控制经开关切换电路控制双掷开关的导通方向，使得电能传输线圈是与发送端电路相连，并且微控制器mcu根据来自线圈电压电流采集电路实时采集接收的电能传输线圈电压电流值从接收端电路中的储能电路中获取电能向调频驱动电路发送电流输送信号，通过调频驱动电路驱动逆变电路向电能传输线圈输送电流；上一个电能传送节点的电能传输线圈通电后产生磁场，被下一个电能传送节点的电能传输线圈感应接收；下一个电能传送节点中，微控制器mcu通过来自无线通信模块的控制信号控制经开关切换电路控制双掷开关的导通方向，使得电能传输线圈是与接收端电路相连，微控制器mcu接收线圈电压电流采集电路实时采集的电能传输线圈电压电流值向调频驱动电路发送电流控制信号，通过调频驱动电路驱动逆变电路向电能传输线圈输送交流电；电能传输线圈接收的电能经整流滤波电路储存到接收端电路中的储能电路中并同时为微控制器mcu进行供电。
本发明具有的有益效果是：
本发明将电能传输线圈、发送端电路、接收端电路、等集成为一个电能传送节点，并将多个电能传送节点间隔一定距离，形成电能传输串，再由地上总电源处理各个电能传送节点，从而为地下位移集成传感器提供电能，使其摆脱有线供电的束缚。
附图说明
图1是无线电能传输装置的构成示意图，图中1～m表示电能传送节点；a表示地上总电源。
图2是无线电能传送节点的电路结构组成图。
图3是无线电能传送节点的接收端电路的电路结构组成图。
图4是无线电能传送节点的发送端电路的电路结构组成图。
图5是逆变电路示意图。
图6是发送端电路的调频驱动电路组成图。
图7是地上总电源电路结构组成图。
图8是工作流程图。
具体实施方式
下面根据附图对本发明的具体实施方式做详细的说明：
如图1所示，包括多个电能传送节点和一个地上总电源，地上总电源布置在地面上，多个电能传送节点从地面上向地底下依次间隔布置；最接近地面的第一个电能传送节点通过金属导线与地上总电源相连，其余各个电能传送节点之间以连接进行通信和供电。
本发明在输送电时，通过线圈产生磁场耦合的作用将上一个电能传送节点存储的电能传送到下一个电能传送节点，每个电能传送节点中安装有地下位移测量集成传感器，以此向下，将地上总电源的电能依次输送到每一个电能传送节点，从而为整个地下位移测量集成传感器的供电。
具体实施中，如图1所示，是由从下而上依次1～m个电能传送节点沿竖直直线间隔排列组成，每个电能传送节点中安装有地下位移测量集成传感器，其中第m个电能传送节点与地上总电源通过金属导线相连。
如图7所示，地上总电源包含ac-dc转换器，ac-dc转换器输入端连接市电，ac-dc转换器输出端连接到所述电能传送节点的微控制器mcu，ac-dc转换器将市电转换为直流电输入到第一个电能传送节点，为第一个电能传送节点中的微控制器mcu、无线通信模块等进行供电。
无线通信模块用于相邻电能传送节点之间控制信号的无线通信传输。
电能传送节点的组成如图2所示。在图中的虚线框内是无线电能传送节点的电路部分，这些电路将用微型贴片元器件，焊接在一块直径小于线圈内框内径的印刷电路板上，该电路板放入线圈内，与线圈一起构成无线电能传送节点。
电能传送节点包括电能传输线圈、微控制器mcu、接收端电路、发送端电路、开关切换电路和无线通信模块；微控制器mcu分别与接收端电路、发送端电路和无线通信模块相连，接收端电路/发送端电路经双掷开关和电能传输线圈连接，微控制器mcu经开关切换电路连接到双掷开关，控制开关使得电能传输线圈经开关连接到接收端电路或者发送端电路。
具体实施中，微控制器mcu采用意法半导体公司生产的单片机stm32f103rbt6为核心，无线通信模块可选集成电路cc1101或其他型号的集成电路。
当前电能传送节点的无线通信模块接收到来自上一电能传送节点的控制信号，微控制器mcu经开关切换电路控制双掷开关的导通方向，使得电能传输线圈是与接收端电路相连，还是与发送端电路相连。
当电能传输线圈是与接收端电路相连时，所述的电能传送节点作为接收节点，电能传输线圈接收电能通过接收端电路储存，微控制器mcu在接收来自无线通信模块的控制信号后控制接收端电路储存电能，储存后为微控制器mcu、无线通信模块和作为发射节点时的发射端电路供电。
当电能传输线圈是与发射端电路相连时，所述的电能传送节点作为发射节点，微控制器mcu在接收来自无线通信模块的控制信号后控制发射端电路产生激励信号使得电能传输线圈发射电能，发射后被另一电能传送节点的电能传输线圈感应接收。
图2的电路中的微控制器mcu通过自身无线电能传送节点的无线通讯模块，接收上一个无线电能传送节点的无线通讯模块发来的信号，决定本无线电能传送节点的工作状态。
微控制器mcu在既未从无线通信模块接收到将电能线圈与接收端电路连接、也未与发送端电路相连的信号时，微控制器mcu通过控制线使发送端电路发生电路休眠，同时使开关与发送端电路和接收端电路都不连接。
如图3所示，接收端电路包含整流滤波电路、储能电路和dc-dc转换器；整流滤波电路的输入端经双掷开关和电能传输线圈连接，整流滤波电路的输出端分为两路，一路经dc-dc转换器连接到微控制器mcu，另一路经单掷开关连接到储能电路，储能电路连接到微控制器mcu，微控制器mcu经开关切换控制线和单掷开关连接；整流滤波电路将电能传输线圈接收到的交流电整流滤波为直流电，一路经由dc-dc转换器将电压转换为符合微控制器mcu工作的电压为微控制器mcu供电，另一路在微控制器mcu的控制下通过开关切换控制线与储能电路相连，将电能传输线圈接收到的能量储存在储能电路中；微控制器mcu接收来自储能电路的电能同时向储能电路发送控制信号，对储能过程的进行平衡节能控制。
具体实施中，整流电路可以选择有二极管组成的桥式整流或者其他拓扑结构的电路。滤波元件选择电解电容并联接在整流电路的输出端。
如图4所示，发送端电路包含线圈电压电流采集电路、逆变电路、调频驱动电路；调频驱动电路的输入端连接到微控制器mcu，调频驱动电路的输出端与逆变电路的输入端相连，逆变电路的输出端连接到电能传输线圈，逆变电路的输出端和电能传输线圈之间的电线上设有线圈电压电流采集电路，微控制器mcu经线圈电压电流反馈线和线圈电压电流采集电路连接。
微控制器mcu接收来自接收端电路中储能电路的电能经调频驱动电路传输到逆变电路，逆变电路将来自储能电路的直流电逆变为高频交流电经线圈电压电流采集电路通入电能传输线圈，电能传输线圈向外发射电能；线圈电压电流采集电路实时采集电能传输线圈的电压电流值反馈发送到微控制器mcu，微控制器mcu根据反馈的电压电流值调整调频驱动电路输出，使得逆变电路产生最优高频交流电，使发送端电路工作在最优状态。
所述的微控制器mcu采用单片机。
如图6所示，调频驱动电路包含数模转换电路、dds信号发生电路和比较器；数模转换电路、dds信号发生电路的输入端均连接到微控制器mcu，数模转换电路、dds信号发生电路的输出端分别连接到比较器的两个输入端，比较器输出端连接到逆变电路的输入端；微控制器mcu控制数模转换电路输出可调直流电压信号到比较器的正向输入端，作为比较器的参考电压；同时，微控制器mcu控制dds信号发生电路输出可调频率正弦波电压信号到比较器的反向输入端，作为比较器的比较电压；两路电压信号经比较器输出固定频率、固定占空比的pwm波信号到逆变电路，驱动逆变电路进行逆变转换。
具体实施中，电路中的功率开关管选用infineon公司生产的功率mosfet开关管，电路采用d类拓扑结构。数模转换电路可以采用mcu内部d/a或者外置d/a，dds信号发生电路选用ad9851集成电路。
如图5所示，逆变电路包括两个串联连接的场效应管q1和q2，一个场效应管q1的源极和另一个场效应管q2的漏极连接，两个场效应管q1和q2栅极连接到调频驱动电路的输出端，两个场效应管q1的源极和漏极之间通过二极管连接；场效应管q2的源极和漏极两端分别连接到电能传输线圈的两端，一个场效应管q1的源极和另一个场效应管q2的漏极连接处经一电容后和电能传输线圈连接。
如图8所示，本发明具体实施的无线电能传输过程如下：
无线电能传输装置由地上总电源向最接近地面的第一个电能传送节点进行供电，电能通过微控制器mcu存储在接收端电路的储能电路中；然后相邻两个电能传送节点之间通过以下方式进行电能传输，使得从第一个电能传送节点开始作为上一个电能传送节点，向下一个电能传送节点逐个传输电能：
上一个电能传送节点中，微控制器mcu通过来自无线通信模块的控制信号控制经开关切换电路控制双掷开关的导通方向，使得电能传输线圈是与发送端电路相连，使得上一个电能传送节点作为发射节点，并且微控制器mcu根据来自线圈电压电流采集电路实时采集接收的电能传输线圈电压电流值从接收端电路中的储能电路中获取电能向调频驱动电路发送电流输送信号，通过调频驱动电路驱动逆变电路向电能传输线圈输送电流；
上一个电能传送节点的电能传输线圈通电后产生磁场，被下一个电能传送节点的电能传输线圈感应接收；
下一个电能传送节点中，微控制器mcu通过来自无线通信模块的控制信号控制经开关切换电路控制双掷开关的导通方向，使得电能传输线圈是与接收端电路相连，使得下一个电能传送节点作为接收节点，
微控制器mcu接收线圈电压电流采集电路实时采集的电能传输线圈电压电流值向调频驱动电路发送电流控制信号，通过调频驱动电路驱动逆变电路向电能传输线圈输送最优高频交流电；
电能传输线圈接收的电能经整流滤波电路储存到接收端电路中的储能电路中并同时为微控制器mcu进行供电，微控制器mcu监测储能电路储能情况并通过无线通信模块与上一个电能传送节点的微控制器mcu通信协调电能传输过程。
原始工作前，电能传输线圈连接到接收端电路。
在上一个电能传送节点和下一个电能传送节点之间电能传输完毕后，由下一个电能传送节点通过无线通信模块之间进行通信向下下一个电能传送节点继续以上述方式进行电能传输。
本发明工作时，相邻两个电能传送节点之间进行电能传输过程中，其余电能传送节点均不工作，通过各自的微控制器mcu控制使得其余电能传送节点中的电能传输线圈均不工作。
本发明在输送电时，通过线圈产生磁场耦合的作用将上一个电能传送节点存储的电能传送到下一个电能传送节点，电能传送节点中安装有地下位移测量集成传感器，以此向下，将地上总电源的电能依次输送到每一个电能传送节点，从而为整个地下位移测量集成传感器的供电。