一种利用超声波的无线输能装置的制作方法

本实用新型属于新型能量传输及采集技术领域，特别是涉及利用声电换能器发射和接受能量并进行功率管理的超声波的无线输能系统。

背景技术：

近年来，传统供电方法诸如固定电池，越来越不能满足日益发展的新兴科技产品的供电需求，电池具有固定的能量密度、有限的寿命、化学副作用和较大的空间需求，还需要定期更换，非常不灵活，此外，无线传输能量的诸多方法如电感耦合、RF功率传输等，或受到电磁干扰的影响、或对于范围较大的系统传输效率很低，都不能广泛实现较好的能量传输，用于为科技产品供电，从而造成很多不便甚至是高昂的代价。

而超声波传能，是一种更为有效、便于控制、不易受到干扰的新型高效无线输能方式，在电子技术，通信技术及计算机技术飞速发展的今天，超声波用于无线输电与其它的传输方式相比最大的优点就是无电磁干扰，此特点可以极大优化仪器运行的环境，保证其稳定工作。

技术实现要素：

本实用新型提出了一种利用超声波的无线输能装置，主要解决了在有电磁干扰、有线情况比较繁杂、不便更换物理器件、经济代价大等问题，以及其他超声波无线供电系统传输效率低，接收到的功率低等技术问题。

为了解决上述问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：

本实用新型是一种利用超声波的无线输能装置，包括传输媒介和粘贴在传输媒介上的发射声电换能器和接收声电换能器，传输媒介为铝梁，发射声电换能器包括粘贴在铝梁上的第一声阻抗匹配层和与第一声阻抗匹配层相连的第一矩形压电片，在第一矩形压电片上面设置第一不锈钢背衬；接收声电换能器包括粘贴在铝梁上的第二声阻抗匹配层和与第二声阻抗匹配层相连的第二矩形压电片，在第二矩形压电片上面设置第二不锈钢背衬。

本实用新型的进一步改进在于：第一声阻抗匹配层和第二声阻抗匹配层的对称轴、第一矩形压电片和第二矩形压电片的对称轴、第一不锈钢背衬和第二不锈钢背衬的对称轴以及传输媒介铝梁的对称轴在同一条直线上。

本实用新型的进一步改进在于：第一声阻抗匹配层的厚度和第二声阻抗匹配层的厚度均等于超声波在铝梁中传输波长的四分之一。

本实用新型的进一步改进在于：第一矩形压电片和第二矩形压电片的距离D等于无线能量传输距离。

本实用新型的进一步改进在于：铝梁的长度大于第一矩形压电片外侧到第二矩形压电片外侧的距离D。

本实用新型的进一步改进在于：第一不锈钢背衬的厚度和第二不锈钢背衬的厚度相同，第一矩形压电片和第二矩形压电片的厚度相同，第一不锈钢背衬的厚度大于等于十倍的第一矩形压电片的厚度，第二不锈钢背衬的厚度大于等于十倍的第二矩形压电片的厚度。

本实用新型的进一步改进在于：第一声阻抗匹配层与第一不锈钢背衬的长度对应相同、宽度对应相同且厚度对应不相同，第一声阻抗匹配层与第一不锈钢背衬的长度对应大于等于第一矩形压电片的长度2mm，第一声阻抗匹配层与第一不锈钢背衬的宽度对应大于等于第一矩形压电片的宽度2mm，第二声阻抗匹配层与第二不锈钢背衬的长度对应相同、宽度对应相同且厚度对应不相同，第二声阻抗匹配层与第二不锈钢背衬的长度对应大于等于第二矩形压电片的长度2mm，第二声阻抗匹配层与第二不锈钢背衬的宽度对应大于等于第二矩形压电片的宽度2mm。

本实用新型的有益效果是：本装置利用超声波的穿透特性强、抗电磁干扰能力强、在固体中衰减较慢，传输能量高，传输方向广等特点，通过弹性固体耦合来进行铝梁两端由压电片、背衬、声阻抗匹配层组成的声电换能器之间的能量传输，最终将收集到的能量存储在收集电路，实现收发两端无需电子线路便可传输能量并加以利用，可用于对电磁屏蔽或电磁干扰较大的密闭容器内的大量传感器供电，实现无线功率管理，收发两端利用换能器进行声-电或电-声转换，空间传输的能量则为超声波，当所需供电的器件很多时，因声能是在整个固体平面传播，使用一个发射器就可以为空间中许多器件供电，节省了繁杂的线路连接与频繁的线路更换，同时，本实用新型将声阻抗匹配层放置于压电片与铝梁中间，减小两种媒介的声阻抗差异，使超声波更为有效地进入铝梁传播，从而提高了能量传输效率，该系统解决了在电磁干扰比较严重、接收端功率要求适中或大量器件需要供能的情况下，一种有线能量供给的替代方案，经济性高，便于科学管理大量的电子器件，而不用人工繁杂的铺设线路以及频繁的线路维修更换，是一种输出功率可调、无电磁干扰，传输能量高的超声波无线输能系统。

附图说明

图1是本实用新型无线输能装置的结构示意图。

图2是本实用新型发射声电换能器的结构示意图。

图3是本实用新型无线输能装置的截面示意图。

图4是本实用新型发射声电换能器的截面示意图。

图5是本实用新型的无线输能装置的输能示意图。

具体实施方式

为了加深对本实用新型的理解，下面将结合附图和实施例对本实用新型做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本实用新型，并不对本实用新型的保护范围构成限定。

如图1-5所示，本实用新型是一种利用超声波的无线输能装置，包括传输媒介和粘贴在所述传输媒介上的发射声电换能器和接收声电换能器，传输媒介为铝梁1，所述发射声电换能器包括粘贴在所述铝梁1上的第一声阻抗匹配层2和与所述第一声阻抗匹配层2相连的第一矩形压电片3，在所述第一矩形压电片3上面设置第一不锈钢背衬4；所述接收声电换能器包括粘贴在所述铝梁1上的第二声阻抗匹配层5和与所述第二声阻抗匹配层5相连的第二矩形压电片6，在所述第二矩形压电片6上面设置第二不锈钢背衬7，所述第一声阻抗匹配层2和第二声阻抗匹配层5的对称轴、第一矩形压电片3和第二矩形压电片6的对称轴、第一不锈钢背衬4和第二不锈钢背衬7的对称轴以及传输媒介铝梁1的对称轴在同一条直线上，所述第一声阻抗匹配层2的厚度和第二声阻抗匹配层5的厚度均等于超声波在铝梁中传输波长的四分之一，以达到最佳匹配效果，声能最大限度进入铝梁传输，减少在铝梁表面的反射，第一矩形压电片3和第二矩形压电片6的距离D等于无线能量传输距离，也就是图3中显示的距离D。所述铝梁1的长度大于第一矩形压电片3外侧到第二矩形压电片6外侧的距离D，如图3所示距离D。第一不锈钢背衬4的厚度和第二不锈钢背衬7的厚度相同，第一矩形压电片3和第二矩形压电片6的厚度相同，所述第一不锈钢背衬4的厚度大于等于十倍的所述第一矩形压电片3的厚度，所述第二不锈钢背衬7的厚度大于等于十倍的所述第二矩形压电片6的厚度，所述第一声阻抗匹配层2与所述第一不锈钢背衬4的长度对应相同、宽度对应相同且厚度对应不相同，所述第一声阻抗匹配层2与所述第一不锈钢背衬4的长度对应大于等于第一矩形压电片3的长度2mm，所述第一声阻抗匹配层2与所述第一不锈钢背衬4的宽度对应大于等于第一矩形压电片3的宽度2mm，所述第二声阻抗匹配层5与所述第二不锈钢背衬7的长度对应相同、宽度对应相同且厚度对应不相同，所述第二声阻抗匹配层5与所述第二不锈钢背衬7的长度对应大于等于第二矩形压电片6的长度2mm，所述第二声阻抗匹配层5与所述第二不锈钢背衬7的宽度对应大于等于第二矩形压电片6的宽度2mm，矩形压电片、不锈钢背衬与声阻抗匹配层的厚度需要满足上述关系，其余长宽以及铝梁的尺寸等具体数值视实际应用情况的需要而定，相应的最优工作频率即LabVIEW控制产生的超声波频率的具体数值取决于实际应用中传能的结构尺寸参数，在实现过程中可通过实验或者有限元仿真获得优选频率。

该无线输能装置与激励产生及放大装置配合使用，激励产生及放大装置由虚拟仪器软件LabVIEW、NI myDAQ和功率放大器构成。

LabVIEW发出的信号命令经NI myDAQ产生一定超声频率和一定功率的电信号，超声频率通过实验或者有限元仿真获得，功率大小由接收端需求决定，进入功率放大器进行电压放大，再通过铝梁一端的发射声电换能器由逆压电效应转换为超声振动，进而进行超声能量传输，在铝梁的另一端的接收声电换能器接收到超声振动，根据压电效应，再转换为电信号，实现无需电子线路连接便可为接收端的相关器件供电，根据需要传输的距离和超声波在铝梁中传播的波长设计矩形压电片、铝梁、声阻抗匹配和不锈钢背衬的结构尺寸，使传输效率大大提高，并且发射的电信号的频率靠近矩形压电片的固有频率但不能相等，以达到较大的振动效果但又不至于振坏压电片，以保护压电器件，本装置利用NI myDAQ、功率放大器和基于压电换能器的复合结构相结合，具有较高的输出电压和功率，能量传输效率较高，是一种输出功率可控，可长久使用，电磁干扰较小的一种利用超声波的无线输能系统。

在接近谐振频率的情况下，声电换能器的转换效率较为明显，在铝梁中传输效率较高，方向性更强，在粘有不锈钢背衬的压电片另一面粘贴声阻抗匹配层能够显著提高超声波进入铝梁传输的效果，不锈钢背衬的存在显著的提高了超声波的方向性，这些措施解决了由于声能传输的高损耗而导致接收端能量较小的技术问题。

本实用新型的工作过程如下：LabVIEW发出大于20kHz频率、幅度在后续功放可接受的正弦电压信号命令后，从NI myDAQ的模拟输出端进行数模转换，然后经过功率放大器产生功率放大的电信号，作用在第一矩形压电片也就是矩形发射压电片上，第一矩形压电片会随之振动，从而产生超声波，经过第一不锈钢背衬与第一声阻抗匹配层的优化，超声波在固体铝梁进行传播，在铝梁的另一端也引起振动，第二矩形压电片也就是接收压电片随之形变，由于压电片是具有压电效应的压电材料，当压电片产生形变时会引起压电片表面上产生等量正负电荷，进而压电片的上下表面就会产生电势差，将此电信号通过一个整流电路后将能量存储在电容中或用于为负载电子器件供电。