一种全双工无线电能与信号混合传输系统和方法

1.本技术涉及无线电能传输和近场磁通信技术领域，特别是涉及一种全双工无线电能与信号混合传输系统和方法。


背景技术：

2.运用嵌入式传感器在线获取重要装备的实时状态信息，对其中隐含的故障进行早期预测和及时诊断，是保证装备正常运行的重要手段。对于一些重要的处于旋转状态的轴类部件进行在线监测时，需要解决如何向转轴上的嵌入式传感器供电的问题。采用电池为传感器供电是一种方案，但由于传感器嵌入到部件内部，更换电池时需要重新拆装部件，这对于某些设备而言是不可行的。采用滑环供电是另一种方案，然而当滑环在高速旋转状态下长期运行时，在滑环和电刷之间容易因电蚀而产生较大的电阻，使得电能传输不稳定。采用无线电能传输技术为安装在旋转部件上的嵌入式传感器供电受到越来越多人的关注。
3.在轴承嵌入式状态监测系统中，不但需要为传感器持续供电，还需要将多个传感器采集的信号传回系统进行分析。当前，实现电能与信号混合无线传输方法分为两类：通道分离方式和通道复用方式。通道分离传输方式是指用于电能传输的线圈与用于信号传输的天线在物理结构上相互独立，即电能和信号使用不同通道进行传输，该方式原理简单，但需增加额外的信号传输天线，在进行多路信号传输时，通道分离传输方式需要多个独立的天线，会大大增加系统的尺寸和重量，不利于集成。通道复用传输方式是将信号注入到一组电能传输线圈中进行传输，因此不需要额外的信号传输天线，有利于减小系统尺寸，但现有的通道复用传输方式也存在不足：电能波与信号波在同一组线圈通道内混叠传输时相互干扰严重；信号传输只能实现单工或半双工，无法实现全双工；传统的通道复用传输方式无法同时传输多路信号，因此无法满足实际应用需要。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种全双工无线电能与信号混合传输系统和方法，该系统为嵌入式传感器实现无线供电和多路信号传输，并且具备系统电路结构简化、电能传输效率高、信号传输增益大、电能传输与信号传输相互干扰小、可同时传输多路信号等优点。
5.一种全双工无线电能与信号混合传输系统，所述系统包括：电能发射模块、电能接收模块、n个信号发射模块、n个信号拾取模块；其中n为大于等于2的整数。
6.所述电能发射模块包括：交流功率电源、正向信号源、正向信号调制模块、依次串联的n个信号耦合线圈、电能发射谐振电容以及电能发射线圈；所述交流功率电源和所述正向信号源并联后，依次与所述正向信号调制模块、n个所述信号耦合线圈、所述电能发射谐振电容以及所述电能发射线圈串联形成回路。
7.所述电能接收模块包括：电能接收线圈、电能接收谐振电容、正向信号采集模块、正向信号解调模块以及交流
‑
直流转化模块；所述电能接收线圈上有n个抽头；所述交流
‑
直
流转化模块、所述电能接收线圈、所述电能接收谐振电容以及所述正向信号采集模块串联形成回路；所述正向信号解调模块与所述正向信号采集模块连接；所述交流
‑
直流转化模块用于给负载设备提供电源。
8.所述信号发射模块包括：反向信号发生及调制模块、信号发射谐振电容以及反向信号发射线圈；所述反向信号发射线圈是所述电能接收线圈的第一端口和对应抽头之间的线圈部分；所述反向信号发生及调制模块、所述信号发射谐振电容以及所述反向信号发射线圈串联形成回路。
9.所述信号拾取模块，包括：信号拾取线圈、反向信号采集模块、信号拾取谐振电容、反向信号解调模块；所述信号拾取线圈、所述反向信号采集模块、所述信号拾取谐振电容串联形成回路，所述反向信号采集模块与所述反向信号解调模块连接。
10.所述电能发射模块与所述电能接收模块之间通过所述电能发射线圈和所述电能接收线圈进行磁场耦合；所述信号拾取模块与所述电能发射模块之间通过所述信号耦合线圈与对应所述信号拾取线圈进行磁场耦合；所述信号发射模块与所述电能发射模块之间通过所述反向信号发射线圈与所述电能发射线圈进行磁场耦合。
11.一种全双工无线电能与信号混合传输方法，所述方法用于对上述全双工无线电能与信号混合传输系统进行参数优化设计，所述方法包括：将所述全双工无线电能与信号混合传输系统中的电能发射线圈、电能接收线圈、n个信号耦合线圈、反向信号发射线圈以及信号拾取线圈等效为电感，得到电能发射电感，电能接收电感、n个信号耦合电感、n个反向信号发射电感以及n个信号拾取电感。
12.对电能发射电感、电能接收电感、n个信号耦合电感、电能发射谐振电容、电能接收谐振电容的参数进行优化设计，使电能发射模块的谐振频率与电能接收模块的谐振频率均与所述交流功率电源的频率相等。
13.对第1个信号发射模块中的信号发射谐振电容以及反向信号发射电感、第1个信号拾取模块中的信号拾取电感以及信号拾取谐振电容的参数进行优化设计，使第1个信号发射模块的谐振频率与第1个信号拾取模块的谐振频率均与第1个信号发射交流电源的输出频率相等。
14.对第p个信号发射模块中的信号发射谐振电容以及反向信号发射电感、第p个信号拾取模块中的信号拾取电感以及信号拾取谐振电容的参数进行优化设计，使第p个信号发射模块的谐振频率与第p个信号拾取模块的谐振频率均与第p个信号发射交流电源的输出频率相等；所述第p个信号发射交流电源的输出频率大于等于第p
‑
1个信号发射交流电源的输出频率与所述预设的频率间隔之和；所述p为大于等于2小于等于信号发射模块的数量。
15.上述一种全双工无线电能与信号混合传输系统和方法，所述系统包括：电能发射模块、电能接收模块、n个信号发射模块、n个信号拾取模块，电能发射模块与电能接收模块之间通过电能发射线圈和电能接收线圈进行磁场耦合；n个信号拾取模块与电能发射模块之间通过信号耦合线圈对应与n个信号拾取线圈进行磁场耦合，信号发射模块通过反向信号发射线圈与电能发射线圈进行磁场耦合，反向信号发射线圈是电能接收线圈的第一端口和对应抽头之间的线圈部分。该系统中电能发射线圈与电能接收线圈通道既用于电能传输又用于信号传输，电能传输与多路信号传输共享一组线圈通道，无需增加额外的信号发射与接收天线，系统结构简化，便于集成；该系统可同时实现正向无线电能传输与双向无线信
号传输，并且具备正向电能传输效率高、双向信号传输电压增益大、电能传输与信号传输相互干扰小的优点；该系统可在同一组线圈通道内实现多路信号传输，并且不同路的信号分别以设计的最优频率进行传输，信号传输相互干扰小、通信质量高，可满足嵌入式状态监测系统中传感器多路信号反向无线传输的需求。
附图说明
16.图1为一个实施例中全双工无线电能与信号混合传输系统结构示意图；图2为一个实施例中全双工无线电能与信号混合传输方法的流程示意图；图3为一个实施例中全双工无线电能与信号混合传输系统等效电路图；图4为另一个实施例中n=2时全双工无线电能与信号混合传输系统等效电路图；图5为另一个实施例中n=2时正向无线电能传输效率计算结果；图6为另一个实施例中n=2时正向无线信号传输电压增益计算结果；图7为另一个实施例中n=2时反向无线信号传输电压增益计算结果。
具体实施方式
17.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
18.在一个实施例中，如图1所示，提供了一种全双工无线电能与信号混合传输系统，该系统包括：电能发射模块、电能接收模块、n个信号发射模块、n个信号拾取模块；其中n为大于等于2的整数。
19.电能发射模块包括：交流功率电源、正向信号源、正向信号调制模块、依次串联的n个信号耦合线圈、电能发射谐振电容以及电能发射线圈；交流功率电源和正向信号源并联后，依次与正向信号调制模块、n个信号耦合线圈、电能发射谐振电容以及电能发射线圈串联形成回路。
20.电能接收模块包括：电能接收线圈、电能接收谐振电容、正向信号采集模块、正向信号解调模块以及交流
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直流转化模块；电能接收线圈上有n个抽头；交流
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直流转化模块、电能接收线圈、电能接收谐振电容以及正向信号采集模块串联形成回路，正向信号解调模块与正向信号采集模块连接；所述交流
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直流转化模块用于给负载设备提供电源。
21.信号发射模块包括：反向信号发生及调制模块、信号发射谐振电容以及反向信号发射线圈；反向信号发射线圈是电能接收线圈的第一端口和对应抽头之间的线圈部分；反向信号发生及调制模块、信号发射谐振电容以及反向信号发射线圈串联形成回路。
22.信号拾取模块包括：信号拾取线圈、反向信号采集模块、信号拾取谐振电容、反向信号解调模块；信号拾取线圈、反向信号采集模块、信号拾取谐振电容串联形成回路，反向信号采集模块与反向信号解调模块连接。
23.电能发射模块与电能接收模块之间通过电能发射线圈和电能接收线圈进行磁场耦合；信号拾取模块与电能发射模块之间通过信号耦合线圈与对应信号拾取线圈进行磁场耦合，信号发射模块与电能发射模块之间通过反向信号发射线圈与电能发射线圈进行磁场耦合。
24.上述全双工无线电能与信号混合传输系统中，所述系统包括：电能发射模块、电能接收模块、n个信号发射模块、n个信号拾取模块，电能发射模块与电能接收模块之间通过电能发射线圈和电能接收线圈进行磁场耦合；n个信号拾取模块与电能发射模块之间通过n个信号耦合线圈与对应的n个信号拾取线圈进行磁场耦合，n个信号发射模块与电能发射模块之间通过n个反向信号发射线圈与电能发射线圈进行磁场耦合，反向信号发射线圈是电能接收线圈的第一端口和对应抽头之间的线圈部分。该系统中电能发射线圈与电能接收线圈通道既用于电能传输又用于信号传输，电能传输与多路信号传输共享一组线圈通道，无需增加额外的信号发射与接收天线，系统结构简化，便于集成；该系统可同时实现正向无线电能传输与双向无线信号传输，并且具备正向电能传输效率高、双向信号传输电压增益大、电能传输与信号传输相互干扰小的优点；该系统可在同一组线圈通道内实现多路信号传输，并且不同路的信号分别以设计的最优频率进行传输，信号传输相互干扰小、通信质量高，可满足嵌入式状态监测系统中传感器多路信号反向无线传输的需求。
25.在其中一个实施例中，反向信号发生及调制模块包括：反向信号源、信号载波电源以及反向信号调制模块；信号载波电源和反向信号源并联后，依次与反向信号调制模块、信号发射谐振电容、反向信号发射线圈串联形成回路。
26.在其中一个实施例中，交流功率电源为输出正弦电能波的交流功率电源；正向信号源和反向信号源均为二进制基带信号源。
27.在其中一个实施例中，在电能发射模块中由n个信号耦合线圈、电能发射谐振电容以及电能发射线圈构成电能发射振荡电路；在电能接收模块中由电能接收线圈与电能接收谐振电容构成电能接收振荡电路；电能发射振荡电路的谐振频率与电能接收振荡电路的谐振频率均与交流功率电源的频率相等。
28.在其中一个实施例中，第一个信号发射模块的信号发射谐振电容和反向信号发射线圈构成第一个信号发射振荡电路；第一个信号拾取模块的信号拾取线圈和信号拾取谐振电容构成第一个信号拾取振荡电路；将第一个信号发射模块的反向信号发生及调制模块等效为第一个信号发射交流电源；第一个信号发射振荡电路的谐振频率和第一个信号拾取振荡电路的谐振频率均与第一个信号发射交流电源的输出频率相等。
29.在其中一个实施例中，第二个信号发射模块的第二信号发射振荡电路的谐振频率与第二个信号拾取振荡电路的谐振频率均与第二个信号发射交流电源的输出频率相等；第二个信号发射交流电源的输出频率大于等于第一个信号发射交流电源的输出频率与预设的频率间隔之和；依此类推，第n个信号发射模块的第n个信号发射振荡电路的谐振频率和第n个信号拾取振荡电路的谐振频率均与第n个信号发射交流电源的输出频率相等；第n个信号发射交流电源的输出频率大于等于第n
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1个信号发射交流电源的输出频率与预设的频率间隔之和。
30.在其中一个实施例中，第1个信号发射交流电源的输出频率大于等于交流功率电源的输出频率的10倍。
31.在其中一个实施例中，系统用于无线电能和单路信号的正向传输和多路信号的反向同步传输。电能正向传输工作过程：在电能发射模块中，交流功率电源输出正弦电能波，经过正向信号调制模块、n个信号耦合线圈，电能发射谐振电容后，输入到电能发射线圈中，在电能发射线圈周围激发出交变磁场；电能接收线圈与电能发射线圈之间通过磁场进行耦
合，在电能接收模块中产生交变电流，经过交流
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直流转换模块处理后，输出直流电给负载设备。信号正向无线传输工作过程：在电能发射模块中，交流功率电源输出的正弦电能波与正向信号源产生的基带信号输入到正向信号调制模块中进行调制，得到调制后电能波；调制后电能波经过n个串联的信号耦合线圈、电能发射谐振电容后，输入到电能发射线圈中，在电能发射线圈周围激发出交变磁场；电能接收线圈与电能发射线圈之间通过磁场进行耦合，并在电能接收模块中产生交变电流，利用正向采集模块提取出调制后电能波信号，并经过正向信号解调模块进行解调，得到复原信号。多路信号反向无线传输工作过程：在第k个信号发射模块中，反向信号发生及调制模块输出调制后信号波，调制后信号波经过信号发射谐振电容后，输入反向信号发射线圈中，在反向信号发射线圈周围激发出交变磁场；电能发射线圈与反向信号发射线圈之间通过磁场进行耦合，在电能发射模块中产生交变电流，并在第k个信号耦合线圈周围激发出交变磁场；其中k为大于等于1小于等于信号发射模块数量的整数；第k个信号耦合线圈与第k个信号拾取模块的信号拾取线圈之间通过磁场进行耦合，并在第k个信号拾取模块中产生交变电流，利用反向信号采集模块提取出调制后信号波，再经过反向信号解调模块进行解调处理，得到复原信号。
32.在一个实施例中，如图2所示，提供了一种全双工无线电能与信号混合传输方法，该方法用于对上述全双工无线电能与信号混合传输系统进行参数优化设计，该方法包括如下步骤：步骤200：将全双工无线电能与信号混合传输系统中的电能发射线圈、电能接收线圈、n个信号耦合线圈、反向信号发射线圈以及信号拾取线圈均等效为电感，得到电能发射电感，电能接收电感、n个信号耦合电感、n个反向信号发射电感以及n个信号拾取电感。
33.步骤202：对电能发射电感、电能接收电感、n个信号耦合电感、电能发射谐振电容、电能接收谐振电容的参数进行优化设计，使电能发射模块的谐振频率与电能接收模块的谐振频率均与交流功率电源的频率相等。
34.步骤204：对第1个信号发射模块中的信号发射谐振电容以及反向信号发射电感、第1个信号拾取模块中的信号拾取电感以及信号拾取谐振电容的参数进行优化设计，使第1个信号发射模块的谐振频率与第1个信号拾取模块的谐振频率均与第1个信号发射交流电源的输出频率相等。
35.步骤206：对第p个信号发射模块中的信号发射谐振电容以及反向信号发射电感、第p个信号拾取模块中的信号拾取电感以及信号拾取谐振电容的参数进行优化设计，使第p个信号发射模块的谐振频率与第p个信号拾取模块的谐振频率均与第p个信号发射交流电源的输出频率相等；第p个信号发射交流电源的输出频率大于等于第p
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1个信号发射交流电源的输出频率与预设的频率间隔之和；p为大于等于2小于等于信号发射模块的数量。
36.在其中一个实施例中，第1个信号发射交流电源的输出频率大于等于交流功率电源的输出频率的10倍。
37.采用该方法可同时实现正向无线电能传输与双向无线信号传输，并且具备正向电能传输效率高、双向信号传输电压增益大、电能传输与信号传输相互干扰小的优点。
38.在一个具体的实施例中，提供了一种全双工无线电能与信号混合传输方法，所述方法包括以下几个步骤：第一步：
将所述全双工无线电能与信号混合传输系统等效为图3所示的集中参数电路模型。
39.在电能发射模块中，将交流功率电源、正向信号源和正向信号调制模块简化为交流电源p，该电源输出电压频率为、输出电压有效值为；将第一个信号耦合线圈等效为电感，将第二个信号耦合线圈等效为电感，同理，将第n个信号耦合线圈等效为电感，将电能发射谐振电容等效为电容，将电能发射线圈等效为电感。在电能接收模块中，将电能接收线圈等效为电感，将电能接收谐振电容等效为，将正向信号采集模块等效为采样电阻，将负载设备等效为负载电阻。
40.在第一个信号发射模块中，将反向信号源、信号载波电源和反向信号调制模块简化为交流电源s1，该电源输出电压频率为、输出电压有效值为；将电能接收线圈的端口1与抽头1之间的线圈等效为电感，将信号发射谐振电容等效为电感。在第二个信号发射模块中，将反向信号源、信号载波电源和反向信号调制模块简化为交流电源s2，该电源输出电压频率为、输出电压有效值为；将电能接收线圈的端口1与抽头2之间的线圈等效为电感，将信号发射谐振电容等效为电感。同理，在第n个信号发射模块中，将反向信号源、信号载波电源和反向信号调制模块简化为交流电源sn，该电源输出电压频率为、输出电压有效值为；将电能接收线圈的端口1与抽头n之间的线圈等效为电感，将第n个信号发射谐振电容等效为电感。
41.在第一个信号拾取模块中，将信号拾取线圈等效为电感、将信号拾取谐振电容等效为电容、将反向信号采集模块等效为电阻。在第二个信号拾取模块中，将信号拾取线圈等效为电感、将信号拾取谐振电容等效为电容、将反向信号采集模块等效为电阻。同理，在第n个信号拾取模块中，将信号拾取线圈等效为电感、将信号拾取谐振电容等效为电容、将反向信号采集模块等效为电阻。
42.第二步：所述第一个信号耦合线圈电感、第二个信号耦合线圈电感、
…
、第n个信号耦合线圈电感、电能发射线圈电感与所述电能发射谐振电容构成电能发射振荡电路，其谐振频率为。所述电能接收线圈电感与所述电能接收谐振电容构成电能接收振荡电路，其谐振频率为。通过优化设计、的数值，使电能发射振荡电路的谐振频率、电能接收振荡电路的谐振频率、交流功率电源p的输出电压频率满足：
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（1）在第一个信号发射模块中，所述电能接收线圈的端口1与抽头1之间的线圈电感、所述信号发射谐振电容构成第一信号发射振荡电路，其谐振频率为；在第一个信号拾取模块中，所述信号拾取线圈电感、所述信号拾取谐振电容构成第一信号拾取振荡电路，其谐振频率为。通过优化设计、、、的数值，使第一信号发射振荡电路的谐振频率、第一信号拾取振荡电路的谐振频率、交流电源s1的输出频率满足：
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（2）在第二个信号发射模块中，电能接收线圈的端口1与抽头2之间的线圈电感、所述信号发射谐振电容构成第二信号发射振荡电路，其谐振频率为；在第二个信号拾取模块中，所述信号拾取线圈电感、所述信号拾取谐振电容构成第二信号拾取振荡电路，其谐振频率为。通过优化设计、、、的数值，使第二信号发射振荡电路的谐振频率、第二信号拾取振荡电路的谐振频率、交流电源s2的输出频率满足：
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（3）式（3）中，为设定的频率间隔。
43.同理，在第n个信号发射模块中，所述电能接收线圈的端口1与抽头n之间的线圈电感、所述信号发射谐振电容构成第n个信号发射振荡电路，其谐振频率为；在第n个信号拾取模块中，所述信号拾取线圈电感、所述信号拾取谐振电容构成第n个信号拾取振荡电路，其谐振频率为。通过优化设计、、、的数值，使第n个信号发射振荡电路的谐振频率、第n个信号拾取振荡电路的谐振频率、交流电源sn的输出频率满足：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（4）式（4）中，为设定的频率间隔。
44.具体的，当n=2时，所述全双工无线电能与信号混合传输系统包含电能发射振荡电路、电能接收振荡电路、第一信号发射振荡电路、第二信号发射振荡电路、第一信号拾取振
荡电路、第二信号拾取振荡电路，如图4所示。
45.按照所述全双工无线电能与信号混合传输方法对系统进行设计，使电能发射振荡电路的谐振频率、电能接收振荡电路的谐振频率；使第一信号发射振荡电路的谐振频率、第一信号拾取振荡电路的谐振频率；使第二信号发射振荡电路的谐振频率、第二信号拾取振荡电路的谐振频率。
46.对所述全双工无线电能与信号混合传输系统的性能进行分析，系统正向无线电能传输的效率为：
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（5）式（5）中，表示负载电阻消耗的功率，表示交流电源p输出功率。
47.系统正向无线信号传输的电压增益为：
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（6）式（6）中，表示正向信号采样电阻端电压，表示交流电源p输出电压。
48.系统第一反向无线信号传输的电压增益为：
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（7）式（7）中，表示第一信号拾取模块中反向信号采样电阻端电压，表示交流电源s1输出电压。
49.系统第二反向无线信号传输的电压增益为：
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（8）式（8）中，表示第二信号拾取模块中反向信号采样电阻端电压，表示交流电源s2输出电压。
50.设置交流电源p输出电压频率，根据公式（5）、公式（6）计算得到系统正向无线电能传输效率如图5所示、系统正向无线信号传输电压增益如图6所示。从图中可以看出：当交流电源p输出电压频率时，系统正向无线电能传输效率达最大值，同时系统正向无线信号传输的电压增益达到最大值。
51.设置交流电源s1输出电压频率为，交流电源s2输出电压频率为
，根据公式（7）、公式（8），计算得到系统第一反向无线信号传输的电压增益、系统第二反向无线信号传输的电压增益如图7所示。从图中可以看出：当交流电源s1输出电压频率为时，系统第一反向无线信号传输的电压增益达到最大值；当交流电源s2输出电压频率为时，系统第二反向无线信号传输的电压增益达到最大值。
52.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
53.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。