0 引言

    文獻[1，2]中提出一種基于互感機理的地下位移測量集成傳感器用于地下深部的位移監(jiān)測。它是由一個個獨立的地下位移測量單元通過金屬導(dǎo)線串接組成的，在測量時通過從上到下逐一測出相鄰的兩個地下位移測量單元的空間位置相對變化量，從而測出從地面到地下深部的變形情況。地下位移測量單元間的供電和通信都是通過金屬導(dǎo)線相連完成的，這樣的連接方式使裝置的密封受到影響，并且安裝運輸不方便。再者由于整個集成傳感器長期掩埋于地下，金屬導(dǎo)線會受到外界環(huán)境的腐蝕，造成傳感器不能夠穩(wěn)定地工作。在雷雨天氣時，由于金屬導(dǎo)線的導(dǎo)電作用，雷擊會損壞傳感器。

    為了解決有線供電方式存在的問題，本文設(shè)計了一種用于地下位移變形測量傳感器的無線電能傳輸裝置，以無線的方式自上而下給每一個測量單元提供電能。文獻[3，4]中介紹了無線電能傳輸方式分類、每種方式的優(yōu)缺點以及各自的應(yīng)用場合。由于磁耦合諧振式無線電能傳輸(Magnetic Resonance Coupling Wireless Power Transmission，MRC-WPT)技術(shù)具有傳輸距離遠、線圈間錯位敏感度小的特點，非常適合應(yīng)用于地下位移變形測量傳感器的無線電能傳輸裝置中。

    本文首先介紹MRC-WPT的工作機理；接著將該技術(shù)應(yīng)用于地下位移測量傳感器串的無線電能傳輸裝置中，提出總體方案并詳細分析各模塊的電路設(shè)計；最后實際搭建電路驗證裝置的可行性，并提出存在的不足，為裝置的后續(xù)完善提供指導(dǎo)。

1 磁耦合諧振式無線電能傳輸機理和結(jié)構(gòu)

1.1 磁耦合諧振式無線電能傳輸機理

    無線電能傳輸裝置的設(shè)計是基于MCR-WPT技術(shù)，它是麻省理工學(xué)院的研究小組在2007年提出的^[5]。他們成功點亮了相距2 m外的一個60 W燈泡。本文以兩線圈結(jié)構(gòu)為例介紹MCR-WPT的工作機理，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中發(fā)射端由激勵電源、電源阻抗Z_s、補償電容C₁、發(fā)射線圈組成,接收端由接收線圈、補償電容C₂、接收端負載阻抗組成。

    電源給發(fā)射線圈供電，頻率為系統(tǒng)諧振頻率。此時發(fā)射線圈發(fā)生諧振。即使在不高的供電電壓下，因為發(fā)生諧振，也能產(chǎn)生較大的電流，從而建立起較強的電磁場。發(fā)射線圈中電容的電場能因為諧振與電感線圈中的磁場能不斷地進行交換。而發(fā)射端電感線圈中磁場有一部分鉸鏈到接收端的電感線圈，交變的磁場在接收線圈中感應(yīng)出電流，因此能量傳遞到了接收端。在接收端，電容中的電場能和電感線圈中的磁場能也因為諧振在不斷地進行能量交換，最終把能量傳遞給負載。

1.2 串串結(jié)構(gòu)電路模型分析

    文獻[6]中研究了4種MCR-WPT拓撲結(jié)構(gòu)的性能，文獻[7]中從電路角度分析串串結(jié)構(gòu)的傳輸效率與線圈尺寸、距離之間的關(guān)系。本文以兩線圈串串耦合模型為例推導(dǎo)輸出功率和效率的表達式，其等效的電路模型如圖2所示。為方便說明，在以下的分析中，認為發(fā)射、接收裝置在建立聯(lián)系之后，均達到自諧振狀態(tài),同時只考慮線路的集中參數(shù)，并不計算雜散參數(shù)對電路的影響。

    根據(jù)基爾霍夫電壓定律，可得等效電路的回路方程：

    式中U為電壓源電壓；L_S、L_D分別為發(fā)射線圈和接收線圈的電感；R_S、R_D分別為發(fā)射線圈和接收線圈的等效電阻；R_L為負載等效電阻；C_S、C_D分別為發(fā)射線圈和接收線圈端串聯(lián)的補償電容。

1.3 中繼線圈

    本文所研究的對象是一個多級的電能傳輸系統(tǒng)，具有負載數(shù)量多、傳輸距離遠的特點。文獻[8]中研究設(shè)計了一個利用中繼線圈延長傳輸距離的系統(tǒng)，通過研究比較兩耦合器系統(tǒng)、三耦合器系統(tǒng)、四耦合器系統(tǒng)的特性，指出利用一個或多個中繼線圈可以有效地延長傳輸距離以及提高傳輸效率。

2 裝置硬件設(shè)計

2.1 裝置設(shè)計原理

    本文將MCR-WPT技術(shù)應(yīng)用于地下變形測量傳感器串的供電應(yīng)用中，裝置設(shè)計原理如圖3所示。無線電能傳輸裝置由一個個電能傳送節(jié)點和一個地上總控電源組成，其中第M個節(jié)點通過金屬導(dǎo)線與地上總控電源相連，其余各個電能傳送節(jié)點之間沒有有線連接。在輸送電時，通過磁場耦合的作用，將上一個節(jié)點存儲的電能傳送到下一個節(jié)點。以此向下，將地上總電源的電能輸送到每一個節(jié)點，從而實現(xiàn)為整個地下位移測量傳感器串供電。

    每個電能傳送節(jié)點包括線圈回路、微控制單元(Microcontroller Unit，MCU)、接收端電路、發(fā)送端電路、開關(guān)切換電路、無線通信模塊，其結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。其中MCU與接收端電路、發(fā)送端電路、無線通信模塊相連。單片機根據(jù)無線通信模塊接收到的指令，控制開關(guān)使線圈是與接收端電路相連，或與發(fā)送端電路相連，還是不與其中任何一個電路相連。所以每個電能傳送節(jié)點的線圈都有3種工作狀態(tài)，分別為接收狀態(tài)、發(fā)送狀態(tài)和中繼狀態(tài)。

2.2 無線電能傳送節(jié)點接收端電路設(shè)計

    無線電能傳送節(jié)點接收端電路框圖如圖5所示。接收端電路包含整流濾波電路、儲能電路、DC-DC轉(zhuǎn)換器；整流濾波電路采用由肖特基二極管搭建的橋式電路與電解電容并聯(lián)組成，將線圈接收到的交流電整流濾波為直流電。該直流電一路經(jīng)由DC-DC轉(zhuǎn)換器將電壓轉(zhuǎn)換為符合MCU工作的電壓；另一路在MCU的控制下，通過開關(guān)切換與儲能電路相連，將線圈接收到的能量儲存在儲能裝置中。

    儲能電路模塊采用LTC3625集成芯片，其可以將兩個串聯(lián)超級電容器充電至一個固定輸出電壓，而且可以自動平衡兩節(jié)超級電容器的電壓，防止任一個超級電容器遭受過壓損壞。

    超級電容器充電電路如圖6所示，其中C₂、C₃為兩節(jié)耐壓值為2.7 V、電容值為100 F的超級電容器串接組成。當LTC3625的V_out引腳的輸出電壓達到最終電壓的92.5%時，其PGOOD引腳由低電平變?yōu)楦咦钁B(tài)，經(jīng)上拉電阻連接單片機的輸入引腳，指示超級電容器的電能狀態(tài)。

2.3 無線電能傳送節(jié)點發(fā)射端電路設(shè)計

    無線電能傳送節(jié)點發(fā)射端電路框圖如圖7所示。發(fā)送端電路包含逆變電路、調(diào)頻驅(qū)動電路、反饋電路；調(diào)頻驅(qū)動電路的輸出端與逆變電路的輸入端相連，逆變電路將儲能裝置中的直流電能逆變?yōu)楦哳l交流電能通入線圈，從而激發(fā)磁場。MCU根據(jù)反饋電路的結(jié)果調(diào)整調(diào)頻驅(qū)動電路的輸出，使發(fā)送端電路工作在最優(yōu)或者次優(yōu)狀態(tài)，其中反饋信息通過地下位移傳感器的測量得到。

    調(diào)頻驅(qū)動電路如圖8所示，由數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、直接數(shù)字式頻率合成器(Direct Digital Synthesizer，DDS)和比較器組成。MCU控制數(shù)模轉(zhuǎn)換電路輸出可調(diào)直流電壓作為比較器的參考電壓。同時，MCU控制DDS信號發(fā)生電路輸出可調(diào)頻率的正弦波作為比較器的比較電壓；兩路信號經(jīng)比較器輸出一定頻率、一定占空比的PWM波驅(qū)動逆變電路。

    DDS選用AD9851集成芯片，其可以在單片機的控制下輸出兩路具有一定頻率、互補的正弦波，而且功耗低，在3.3 V供電時僅為155 mW。比較器選用TLV3501集成芯片，引腳SHDN具有關(guān)斷功能可降低裝置的功耗。另外通過R₃電阻引入正反饋，構(gòu)成滯回比較器電路，閾值電壓的表達式為：

式中V_HYST為閾值電壓；V₊為比較器工作電壓。

    逆變電路由功率放大器和驅(qū)動電路組成，其電路如圖9所示。電路功率放大器采用電壓開關(guān)類型D類功率放大器^[10]，其中全控性開關(guān)器件采用IRF840功率MOSFET開關(guān)管Q1、Q2構(gòu)成,上下MOS管交替導(dǎo)通半個周期。故D類功率放大器輸出電壓的表達式為：

式中T=1/f，f為系統(tǒng)頻率同時也是MOS管的開關(guān)頻率；V_DSS為MOS管的飽和壓降。

    與此同時，逆變電路的輸出端連接線圈回路，由于該回路可以等效為由電感、電容、等效電阻串連組成，具有選頻濾波的作用，所以回路中的電流為一余弦波電流，其頻率為激勵信號的基頻。

    功率驅(qū)動器選用IR2110集成芯片, 其集成度高，可驅(qū)動上下兩個MOS管，響應(yīng)速度快，尤其是上MOS管驅(qū)動采用外部自舉電容上電，使得驅(qū)動電路數(shù)目較其他IC驅(qū)動大大減小。

2.4 無線電能傳送節(jié)點無線通信電路設(shè)計

    無線通信電路以CC1101集成芯片為核心配合其他外圍電路實現(xiàn)。CC1101可以通過SPI接口與MCU連接，可提供對數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖、突發(fā)傳輸、接收信號強度指示、空閑信道評估、鏈路質(zhì)量指示以及無線喚醒的廣泛硬件支持。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

    根據(jù)裝置設(shè)計原理可知，每個電能傳送節(jié)點都有3種工作狀態(tài)，分別為發(fā)送狀態(tài)、接收狀態(tài)和中繼狀態(tài)。又因為本文所研究的對象是一個多級的電能傳輸系統(tǒng)，具有負載數(shù)量多、傳輸距離遠的特點。所以系統(tǒng)軟件的設(shè)計關(guān)鍵點在于總控電源根據(jù)反饋信息制定相應(yīng)充電策略來切換每個節(jié)點的工作狀態(tài)，從而保證每個節(jié)點有足夠的電能滿足地下位移測量傳感器串的工作需求。反饋信息主要包括當前電能傳送節(jié)點的工作狀態(tài)、儲能裝置的剩余電量、地下位移傳感器的運行狀態(tài)等。程序流程圖如圖10所示。

4 實驗

    實驗主要分兩部分：一是用現(xiàn)有線圈骨架繞制導(dǎo)線直徑不同、匝數(shù)不同、結(jié)構(gòu)不同的線圈，用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量其傳輸特性；二是將線圈與節(jié)點電路相連，測試無線電能傳輸裝置性能。

4.1 線圈傳輸特性測試

    實驗選用了兩種不同粗細的多股線，直徑分別為2 mm和1.85 mm。采用的線圈骨架為一塑料圓柱，直徑為72 mm，高度為80 mm。

    實驗時，繞制了4種不同的線圈，線圈1采用2 mm多股線均勻在骨架上繞制一層；線圈2采用1.85 mm多股線均勻在骨架上繞制一層；線圈3采用1.85 mm多股線在骨架上繞制二層，第一層均勻密繞，第二層在線圈兩端各均勻密繞10匝；線圈4采用1.85 mm多股線在骨架上繞制二層，第一層均勻密繞，第二層在線圈中間均勻密繞10匝。線圈各參數(shù)見表1。

    將繞制好的兩個線圈分別接在網(wǎng)絡(luò)分析儀E5063A端口一和端口二上，測量其S12參數(shù)，結(jié)果如圖11所示。

    從圖11中可以看出，隨著距離增加，線圈的最佳S12在減小。并且線圈3在不同距離下的最佳S12參數(shù)都遠好于其他線圈，其傳輸特性最好。通過比較線圈1和線圈2，可以發(fā)現(xiàn)在導(dǎo)線直徑相似的情況下，對線圈傳輸性能的改善不是特別明顯。

4.2 無線電能傳輸裝置性能測試

    將線圈2與節(jié)點電路相連，實驗平臺采用三坐標移動平臺，將一節(jié)點固定在水平面上，另一節(jié)點與三坐標平臺的固定裝置相連，實驗測試平臺搭建如圖12所示。

    實驗時，取3.6 Ω模擬實際負載，測量電阻兩端的功率，得到兩節(jié)點在不同距離下輸出功率隨驅(qū)動頻率的變化，實驗結(jié)果如圖13所示。

    從圖13中可以看出，在兩節(jié)點距離不變的情況下，隨著激勵頻率的增大，輸出功率先增大后減小；在激勵頻率為線圈2自諧振頻率處，隨著兩節(jié)點距離的增大，輸出功率先增大后減小。所以，在實際過程中，根據(jù)地下位移傳感器的反饋結(jié)果調(diào)節(jié)線圈的激勵頻率，使得裝置工作在最優(yōu)或者次優(yōu)狀態(tài)。

5 結(jié)論

    本文設(shè)計的無線電能傳輸裝置包含一個總控電源和多個無線電能傳送節(jié)點，每個節(jié)點包括線圈回路、微控制單元、接收端電路、發(fā)送端電路、開關(guān)切換電路、無線通信模塊。實驗測試了無線電能傳輸裝置在兩個節(jié)點情況下的充電情況，結(jié)果表明充電穩(wěn)定。但是對于更多節(jié)點的無線電能傳輸仍需完善，并且要提高充電效率。

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[10] 胡長陽.D類和E類開關(guān)模式功率放大器[M].北京：高等教育出版社，1985.

作者信息:

吳  軼，李  青，施  閣

（中國計量大學(xué) 機電工程學(xué)院，浙江 杭州310018）