全文摘要
一种基于超声波穿透液体的供电装置，包括供电单元，供电单元与逆变单元连接，逆变单元通过一次补偿单元与超声波发射单元连接，超声波发射单元以超声波为能量载体将能量传输至超声波接受单元，超声波接受单元与电能收集单元连接，电能收集单元通过二次补偿单元与整流滤波稳压单元连接，整流滤波稳压单元与储能单元连接，储能单元与负载连接；所述超声波发射单元与超声波接受单元之间的传输介质为液体。本装置基于超声波的无线输电方式方向性强、能量集中且不存在电磁干扰的问题，在能量传输方面有很大的优势。
主设计要求
1.一种基于超声波穿透液体的供电装置，其特征在于：包括供电单元（1），供电单元（1）与逆变单元（8）连接，逆变单元（8）通过一次补偿单元（2）与超声波发射单元（3）连接，超声波发射单元（3）以超声波为能量载体将能量传输至超声波接受单元（4），超声波接受单元（4）与电能收集单元（9）连接，电能收集单元（9）通过二次补偿单元（5）与整流滤波稳压单元（6）连接，整流滤波稳压单元（6）与储能单元（7）连接，储能单元（7）与负载连接。
设计方案
1.一种基于超声波穿透液体的供电装置，其特征在于：包括供电单元（1），供电单元（1）与逆变单元（8）连接，逆变单元（8）通过一次补偿单元（2）与超声波发射单元（3）连接，超声波发射单元（3）以超声波为能量载体将能量传输至超声波接受单元（4），超声波接受单元（4）与电能收集单元（9）连接，电能收集单元（9）通过二次补偿单元（5）与整流滤波稳压单元（6）连接，整流滤波稳压单元（6）与储能单元（7）连接，储能单元（7）与负载连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于超声波穿透液体的供电装置，其特征在于：所述超声波发射单元（3）和超声波接受单元（4）的能量转换器为钹式压电换能器，超声波发射单元（3）的钹式压电换能器通过压电陶瓷的逆压电效应将电能转化成机械振动，产生超声波；超声波接受单元（4）接受超声波发射单元（3）发送的超声波，再通过压电陶瓷的压电效应将机械能转化成电能。
3.根据权利要求1所述的一种基于超声波穿透液体的供电装置，其特征在于：供电单元（1）为光伏板或蓄电池直流供电电源，供电单元（1）通过逆变单元（8）将直流转化为高频的交流电。
4.根据权利要求3所述的一种基于超声波穿透液体的供电装置，其特征在于：所述的逆变单元（8）输出的高频交流电频率至少为20000Hz。
5.根据权利要求1所述的一种基于超声波穿透液体的供电装置，其特征在于：所述电能收集单元（9）采用了两通道的电荷放大器。
6.根据权利要求5所述的一种基于超声波穿透液体的供电装置，其特征在于：电荷放大器中采用了OPA602型号的芯片和STM32型号的单片机。
7.根据权利要求6所述的一种基于超声波穿透液体的供电装置，其特征在于：所述STM32型号的单片机检测电荷信号的强度。
8.根据权利要求1或2或5所述的一种基于超声波穿透液体的供电装置，其特征在于：所述超声波接受单元（4）的钹式压电换能器输出端包括两个通道，所述两个通道均与电能收集单元（9）输入端连接。
9.根据权利要求1所述的一种基于超声波穿透液体的供电装置，其特征在于：所述超声波发射单元（3）与超声波接受单元（4）之间的传输介质为液质。
设计说明书
技术领域
本实用新型属于无线电能传输技术领域，特别涉及一种基于超声波穿透液体的供电装置。
背景技术
传统的电能传输主要是导线的直接接触进行传输。然而在给水下的设备供电时往往会遇到很多问题，如在传输过程中会产生接触火花、引起爆炸、造成重大事故等弊端。再者，太阳能无法给水下的设备供电。基于无线电能传输技术的无线供电方式，其电源与用电设备之间没有直接的电接触，因而可以有效避免导线接触产生的上述问题。从国内外的研究现状来看，现阶段的无线电能传输方式主要是电磁感应式和谐振耦合式，以磁场或电场作为传输媒介，利用电磁感应或交互电场，在接收器上产生感应电流或位移电流，实现能量的无线传输。但是这两种方式传输的距离有限。
实用新型内容
鉴于背景技术所存在的技术问题，本实用新型所提供的一种基于超声波穿透液体的供电装置，本装置基于超声波的无线输电方式方向性强、能量集中且不存在电磁干扰的问题，在能量传输方面有很大的优势。
为了解决上述技术问题，本实用新型采取了如下技术方案来实现：
一种基于超声波穿透液体的供电装置，包括供电单元，供电单元与逆变单元连接，逆变单元通过一次补偿单元与超声波发射单元连接，超声波发射单元以超声波为能量载体将能量传输至超声波接受单元，超声波接受单元与电能收集单元连接，电能收集单元通过二次补偿单元与整流滤波稳压单元连接，整流滤波稳压单元与储能单元连接，储能单元与负载连接；
供电单元输出端与逆变单元输入端连接，逆变单元输出端与一次补偿单元输入端连接，一次补偿单元输出端与超声波接受单元输入端连接；上述连接关系构成了整个装置的能量发射部分；
超声波接受单元输出端与电能收集单元输入端连接，电能收集单元输出端与二次补偿单元输入端连接，二次补偿单元输出端与整流滤波稳压单元输入端连接，整流滤波稳压单元输出端与储能单元输入端连接，储能单元输出端与负载连接；上述连接关系构成了整个装置的能量接受部分。
优选的方案中，所述超声波发射单元和超声波接受单元的能量转换器为钹式压电换能器，超声波发射单元的钹式压电换能器通过压电陶瓷的逆压电效应将电能转化成机械振动，产生超声波；超声波接受单元接受超声波发射单元发送的超声波，再通过压电陶瓷的压电效应将机械能转化成电能。
优选的方案中，所述供电单元为光伏板或蓄电池直流供电电源，供电单元通过逆变单元将直流转化为高频的交流电。
优选的方案中，所述的逆变单元输出的高频交流电频率至少为20000Hz。
优选的方案中，所述电能收集单元采用了两通道的电荷放大器。
优选的方案中，所述电荷放大器中采用了OPA602型号的芯片和STM32型号的单片机。
优选的方案中，所述STM32型号的单片机检测电荷信号的强度。
优选的方案中，所述超声波接受单元的钹式压电换能器输出端包括两个通道，所述两个通道均与电能收集单元输入端连接。
所述超声波发射单元与超声波接受单元之间的传输介质为液质。
本专利可达到以下有益效果：
1、基于超声波的无线输电方式方向性强、能量集中且不存在电磁干扰的问题，在能量传输方面有很大的优势；
2、逆变单元不仅可以将直流电转为交流电，还可以改变电流频率至20000Hz以上，来激发超声波；
3、电能收集单元采用了两通道的电荷放大器，可以根据压电换能器产生电荷量的不同选择不同的通道，从而控制电路转换灵敏度，提高了电荷放大器的效率；
4、电荷放大器中用OPA602芯片，其具有高输入阻抗、低漂集的特点；
5、单片机选STM32，其具有高性能，实时性强，低功耗，便于低电压操作等优点，同时还易于开发。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明：
图1为本实用新型系统逻辑图；
图2为本实用新型钹式压电换能器结构示意图；
图3为本实用新型能量发射部分等效电路图；图中，U为直流电源，C0、R0为压电陶瓷的等效电路图，L0、R1、C1为压电换能器的等效电路图，Z1为一次补偿阻抗，A为电荷放大器；
图4为本实用新型能量接受部分等效电路图；图中，Q为压电陶瓷的电荷量，C用来储存电量，L1、R、C4为压电换能器的等效电路图，A为电荷放大器，Z2为二次补偿阻抗，C5为滤波电容。
具体实施方式
优选的方案如图1所示，一种基于超声波穿透液体的供电装置，包括供电单元1，供电单元1与逆变单元8连接，逆变单元8通过一次补偿单元2与超声波发射单元3连接，超声波发射单元3以超声波为能量载体将能量传输至超声波接受单元4，超声波接受单元4与电能收集单元9连接，电能收集单元9通过二次补偿单元5与整流滤波稳压单元6连接，整流滤波稳压单元6与储能单元7连接，储能单元7与负载连接；所述超声波发射单元3与超声波接受单元4之间的传输介质为液质，所述介质既可以是海水、淡水等；
供电单元1输出端与逆变单元8输入端连接，逆变单元8输出端与一次补偿单元2输入端连接，一次补偿单元2输出端与超声波接受单元4输入端连接；上述连接关系构成了整个装置的能量发射部分；
超声波接受单元4输出端与电能收集单元9输入端连接，电能收集单元9输出端与二次补偿单元5输入端连接，二次补偿单元5输出端与整流滤波稳压单元6输入端连接，整流滤波稳压单元6输出端与储能单元7输入端连接，储能单元7输出端与负载连接；上述连接关系构成了整个装置的能量接受部分；
整流滤波稳压单元6输出直流给负载供电，当电能充足时可将多余的电能储存到储能单元7，以便下次供电，所述的储能单元7可以是锂电池组。
优选的方案如图2所示，所述超声波发射单元3和超声波接受单元4的能量转换器为钹式压电换能器，超声波发射单元3的钹式压电换能器通过压电陶瓷的逆压电效应将电能转化成机械振动，产生超声波；超声波接受单元4接受超声波发射单元3发送的超声波，再通过压电陶瓷的压电效应将机械能转化成电能；
上述压电换能器选用钹式压电换能器，其具有体积小、重量轻、振动位移大以及灵敏度高等优点；在相同的激励下，钹结构压电换能器要比相同尺寸PZT陶瓷片位移高40倍，等效压电常数比PZT本身约高出40倍。
优选的方案如图3所示，供电单元1为光伏板或蓄电池直流供电电源，供电单元1通过逆变单元8将直流转化为高频的交流电；
所述的逆变单元8输出的高频交流电频率至少为20000Hz；
由于超声波是一种频率高于20000赫兹的声波，所以在系统中加入了高频逆变环节，使直流变成交流并且提高其频率；压电效应在谐振频率下传输效率最高，并且在传输过程中有无功的损耗，所以在逆变单元8后加入了一次补偿单元2；电能收集单元9与整流滤波稳压单元6之间加入二次补偿单元5，也是为了补充无功损耗；
优选的方案如图4所示，所述电能收集单元9采用了两通道的电荷放大器；
电能收集模块采用了两通道的电荷放大器，可以根据压电换能器产生电荷量的不同选择不同的通道，从而控制电路转换灵敏度，提高了电荷放大器的效率，且电荷放大器中用OPA602芯片，其具有高输入阻抗、低漂集的特点；集成运放OPA602将压电元件输出的电荷转化成电压输出，同时通过单片机模块来检测电荷信号的强度，将检测的信号反馈到电荷放大器的末端，控制反馈电容C用来控制电路转换灵敏度，反馈电阻R避免OPA602进入饱和输出状态；单片机选STM32，其具有高性能，实时性强，低功耗，便于低电压操作等优点，同时还易于开发。
优选的方案如图1所示，所述超声波接受单元4的钹式压电换能器输出端包括两个通道，所述两个通道均与电能收集单元9输入端连接。
整个装置的工作原理如下：
在能量发射部分，当供电单元1对超声波发射单元3的钹式压电换能器供电时，电荷作用于钹式压电换能器，产生逆压电效应，将电能转化成机械能作用于钹式压电换能器的钹片，产生超声波发射出去；超声波可以通过盐水或者淡传播到能量接收部分；
在能量接收部分，超声波的压力作用于钹式压电换能器的钹片，钹片在受力后，上钹片产生一个向下的形变，下钹片产生一个向上的形变，形变后的两片钹片同时对压电陶瓷产生压力，压电陶瓷具有压电效应，压电效应可以将机械能转化成电能，即当压电陶瓷受到钹片的压力时，会产生机械振动，从而将这种振动转化为交变的电荷；
而交变的电荷信号微弱，所以通过电能收集模块的OPA602电荷放大器将其信号放大并且转化成电压输出；
由于能量发射部分和接收部分之间的距离会发生改变，所以压电换能器钹片上产生的机械能是一个变量，通过机械能产生的电荷信号也不稳定，从而对反馈阻抗C的要求也不一样，为了解决这个问题，现选择两通道的电荷放大器，并且加入STM32型号的单片机，用单片机技术来检测电荷信号的强度，当电荷的值大于某一特定值X时，使单片机输出高频信号“1”，将此信号反馈到电荷放大器的末端，控制开关，选择较大的C2；当电荷的值小于某一特定值X时，使单片机输出低频信号“0”，将此信号反馈到电荷放大器的末端，控制开关，选择较小的C3；通过控制反馈电容C用来控制电路转换灵敏度，提高电荷转化成电压的效率；在电荷放大器末端可以得到交变的电压，再通过整流滤波稳压单元6给负载供电。
上述的实施例仅为本实用新型的优选技术方案，而不应视为对于本实用新型的限制，本实用新型的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本实用新型的保护范围之内。
设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201920152435.6
申请日:2019-01-18
公开号:公开日:国家:CN
国家/省市:42(湖北)
授权编号:CN209217807U
授权时间:20190806
主分类号:H02J 50/15
专利分类号:H02J50/15
范畴分类:37C;
申请人:湖北唐人科技有限公司
第一申请人:湖北唐人科技有限公司
申请人地址:443000 湖北省宜昌市西陵区西陵二路22号CBD数码城C栋1101
发明人:张星球;吴航海;钱宏伟;史振利;单知非
第一发明人:张星球
当前权利人:湖北唐人科技有限公司
代理人:成钢
代理机构:42103
代理机构编号:宜昌市三峡专利事务所
优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计