[发明专利]一种基于兰姆波的无线供能装置和方法

说明书

技术领域

本发明属于超声波无线能量传输技术领域，特别是涉及一种基于兰姆波的无线供能装置和方法。

背景技术

金属板形构件，尤其是厚度在8mm以下的金属薄板件，无论是在航空航天、汽车、船舶领域，还是在压力容器、大型化工容器方面均有广泛的应用。由于金属板状构件在生产过程中与使用过程中会产生损伤与破坏，从而对其结构的安全性构成了极大威胁。通过结构健康监测技术进行在线、实时有效的监测，从而及时发现这些材料中的疲劳与损伤对于预防事故的发生是非常重要的。

结构健康监测技术需要利用集成或贴附于结构上的传感系统，在线实时地获取与结构健康状况相关的信息，并结合信号信息处理方法提取特征参数，实现结构健康诊断，以保证结构安全和降低维修费用。一个完整的传感系统需要有电源线与数据线，不仅具有昂贵的通信供电电缆的安装和维护费用，而且其整体系统稳定性与鲁棒性也受到电缆的限制。虽然目前无线通讯技术已经比较成熟，但对结构健康监测使用的无线传感器供电问题又成为制约其技术发展的一个瓶颈。

目前使用较为成熟的供能方案为传统的电池供电，该方案的缺点是成本较高、电池体积较大且需要定期替换，而且在某些环境中难以更换电池，比如在飞机机翼舱体中、在轨航天器舱壁中、高铁车架中。而目前的无线供能装置大多数是利用电磁原理，存在着装置体积大、传输距离较短、效率较低等问题，因此不适合用于薄板件的结构健康检测传感器供电使用。

目前还有利用环境能量为其供电的解决方案。环境能量包括在自然界广泛存在的各种环境能量，包括太阳能、风能、机械振动能、热能、海洋能、生化能等，利用各种新型的智能换能材料及结构可以将上述能够转化为电能并进行储存利用。

对于工程环境中的板型构件来说，振动能量是广泛存在的，且振动能量的功率密度较高，是目前的环境能量收集领域研究热点之一。以常用的压电式振动能量收集方法为例，其利用压电元件的正压电效应，在外界振动的激励作用下，压电元件产生机械变形，在其表面形成正负电荷的堆积，再通过能量采集电路将其转换成供电设备需要的形式。压电式振动能量收集方法的局限在于压电器件普遍存在较窄的共振频带，而外界环境需要与压电器件达到共振状态时才能保证输出电能的水平较高。

虽然已经可以看出现有的振动能量收集技术应用的潜力，但该技术受限于环境的条件。一方面机械结构的振动能量来源不稳定，一旦外界因素导致振动减少，将使收集到的能量减少，因此难以稳定供给传感器使用。另一方面结构中的振动来源复杂，其振动特征频带较宽且不稳定，从而直接限制了俘能器的接收效率。而其他的环境能量收集技术也面临着同样的问题，比如热能收集技术中的热梯度不是时刻存在的，这些问题都会限制环境能量收集技术在无线传感器供电领域的应用。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于兰姆波的无线供能装置和方法，用于解决现有技术中金属薄板件健康监测传感器利用电缆或者电池供电的问题，以提供一种更稳定、更长久、无需人员经常操作的供电技术。

为了达到上述目的，本发明提供的基于兰姆波的无线供能装置包括信号发生器、电压放大器、激发换能器、金属薄板件、接收换能器、能量采集电路和储能元件；其中激发换能器和接收换能器间隔设置在金属薄板件的表面，并且上端面设有上电极和下电极；信号发生器的输出端连接电压放大器；电压放大器的输出端与接地端分别与激发换能器的上电极和下电极用导线连接；接收换能器的上电极和下电极分别与能量采集电路的输入端及接地端用导线连接；能量采集电路的输出端连接储能元件。

所述的激发换能器和接收换能器形状相同，均采用扁平圆片状压电陶瓷换能器，直径为2-5个兰姆波A0模态的波长。

所述的激发换能器采用由PZT-4或PZT-8材料制成的发射型压电陶瓷换能器；所述的接收换能器采用由PZT-5材料制成的接收型压电陶瓷换能器。

所述的上电极和下电极选用银电极和铜电极。

所述的储能元件为超级电容器或可充电锂电池。

所述的金属薄板件采用铝合金、钛合金、钢合金材料，厚度在0.5-8mm之间。

所述的能量采集电路由整流桥与滤波电容组成。

所述的激发换能器和接收换能器采用医用超声耦合剂或甘油和磁铁吸座固定在金属薄板件的表面。

本发明提供的基于兰姆波的无线供能装置的无线供能方法包括按顺序进行的下列步骤：