过金属壁传感器超声无线供能与信号传输方法研究

It is of great importance to fulfill wireless transfer of power energy and signal through metal wall in industrial and military application. Due to influence of the skin effect of the metal material, classical wireless radio frequency transmission cannot fulfill the requirement of energy and signal transmission through thick metal wall. The scheme for transmission of energy and signal by drilling holes and threading is usually unacceptable for reasons of structural integrity, preventing a hard-wired solution. In the project，the wireless energy supply and signal transmission through metal wall based on ultrasonic wave is studied. The study will focus on constructing the model for wireless energy supply and signal transmission system through metals and characteristics simulation of the model, the equalization algorithm for high speed signal transmission, adaptive adjustment and optimization selection of the working frequency for the ultrasonic transducer, by means of theoretical and experimental method. We hope that the technique level of the wireless energy supply and signal transmission through metal wall base on ultrasonic can be improved notable. And a prototype kit for wireless energy supply and signal transmission through metal is to be setup, which can lay strong foundation for practical use of this technology.

为封闭金属空间或密闭金属容器中的传感器以无线的方式提供能源，实现传感信号穿过金属壁的无线传输在诸多领域有着重要与迫切的需求。由于金属材料趋肤效应的影响，通常的电磁无线传输方式不能穿透厚金属壁实现能量与信号的传输，而在金属壁上通过钻孔穿线实现能量与信号传输的方案，由于会破坏密闭结构的完整性，往往是迫不得已的选择。本项目以超声波过金属壁无线供能与信号传输为目标，重点针对超声波过金属壁无线供能与信号传输系统建模与仿真、超声波过金属壁高速信号传输均衡算法、超声换能器工作频率自适应调节与优化方法等关键技术开展深入的理论与实验研究，使现有的超声波过金属壁无线供能与信号传输技术的水平得到显著提升，并建立起一套超声波过金属壁无线供能与信号传输原理样机，为形成实用化的装备奠定坚实的理论和技术基础。

现代装备为了适应高温、高压、放射性、剧毒等特殊环境，广泛采用密闭金属结构。为了实现内部的状态监测，需要为结构体内部的传感器提供能源。由于法拉第屏蔽效应的影响，电磁无线能量传输方式难以穿透金属壁实现能量的有效传输。超声波具有透射能力强、集束性好的特点，设计高效的超声无线能量传输系统具有重要工程应用价值。. 项目在深入调研国内外过金属壁无线供能与信号传输技术现状的基础上，基于波动方程与压电方程的理论建模方法、等效电路法对超声波过金属壁能量传输通道进行了建模与仿真分析，分析了不同参数对电压传输比及能量传输效率的影响规律，为过金属壁超声无线能量传输系统设计提供了理论指导。.研究了基于阻抗匹配的提高能量传输效率方法和超声换能器工作频率自适应调节与优化方法，保证了能量传输的优化状态；设计了基于并联非线性同步开关电路的高效能量收集电路，实现了内部压电换能器能量的高效转换与收集。. 研究了过金属壁双向信号可靠传输方法，设计了基于阻抗调制式由内向外数据传输方式；研究了基于随机共振原理的微弱数字信号增强传输方法，提高了噪声背景下过金属壁数字信号传输的可靠性。研究了基于回波消除均衡技术与OFDM技术的过金属壁单向高速通信技术并对方法进行了仿真验证。. 构建了超声过金属壁传感器的无线供能与信号传输实验原理样机，进行了能量传输和信号传输的实验测试，实现了穿过3cm厚金属壁，360mW能量的传输，实现了向内部温度传感节点的供能以及温度监测数据由内到外的同步传输。构建了半双工低速通信系统，通过传输温度、图片等实验对系统性能进行了测试，结果表明系统可在低误码率下以10Kbps的速率稳定运行。双向半双工数据传输速率达到10Kbps，对基于OFDM调制过金属壁高速通信技术进行了原理实验验证，结果表明高速通信速率能够达到1Mbps，验证了高速方案切实可行。