0 引言

    文献[1，2]中提出一种基于互感机理的地下位移测量集成传感器用于地下深部的位移监测。它是由一个个独立的地下位移测量单元通过金属导线串接组成的，在测量时通过从上到下逐一测出相邻的两个地下位移测量单元的空间位置相对变化量，从而测出从地面到地下深部的变形情况。地下位移测量单元间的供电和通信都是通过金属导线相连完成的，这样的连接方式使装置的密封受到影响，并且安装运输不方便。再者由于整个集成传感器长期掩埋于地下，金属导线会受到外界环境的腐蚀，造成传感器不能够稳定地工作。在雷雨天气时，由于金属导线的导电作用，雷击会损坏传感器。

    为了解决有线供电方式存在的问题，本文设计了一种用于地下位移变形测量传感器的无线电能传输装置，以无线的方式自上而下给每一个测量单元提供电能。文献[3，4]中介绍了无线电能传输方式分类、每种方式的优缺点以及各自的应用场合。由于磁耦合谐振式无线电能传输(Magnetic Resonance Coupling Wireless Power Transmission，MRC-WPT)技术具有传输距离远、线圈间错位敏感度小的特点，非常适合应用于地下位移变形测量传感器的无线电能传输装置中。

    本文首先介绍MRC-WPT的工作机理；接着将该技术应用于地下位移测量传感器串的无线电能传输装置中，提出总体方案并详细分析各模块的电路设计；最后实际搭建电路验证装置的可行性，并提出存在的不足，为装置的后续完善提供指导。

1 磁耦合谐振式无线电能传输机理和结构

1.1 磁耦合谐振式无线电能传输机理

    无线电能传输装置的设计是基于MCR-WPT技术，它是麻省理工学院的研究小组在2007年提出的^[5]。他们成功点亮了相距2 m外的一个60 W灯泡。本文以两线圈结构为例介绍MCR-WPT的工作机理，其结构如图1所示。其中发射端由激励电源、电源阻抗Z_s、补偿电容C₁、发射线圈组成,接收端由接收线圈、补偿电容C₂、接收端负载阻抗组成。

    电源给发射线圈供电，频率为系统谐振频率。此时发射线圈发生谐振。即使在不高的供电电压下，因为发生谐振，也能产生较大的电流，从而建立起较强的电磁场。发射线圈中电容的电场能因为谐振与电感线圈中的磁场能不断地进行交换。而发射端电感线圈中磁场有一部分铰链到接收端的电感线圈，交变的磁场在接收线圈中感应出电流，因此能量传递到了接收端。在接收端，电容中的电场能和电感线圈中的磁场能也因为谐振在不断地进行能量交换，最终把能量传递给负载。

1.2 串串结构电路模型分析

    文献[6]中研究了4种MCR-WPT拓扑结构的性能，文献[7]中从电路角度分析串串结构的传输效率与线圈尺寸、距离之间的关系。本文以两线圈串串耦合模型为例推导输出功率和效率的表达式，其等效的电路模型如图2所示。为方便说明，在以下的分析中，认为发射、接收装置在建立联系之后，均达到自谐振状态,同时只考虑线路的集中参数，并不计算杂散参数对电路的影响。

    根据基尔霍夫电压定律，可得等效电路的回路方程：

    式中U为电压源电压；L_S、L_D分别为发射线圈和接收线圈的电感；R_S、R_D分别为发射线圈和接收线圈的等效电阻；R_L为负载等效电阻；C_S、C_D分别为发射线圈和接收线圈端串联的补偿电容。

1.3 中继线圈

    本文所研究的对象是一个多级的电能传输系统，具有负载数量多、传输距离远的特点。文献[8]中研究设计了一个利用中继线圈延长传输距离的系统，通过研究比较两耦合器系统、三耦合器系统、四耦合器系统的特性，指出利用一个或多个中继线圈可以有效地延长传输距离以及提高传输效率。

2 装置硬件设计

2.1 装置设计原理

    本文将MCR-WPT技术应用于地下变形测量传感器串的供电应用中，装置设计原理如图3所示。无线电能传输装置由一个个电能传送节点和一个地上总控电源组成，其中第M个节点通过金属导线与地上总控电源相连，其余各个电能传送节点之间没有有线连接。在输送电时，通过磁场耦合的作用，将上一个节点存储的电能传送到下一个节点。以此向下，将地上总电源的电能输送到每一个节点，从而实现为整个地下位移测量传感器串供电。

    每个电能传送节点包括线圈回路、微控制单元(Microcontroller Unit，MCU)、接收端电路、发送端电路、开关切换电路、无线通信模块，其结构框图如图4所示。其中MCU与接收端电路、发送端电路、无线通信模块相连。单片机根据无线通信模块接收到的指令，控制开关使线圈是与接收端电路相连，或与发送端电路相连，还是不与其中任何一个电路相连。所以每个电能传送节点的线圈都有3种工作状态，分别为接收状态、发送状态和中继状态。

2.2 无线电能传送节点接收端电路设计

    无线电能传送节点接收端电路框图如图5所示。接收端电路包含整流滤波电路、储能电路、DC-DC转换器；整流滤波电路采用由肖特基二极管搭建的桥式电路与电解电容并联组成，将线圈接收到的交流电整流滤波为直流电。该直流电一路经由DC-DC转换器将电压转换为符合MCU工作的电压；另一路在MCU的控制下，通过开关切换与储能电路相连，将线圈接收到的能量储存在储能装置中。

    储能电路模块采用LTC3625集成芯片，其可以将两个串联超级电容器充电至一个固定输出电压，而且可以自动平衡两节超级电容器的电压，防止任一个超级电容器遭受过压损坏。

    超级电容器充电电路如图6所示，其中C₂、C₃为两节耐压值为2.7 V、电容值为100 F的超级电容器串接组成。当LTC3625的V_out引脚的输出电压达到最终电压的92.5%时，其PGOOD引脚由低电平变为高阻态，经上拉电阻连接单片机的输入引脚，指示超级电容器的电能状态。

2.3 无线电能传送节点发射端电路设计

    无线电能传送节点发射端电路框图如图7所示。发送端电路包含逆变电路、调频驱动电路、反馈电路；调频驱动电路的输出端与逆变电路的输入端相连，逆变电路将储能装置中的直流电能逆变为高频交流电能通入线圈，从而激发磁场。MCU根据反馈电路的结果调整调频驱动电路的输出，使发送端电路工作在最优或者次优状态，其中反馈信息通过地下位移传感器的测量得到。

    调频驱动电路如图8所示，由数模转换电路、直接数字式频率合成器(Direct Digital Synthesizer，DDS)和比较器组成。MCU控制数模转换电路输出可调直流电压作为比较器的参考电压。同时，MCU控制DDS信号发生电路输出可调频率的正弦波作为比较器的比较电压；两路信号经比较器输出一定频率、一定占空比的PWM波驱动逆变电路。

    DDS选用AD9851集成芯片，其可以在单片机的控制下输出两路具有一定频率、互补的正弦波，而且功耗低，在3.3 V供电时仅为155 mW。比较器选用TLV3501集成芯片，引脚SHDN具有关断功能可降低装置的功耗。另外通过R₃电阻引入正反馈，构成滞回比较器电路，阈值电压的表达式为：

式中V_HYST为阈值电压；V₊为比较器工作电压。

    逆变电路由功率放大器和驱动电路组成，其电路如图9所示。电路功率放大器采用电压开关类型D类功率放大器^[10]，其中全控性开关器件采用IRF840功率MOSFET开关管Q1、Q2构成,上下MOS管交替导通半个周期。故D类功率放大器输出电压的表达式为：

式中T=1/f，f为系统频率同时也是MOS管的开关频率；V_DSS为MOS管的饱和压降。

    与此同时，逆变电路的输出端连接线圈回路，由于该回路可以等效为由电感、电容、等效电阻串连组成，具有选频滤波的作用，所以回路中的电流为一余弦波电流，其频率为激励信号的基频。

    功率驱动器选用IR2110集成芯片, 其集成度高，可驱动上下两个MOS管，响应速度快，尤其是上MOS管驱动采用外部自举电容上电，使得驱动电路数目较其他IC驱动大大减小。

2.4 无线电能传送节点无线通信电路设计

    无线通信电路以CC1101集成芯片为核心配合其他外围电路实现。CC1101可以通过SPI接口与MCU连接，可提供对数据包处理、数据缓冲、突发传输、接收信号强度指示、空闲信道评估、链路质量指示以及无线唤醒的广泛硬件支持。

3 系统软件设计

    根据装置设计原理可知，每个电能传送节点都有3种工作状态，分别为发送状态、接收状态和中继状态。又因为本文所研究的对象是一个多级的电能传输系统，具有负载数量多、传输距离远的特点。所以系统软件的设计关键点在于总控电源根据反馈信息制定相应充电策略来切换每个节点的工作状态，从而保证每个节点有足够的电能满足地下位移测量传感器串的工作需求。反馈信息主要包括当前电能传送节点的工作状态、储能装置的剩余电量、地下位移传感器的运行状态等。程序流程图如图10所示。

4 实验

    实验主要分两部分：一是用现有线圈骨架绕制导线直径不同、匝数不同、结构不同的线圈，用网络分析仪测量其传输特性；二是将线圈与节点电路相连，测试无线电能传输装置性能。

4.1 线圈传输特性测试

    实验选用了两种不同粗细的多股线，直径分别为2 mm和1.85 mm。采用的线圈骨架为一塑料圆柱，直径为72 mm，高度为80 mm。

    实验时，绕制了4种不同的线圈，线圈1采用2 mm多股线均匀在骨架上绕制一层；线圈2采用1.85 mm多股线均匀在骨架上绕制一层；线圈3采用1.85 mm多股线在骨架上绕制二层，第一层均匀密绕，第二层在线圈两端各均匀密绕10匝；线圈4采用1.85 mm多股线在骨架上绕制二层，第一层均匀密绕，第二层在线圈中间均匀密绕10匝。线圈各参数见表1。

    将绕制好的两个线圈分别接在网络分析仪E5063A端口一和端口二上，测量其S12参数，结果如图11所示。

    从图11中可以看出，随着距离增加，线圈的最佳S12在减小。并且线圈3在不同距离下的最佳S12参数都远好于其他线圈，其传输特性最好。通过比较线圈1和线圈2，可以发现在导线直径相似的情况下，对线圈传输性能的改善不是特别明显。

4.2 无线电能传输装置性能测试

    将线圈2与节点电路相连，实验平台采用三坐标移动平台，将一节点固定在水平面上，另一节点与三坐标平台的固定装置相连，实验测试平台搭建如图12所示。

    实验时，取3.6 Ω模拟实际负载，测量电阻两端的功率，得到两节点在不同距离下输出功率随驱动频率的变化，实验结果如图13所示。

    从图13中可以看出，在两节点距离不变的情况下，随着激励频率的增大，输出功率先增大后减小；在激励频率为线圈2自谐振频率处，随着两节点距离的增大，输出功率先增大后减小。所以，在实际过程中，根据地下位移传感器的反馈结果调节线圈的激励频率，使得装置工作在最优或者次优状态。

5 结论

    本文设计的无线电能传输装置包含一个总控电源和多个无线电能传送节点，每个节点包括线圈回路、微控制单元、接收端电路、发送端电路、开关切换电路、无线通信模块。实验测试了无线电能传输装置在两个节点情况下的充电情况，结果表明充电稳定。但是对于更多节点的无线电能传输仍需完善，并且要提高充电效率。

参考文献

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[2] 李青，李雄，施阁.基于地下位移测量传感器的地下位移测量方法及仪器：中国，ZL200810163147.7[P].2009-05-20.

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[9] TI.TLV3501 Datasheet[DB].(2015-04-17).http：//www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/tlv3501.pdf.

[10] 胡长阳.D类和E类开关模式功率放大器[M].北京：高等教育出版社，1985.

作者信息:

吴  轶，李  青，施  阁

（中国计量大学 机电工程学院，浙江 杭州310018）