浅析谐振频率自适应跟踪超声无线供电技术

浅析谐振频率自适应跟踪超声无线供电技术

侯杰

内蒙古乌海亚东精细化工有限公司  内蒙古自治区乌海市   016030

摘要：成熟完善的跨金属压电超声无线供电技术能够帮助工业领域和军事设备领域改善无线供电难题，进一步延长设备运行寿命，缩减人力、物力消耗，因为该项技术不会被金属屏蔽效应所限制，能够应用于汽车、医疗设备等领域。本文就此先分析了压电超声能量传输原理、谐振频率跟踪方案以及自激谐振频率跟踪电路设计，希望能给相关人士提供有效参考。

关键词：谐振频率；自适应跟踪；超声无线供电

引言：为对那些拥有密闭金属外壳容器内部传感器进行供电，需要合理应用跨金属无线供电技术。但因为金属的电磁屏蔽效应，传统无线传输技术不能支持能量跨金属传输。利用压电超声无线供电技术能够在保障金属完整性基础上促进电能无线传输，通过发射端压电换能器发出超声波，穿透金属介质进一步经换能器转化为电能。基于上述问题需要加强谐振频率自适应跟踪超声无线供电技术研究，提升技术普适性。

一、压电超声能量传输原理

压电超声无线传输结构主要包括压电金属结构、频率发射装置、负载以及整流滤波等多种元件构成。频率发射装置通过发出相应频率信号，换能器基于电致伸缩影响下形成振荡，发射端换能器整体频率范围普遍超出20KHZ，该种频率的超声波大于人耳听觉，同时拥有良好穿透性和方向性，处于金属介质内进行传输中不会形成过大损耗。超声机械波抵达接收系统经换能器实施处理转化，在压电效应下变成电能，结束整流滤波向后级负载进行供电，支持跨金属能量传播。整个结构核心为同轴设置的两个压电换能器，整体操作性能会对无线供电功率和效率产生直接影响。

二、谐振频率跟踪方案分析

压电复合金属结构对应机械谐振频率整体幅频特性较高，对应阻抗相位角主要维持于零度，该种特征类似于晶体振荡器。深入研究无线供电跨金属传播技术，能够基于自激振荡构建振荡电路，促进谐振频率实现自适应跟踪，减少复杂反馈跟踪过程。其中较为常见谐振跟踪技术为三种，分别是反射阻抗匹配、相位检测以及电压跟踪技术。

电压跟踪技术中，整个声学系统进入谐振状态后，达到最高运行功率，该种条件下，传感器两侧电压同样提升至最高值，为此利用电压检测是否突破最高值能够辅助检测系统进入谐振状态与否。利用扫频技术度最高电压频点进行检测，随后通过数字频率合成进行频率输出，全面跟踪谐振频率。这一技术主要优势是操作原理简单，主要问题是系统结构复杂，存在较长跟踪时间。

相位检测技术，在谐振回路进入谐振状态下，会产生回路阻性，电压电流两者相位差变成零。借助锁相环电路在系统相位方面的调控功能，借助相位对系统频率进行合理锁定，支持谐振频率实现自适应跟踪，这一技术方法相对复杂，整体跟踪精度和跟踪速度相对较差。

反射阻抗匹配技术下，处于无线传输系统内，通过等效处理接收端，和发射端对应阻抗实施并联。在发射端对应回路阻抗以及反射阻抗互相匹配条件下，能够促进能量实现最大功率传输，促进系统进入谐振状态，这一技术方案相对简单，但应该预先了解系统电路模型。

上述技术方案拥有不同优缺点，但其普遍存在相同缺陷，整体频率跟踪范围较小，在频率超出数KHZ级别下，对应技术方法无法操作。结合宽频条件下谐振频率高速跟踪，合理设计自激振荡电路，通过自激振荡方法对温度、厚度变化下所形成谐振点波动进行合理适应，促进振荡频率能够在最佳谐振点进行自主运行，使谐振频率实现自适应跟踪目标[1]。

三、谐振频率自适应跟踪超声无线供电技术

（一）自激振荡经典电路

自激振荡电路主要包括稳幅系统、反馈网络、选频系统、放大电路等组件构成，实际上属于放大电路，拥有一定正反馈性能，传输信号后利用反馈网络输入放大电路内部，利用选频网络对特定频率信号进行合理选定，进而促进放大电路出无输入交流信号条件下，能够按照相应幅度、频率传输交流信号。一般模式的正反馈电路因为缺少自激振荡能力，为此需要达到相应电路条件，自激振荡电路整体运行流程分成稳幅、平衡以及起振三种环节，不同环节拥有不同对应条件。起振环节，基于相关幅值条件，经过各轮对输入电压进行反馈、放大能够实现进一步扩大，顺利形成振荡。因为自激振荡电路不存在外部输入信号，初始信号主要是上电环节对应电平变化以及电子运动形成的。相位平衡条件和起振相位条件相同，属于正反馈电路基础条件。稳幅设计方面，因为自激振荡电路的起振环节，持续增加输出电压，为此需要采取有效措施控制电压输出增幅，促进放大处理增益和反馈增益两者乘积从超出1变成等于1，该种机制也是自激振荡电路基础稳幅基础条件。压电结构某些运行特征类似于晶体振荡器，为此主要针对晶体振荡电路进行分析，该种电路谐振中对应频带较窄，无法实现宽频下谐振跟踪。同时因为对应振荡电路存在较高的输出阻抗，无法和负载进行直接相连，为此普遍会利用晶振电路输出信号级，无法支持功率级输出[2]。

（二）自激谐振频率跟踪电路

针对晶体振荡形式的电路，结合其有效功率输出为零以及谐振频带较窄现象，实施优化改进，具体改动如下，第一是针对晶振进行替换，变成压电复合结构。第二是针对射极电阻实施转化，将其变成电感，有效改善三极管截止和饱和现象，进一步扩大谐振强度。第三是进一步增设电容连接基极和射极，形成两极反馈。第四是针对集电极和基极两者间增设复合结构，通过谐振处理基极电压，不断提升拉高，使其超出电源电压，从而确保复合结构两侧形成充足电压。和电源连接后，谐振启动模块发射初始振荡信号，这一信号在通过压电金属结构实施筛选，被三极管实施放大处理后，形成固定频率波形。处于运行状态下，电流朝着三极管对应基极流入，全面导通三极管，电源正极经发射、集电两结进入射极。因为射极并没有进行直接接地，因此电感会从某种程度上对电流形成阻碍，射极部位电流经电阻、电容重返基极，该种条件下内部三极管呈现出全面饱和状态。后期基极电位逐步降低，促进三极管逐步截止。在三极管接近截止条件下，流通电源电压重新经电阻进入基极，从而实现反复循环，形成电路振荡

[3]。

该电路符合基反射同条件，三极管基极射极对应电抗性质和射极电极保持一致，射极基极两者电抗性质和基极集电极呈现出相反特性，这类振荡电路符合基础起振条件。因为压电复合结构和晶体振荡器类似，实际运行中存在感性特征，只有结构性质会影响振荡频率。比起晶体振荡电路，这一谐振跟踪电路技术主要优势如下，第一是拥有更大的运行带宽，压电换能器系统性质会直接影响谐振跟踪电路整体运行带宽，通过分析风险换能器最低运行带宽为200KHZ。第二是整体运行效率较高，处于电路谐振中，整个复合结构在谐振中直接参与，能够发挥出用电器以及谐振回路功能，有效缩减能量消耗。第三是对应电阻值相对较小，电路输出端也是整个结构输出侧，由此相关输出阻抗不会被电路元件阻值所影响，主要会受到复合结构影响。因为复合结构相关传输阻抗为百欧姆级别，所以电路整体功率传输性能满足基础运行要求。新型谐振频率自适应跟踪技术不同于传统技术，把压电复合结构当成电路谐振重要环节，通过自激振荡措施实施谐振频率自适应跟踪，提升电能传输效率，保障稳定传输。

结语：综上所述，当前日常生活中大部分无线供电设备和无线供电技术普遍基于空气介质传输电磁能量，跨金属相关电磁屏蔽功能介质无线供电技术相对较少，为此需要进一步加强跨金属无线供电技术研究，提高技术普适性，实现功率输出无线供电电路测试。

参考文献：

[1]李亚徽.跨金属介质超声无线传输系统的设计和搭建[D].南京邮电大学,2022.

[2]陈欢欢.旋转超声加工刀柄研制及岩板钻孔工艺试验研究[D].广东工业大学,2021.

[3]钱程.超声耦合式隔金属介质无线能量与信号传输技术研究[D].西南交通大学,2021.