實(shí)驗(yàn)名稱：水下超聲無線電能傳輸系統(tǒng)測試

　　研究方向：隨著科技的快速發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)再對(duì)海洋資源的勘探、開發(fā)與利用和海洋環(huán)境監(jiān)測中，離不開大量的水下機(jī)電和傳感設(shè)備的支持。為了保障水下機(jī)電設(shè)備工作時(shí)的實(shí)時(shí)性、可靠性以及不間斷性，需要為其安全、便捷地補(bǔ)充電能，但傳統(tǒng)供電方式存在成本高昂、靈活性差、存在安全隱患受限于充電距離和海水深度等缺點(diǎn)，因此可用于水下設(shè)備的無線電能傳輸技術(shù)受到極大關(guān)注。超聲波因其在海水介質(zhì)中具有方向性好、傳播距離遠(yuǎn)、聲衰減小、無電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，使得超聲無線電能傳輸技術(shù)成為解決水下設(shè)備供電問題的有效途徑。本研究通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測試，探究超聲無線電能傳輸?shù)目尚行院陀绊懶实闹笜?biāo)參數(shù)。

　　實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/strong>通過自主搭建的水下超聲無線電能傳輸實(shí)驗(yàn)平臺(tái)探究負(fù)載電阻、輸入電壓、傳輸距離和接收換能器對(duì)超聲無線電能傳輸系統(tǒng)的輸出功率和傳輸效率的影響。

　　測試設(shè)備：信號(hào)發(fā)生器、ATA-4014高壓功率放大器、發(fā)射/接收換能器、示波器等。

　　實(shí)驗(yàn)過程：使用AFG30122型信號(hào)發(fā)生器輸出與發(fā)射換能器諧振頻率相同的正弦波信號(hào)，經(jīng)ATA-4014高壓功率放大器將電信號(hào)放大，從而驅(qū)動(dòng)發(fā)射換能器將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為超聲信號(hào)向接收換能器傳輸；接收換能器將接收到的超聲信號(hào)重新轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，利用示波器讀取接收換能器輸出的電壓值以及負(fù)載電阻兩端的電壓值。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果：測試條件：傳輸距離為30cm，負(fù)載電阻為38.5。隨著輸入電壓從20V增加到70V時(shí)，輸出功率逐漸從0.2W增加到2.11W。然而，傳輸效率呈現(xiàn)下降趨勢。當(dāng)換能器在人下工作時(shí)，換能器的等效電路為靜態(tài)電容和動(dòng)態(tài)電阻的并聯(lián)模式，系統(tǒng)呈容性。根據(jù)交流電路理論，加載在壓電換能器上的電流和電壓之間必然存在相位差0，從而產(chǎn)生無功功率，會(huì)降低有功功率的輸出和激勵(lì)源效率，同時(shí)造成電路中電能損失增加，嚴(yán)重將導(dǎo)致?lián)Q能器發(fā)熱嚴(yán)重，降低能量轉(zhuǎn)換效率。不同輸入電壓下，輸出端輸入電流、相位差、有效輸入功率和空負(fù)載情況下接收換能器兩端輸出電壓如圖2所示。隨著輸入電壓的增大，輸入電流和接收換能器兩端輸出電壓逐漸增大；同時(shí)輸入電壓和電流之間的相位差也逐漸增大，0從20°增加到35°，如圖2(b)所示，輸入電壓為60V輸入電流和輸出電壓之間存在30°的相位差。無功功率計(jì)算公式如下：

　　式中，U、Im、0分別為輸入電壓、輸入電流和相位差。隨著相位差的增大，無功功率增大，導(dǎo)致有效輸入功率降低，系統(tǒng)的能量傳輸效率也降低。因此在實(shí)際應(yīng)用過程需要對(duì)換能器進(jìn)行阻抗匹配，在發(fā)射端消除容性造成的無功功率，從而減輕發(fā)射電源負(fù)擔(dān)獲得更高的有功功率。

　　產(chǎn)品推薦：ATA-4014C高壓功率放大器

　　圖：ATA-4014C高壓功率放大器指標(biāo)參數(shù)

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