[發明專利]一種基于時間反轉的管道無線能量收集方法

有效

• 申請號: 201810031666.1
• 申請日: 2018-01-12
• 公開（公告）號: CN108183561B
• 公開（公告）日: 2020-12-01
• 發明（設計）人: 芮小博;李一博;曾周末;劉悅;鄭曉雷;封皓;黃新敬
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H02J50/15
• 分類號: H02J50/15;H02N2/18
• 代理公司: 天津才智專利商標代理有限公司 12108
• 代理人: 龐學欣

1.一種基于時間反轉的管道無線能量收集方法，其特征在于：所述的基于時間反轉的管道無線能量收集方法包括按順序進行的下列步驟：

1)首先布設基于時間反轉的管道無線能量收集系統，所述的系統包括電源(1)、信號發生電路(2)、激發壓電陶瓷(3)、金屬管道(4)、接收壓電陶瓷(5)、能量收集電路(6)和儲能元件(7)；其中激發壓電陶瓷(3)和接收壓電陶瓷(5)間隔設置在金屬管道(4)的表面，并且處于同一軸向水平線上，激發壓電陶瓷(3)和接收壓電陶瓷(5)的上端面均設有上電極(8)和下電極(7)；電源(1)的正負極連接信號發生電路(2)的供電端和接地端；信號發生電路(2)的輸出端與接地端分別與激發壓電陶瓷(3)的上電極(8)和下電極(9)用導線連接；接收壓電陶瓷(5)的上電極(8)和下電極(9)分別與能量收集電路(6)的輸入端及接地端用導線連接；能量收集電路(6)的輸出端連接儲能元件(7)；

2)對系統進行初始參數設置，對金屬管道(4)的脈沖響應進行評估，目的是確定最佳傳輸頻率；利用信號發生電路(2)發出峰值10V的高斯白噪聲信號激勵激發壓電陶瓷(3)，由此在金屬管道(4)中激發出超聲導波，經過信道傳輸，在接收壓電陶瓷(5)處獲得接收信號，對該信號進行傅里葉變換得到信道頻率響應函數，并得到最高增益的中心頻率f；

3)使用中心頻率為f的調制高斯脈沖s(t)作為輸入信號激發接收壓電陶瓷(5)，調制高斯脈沖s(t)可以表示為：

其中，t₀是參考時間，f是中心頻率，T是信號的時間周期，A是信號的幅度；

4)經過高斯脈沖激勵后，在金屬管道(4)的壁中產生一個傳播的超聲導波，由激發壓電陶瓷(3)獲得，將該信號記錄為r(t)；

5)對信號r(t)進行時間序列反轉，得到標準激勵信號x(t)：

x(t)＝r(-t) (2)

6)當需要進行能量傳輸時開啟本系統，在激發壓電陶瓷(3)處以標準激勵信號x(t)進行激發，處于需要能量位置處的接收壓電陶瓷(5)將超聲導波的能量轉換成具有電勢差的壓電交流信號并輸出給能量收集電路(6)；

7)能量收集電路(6)將上述壓電交流信號進行整流穩壓后提供給儲能元件(7)，以供管道中的傳感器使用。

2.根據權利要求1所述的基于時間反轉的管道無線能量收集方法，其特征在于：所述的激發壓電陶瓷(3)和接收壓電陶瓷(5)形狀相同，均采用扁平圓片狀壓電陶瓷材料,并利用環氧樹脂貼合在金屬管道(4)上。

3.根據權利要求1所述的基于時間反轉的管道無線能量收集方法，其特征在于：所述的激發壓電陶瓷(3)采用由PZT-4或PZT-8材料制成的發射型壓電陶瓷材料。

4.根據權利要求1所述的基于時間反轉的管道無線能量收集方法，其特征在于：所述的接收壓電陶瓷(5)采用由PZT-5材料制成的接收型壓電陶瓷材料。

5.根據權利要求1所述的基于時間反轉的管道無線能量收集方法，其特征在于：所述的上電極(8)和下電極(9)選用銀電極和銅電極。

6.根據權利要求1所述的基于時間反轉的管道無線能量收集方法，其特征在于：所述的儲能元件(7)為超級電容器或可充電鋰電池。

7.根據權利要求1所述的基于時間反轉的管道無線能量收集方法，其特征在于：所述的金屬管道(4)采用鍍鋅鋼管、銅管、鐵皮管、鑄鐵管在內的金屬材料管道。

8.根據權利要求1所述的基于時間反轉的管道無線能量收集方法，其特征在于：所述的信號發生電路(2)由單片機、DA轉換芯片與電壓放大器組成。

9.根據權利要求1所述的基于時間反轉的管道無線能量收集方法，其特征在于：所述的能量收集電路(6)由整流橋與濾波電容組成。