谐振耦合式无线电能传输在微型传感器上的应用

摘要：简要介绍无线电传输等的开发和模式分类，重点是共振耦合无线电能量传输模式的工作原理，分析该模型在解决微型传感器的能源供应方面的局限性和优势，最后提出了无线电传输传输问题将在微型传感器中解决。

关键字：无线电传输；共振耦合；微纳诺电子设备

著名的物理学家赫兹（Herz）在19世纪末，尼古拉斯·特斯拉（Nicholas Tesla）提出了使用电磁波携带无线电能量传递的想法[1]。相对于传统的有线电力传输技术，无线电可以在电源和电力负载室之间实现完整的电气隔离，这不仅可以克服太空限制和传输线的维护问题，而且还可以避免使用安全隐患。作为排出。 ，可靠，灵活和其他无与伦比的优势[2]。经过多年的研究和开发，无线电源扩展了几种不同的传输方法，如图1所示。

以上无线电传输模式具有自己的优势和缺陷[3]。无线电波传输距离可以达到一公里的水平。超声波方向很强，能量易于浓缩，并且不会受到电磁的干扰，但是空气中的传输效率很低。微波炉可以穿透云层和其他障碍物，传输距离很长，并且可以携带能量。而且很容易干扰交流；激光方法非常定向，可以携带能量，传输距离很高，并且没有干扰通信的问题。缺点是它受到障碍的影响，并具有巨大的能量损失[4]。

微型传感器是微米级的微米级别，有些甚至可以达到纳米级别的微设备。这是一个综合系统，它整合了芯片上的微敏感元素，信号收集设备和数据处理系统[5]。这个全面的系统可以独立工作，可以共同运行，也可以连接到Internet（传​​感器网络）[6]。随着微电子处理技术的开发，将更广泛地使用具有低量和低功耗的微设备的应用范围。但是，需要更多地解决随后的设备的能源供应。目前，传感器网络和微型植入医疗设备主要使用电池电源[7]。就传感器网络而言，因为它所处的环境通常是一个危险区域或人类的困难，这给传感器带来了很大的麻烦。直接遗弃会导致浪费资源和环境污染。对于微型植入的医疗设备，这显然不是通过手术替换患者电池电量的好方法。由于无线电传输的便利性，它显示出对微观传感器的电源的先前值不同，这已成为近年来的研究热点。

当前适用于商业化和实际阶段的当前无线电技术主要是电磁电感共振耦合。电磁感应是过去二十年来无线电传播的主流，但由于传输距离较短，它的发展效果不佳。共鸣耦合是2007年美国麻省理工学院研究团队的另一种类型，并由美国麻省理工学院验证。过去，电气传输方法[9]，它极大地改善了传统的电磁感应距离公式。

1无线电传输的原理和应用

1.1共振耦合无线电传输理论基础

传统的电感耦合无线电能传输用于用独立变压器的原理在原始辅助边缘之间传递能量。缺点是传输距离通常相对较小。谐振耦合无线电能传递方法是使用两个线圈共振，具有相同的共振频率进行能量传输。该方法是由MIT的Marin Soljacic教授于2006年11月提出的，并于2007年进行了基本的实验验证[9]。与传统的电磁感应模式相比，该模式的有效能量传递距离显着增加。近年来，它受到了非常广泛的关注。图2是谐振耦合无线电能传输的基本结构图。

μ0是真空磁导体，N1和N2是接收线圈，R1和R2的转弯数是接收和接收线圈的半径，并且D是两个线圈之间的距离。从耦合系数K和互操作性M之间的关系可以看出，K和D3是成反比的，即可以通过降低系统的耦合系数来实现较长的距离传递。从KM类型来看，可以看出，增加两个线圈的质量因素可以将其降低到最大功率的最大功率。该点的耦合系数仍然可以在距离处获得高传输功率。谐振角频率的公式与感应耦合相同。参考文献[9]使用c使用线圈本身的分布电容器，并且参考文献[13]将电容器连接到线圈外。电容器系列在线圈外更有利。原因是：（1）更改外部电容器的大小以调整系统的共振频率； （2）线圈形状的变化导致分布式电容变化不会影响系统共振频率； （3）与系统共振频率相同，并且线圈的启动不需要与接收线圈大小完全相同。

1.2谐振耦合无线电传输的优势

能源传输距离，输出功率和传输效率是评估无线电能量传输能力的关键指标。与传统的电磁电感无线电传输相比，谐振耦合的重要优势之一是它在传输距离方面有了很大改善。 MIT在2007年“分开”之后，它掉了2 m 60 W灯泡，在Nillei Electronics会议上，Witriciy的首席执行官Eric Giler从空气中点燃了1000 W强的弧光灯，远大于房间的大小。最大功率记录为3300 W，足以为电动汽车充电[14]；此外，谐振耦合的能量传输主要基于接收和接收线圈的共振。人们提出自调整技术的影响，以应对共振频率的影响并在更改传输距离和方向时获得效率；他们的实验表明，接收线圈可以随意移动，并且仍然可以保持在0〜70厘米的范围内。超过70％的效率[15]；同样，谐振耦合类型是中等距离能量传输。经过适当的开发后，可以实现无线电源，这将为人们的生活带来极大的便利。传输不受非磁性疾病的影响，这使得无线能量传输的应用范围。

1.3谐振耦合无线能量传输在微型组件上的应用

根据测量物体的性质，微型传感器可以分为化学微传感器，生物 - 微型传感器，物理微传感器等。由于微传感器的特征，少量功耗，易于集成，多功能，低成本和方便的生产，因此使其成为目前最实用的机电设备[16]。

大多数传统的微型传感器都使用电池电源，该电源受到小传感器量的限制。它自己的电池的能量非常有限。它无法满足传感器长期工作的需求。结果，可以在没有工作的情况下取消它。大量传感器，更换电池也会浪费人类并污染环境。特别是在某些特殊场合，例如动物和人体中的微传感器，建筑物中的传感器，无人区域的传感器网络等，通过更换电池来实现能源供应是不现实的。因此，微传输的能源供应问题极大地限制了传感器的应用，尤其是传感器网络中的微传感器。能源供应问题已成为微传感器的开发瓶颈。为了解决这个问题，您可以从两个方面开始：减少能耗和能源供应。在现有的技术条件下，传感器的能源消耗降低以实现延长传感器寿命的目的，但是毕竟，它节省的能量是有限的，而不是很长的时间。从能源供应应用开始更为广泛。

图4 [17]是在山区排列以执行监视任务的无线传感器网络。在图5 [17]中，使用了一种比较方法来使人们了解无线电源的好处。

以无线方式为微型传感器供电，这将使传感器摆脱电池的束缚，并更加经济和环保。因为即使只有1％的电池，无线电传输也更具成本效益，因为电池的成本是电网电能的350倍[6]。近年来，谐振耦合无线电能传输是一种新的电气传输方法。与传统的电磁诱导相比，传输距离相对较长。与电磁波相比，在其有效磁场范围内，传输功率相对较大，并且传输功率相对较大，并且传输功率相对较大，并且传输功率相对较大，并且传输功率相对较大大开yun体育官网入口登录app，并且人体产生的辐射功率很小，因此谐振耦合类型是一种无线电传输方法开元ky888棋牌官网版，其在短到米德米范围内具有更好的无线电能量。

尽管谐振的无线电传输在微传感​​器的电源方面具有独特的优势，但其中大多数仍处于实验阶段：MIT为两个小型线圈电源设备制造了一个大线圈。接受效率的影响[18]。参考文献[19]使用MIT的磁共振技术来构建一个无线能源传输系统，该系统具有频率可调节的无线能量传输系统，用于生物传感器和用于无线电源的植入医疗传感器。 MIT由小线圈提供动力，如图6所示。

参考文献[20]使用生物医学传感器作为应用背景。从电路理论的角度来看，从电路理论的角度使用了共振耦合无线电能传递。此外，国内太阳Yat -Sen University开发了一个小型无线能源传输系统，并使用多个线圈证明了线圈的优势。当实验系统的输入功率为1 W时，它可以在4 m以外点亮光发射二极管。传输效率为10 10％[21]。一般而言，微型传输的无线电源仍处于理论研究和实验阶段。如果可以取得突破性的进度，则微型传感器将摆脱电池的束缚。它将更加方便且广泛使用。

2要解决的问题

谐振耦合无线电能的传输距离需要改善；在向微型传感器（例如接收和接收不同制造商和不同产品的线圈的标准）收取方便的电子设备或电源时，无线电能源没有统一的标准；对人体的影响；发射功率传输距离是不同的，电磁场的强度也不同。没有相关的数据表明无线电传播对人体完全无害。尽管东京科学技术大学的研究团队对无线电源对人体的影响进行了研究[22]，但它尚未与该空间中的无线家庭电力供应，或在人类居民区。该研究的结果表明，这种方式使人们长期以来在某个功率电磁场中保持安全。

本文介绍了传统的微型传感器和该方法所带来的缺点。提出了一种更好的电源方法，即无线电源。与几种无线电源方法的优点和缺点相比，已经引入了这种新兴的无线电源方法的谐振耦合原理和谐振耦合类型的当前研究进度。要解决的问题。

参考

[1] PBJ，Donnelley R.哥伦比亚博览会的电力[Z]。 1894：168-169。

[2] Linlin T，Hao Q，Xueliang H等。一种新颖的优化方法，可转移无线功率传递[J]。 Telkomnika，11（5）：2747-2752，然后

[3] Luo Bin，Sheng Maotang，Wu Shijin等。以形式的磁共振耦合的无线功率中继系统建模和分析。 [J]。中国电气工程新闻，2013年（21）：170-177。

[4] Zhai Yuan，Sun Yue，Dai Xin等。磁共振模式的无线电传输系统的建模和分析[J]。中国电气工程杂志，2012年（12）：155-160。

[5] Weilinna，Qin Zhiguang。无线传感器网络中移动传感器的重新定位技术[J]。传感器和微型系统，2012（7）：1-4。

[6]吴冯。物联网无线电源技术传感器节点的研究[J]。单芯片微型计算机和嵌入式系统应用，2012（3）：26-28。

[7] Xie LXL，Shi Ys Y.使传感器网络不朽：无线功率传输的能量续订方法[J]。 IEEE-ACM交易：doi：10 .1109/tnet.2012.2185831，2012（20）：1748-1761。

[8]张Xu。电感耦合电动传输系统的理论和技术研究[D]。北京：中国采矿与技术大学，2011年。

[9] MSAK A.通过强耦合磁共振[J]通过强耦合的无线功率传输。 ScienceXpress，2007，112（6）：1-10。

[10] Li Songlin。基于电磁诱导耦合的无线电传输的应用[Z] .2011。

[11] Fu Wenzhen，Zhang Bo，Qiu Dongyuan。频率跟踪共振耦合无线传输系统研究[J]。变形世界，2009（8）：41-46。

[12] Shahrzad，Jalali，Mazlouman Amb K.中端无线能量转移，使用无线传感器的自我转移[J]。西蒙·弗雷泽大学（Simon Fraser University），2009年：517-555 22。

[13]张小海。磁耦合谐振无线能量传递距离特性和实验安装研究[D]。哈尔滨：哈尔滨技术大学，2011年。

[14] Taylor C.隐形功率。 http://money.cnn.com/2009/11/24/smallbusiness/next_little_thing_2010.fsb/in []。 2009。

[15]样品AP MDA S.分析磁耦合谐振器功率传递的实验结果和范围适应[J]。 Stric Electronics，2011，58（2）：544-554。

[16]黄东古。微传感器[m]。北京：Tsinghua大学出版社，2007年。

[17] Sun Yue，朱·康博。无线电传输技术[Z] .2011。

[18] Kurs A. M. M. M.同时进行多个设备[J]。 Applied Physics Letters 2010，96（4）：044102-1-044102-3。

[19]张F. HSA L.医疗传感器和可植入设备的无线能量传输平台[J]。 IEEE和生物学协会的年度国际会议开yun体育app入口登录，2009年：1045-1048。

[20] Ramrakhyani AK MSM C.生物识别植入物的基于共振的无线功率传递系统的设计和优化[J]。 ND Systems，IEEE交易，2011年，5（1）：48-63。

[21]朱云恩。使用开关电路驱动小型电力无线能源传输系统[J]。太阳大学杂志（《自然科学版》），2009，48（Z2）：228-230。