CN102267542A - 浮标系统水下传感器非接触电能供给与数据传输装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及浮标与水下传感器之间电能供给与数据传输。为满足浮标与水下传感器供电与数据传输方面的需求，本发明采取的技术方案是，浮标系统水下传感器非接触电能供给与数据传输装置，构成为：水上系统和水上系统电磁耦合器安装在浮标体内部，水上系统电磁耦合器的输出端缠绕钢缆环，钢缆环的其余部分置于水下，连接到用于固定浮标体的锚系上，水上系统的逆变电路的输出端就是水上系统电磁耦合器的初级，钢缆环就是水上系统电磁耦合器的次级，水下系统电磁耦合器的输出端连接水下传感器系统的输入端，钢缆环即为水下系统电磁耦合器的初级，水下传感器系统的输入端即为水下系统电磁耦合器的次级。本发明主要应用于海底测量。

Description

浮标系统水下传感器非接触电能供给与数据传输装置

技术领域

本发明涉及一种海洋浮标与水下传感器之间电能供给与数据传输技术，属于信息技术及自动化领域。具体讲，涉及浮标系统水下传感器非接触电能供给与数据传输装置。

背景技术

海洋浮标系统是一种全天候、全自动、长期运行的大型自动化海洋仪器设备，要求能够不间断常年在海上稳定的运行。浮标用于监测海洋信息的传感系统分为两部分，一部分为水上传感器系统，一部分为水下传感器系统。水上传感器可以将搜集到的信息方便的通过水上的数据发射机发射给地面接收站，而水下传感器不仅需要解决长时间供电的问题，同时还需要能够与水上机进行稳定可靠的通信，所以水下传感器系统的连续工作能力以及其与水上系统通信的可靠性决定了浮标系统的性能。

目前，浮标系统对水下传感器供电方法有两种：第一种是自容式供电，即用水下传感器自身携带的电池来为自己供电；第二种是接触式导线供电，即水面上的浮标通过导线把电能传输给水下传感器。采用自容式供电方式的浮标系统需要定期打捞水下传感器系统，给水下传感器系统更换电池，这是一项耗费巨大的工程。导线传输方法有线路接头容易腐蚀、海水冲力会导致接头松动或脱离、导线强度低，在海水的长期作用下会发生断裂等缺点。浮标系统的水下传感器与浮标之间的数据传输方法有导线传输、声纳传输以及基于电磁耦合原理的非接触传输方法，导线传输数据有着和导线传输电能相同的缺点，声纳传输方法有着如下缺点：每个传感器都配置声纳导致造价昂贵；耗能大，水声是发散性传播，要求声纳有较大的发射功率；通信距离受限，传感器部署深度受到限制。

迄今为止，浮标系统的水下传感器基本上都是自容式供电的，美国威斯康辛大学研制了基于电磁耦合原理实现了非接触工频(50Hz)交流电传输，由于采用了工频交流电，所以电磁耦合器的体积和质量很大。我国生产的浮标没有水下电能补给的功能，水下传感系统的电能来自自身携带的电池。采用电磁耦合原理实现非接触高频交流电传输的方式给水下传感器系统供电的研究还很少见，但从水下传感系统供电的发展趋势上看，非接触电磁感应方式具有相当多的优势，是该领域的研究方向。同时，基于电磁耦合原理的非接触传输方法因具有很多的适宜于深海数据传输的特点，已成为该领域的发展方向和研究热点，国际上鲜有成熟技术的报道，而我国在这方面的研究才刚刚开始。

发明内容

为克服现有技术的不足，满足传统浮标系统中水下传感器供电与数据传输方面的需求，本发明采取的技术方案是，浮标系统水下传感器非接触电能供给与数据传输装置，构成为：水上系统102和水上系统电磁耦合器103安装在浮标体101内部，水上系统电磁耦合器103的输出端缠绕钢缆环106，钢缆环106的其余部分置于水下，连接到用于固定浮标体101的锚系108上，水上系统102的逆变电路202的输出端就是水上系统电磁耦合器103的初级，钢缆环106就是水上系统电磁耦合器103的次级，在水下安装传感器端的位置安装水下系统电磁耦合器105，水下系统电磁耦合器105的输出端连接水下传感器系统107的输入端，钢缆环106即为水下系统电磁耦合器105的初级，水下传感器系统107的输入端即为水下系统电磁耦合器105的次级，反馈磁环104的初级连到钢缆环106，次级连到水上系统102采样电路205的输入端，以获取钢缆上逆变电压的幅值。

所述的水上系统102包括主控中心201、逆变电路202、数据收发模块1、隔离电路1、采样电路205，其中主控中心201分别与逆变电路202和数据收发模块1互联，数据收发模块1和隔离电路1互联，采样电路205输出端连接主控中心201的输入端。

所述的逆变电路202由MOSFET驱动电路301、全桥推免变换器302、过电流保护电路303组成，其中MOSFET驱动电路301输出端连接全桥推免变换器302输入端，过电流保护电路303用于保护全桥推免变换器302，逆变电路202实现直流到交流方波的转变。

所述的水上系统102结合反馈磁环104实现对钢缆环106上传输的电能的闭环反馈。

所述的水上系统电磁耦合器103和水下系统电磁耦合器107结构相同，由两个完全相同的磁芯401组成，通过锁紧孔固定在钢缆环106上。

所述的水下传感器系统107包括整流稳压模块602、超级电容储能模块603、数据收发模块2、稳压模块605、隔离电路2，其中数据收发模块2和隔离电路2互联，整流稳压模块602输出端连接超级电容储能模块603，超级电容储能模块603输出端连接稳压模块605的输入端，数据收发模块2的电源输入端连接稳压模块605的输出端。

所述的水上系统102和水下传感器系统107之间传输的电能和数据通过水上系统电磁耦合器103、水下系统电磁耦合器105和钢缆环106实现高频电磁耦合，最终实现电能在钢缆环106上的传输。

所述的数据收发模块1和数据收发模块2通过频率键控FSK方式来调制解调数据，通过频分复用技术最终达到电能和数据通在同一条钢缆环106上的传输。

所述的钢缆环106还起到固定浮标体101的作用。

本发明的有益效果是：

1、基于电磁感应原理进行浮标系统非接触电能补给和数据传输，各设备之间通过电磁耦合的方式传递信号，彼此相互绝缘，提高了系统的可靠性和安全性，同时电磁耦合器初、次级可以相互分离，位置部署方便。

2、在该技术中，结合浮标的特殊工作环境，以钢缆环为传输介质传输电能的方式在同一条链路上实现电能及数据的传输，构成浮标锚系的钢缆机械性能好、能量消耗低，钢缆外绝缘层能隔离海水，抗腐蚀性好，保证了电能传输效率和数据传输的可靠性。

3、根据需要，水下不同深度可以安装多个水下传感器系统，各水下传感器系统之间相互绝缘，水下传感器系统之间工作互不影响，可靠性高，同时安装方便。

4、以同轴绕组耦合方式实现电能和数据从水上系统到水下传感器系统的耦合，提高了电能传输效率和数据传输的可靠性。

5、利用频分复用技术在同一条传输链路上实现数据和电能的传输，这样就使浮标具有了实时电能补给能力和数据传输功能。

本发明能够在短时间内完成对水下传感器系统的电能补给、浮标体与水下传感器之系统之间的数据收发，能够实现全天候实时数据测量的功能，并且具有结构简单、安装方便、可靠性高等特点。

附图说明

图1是本发明浮标系统水下传感器非接触电能供给与数据传输装置的总体结构示意图。

图2是本发明水上系统功能结构框图。

图3是本发明水上系统的逆变电路功能结构框图。

图4是传输系统简化模型图。

图5是本发明水上电磁耦合器和水下电磁耦合器结构示意图。

图6是本发明水下系统功能结构框图。

图7是本发明数据调制方法示意图。

图8是本发明电能及数据传输频谱图。

具体实施方式

采用基于电磁感应原理的非接触电能及数据传输技术，这种技术的原理是将传统的变压器耦合磁路分开，初、次级绕组分别绕在不同的磁性结构上，初级绕组与供电电源相连，次级绕组与负载相连，电能通过磁场交换，初、次级之间不存在物理连接。系统工作时电源将高频电流提供给初级绕组，次级感应出高频电流，经过整流后为负载供电。数据传输方面采用频率键控(FSK)方式来调制数据，由于采用了频率键控(FSK)方式，数据信号可以和电能信号在同一条链路上传输，由此简化了系统结构。

本发明采用的技术方案是：它是由浮标体(101)、锚系(108)、连接浮标体(101)和锚系(108)的钢缆环(106)、水上系统(102)、与水上系统(102)连接的水上系统电磁耦合器(103)和反馈磁环(104)、水下传感器系统(107)、与水下传感器系统(107)连接的水下系统电磁耦合器(105)组成。

本发明具体结构特征如下：

1、所述的水上系统(102)包括主控中心(201)、逆变电路(202)、数据收发模块1(203)、隔离电路1(204)、采样电路(205)，其中主控中心(201)与逆变电路(202)和数据收发模块1(203)互联，数据收发模块1(203)和隔离电路1(204)互联，采样电路(205)输出端连接主控中心(201)的输入端。

2、所述的逆变电路(202)由MOSFET驱动电路(301)、全桥推免变换器(302)、过电流保护电路(303)组成，其中MOSFET驱动电路(301)输出端连接全桥推免变换器(302)输入端，过电流保护电路(303)用于保护全桥推免变换器(302)，逆变电路(202)实现直流到交流方波的转变。

3、所述的水上系统(102)结合反馈磁环(104)实现对钢缆环(106)上传输的电能的闭环反馈。

4、所述的水上系统电磁耦合器(103)和水下系统电磁耦合器(107)结构相同，由两个完全相同的磁芯(401)组成，通过锁紧孔固定在钢缆环(106)上。

5、所述的水下传感器系统(107)包括整流稳压模块(602)、超级电容储能模块(603)、数据收发模块2(604)、稳压模块(605)、隔离电路2(606)，其中数据收发模块2(604)和隔离电路2(606)互联，整流稳压模块(602)输出端连接超级电容储能模块(603)，超级电容储能模块(603)输出端连接稳压模块(605)的输入端，数据收发模块2(604)的电源输入端连接稳压模块(605)的输出端。

6、所述的水上系统(102)和水下传感器系统(107)之间传输的电能和数据通过水上系统电磁耦合器(103)、水下系统电磁耦合器(105)和钢缆环(106)实现高频电磁耦合，最终实现电能在钢缆环(106)上的传输。

7、所述的数据收发模块(203)1和数据收发模块2(604)通过频率键控(FSK)方式来调制解调数据，通过频分复用技术最终达到电能和数据通在同一条钢缆环(106)上的传输。

8、所述的钢缆环(106)还起到固定浮标体(101)的作用。

下面结合附图对本发明各个部分的构造和各部分之间的结构关系进行详细的说明：

在图1中，水上系统(102)和水上系统电磁耦合器(103)安装在浮标体(101)内部，水上系统电磁耦合器(103)的输出端缠绕钢缆环(106)，其余部分置于水下，连接到用于固定浮标体(101)的锚系(108)上，这样，水上系统(102)逆变电路(202)的输出端就是水上系统电磁耦合器(103)的初级，钢缆环(106)就是水上系统电磁耦合器(103)的次级，在水下安装传感器断的位置安装水下系统电磁耦合器(105)，水下系统电磁耦合器(105)的输出端连接水下传感器系统(107)的输入端，由此，钢缆环(106)即为水下系统电磁耦合器(105)的初级，水下传感器系统(107)的输入端即为水下系统电磁耦合器(105)的次级，反馈磁环(104)的初级连到钢缆环(106)，次级连到水上系统(102)采样电路(205)的输入端，以获取钢缆上逆变电压的幅值。

结合图2和图3，水上系统(102)包括主控中(201)、逆变电路(202)、数据收发模块1(203)、隔离电路1(204)、采样电路(205)。主控中心(201)与逆变电路(202)和数据收发模块1(203)互联，数据收发模块1(203)和隔离电路1(204)联，采样电路(205)输出端连接主控中心(201)的输入端。逆变电路(202)由MOSFET驱动电路(301)、全桥推免变换器(302)、过电流保护电路(303)组成，MOSFET驱动电路(301)输出端连接全桥推免变换器(302)输入端，过电流保护电路(303)用于保护全桥推免变换器(302)，逆变电路(202)实现直流到交流方波的转变。

在图5中，可以看出水上电磁耦合器(103)和水下电磁耦合器(105)结构相同，可以拆分为两个完全相同的部分，线圈对称地绕在磁芯上，这样安装时只需把钢缆环(106)夹在两块磁芯(401)中间，然后将两块磁芯(401)通过锁紧孔固定在钢缆上就能实现稳定可靠安装，同时电磁耦合器磁芯中引入一定的空气隙。

在图6中，水下传感器系统(107)包括整流稳压模块(602)、超级电容储能模块(603)、数据收发模块2(604)、稳压模块(605)、隔离电路2(606)，数据收发模块2(604)和隔离电路2(606)互联，整流稳压模块(602)输出端连接超级电容储能模块(603)，超级电容储能模块(603)输出端连接稳压模块(605)的输入端，数据收发模块2(604)的电源输入端连接稳压模块(605)的输出端。

下面结合附图对本发明浮标系统水下传感器非接触电能供给与数据传输模块的几个主要功能分别进行说明：

(一)电能传输

水上系统(102)首先要给水下传感器系统(107)提供电能使其工作。供电步骤如下：

(1)、水上系统(102)产生逆变信号。

结合图2和图3，产生逆变信号的过程如下。主控中心(201)发出一对带有死区的高频脉宽调制信号(PWM)，该PWM信号连到逆变电路(202)的MOSFET驱动电路(301)输入端，MOSFET驱动电路(301)控制全桥推免变换器(302)的导通和关断，产生逆变信号。

(2)、逆变信号耦合到水下传感器系统(107)。

结合图4，水上系统(102)产生的逆变信号连到水上系统电磁耦合器(103)，由电磁感应原理，通过水上系统电磁耦合器(103)把逆变信号传输到钢缆环(106)，再由钢缆环(106)把逆变信号传输到水下传感器系统(107)。

(3)、水下传感器系统(107)存储电能。

结合图6，水下传感器系统(107)首先通过整流稳压模块(602)把接收到的高频交变电压稳压，给超级电容储能模块(603)充电，超级电容储能模块(603)的输出电压再经过稳压模块(605)获得水下传感器和数据收发模块2(604)工作所需的电压。

通过以上三个步骤可实现由水上系统(102)到水下传感器系统(107)的电能传输。

(二)电能闭环反馈

随着水下系统个数的变化，负载也在变化，所以需要在不同负载条件下使钢缆环(106)上的电压维持在一个允许的范围内，以保证水下系统能正常接收并存储电能，所以引入一个闭环反馈机制。

结合图1和图2，水上系统(102)通过反馈磁环(104)实现对钢缆环(106)上传输的电能的闭环反馈，具体步骤如下：反馈磁环(104)的次级连接到采样电路(205)的输入端，采样电路(205)把采集到的信号传输到主控中心(201)，通过A/D转换后的数据判断电能传输过程中钢缆环(106)上的电平是高于设定值还是低于设定值，相应调节PWM信号的占空比。

(三)数据传输

结合图7，传输同电能传输采用相同的原理，也是基于电磁耦合原理，传输介质是构成浮标锚系的钢缆环，数据调制方式采用了频率键控(FSK)调制方式。

数据由水上系统(102)传到水下传感器系统(107)的过程如下：

(1)、水上系统(102)调制并发送数据

结合图2和图7，数据通过数据收发模块1(203)调制并发送到水上系统电磁耦合器(103)的初级。

(2)、数据信号耦合到水下传感器系统(107)。

结合图2，水上系统电磁耦合器(103)的初级接收调制后的数据信号，由电磁感应原理，钢缆环(106)上感生同频率的信号，经钢缆环(106)传输，通过水下系统电磁耦合器(105)把信号传到水下传感器系统(107)。

(3)、水下传感器系统(107)解调接收的数据。

结合图6，数据收发模块2(604)接收到数据后进行解调，最后获得水上系统(102)发出的信号。

数据由水下传感器系统(107)传到水上系统(102)的过程和上述过程相同。

Claims (9)

1.一种浮标系统水下传感器非接触电能供给与数据传输装置，其特征是，所述装置的构成为：水上系统(102)和水上系统电磁耦合器(103)安装在浮标体(101)内部，水上系统电磁耦合器(103)的输出端缠绕钢缆环(106)，钢缆环(106)的其余部分置于水下，连接到用于固定浮标体(101)的锚系(108)上，水上系统(102)的逆变电路(202)的输出端就是水上系统电磁耦合器(103)的初级，钢缆环(106)就是水上系统电磁耦合器(103)的次级，在水下安装传感器端的位置安装水下系统电磁耦合器(105)，水下系统电磁耦合器(105)的输出端连接水下传感器系统(107)的输入端，钢缆环(106)即为水下系统电磁耦合器(105)的初级，水下传感器系统(107)的输入端即为水下系统电磁耦合器(105)的次级，反馈磁环(104)的初级连到钢缆环(106)，次级连到水上系统(102)采样电路(205)的输入端，以获取钢缆上逆变电压的幅值。

2.如权利要求1所述的装置，其特征是，所述的水上系统(102)包括主控中心(201)、逆变电路(202)、数据收发模块1(203)、隔离电路1(204)、采样电路(205)，其中主控中心(201)分别与逆变电路(202)和数据收发模块1(203)互联，数据收发模块1(203)和隔离电路1(204)互联，采样电路(205)输出端连接主控中心(201)的输入端。

3.如权利要求1所述的装置，其特征是，所述的逆变电路(202)由MOSFET驱动电路(301)、全桥推免变换器(302)、过电流保护电路(303)组成，其中MOSFET驱动电路(301)输出端连接全桥推免变换器(302)输入端，过电流保护电路(303)用于保护全桥推免变换器(302)，逆变电路(202)实现直流到交流方波的转变。

4.如权利要求1所述的装置，其特征是，所述的水上系统(102)结合反馈磁环(104)实现对钢缆环(106)上传输的电能的闭环反馈。

5.如权利要求1所述的装置，其特征是，所述的水上系统电磁耦合器(103)和水下系统电磁耦合器(107)结构相同，由两个完全相同的磁芯(401)组成，通过锁紧孔固定在钢缆环(106)上。

6.如权利要求1所述的装置，其特征是，所述的水下传感器系统(107)包括整流稳压模块(602)、超级电容储能模块(603)、数据收发模块2(604)、稳压模块(605)、隔离电路2(606)，其中数据收发模块2(604)和隔离电路2(606)互联，整流稳压模块(602)输出端连接超级电容储能模块(603)，超级电容储能模块(603)输出端连接稳压模块(605)的输入端，数据收发模块2(604)的电源输入端连接稳压模块(605)的输出端。

7.如权利要求1所述的装置，其特征是，所述的水上系统(102)和水下传感器系统(107)之间传输的电能和数据通过水上系统电磁耦合器(103)、水下系统电磁耦合器(105)和钢缆环(106)实现高频电磁耦合，最终实现电能在钢缆环(106)上的传输。

8.如权利要求1所述的装置，其特征是，所述的数据收发模块(203)1和数据收发模块2(604)通过频率键控FSK方式来调制解调数据，通过频分复用技术最终达到电能和数据通在同一条钢缆环(106)上的传输。

9.如权利要求1所述的装置，其特征是，所述的钢缆环(106)还起到固定浮标体(101)的作用。

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