無線充電基本原理范文

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關鍵詞： 無線電力傳輸技術 電磁感應 射頻 原理與應用前景

1.引言

自17世紀人類發現如何發電后就用金屬電線來四處傳輸電力。時至今日，供電網、高壓線已遍布全球的角角落落。在工作和生活中，越來越多的電器給我們帶來極大便捷的同時，不知不覺各種“理不清”的電源線、數據線帶來的困擾也與日俱增。不過，這些年的科技發展表明，在無線數據傳輸技術日益普及之時，科學家對無線電力傳輸（Wireless Power Transmission，WPT）的研究也有了很大突破，從某種意義上來講，無線電力傳輸也不再是幻想——在未來的生活中擺脫那些紛亂的電源線已成為可能。

2.無線電力傳輸的發展歷史

19世紀末被譽為“迎來電力時代的天才”的名尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla，1856—1943）在電氣與無線電技術方面作出了突出貢獻。他1881年發現了旋轉磁場原理，并用于制造感應電動機；1888年發明多相交流傳輸及配電系統；1889—1890年制成赫茲振蕩器；1891年發明高頻變壓器（特斯拉線圈），現仍廣泛用于無線電、電視機及其他電子設備。他曾致力于研究無線傳輸信號及能量的可能性，并在1899年演示了不用導線采用高頻電流的電動機，但由于效率低和對安全方面的擔憂，無線電力傳輸的技術無突破性進展［1］。1901—1905年在紐約附近的長島建造Wardenclyffe塔，是一座復雜的電磁振蕩器，設想它將能夠把電力輸送到世界上任何一個角落，特斯拉利用此塔實現地球與電離層共振。

2001年5月，法國國家科學研究中心的皮格努萊特，利用微波無線傳輸電能點亮40m外一個200W的燈泡。其后，2003年在島上建造的10kW試驗型微波輸電裝置，已開始以2.45GHz頻率向接近1km的格朗巴桑村進行點對點無線供電。

2005年，香港城市大學電子工程學系教授許樹源成功研制出“無線電池充電平臺”，但其使用時仍然要將產品與充電器接觸。

2006年10月，日本展出了無線電力傳輸系統。此系統輸出端電力為7V、400mA，收發線圈間距為4mm時，輸電效率最大為50%，用于手機快速充電。

2007年6月，美國麻省理工學院的物理學助理教授馬林·索爾賈希克研究團隊實現了在短距離內的無線電力傳輸。他們給一個直徑60厘米的線圈通電，6英尺（約1.83米）之外連接在另一個線圈上的60瓦的燈泡被點亮了。這種馬林稱之為“WiTricity”技術的原理是“磁耦合共振”。

2008年9月，北美電力研討會的論文顯示，他們已經在美國內華達州的雷電實驗室成功地將800W電力用無線的方式傳輸到5m遠的距離。

2009年10月，日本奈良市針對充電式混合動力巴士進行了無線充電實驗。供電線圈埋入充電臺的混凝土中，汽車駛上充電臺，將車載線圈對準供電線圈就能開始充電。

3.無線電力傳輸的基本原理

3.1電磁感應——短程傳輸

電磁感應現象是電磁學中最重大的發現之一，它顯示了電、磁現象之間的相互聯系與轉化。電磁感應是電磁學中的基本原理，變壓器就是利用電磁感應的基本原理進行工作的。利用電磁感應進行短程電力傳輸的基本原理如圖1所示，發射線圈L1和接收線圈L2之間利用磁耦合來傳遞能量。若線圈L1中通已交變電流，該電流將在周圍介質中形成一個交變磁場，線圈L2中產生的感應電勢可供電給移動設備或者給電池充電。

3.2電磁耦合共振——中程傳輸

中程無線電力傳輸方式是以電磁波“射頻”或者非輻射性諧振“磁耦合”等形式將電能進行傳輸。它基于電磁共振耦合原理，利用非輻射磁場實現電力高效傳輸。在電子學的理論中，當交變電流通過導體，導體的周圍會形成交變的電磁場，稱為電磁波。在電磁波的頻率低于100khz時，電磁波就會被地表吸收，不能形成有效的傳輸，當電磁波頻率高于100khz時，電磁波便可以在空氣中傳播，并且經大氣層外緣的電離層反射，形成較遠距離傳輸能力，人們把具有較遠距離傳輸能力的高頻電磁波稱為射頻（即：RF）。將電信息源（模擬或者數字）用高頻電流進行調制（調幅或者調頻），形成射頻信號后，經過天線發射到空中；較遠的距離將射頻信號接收后需要進行反調制，再還原成電信息源，這一過程稱為無線傳輸。中程傳輸是利用電磁波損失小的天線技術，并借助二極管、非接觸IC卡、無線電子標簽，等等，實現效率較高的無線電力傳輸。

具體來說，整個裝置包含兩個線圈，每一個線圈都是一個自振系統。其中一個是發射裝置，與能量相連，它并不向外發射電磁波，而是利用振蕩器產生高頻振蕩電流，通過發射線圈向外發射電磁波，在周圍形成一個非輻射磁場，即將電能轉化為磁場。當接收裝置的固有頻率與收到的電磁波頻率相同時，接收電路中產生的振蕩電流最強，完成磁場到電能的轉換，從而實現電能的高效傳輸。圖2是一個典型的利用電磁共振來實現無線電力傳輸的系統方案。電磁波的頻率越高其向空間輻射的能量就越大，傳輸效率就越高。

3.3微波/激光——遠程傳輸

理論上講，無線電波的波長越短，其定向性越好，彌散就越小。所以，可以利用微波或激光形式來實現電能的遠程傳輸，這對于新能源的開發利用、解決未來能源短缺問題也有著重要意義。1968年，美國工程師彼得格拉提出了空間太陽能發電（Space Solar Power，SSP）的概念。其構想是在地球外層空間建立太能能發電基地，通過微波將電能送回地球。

4.無線電力技術的應用前景

無線電力傳輸作為一種先進的技術一般應用于特殊的場合，具有廣泛的應用前景。

4.1給一些難以架設線路或危險的地區供應電能

高山、森林、沙漠、海島等地的臺站經常遇到架設電力線路困難的問題，而工作在這些地方的邊防哨所、無線電導航臺、衛星監控站、天文觀測點等需要生活和工作用電，無線輸電可補充電力不足。此外，無線輸電技術還可以給游牧等分散區村落無變壓器供電和給用于開采放射性礦物、伐木的機器人供電。

4.2解決地面太陽能電站、水電站、風力電站、原子能電站的電能輸送問題

我國的新疆、西藏、青海等地降雨量少、日照充足且存在大片荒蕪土地，南方部分地區水力、風力資源豐富，這些地區有利于建造地面太陽能發電站或水電站、風力電站。可是，這些地區人煙稀少、地形復雜，在崇山峻嶺之中難以架設線路，這時無線輸電技術就有了用武之地。采用無線輸電技術，還可以把核電站建在沙漠、荒島等地。這樣一方面便于埋葬核廢料，另一方面當電站運行發生故障時也可以避免對周圍動植物的大量傷害和耕地的污染。

4.3傳送衛星太陽能電站的電能

所謂衛星太陽能電站，就是用運載火箭或航天飛機將太陽能電池板或太陽能聚光鏡等材料發送到赤道上空35800km的地球靜止同步軌道上。在太空的太陽光線沒有地球大氣層的影響，輻射能量十分穩定，是“取之不盡”的潔凈能源。并且一年中有99%的時間是白天，其利用效率比地面上要高出6—15倍［3］。在那里利用太陽能電池板把陽光直接轉變為電能，或者用太陽能聚光鏡把陽光匯聚起來作為熱源，像地面熱電廠一樣發電。這樣產生的電能供給微波源或激光器，然后采用無線輸電技術將大功率電磁射束發送至地面，接收到的微波能量經整流器后變成直流電，由變、配電設施供給用戶。

4.4無接點充電插座

隨著無線電力技術的發展，一些小型用電設備已經實現了無線供電。如：電動牙刷、“免電池”無線鼠標、無線供電“膜片”/“墊”等。無線供電“膜片”/“墊”是一種家用電器無線供電方式，用一片圖書大小的柔軟塑料膜片就可對家電進行無線供電，可為圣誕樹上的LED、裝飾燈、魚缸水中的燈泡、小型電機、手機、MP3、隨身聽、溫度傳感器、助聽器、汽車零部件、甚至是植入式醫療器件等供電。

4.5給以微波發動機推進的交通運輸工具供電

現在大部分交通運輸工具燃燒石油產品，其發動機叫做柴油發動機、汽油發動機等。與此類比，以微波作為能源推進的發動機叫做微波發動機。微波是工作頻率在0.3—300GHz的電磁波，不能直接用它來驅動電動機，因為要設計出在如此高的頻率下工作的發動機非常困難。如果思路加以改變，把微波能量轉變為直流電流的整流器，那么微波就可以直接作為交通工具的能源了。煤、石油、天然氣的存儲量有限，而日消耗量巨大，總有耗盡之日，到那時衛星太陽能電站可望成為能源供給的主干，通過無線輸電技術就可以直接把微波能量輸給交通運輸工具。

4.6在月球和地球之間架起能量之橋

世界人口的不斷增長和地球資源的日益耗盡，太陽系中其他星球的開發利用是人類一直以來的夙愿。月球是地球的天然衛星，其上資源豐富，地域遼闊，是首先要開發的星體。未來人類對月球的利用主要是移民和資源獲取。月球的土壤里富含SiO2，是制造太陽能電池的原料。如果先在月球上建立起工廠，然后把太陽能電站直接建在月球上，比起建在地球靜止同步軌道上要容易些，借助于微波束或激光束把電能發送到地球。

5.結語

隨著無線電力傳輸技術的不斷發展與成熟，不但使人們未來的生活有望擺脫手機、相機、筆記本電腦等移動設備電源線的束縛，享受在機場、車站、酒店多種場所提供的無線電力，而且可用于一些特殊場合，如人體植入儀器如心臟起搏器等的輸電問題、新能源（電動）汽車、低軌道軍用衛星、太陽能衛星發電站等。在世界經濟迅速發展的今天，節能和新的、可再生能源的開發是擺在能源工作者面前的首要問題。太陽能是取之不盡、用之不竭的干凈能源。除核能、地熱能和潮汐能之外，地球上的所有能源都來自太陽，建造衛星太陽能電站是解決人類能源危機的重要途徑。要將相對地球靜止的同步軌道上的電能輸送的地面，無線輸電技術將發揮至關重要的作用。從長遠來看，該技術具有潛在的廣泛應用前景。但是，每一種無線傳輸方式，都有一系列問題需要解決，如電能傳輸效率問題，電力公司如何收費和計費，能量傳輸所產生的電磁波是否對人體健康帶來危害，等等。不管怎樣，一旦這項技術能夠普及，就會給人們的生活帶來巨大的便利。

參考文獻

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【關鍵詞】AM;Multisim;包絡檢波;模擬乘法器

0 引言

信息化飛速發展的今天，無線電傳輸信號已經廣泛的應用。其原理是通過天線，將有用信號轉換成便于傳輸的電信號。由于受天線尺寸的影響，又考慮信息傳輸的有效性，需要在天線的發送端和接收端之間，選用高頻振蕩信號為載體，對信號進行調制解調，這樣可以實現信號的傳輸。AM調制解調電路簡單，便于接收，而且占用頻帶窄，廣泛應用于中波無線電廣播中，為我們的生活帶來了便利。但AM調制解調系統在部分電路設計和參數的選擇方面等方面，還可以繼續研究完善。

1 調幅基本原理

普通調幅波也叫標準調幅波，用AM 表示，調制信號以單頻信號作例，設單頻信號為m（t），載波信號為正弦信號，要求載波信號遠大于調制信號頻率，由振幅調制的定義，已調信號的振幅隨調制信號線性變化。要使已調波不失真，調制度m應小于或等于1。當m大于1時為過調（應當避免）。

2 AM調制與解調電路

要實現AM調制，核心是實現調制信號與載波相乘;AM號解調是把調制在高頻調幅信號中的原調制信號取出來的過程，又稱檢波[2]。包絡檢波又分為峰值包絡檢波和平均包絡檢波[3]。這里主要研究峰值包絡檢波。

2.1 振幅調制電路

按實現調幅電平的高低可分為高電平調幅電路和低電平調幅電路。高電平調幅是直接產生滿足發射機輸出功率要求的已調波，它的優點是整機效率高，設計時必須兼顧輸出功率、效率和調制線性的要求，通常高電平調幅只能產生普通調幅波，低電平調幅電路是先在低功率電平級進行振幅調制，然后再經過高頻功率放大放大到所需要的發射功率，DSB，SSB均采用這種方式[4]。設計調制器主要要求是調制效率高，調制線性范圍大，失真小等，但對低電平調制而言，由于低電平調幅電路的功率較小，對調幅電路來說，輸出功率和效率不是主要指標，重點是調制線性的提高。

2.2 二極管峰值包絡檢波器

RC回路有兩個作用：一是產生高頻電壓，并做作檢波器的負載，;二是作為高頻電流的旁路作用。

圖1 檢波原理圖

原理說明：檢波過程，輸入信號是等幅高頻電壓（載波狀態），加電壓前C上的電荷為零，當輸入電壓從零開始增大時，C的高頻阻抗很小，電壓幾乎都加在二極管VD上，當二極管導通C被充電，因二極管電阻小，充電電流很大。而充電常數很小，電容電壓建立很快，這個電壓反加在二極管上，二極管上的電壓是信號源電壓和電容電壓之差。當輸入電壓達到一定值時，二極管開始截止;當信號源繼續下降，二極管存在一段截止時間，在這段時間里，電容C把存儲的電荷通過R放電。因放電常數RC較大，所以放電較慢;當UC下降不多時，信號源的下一個正周期到來，當輸入電壓遠大于UC時，二極管再次導通，電容C又開始充電，UC開始增大，然后繼續上述放電、充電的過稱[5]。

3 電路設計與仿真

注意在設計包絡檢波器時，應主要考慮要有較高的檢波效率和盡可能避免各種失真并減少對前級中頻放大器的影響。

3.1 二極管的選擇

要選擇導通電阻和結電容比較小的二極管，可以提高效率。選擇點接觸型二極管BA220，此類電容的優點是結電容較小，頻率性好，適用于高頻信號檢波。

3.2 電阻選擇

為了不損失效率，R1/R2一般選擇在0.1～0.2，而R1+R2幾千歐，它不能太大，否則容易產生底部切割失真和惰性失真。

3.3 電容的選擇

C太大容易產生惰性失真，太小又會使紋波加大，效率降低。應使RC遠大于TC，Cg一般選的很大，可以起到隔直的作用，此處為10微法。

3.4 參數選擇

現設計一音頻信號（400Hz～4kHz）解調檢波器，設等效輸入電阻大于5千歐。

電路分析利用multisim繪制出設計的AM調制解調電路。電路由雙差分對調制電路和包絡檢波兩個子電路電路構成。查閱相關資料獲得電路參數，用multism仿真實現調制解調過程。

圖2 AM調制解調原理圖

圖3 AM信號與調制信號對比

參數設置載波頻率是465kHz，調制信號頻率5kHz。示波器XSC1通道A輸出是調制后的信號，通道B是調制信號，仿真后包絡波形與調制信號波形一致，調制不失真。利用multisim仿真的AM調制解調在誤差允許范圍內實現了仿真，電路設計成功。

4 總結

AM調制解調雖然簡單，但也就因電路簡單，便于實現廣泛應用于生活中，而且實現調制電路的基本構成模擬乘法器是組成一些重要電路的基本電路，所以研究AM調制解調對指導實踐也有深遠的影響。

【參考文獻】

[1]倪新蕾，池水蓮.用數字示波器觀測拍與調幅波[J].大學物理，2010（02）.

[2]毛世偉.論窄帶調頻信號與調幅信號的差異[J]. 宿州學院學報，2012（02）.

[3]郭帥.遠距離RFID讀卡器設計[D].大連理工大學，2006.

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【關鍵詞】云技術網絡平臺新能源開發利用無線傳輸技術系統三者互為系統平臺的全立體交互式綜合應用

一、云技術

云計算（cloud computing），分布式計算技術的一種，其最基本的概念，是透過網絡將龐大的計算處理程序自動分拆成無數個較小的子程序，再交由多部服務器所組成的龐大系統經搜尋、計算分析之后將處理結果回傳給用戶。透過這項技術，網絡服務提供者可以在數秒之內，達成處理數以千萬計甚至上億計的信息，達到和“超級計算機”同樣強大效能的網絡服務。

“云計算（Cloud technology）”是一個很時尚的概念，它既不是一種技術，也不是一種理論，而是一種商業模式的體現方式。準確說，云計算僅描述了一類棘手的問題，因為現在這個階段，“計算與數據”蹺蹺板的平衡已發生變化，即已經到“移動計算要比移動數據要便宜的多（Moving computation is cheaper than moving data）”。《著云臺》的分析師團隊結合云發展理論總結認為，基于云計算商業模式應用于網絡技術、信息技術、整合技術、管理平臺技術、應用技術等的總稱，可以組成資源池，按需所用，靈活便利。

二、新能源

新能源有廣義和狹義之分。廣義的新能源泛指能夠實現溫室氣體減排的得的可利用能源，外延涵蓋了高效利用能源、資源綜合利用、可再生能源、代替能源、核能、節能等。狹義的新能源指除常規性能源和大型水利發電之外的風能、太陽能、生物能、地熱能、海洋能、小水電和核能等能源的總成。現階段對風能、海洋能、小水電和核能的利用主要集中在電能的轉換上，而對太陽能、生物能、地熱能的利用除了將其轉換為電能外，還應用于向熱能和燃氣的轉換上。總體來講，新能源的利用主要是圍繞發電展開的。新能源的共同特點是比較干凈，除核裂變燃料外，幾乎是永遠用不完的。由于煤、油、氣常規能源具有污染環境和不可再生的缺點，因此，人類越來越重視新能源的開發和利用。

三、無線傳輸技術

無線傳輸技術按技術領域大致分為：無線能量（電能）傳輸技術、無線通信（數據）傳輸技術。

無線能量（電能）傳輸方式及技術原理：無線電力傳輸是一種傳輸電力的新技術，它將電力通過電磁耦合、射頻微波、激光等載體進行傳輸。這種技術解除了對于導線的依賴，從而得到更加方便和廣闊的應用。

無線電力傳輸的基本原理：

①電磁感應―――短程傳輸。電磁感應現象是電磁學中最重大的發現之一，它顯示了電、磁現象之間的相互聯系與轉化。電磁感應是電磁學中的基本原理，變壓器就是利用電磁感應的基本原理進行工作的。利用電磁感應進行短程電力傳輸的基本原理為，發射線圈L1和接收線圈L2之間利用磁耦合來傳遞能量。若線圈L1中通已交變電流，該電流將在周圍介質中形成一個交變磁場，線圈L2中產生的感應電勢可供電給移動設備或者給電池充電。

②電磁耦合共振―――中程傳輸。中程無線電力傳輸方式是以電磁波“射頻”或者非輻射性諧振“磁耦合”等形式將電能進行傳輸。它基于電磁共振耦合原理，利用非輻射磁場實現電力高效傳輸。在電子學的理論中，當交變電流通過導體，導體的周圍會形成交變的電磁場，稱為電磁波。在電磁波的頻率低于100khz時，電磁波就會被地表吸收，不能形成有效的傳輸，當電磁波頻率高于100khz時，電磁波便可以在空氣中傳播，并且經大氣層外緣的電離層反射，形成較遠距離傳輸能力，人們把具有較遠距離傳輸能力的高頻電磁波稱為射頻（即：RF）。將電信息源（模擬或者數字）用高頻電流進行調制（調幅或者調頻），形成射頻信號后，經過天線發射到空中；較遠的距離將射頻信號接收后需要進行反調制，再還原成電信息源，這一過程稱為無線傳輸。中程傳輸是利用電磁波損失小的天線技術，并借助二極管、非接觸IC卡、無線電子標簽等等，實現效率較高的無線電力傳輸。

③微波/激光―――遠程傳輸。理論上講，無線電波的波長越短，其定向性越好彌散就越小。所以可以利用微波或激光形式來實現電能的遠程傳輸，這對于新能源的開發利用解決未來能源短缺問題也有著重要意義。1968年美國工程師彼得格拉提出了空間太陽能發電（Space Solar Power，SSP）的概念，其構想是在地球外層空間建立太陽能發電基地通過微波將電能送回地球。

無線通信（數據）傳輸方式及技術原理：無線通信（Wireless communication）是利用電磁波信號在自由空間中傳播的特性進行信息交換的一種通信方式。無線通信技術自身有很多優點，成本較低，無線通信技術不必建立物理線路，更不用大量的人力去鋪設電纜，而且無線通信技術不受工業環境的限制，對抗環境的變化能力較強，故障診斷也較為容易，相對于傳統的有線通信的設置與維修，無線網絡的維修可以通過遠程診斷完成，更加便捷；擴展性強，當網絡需要擴展時，無線通信不需要擴展布線；靈活性強，無線網絡不受環境、地形等限制，而且在使用環境發生變化時，無線網絡只需要做很少的調整，就能適應新環境的要求。

（1）常用的遠距離無線通信技術

目前偏遠地區廣泛應用的無線通訊技術主要有GPRS/CDMA、數傳電臺、擴頻微波、無線網橋及衛星通信、短波通信技術等。它主要使用在較為偏遠或不宜鋪設線路的地區，如：煤礦、海上、有污染或環境較為惡劣地區等。

①GPRS/CDMA無線通信技術：GPRS （通用無線分組業務）是由中國移動開發運營的一種基于GSM通信系統的無線分組交換技術，是介于第二代和第三代之間的技術，通常稱為2.5G。它是利用“包交換”概念發展的一種無線傳輸方式。包交換就將數據封裝成許多獨立的包，再將這些包一個一個傳送出去，形式上有點類似寄包裹，其優勢在于有資料需要傳送時才會占用頻寬，而且是以資料量計價，有效的提高網絡的利用率。GPRS網絡同時支持電路型數據和分組交換數據，從而GPRS網絡能夠方便的和因特網互相連接，相比原來的GSM網絡的電路交換數據傳送方式，GPRS的分組交換技術具有實時在線、按量計費、高速傳輸等優點。CDMA是碼分多址的英文縮寫（Code Division Multiple Access），是由中國電信運行的一種基于碼分技術和多址技術的新的無線通信系統，其原理基于擴頻技術。其最早是由于軍事上對高質量無線通訊技術的需要而開發設計。CDMA在數據傳送過程中，將數據用一個帶寬遠大于信號帶寬的高速偽隨機碼進行調制，使數據信號的帶寬被擴展，然后經載波調制將數據發送出去。接收端使用完全相同的偽隨機碼，進行相反過程的處理，把寬帶信號換成原信息數據的窄帶信號從而進行解擴，以實現數據傳輸。其特點是抗干擾能力強、抗衰落能力強、信號隱蔽性強、抗截獲的能力強、可以多用戶同時接收發送。

②數傳電臺通信。數傳電臺是數字式無線數據傳輸電臺的簡稱。它是采用數字信號處理、數字調制解調、具有前向糾錯、均衡軟判決等功能的一種無線數據傳輸電臺。數傳電臺的工作頻率大多使用220～240 MHz或400～470 MHz頻段，具有數話兼容、數據傳輸實時性好、專用數據傳輸通道、一次投資、沒有運行使用費、適用于惡劣環境、穩定性好等優點。數傳電臺的有效覆蓋半徑約有幾十公里，可以覆蓋一個城市或一定的區域。數傳電臺通常提供標準的RS-232數據接口，可直接與計算機、數據采集器、RTU、PLC、數據終端、GPS接收機、數碼相機等連接。傳輸速率從9600到19200 bps，誤碼低于10-6（-110 dBm時），可工作于單工、半雙工、時分雙工TDD、全雙工方式。無線數傳電臺是通信行業發展較早的通信方式，也是比較成熟的一項無線通信技術，已經在各行業取得廣泛的應用，在航空航天、鐵路、電力、石油、氣象、地震等各個行業均有應用，在遙控、遙測、搖信、遙感等SCADA領域也取得了長足的進步和發展。

③擴頻微波通信。擴頻通信，即擴展頻譜通信技術（Spread Spectrum Communication）是指其傳輸信息所用信號的帶寬遠大于信息本身帶寬的一種通信技術。最早始用于軍事通信。它傳輸的基本原理是將所傳輸的信息用偽隨機碼序列（擴頻碼）進行調制，偽隨機碼的速率遠大于傳送信息的速率，這時發送信號所占據帶寬遠大于信息本身所需的帶寬實現了頻譜擴展，同時發射到空間的無線電功率譜密度也有大幅度的降低。在接收端則采用相同的擴頻碼進行相關解調并恢復信息數據。其主要特點是：抗噪聲能力極強；抗干擾能力極強；抗衰落能力強；抗多徑干擾能力強；易于多媒體通信組網；具有良好的安全通信能力；不干擾同類的其他系統等，同時具有傳輸距離遠、覆蓋面廣等特點，特別適合野外聯網應用。

④無線網橋。無線網橋是無線射頻技術和傳統的有線網橋技術相結合的產物。無線網橋是為使用無線（微波）進行遠距離數據傳輸的點對點網間互聯而設計。它是一種在鏈路層實現LAN互聯的存儲轉發設備，可用于固定數字設備與其他固定數字設備之間的遠距離（可達50km）、高速（可達百兆bps）無線組網。擴頻微波和無線網橋技術都可以用來傳輸對帶寬要求相當高的視頻監控等大數據量信號傳輸業務。

⑤衛星通信。衛星通信（satellite communication）是指利用人造地球衛星作為中繼站來轉發無線電信號，從而實現在多個地面站之間進行通信的一種技術，它是地面微波通信的繼承和發展。衛星通信系統通常由二部分組成，分別是衛星端、地面端。衛星端在空中，主要用于將地面站發送的信號放大再轉發給其它地面站。地面站主要用于對衛星的控制、跟蹤以及實現地面通信系統接入衛星通信系統。衛星可分為同步衛星和非同步衛星，同步衛星在空中的運行方向和周期與地球的自轉方向及周期相同，從地面的任何位置看，該衛星都是“靜止”不動的；非同步衛星的運行周期大于或小于地球的運行周期，其軌道高度、傾角、形狀都可根據需要調整。衛星通信的的特點是：覆蓋范圍廣、工作頻帶寬、通信質量好、不受地理條件限制、成本與通信距離無關等，其主要用在國際通信、國內通信、軍事通信、移動通信和廣播電視等領域，衛星通信的主要缺點是通信具有一定的延遲，比如打衛星電話時，不能立即聽到對方回話，主要原因是衛星通信的傳輸距離較長，無線電波在空中傳輸是有一定延遲的。

⑥短波通信。按照國際無線電咨詢委員會的劃分，短波是指波長l00m～l0m，頻率為3MHz～30MHz的電磁波。短波通信是指利用短波進行的無線電通信，又稱高頻（HF）通信。短波通信可分為地波傳播和天波傳播。地波傳播的衰耗隨工作頻率的升高而遞增，在同樣的地面條件下，頻率越高，衰耗越大。利用地波只適用于近距離通信，其工作頻率一般選在5MHz以下。地波傳播受天氣影響小，比較穩定，信道參數基本不隨時間變化，故信道可視為恒參信道。天波傳播是無線電波經電離層反射來進行遠距離通信的方式，傾斜投射的電磁波經電離層反射后，可以傳到幾千千米外的地面。天波的傳播損耗比地波小得多，經地面與電離層之間多次反射之后，可以達到極遠的地方，因此，利用天波可以進行環球通信。天波傳播因受電離層變化和多徑傳播的嚴重影響極不穩定，其信道參數隨時間而急劇變化，因此稱為變參信道。短波通信的特點是：建設維護費用低、周期短、設備簡單、電路調度容易、抗毀能力強、頻段窄，通信容量小、天波信道信號傳輸穩定性差等。長期以來，廣泛用于政府、軍事、外交、氣象、商業等部門，用以傳送電報、電話、傳真、低速數據和圖像、語音廣播等信息。

（2）常見短距離無線通信技術

短距離無線通信技術是指通信雙方通過無線電波傳輸數據，并且傳輸距離在較近的范圍內，其應用范圍非常廣泛。近年來，應用較為廣泛及具有較好發展前景的短距離無線通信標準有：Zig-Bee、藍牙（Bluetooth）、無線寬帶（Wi-Fi）、超寬帶（UWB）和近場通信（NFC）。

①Zig-Bee。Zig-bee是基于IEEE802.15.4標準而建立的一種短距離、低功耗的無線通信技術。Zig-bee來源于蜜蜂群的通信方式，由于蜜蜂（bee）是靠飛翔和“嗡嗡”（zig）地抖動翅膀的來與同伴確定食物源的方向、位置和距離等信息，從而構成了蜂群的通信網絡。其特點是距離近，其通常傳輸距離是10-100米；低功耗，在低耗電待機模式下，2節5號干電池可支持1個終端工作6～24個月，甚至更長；其成本，Zig-Bee免協議費，芯片價格便宜；低速率，Zig-bee通常工作在20～250 kbps的較低速率；短時延，Zig-bee的響應速度較快等。主要適用于家庭和樓宇控制、工業現場自動化控制、農業信息收集與控制、公共場所信息檢測與控制、智能型標簽等領域，可以嵌入各種設備。

②藍牙（Bluetooth）。藍牙（Bluetooth）是在1998年5月由東芝、愛立信、IBM、Intel和諾基亞等公司共同提出的一種近距離無線數據通訊技術標準。它能夠在10米的半徑范圍內實現點對點或一點對多點的無線數據和聲音傳輸，其數據傳輸帶寬可達1Mbps。通訊介質為頻率在2.402GHz到2.480GHz之間的電磁波。藍牙技術可以廣泛應用于局域網絡中各類數據及語音設備，如PC、撥號網絡、筆記本電腦、打印機、傳真機、數碼相機、移動電話和高品質耳機等，藍牙的無線通訊方式將上述設備連成一個微微網，多個微微網之間也可以實現互連接，從而實現各類設備之間隨時隨地進行通信。藍牙技術被廣泛應用于無線辦公環境、汽車工業、信息家電、醫療設備以及學校教育和工廠自動控制等領域，藍牙目前存在的主要問題是芯片大小和價格較高；抗干擾能力較弱。

③無線寬帶（Wi-Fi）。Wi-Fi誕生于1999年，它是一種基于802.11協議的無線局域網接入技術。Wi-Fi技術突出的優勢在于它有較廣的局域網覆蓋范圍，其覆蓋半徑可達100米左右，相比于藍牙技術，Wi-Fi覆蓋范圍較廣；傳輸速度非常快，其傳輸速度可以達到11mbps（802.11b）或者54mbps（802.11a），適合高速數據傳輸的業務；無須布線，可以不受布線條件的限制，非常適合移動辦公用戶的需要。在一些人員密集的地方，比如火車站、汽車站、商場、機場、圖書館、校園等地方設置“熱點”，可以通過高速線路將因特網接入上述場所。用戶只需要將支持無線網絡的終端設備該區域內，即可高速接入因特網；健康安全，具有WiFi功能的產品發射功率不超過100毫瓦，實際發射功率約60～70毫瓦，與手機、手持式對講機等通訊設備相比，WiFi產品的輻射更小。

④超寬帶（UWB）。UWB（Ultra Wideband）是一種無載波通信技術，利用納秒至微微秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數據，其傳輸距離通常在10m以內，使用1GHz以上帶寬，通信速度可以達到幾百兆bit/s以上，UWB的工作頻段范圍從3.1GHz到10.6 GHz，最小工作頻寬為500MHz。其主要特點是：傳輸速率高；發射功率低，功耗小；保密性強；UWB通信采用調時序列，能夠抗多徑衰落；UWB所需要的射頻和微波器件很少，可以減小系統的復雜性。由于UWB系統占用的帶寬很高，UWB系統可能會干擾現有其他無線通信系統。UWB主要應用在高分辨率、較小范圍、能夠穿透墻壁、地面等障礙物的雷達和圖像系統中。軍事部門利用UWB技術已經開發出了高分辨率的雷達。據相關報道，一些具有特殊功能的UWB收發器已經被開發出來，用在了能夠看穿地面、墻壁、身體等障礙物的雷達和圖像裝置，這種裝置可以用來檢查樓房、橋梁、道路等工程的混凝土和瀝青結構中的缺陷，以及定位地下電纜及其它管線的故障位置，也可用于疾病診斷。另外，在救援、治安防范、消防及醫療、醫學圖像處理等領域都大有用途。

⑤NFC。NFC（Near Field Communication）是一種新的近距離無線通信技術，由飛利浦、索尼和諾基亞等公司共同開發，其工作頻率為13.56 MHz，由13.56 MHz的射頻識別（RFID）技術發展而來，它與目前廣為流行的非接觸智能卡ISO14443所采用的頻率相同，這就為所有的消費類電子產品提供了一種方便的通訊方式。NFC采用幅移鍵控（ASK）調制方式，其數據傳輸速率一般為106 kbit/s、212 kbit/s和424 kbit/s三種。NFC的主要優勢是：距離近、帶寬高、能耗低，與非接觸智能卡技術兼容，其在門禁、公交、手機支付等領域有著廣闊的應用價值。NFC的應用情境基本可以分為以下五類：A、接觸-通過，主要應用在會議入場、交通關卡、門禁控制、和賽事門票等方面；B、接觸-確認/支付，主要應用在手機錢包、移動和公交付費等方面；C、接觸-連接，這種應用可以實現2個具有NFC功能的設備實現數據的點對點傳輸；D、接觸-瀏覽，用戶可以通過NFC手機了解和使用系統所能提供的功能和服務；E、下載-接觸，通過具有NFC功能的終端設備，使用GPRS＼CDMA網絡接收或下載相關信息，用于門禁或支付等功能。

四、三者互為系統的立體式應用

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【關鍵詞】E類功放;最適頻率調節;高效率;無線電能傳輸

一、引言

與傳統的電力傳輸不同，無線電能傳輸（Wireless Power Transmission，WPT）也稱無線電力傳輸或無線功率傳輸。它通過能量轉換和空間輻射來實現。WPT主要通過電場耦合、電磁感應、磁共振、無線電波四種方式來實現非接觸式的電能傳輸，被美國《技術評論》雜志評選為未來十大科研方向之一。

近年來國內外各研究機構（如日本產學研國際中心，英國劍橋SplashPower公司），相繼研發出了短距離無線供電產品。美國的Powercast公司開發出的無線充電技術，可為各種耗電量相對較低的電子產品（如手機、汽車零部件）充電或供電。Powercast公司計劃推出數百萬個無線充電器。該技術得到如此青睞，雖然目前在遠距離、高效率仍處于瓶頸，但不久的將來一定會攻克，無線電能傳輸將開辟人類的一個新紀元。

在理解無線電能傳輸的基礎上，本裝置采用E類功放完成能量轉換，發射與接收線圈以磁共振方式傳輸能量，非接觸式地為負載提供電能，以滿足擺脫移動設備電源線的束縛，實現電能無線傳輸的愿望。

二、基本原理

系統電路整體框圖如圖1所示，主要由前級能量變換裝置（和最適頻率自動調節電路）通過空心線圈將能量傳送，和后級采用同樣空心線圈的接收能量裝置并對能量進行合理轉化兩部分組成，兩個分離的電氣部分通過磁共振方式實現能量無線傳輸。本系統可分為4個模塊組成，下面分別詳細介紹每個模塊：

圖1 系統電路整體框圖

（一）能量變換模塊

E類功率放大器[1]是一種高效率的軟開關類功放，理想開關管的電流波形和電壓波形沒有重疊，不消耗功耗，所以理想E類功放的效率可達100%。E類功率放大電路前、后半周期原理圖如圖2所示，當開關管導通時諧振頻率：

品質因數：

開關管斷開時：

品質因數：

E類逆變器的開關頻率總是要滿足，對應的有。L1為射頻扼流圈（一般取值大于10倍的L2），L2、C2構成串聯諧振回路（本系統L2采用空心線圈），C1是場效應管輸入電容，為分布電容和外界電容的總和（見圖2）。

（二）無線傳輸模塊

發送、接收模塊采用相同的LC諧振頻率以磁共振的方式進行能量傳輸，相比其他方式，磁共振無需線圈間的位置完全吻合，即可實現能量高效長距離傳輸。LC諧振有串、并聯兩種形式。由于發送模塊前級連接E類功放，所以發射模塊只能采用LC串聯形式，接收模塊則可以有兩種諧振方式，理論分析，接收模塊采用并聯LC諧振方式則后級近似為恒流源，采用串聯LC諧振方式則后級近似為恒壓源。

圖2 E類功放前（左）、后（右）周期原理圖

（三）最適頻率自動調節模塊

采用磁共振方式無線傳輸，理論上需將開關頻率、發射、接收諧振頻率一致，但實際中，由于空心線圈、電容等器件誤差的存在和環境等因素的影響，經過實驗證明，開關頻率需略低于發射、接收諧振頻率，效率才會達到最高點。結果證實，當發射模塊的功率達到最大時，系統的效率最高。因此，本系統采用MCU檢測電路中的電壓、電流，通過閉環控制自動尋找最適的開關頻率使得效率達到最，省去了接收模塊的MCU檢測模塊，進一步防止了效率的損失。

（四）整流、濾波、斬波模塊

接收模塊經LC諧振回路將發射模塊的能量接收，要根據不同負載的需求，選取適當的整流、濾波、斬波電路[2]。不同的后級整流電路，因寄生電容等參數的存在，將改變接收模塊的LC諧振頻率，從而影響磁共振的無線傳輸效率[3]。

圖3 前級硬件原理圖

三、硬件電路實現

前級硬件原理圖如圖3所示，系統由15V直流電輸入，通過L1、L2、C1、C2以及MOS構成的E類功放電路實現從直流到交流的逆變，L2、C2組成的諧振回路分別取值為72uH、11nF，L2采用0.1*200的李茲線繞制成直徑為20cm的空心線圈，C2采用2個22nF的100V耐壓值的CBB電容串聯，其串聯后耐壓值增加一倍，電容值為11nF，經計算可知，系統

的諧振頻率約為179KHz。扼流電感L1采用鐵硅鋁材質的磁環，繞制成1mH的電感。本設計采用TI公司的低功耗MCU--MSP430F6638控制UCC27211 MOS驅動器驅動MOS（CSD19531，VDS為100V，Id為105A，Rds（on）為7.7mΩ）。旁路電容C1的容值將決定電路的工作狀態，如果逆變器工作在最優狀態，其輸出功率為最大值。結合MOS的寄生電容和經過多次測量得知此設計最佳工作狀態下的C1的值為22nF。一般而言，線圈工作的工作頻率需要略低于其固有頻率，而開關頻率本系統采用通過輸入20mΩ的采樣電阻進行電流采樣，INA282將采樣的差分信號放大50倍送往MCU，MCU處理輸入功率變化信息，不斷調節驅動MOS的PWM頻率至最適點，閉環控制使效率達到最高。

后級硬件原理圖如圖4所示，接收諧振電路L3、C3與發射諧振電路L2、C2取值、取材完全相同，目的是確保諧振頻率點完全相同。后級經過全橋整流、電容濾波后給負載供電。

圖4 后級硬件原理圖

四、仿真與測試

用MATLAB-Simulink仿真[4]，對于不同的C1值仿真出現截然不同的結果，最終確定C1的最合適值為22uF，不同C1值對于的發射線圈波形見圖5。

圖5 不同C1值對應發射線圈波形

本系統在無線傳輸距離為10cm、輸入直流電壓為15V、接收端輸出直流電流為0.5A時，硬件改變引起頻率自調節，整機效率最高可達75%。并可以點亮10個1W串聯的白色高亮LED，也能夠實現單點發射、多點接收的功能。整機測試數據如表1所示。

表1 整機效率測試數據

自調節頻率（KHz） 187 188 189 190 191 192

輸入電壓（V） 15.0 15.0 15.0 15.0 15.0 15.0

輸入電流（A） 0.50 0.52 0.61 0.57 0.51 0.59

輸出電壓（V） 10.23 11.15 13.75 12.66 10.41 13.02

輸出電流（A） 0.50 0.50 0.50 0.50 0.50 0.50

效率（%） 68 71 75 74 69 73

五、結語

本系統由基于E類功放的能量變換模塊、無線發送、接收模塊、最適頻率自動調節模塊和整流、濾波、斬波模塊四部分組成，實物測試結果表明該電路可以高效率的實現無線電能傳輸，并能夠實現單點發射、多點接收的功能。本設計為無限供電技術的進一步推廣與應用奠定良好基礎，為物聯網的進一步發展提供支持，當人類解開電線的束縛時，我們將迎來一個全新的世界。

參考文獻

[1]董佳興，薛新.高效E類功率放大器的設計[J].通信對抗，2006.

[2]王兆安，黃俊. 電力電子技術[M]. 北京：機械工業出版社，2004.

篇5

【關鍵詞】 測溫;電源;無限射頻

隨著電力系統的發展和智能電網建設的要求，高壓輸電設備（例如隔離開關）的溫度在線監測成為一個越來越重要的課題。由于隔離開關的觸頭溫升嚴重影響其安全工作性能和壽命，因此對溫度進行準確和及時的監測對于提高設備的安全性，預防事故發生具有重要的意義。相比于非接觸式紅外測溫技術，

目前國內外提出的有關高壓隔離開關溫度在線測量和傳輸系統的主要技術方案可從溫度測量、供能方式和信號傳輸三個方面概括，本文將主要從溫度測量和供能方式兩個方面描述。

1、溫度測量

對高壓隔離開關進行溫度測量的方法主要包括接觸式和非接觸式兩種。

接觸式測溫主要是在隔離開關的導電臂上埋設熱電偶或熱電阻等測溫元件進行溫度測量，這種方法的測量準確度高，成本低廉，而且可以實現微功耗測量，但是由于測量裝置安裝在高壓側，因此如何為其提供工作電源以及如何將測量數據傳遞到主控室是需要研究的問題。

非接觸式測溫主要利用紅外測溫技術，通過紅外探頭對設備輻射的溫度進行測量。采用紅外測溫，整個測量裝置可以放置在低壓側，其工作電源可以通過電壓互感器來提供，或者通過電池來供電（電池的更換比較容易）。但是紅外測溫技術比較復雜，首先不同的被測物體表面材料不同，則其輻射率也不同，因此對溫度測量準確度的影響比較大。針對不同型號和不同觸頭材料的開關，為了保證測量的準確度，紅外傳感器都需要進行繁瑣的標定工作。【1】另外，紅外傳感器與被測物體之間的安裝距離以及安裝角度也都會影響到測量的結果。最后，采用電壓互感器供電需要鋪設專門的電源線，而電池供電則需要定期維護。這些都會增加這種技術方案的成本，如果溫度測量的節點比較多，那么這種技術方案的成本也會比較高。

除此之外，光纖測溫技術研究也比較多，光纖是非常好的絕緣介質，同時也是溫度傳感元件，因此利用光纖對溫度進行傳感，而在低壓側進行溫度測量是這種方案最重要的特點。【2】不過，光纖測溫的成本比較高，特別是如果距離比較遠，并且測溫點比較多，那么造價相當昂貴。

2、供能方式

如果采用接觸式測量方案，隔離開關溫度在線測量裝置需要安裝在高壓側，因此如何提供裝置的工作電源是一個核心問題，現有的主要技術方案包括：

2.1、電流線圈取能

這種方案的主要原理是在輸電線上套裝一個電流線圈，通過線圈互感和輸電線中的電流來取能。由于負載變化，流過電流線圈電流也會隨之變化，當負載較重時，供能充足，當負載不足時，供能又面臨不足。

電流線圈取能方式還需面對其他問題，當負載過重時，電流過大，測溫系統也不能夠正常工作，需要采用限制電流傳輸的方法，電流線圈取能方式還要能夠承受系統短路電路的沖擊，電流線圈體積較大，安裝也頗為復雜。

采用電流線圈取能方式及增加了成本，也加大了技術難度。

2.2太陽能與風能

這種方案目前研究比較多，主要原理是通過太陽能電池板來提供能量，這種技術往往配合儲能電池一起使用，以便應付夜晚供能不足的問題。太陽能電池供電方案的主要缺點是成本較高，體積大，另外用于儲能的電池壽命有限。.還有些方案中也提出采用小風機來提供能量或者采用太陽能和小風機復合供能的方式，不過小風機的可靠性較差，特別是強風情況下容易損壞，因此使用不多。

2.3電場感應供能

圖1 采用放電方式的感應法取能原理圖

電場感應供能的基本原理是利用高壓傳輸線的空間位移電流給一個取能電容充電，然后利用電容放電為溫度測量電路和射頻收發電路供電。高壓傳輸線的空間位移電流密度取決于電壓等級以及距離地面的高度，通常是比較小的。經測試后結果表明，在20000V電壓，距離地面2m高的地方，單位面積高壓輸電線的位移電流密度大約為0.14uA/cm2。為了能夠提供溫度測量和射頻收發電路一次工作的功率消耗以及保證最低工作時間（大約4秒），需要較大的電容器（至少1100uF以上）來實現儲能（儲能電壓需要超過35V）。如果位移電流的幅度過低，則會造成較長的充電時間，此時，充電控制電路的泄露電流的影響就不容忽視，因此整個感應法取能的主要技術瓶頸在于如何提高充電速率效率以及降低充電控制電路的泄露。為此，本項目提出的主要解決方案如圖1。

由于電容的儲能與電壓平方成正比，因此提高充電電壓會使電容的儲能大大增加（例如使一個1uF的電容器充電到800V），但是這么高的電壓對于電子設備是無法直接利用的，因此需要通過一個開關和變壓器使其向一個大容量儲能電容器放電，把電壓降下來。變壓器有兩個重要的作用：一是能夠使放電開關處于低電壓側;二是實現放電功率的傳遞。直接利用高壓輸電線對地之間的工頻交變電場來取能以維持溫度懸浮測量系統的間歇式的工作模式具有非常顯著的優勢。一方面，高壓輸電線的電壓是非常穩定的，不會出現大起大落，所以直接利用電場感應來取能是非常穩定的能量供應方式;另一方面，通過電場感應取能可以采用在隔離開關導電臂上懸掛面積足夠大的對地極板來實現（面積的大小取決于輸電電壓等級以及對地距離），實現成本是比較低。

3、信號傳輸

信號傳輸采用無線射頻技術，無限射頻技術指的是在工業、科學和醫用頻段（ISM）應用的各種射頻收發器模塊以及建立于其上的通訊協議。這個頻段只要遵守一定的發射功率就可以不需要申請許可證，從而建立起自己專屬的通訊網絡。項目研究內容的原理簡述以及技術應用。

目前在各項試驗中驗證了這種技術方案與大容量電容直接取能方式相比，可以提高儲能效率2-3倍左右。對于變電站隔離開關的溫度在線測量問題，寧夏電力公司和西安交通大學聯合提出了一種新的接觸式技術方案。在這種技術方案中，溫度測量裝置被懸掛在隔離開關導電臂上接近觸頭的位置，懸掛點埋設了測溫元件，可以直接對觸頭附近的溫度進行測量;整個裝置通過感應交變的高壓電場來取能，屬于自供電系統，無需外加電源;

由于溫度不是一個瞬變量，因此對電力設備溫升的監測往往具有一定的時間間隔。在這個時間間隔內，測量系統可以處于休眠的狀態來節省功耗，同時也可以利用這個時間間隔對測量系統的下一次工作進行儲能。如果測量系統對溫度的檢測以及傳輸所占用的時間非常短，而兩次測量的時間間隔足夠長，那么測量系統的平均功率其實是非常小的。【4】所以，電力設備的溫度懸浮測量系統需要一個穩定的但是平均功率不大的能量供應，同時供能方式的成本要足夠低以降低大量安裝這樣的設備所帶來的開銷。目前，設備已經在寧夏電力公司銀川供電局興慶變投入運行。

參考文獻：

[1] 李中祥，宋建成. 高壓隔離開關觸頭溫度在線監測系統的研制[J].高壓電器，2009，45（2）：11-14.

[2] 時斌. 光纖傳感器在高壓設備在線測溫系統中的應用[J].高電壓技術，2007，33（8）：169-173.

[3] 王妍. ZigBee 無線傳感器組網技術及其應用[J].艦船電子工程，2008，28（10）：32-33.

篇6

Abstract： This paper summarized the common problems in daily maintenance and troubleshooting of the automatic meteorological station in Xianyang area， analyzed the failure phenomenon， causes and judgment method so as to improve the support capability. At the same time， by communicating with others， a reference is provided for similar problems in the daily security work of regional weather stations.

關鍵詞： 區域自動氣象站；故障排查；維修；基本方法

Key words： regional automatic weather stations；troubleshooting；maintenance；basic method

中圖分類號：P415.1+2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）03-0120-03

0 引言

區域自動氣象站是指在某一地區根據需要建設的，不借助人工干預就能自動探測多個氣象要素、自動生成報文，并將探測數據定時傳給中心站的氣象站。它的出現填補了氣象空間區域探測的空白。截止2014年底，根據陜西省氣象局觀測站網布局總體安排部署和為地方特色產業服務的需求，咸陽境內共布設163個區域自動氣象站，站點布局合理，鄉鎮覆蓋率達到100%，主要為氣象服務提供氣壓、溫濕度、降水、風向、風速等監測數據。咸陽區域自動氣象站彌補了氣象空間監測領域的技術空白，所得到的監測數據，特別是溫濕度、風速、風險和降水量的監測數據，可用于提高氣象監測精度和改進氣象服務工作質量上。咸陽地區依據區域站觀測數據及時開展各類精細化氣象服務，成效顯著。但同時，隨著站點覆蓋數量越來越多，站點距離臺站路途遙遠、維護維修及其不便，使得區域自動氣象站日常維護十分不便，對日常維護和保障維修的要求也越來越高，為此，本文通過對咸陽境內區域自動氣象站日常維護、維修保障工作中遇到的常見問題和故障排查及維修進行深度分析，從中總結成功經驗，為日后更好的開展日常維修和保障工作提供參考依據。

1 咸陽區域自動氣象站基本情況簡介

咸陽境內共布設區域自動氣象站163個，其中6要素站3個，4要素站7個，2要素站153個，主要針對氣壓、溫濕度、風速、風向、降水量等進行觀測，主要以溫度和降水觀測的2要素站為主。其工作基本原理是傳感器將對應氣象要素的變化轉換成電信號的相應變化。數據采集器采集變化參數后自動進行線性分析和定標處理，使工程量轉換成要素量，并合理控制數據質量，最終獲得各氣象要素的實時數據，并將其傳給市局中心站的服務器；采用GPRS/CDMA網絡通訊技術及短信通訊方式，其主要通信工作方式為GPRS/CDMA無線網絡。咸陽境內南部以平川為主，信號覆蓋較好，北部以溝壑山地為主，信號覆蓋一般，區域自動氣象站建設中數據的傳輸主要使用GPRS通訊方式，個別信號不好的地區GPRS信號弱時，會自動切換短信傳輸方式進行數據傳輸。數據每小時傳輸至市局中心站服務器，中心站每小時正點00分開始收集各個區域自動站上傳的數據并進行處理，生成報文，最后全市報文打包通過互聯網向上級服務器定時傳輸數據資料。

2 日常維護、保障程序

2.1 運行狀態實時監控

在日常工作中，全省區域站監控流程如圖1所示。

區域氣象觀測站運行實時監控系統主要是通過陜西省氣象信息綜合監控平臺（http：//10.172.8.66/）進行數據上傳監控，根據每小時區域氣象站上傳狀態信息，實時監控區域站的運行狀態；也可以通過中心站軟件對各個區域自動氣象站進行數據傳輸監控及查詢。

2.2 供電狀況監控

根據陜西省氣象信息綜合監控平臺（http：//10.172.8.66/）或者中心站資料查詢，發現連續夜間數據不能上傳，而在白天通過太陽能補充電壓后能正常續傳。初步斷定是蓄電池虧電，導致白天蓄電池儲存不上電，夜間采集器不能正常工作造成的。

2.3 觀測數據監控

通過區域自動氣象站數據查詢系統及中國氣象局下發可疑數據查詢系統來監控區域自動氣象站數據采集情況，發現有缺測、錯誤及疑誤數據時及時查找和排除故障。

2.4 通過短信功能監控區域自動氣象站參數配置。

3 故障排除及維修維護基本方法

區域自動氣象站數量多、觀測時效性強、距離臺站較遠、無人值守，其維修、維護工作已成為基層氣象臺站技術保障工作的重點和難點，為保障區域站正常運行，準確及時采集氣象觀測數據，介紹以下區域自動氣象觀測站日常維護維修方法及步驟：

3.1 通過中心站的運行監控軟件，及時發現問題并做出初步故障判斷。

3.2 查看故障區域氣象站的話費狀態（以免由于傳輸卡欠費導致數據無法上傳），根據短信功能可跟蹤監控氣象站的運行狀態，及時發現運行故障，并在第一時間進行故障維修，以防故障擴大，妨礙整個系統穩定運行。

3.3 到達現場后首先查看采集器上指示燈狀態

采集器一共分為五種狀態：常滅表示模塊關閉狀態；一秒一閃表示設備正在查找網絡；三秒一閃表示設備正常找到網絡；一秒兩閃表示設備正在激活GPRS并連接TCP狀態；三秒兩閃表示設備已經與中心站連接正常。最終采集器狀態為綠色（電源）指示燈三秒兩閃，可判定設備已與中心站連接正常，可以再通過電話與中心站聯系進行核對。

3.4 用萬用表測量電池電壓、太陽能供電電壓

測量蓄電池電壓：用萬用表直流檔20V檔位測量蓄電池在運行中的電壓參數。白天太陽能充電量充足時，其運行電壓為6V～7V，夜間也在6V以上。如果低于這個電壓值，區域自動站會因為虧電而無法穩定運行。另外，應該單獨測量電池電壓。測量時，先將電池輸入端斷電，測量不加負載的情況下，電池電壓是否在6V以上，如果低于6V夜間將出現傳輸中斷的問題。

3.5 測量太陽能板充電電流

在不同日照條件下，用2A以上的萬用表電流檔分別測量太陽能電池板充電電流的變化情況。日照充足時，太陽能電池板充電電流數值大概是1A。當電池板或充電線路存在故障時，無法測到電流，此時應該盡快查明故障點，及時排除故障。

根據以往的氣象站運行及維護經驗，本文初步判定故障原因是電壓不足，需要檢查電池是否正常工作。更換電池后再觀測運行數據，查看故障是否解除。另外，需要分別測量電池及太陽能的供電參數，然后對比分析測量結果，檢查采集器的工作狀態，更換采集器后進行跟蹤監測，直到故障全部解除。

3.6 各要素的故障分析及排除方法

①溫度：通常情況下，溫度出現異常偏高或者偏低，首先檢查線柱是否松動，再對連線是否有破損及焊接點是否出現斷開進行檢查。如果都正常，使用萬用表對溫度探頭的四條線柱進行測量，將萬用表調整電阻200歐姆，對顏色相同的線柱進行測量，測量值在幾歐姆到十幾歐姆之間為正常，對顏色不同的線柱進行測量，測量值在100歐姆到110歐姆之間為正常。如果不在正常值范圍內，則是溫度探頭出現故障，需更換新的溫度探頭。

②氣壓：查看橡皮管是否變硬，或者有裂口的現象。如一切正常，則可以判定是氣壓盒的問題，則需更換新的氣壓盒。

③濕度：出現問題的概率比較小，如果出現故障，對于臺站只能更換新的濕度傳感器。

④風向、風速：其構造和原理與自動氣象觀測站風向、風速基本一致，維修時與自動氣象站風向、風速維修方法相同或將出現故障的風向、風速傳感器進行更換。

⑤降水：在區域站運行中也頻繁出現問題，一般都是小故障。當下雨沒有雨量時，首先檢查雨量桶漏斗是否堵塞，如果堵塞，必然沒有雨量，疏通即可；如沒有堵塞，則用萬用表通斷檔檢查雨量線有沒有發生短路或者斷開的現象，如果發生短路，需將短路的地方用絕緣膠布處理即可；如果發生斷開，只需將斷開的地方焊接上即可。如果出現雨量偏大或者偏小，應打開雨量筒，查看雨量翻斗是否有雜物，需要定期進行清洗，（清洗和檢修雨量器時，需要將雨量線與采集板斷開，防止修理過程中翻斗產生計數，上傳至中心站，產生錯誤數據）；其次檢查干簧管是否損壞，通過萬用表通斷檔檢查，如果不正常，更換干簧管即可。

3.7 最后重啟采集器

在重啟前先查看接線柱是否松落，重新緊固、插拔（謹記檢查接線柱必須在關閉采集器狀態下進行），若排除線路松落原因。按動采集器電源按鈕，系統供電后綠色的電源指示燈亮起，連續兩聲蜂鳴聲，指示設備電啟動成功。正常情況供電約10秒后紅色的網絡指示燈由一秒一閃變為三秒一閃，表明設備已經正常注冊到無線網絡上，對于GPRS信號差的地方，時間會稍長些，采集器重啟正常后可連續監控數據傳輸狀態及數據質量，經監控運行正常即可。若采集器不能正常啟動，則需更換新的采集器。

4 結束語

區域自動氣象站在持續運行過程中，會出現許多不同類型的問題，而針對使用過程中產生的各類問題，保障維修人員要對其進行故障的初步判斷與排查檢修。對于區域自動氣象站的維護和維修，從原則上來講，主要以預防故障為前提進行日常維護工作；在發生故障時，根據以上方法冷靜對故障原因及部位進行分析，在分析判斷的基礎上，按照區域站維護維修基本程序和方法，可以很大程度上提高工作效率，減少故障持續時間，最大限度的節省資源，做到第一時間發現問題，科學分析和判斷故障原因及故障部位，對故障部位進行及時檢修，以達到提高區域自動氣象站的數據傳輸及時率和數據傳輸準確率，從而提高區域氣象探測資料在制作天氣預報和政府部門重大災害性天氣決策服務中的作用。

參考文獻：

[1]中國氣象局綜合觀測司.氣象裝備技術保障手冊.

篇7

電力系統配網自動化是指采用現代通信技術、電子技術、網絡技術及計算機與電力設備相結合，在正常及事故情況下把配電網的保護、控制、監測、計量和供電部門的工作管理相結合起來，改善供電質量，和用戶保持好更加負責，更加密切的關系，用合適的價格迎合用戶需求的多樣化，目標是獲得最好的供電經濟性，更加有效的企業管理。電力系統配網自動化是一個具有較高綜合性、復雜巨大的系統性工程，包括電力企業中和配電系統相關的所有控制及功能數據。從確保對用戶的供電質量，節省運行費用的觀點，提升服務的水準等方面來看，電力系統配網自動化是一個統一的有機整體。

2　配電網的合理規劃

電力系統配網自動化的基本原理：把環網結構開環運行的配電網線路采用分段開關區分成若干個供電區域。一旦其中的供電區域出現問題，可以及時的斷開該區域的開關，從而隔離開出現故障的區域，然后把非故障區域快速恢復供電，進而免除了因為某一區域出現故障而致使所有線路連續停電，大大縮小了停電區域的范圍，增加了供電的可靠性。所有，電力系統配網自動化對配電網的規劃提出了幾點基本要求：

(1)采用成環網型供電線路，同時至少采用雙電源，如果是供電密集區域，有必要的時候可以考慮選用多電源供電系統。

(2)采用分段式線路干線。防止因線路某一部位出現故障而致使整條線路都停電，可以通過分段開關來轉移非故障區域負荷。分段的原則：在充分考慮投資效益的前提下，就實際的情況而言，或采用線長相等(負荷相等、用戶數量均等)的原則。把長度在3km以內的線分成3段，如果線的長度超過3km，分段一般少于5段。

(3)為了節約一次設備的總投資數，分段開關應采用負荷開關時，而不采用斷路器。一旦線路發生故障后，其分段開關并不是切斷故障電流，而是進行隔離故障區域。

3　開關設備的選型

開關設備是電力系統配網自動化的重要設備，當前有很多廠家進行生產，但能夠實現遙控操作、數據信息通訊等功能的開關設備，能夠生產出與計算機的遙控技術和數據傳輸終端設備連接的生產廠家還是較少。目前我國部分地區實現電力系統配網自動化的開關設備基本上都沒有這個功能。因此，要實現利用通信技術和計算機網絡，做到對配網正常運行的檢測、控制以及發生故障時的迅速處理和配網的設備管理、生產管理的自動化，關鍵是選擇正確的開關設備。斷路器、控制開關不僅需要數據信息通訊和遠方的遙控操作等一般功能，而且還需要完善、獨立的操作電源系統。

4　控制中心與各開關(斷路器)之間的數據通信網絡

電力系統配網自動化建設存在的主要瓶頸是：電力系統配網自動化需要較高通信系統的通信速率以及可靠性。有關供電局電力系統配網自動化運行和建設的經驗來看，就目前我國部分地區實現的電力系統配網自動化的通信方式采用無線通信、光纖通信和載波通信等幾種形式來看，無線通信和載波通信存在的缺點是：不是非常的穩定，究其原因是受到較多因素的限制，但其優點是：與其他的通信方式相比較，其投資較少，因此更加適應小范圍的城鎮電力系統配網自動化。而這兩種通信方式并不適應城市電力系統配網自動化的要求。所以應當采用光纖通信方式，其優點是快的通信速率和高的可靠性，可以適應城市的電力系統配網自動化的要求。電力系統配網自動化首選的通信方式是這種通信方式支持接口(RS232／485)和以太網等多種通信模式。

一般選擇交流220V充當操作電源，通常由充電屏、電池屏、逆變電源屏和交流配電屏組成的電源系統。在整個配電網絡中設置多套電源系統來適應設計的需要，應按照電壓降和電源線路的具體情況來決定具體的數量。

5　電力系統配網自動化實用化模式

電力系統配網自動化按照故障處理的具體形式分為集中智能模式和分布智能模式。

5.1、集中智能模式

集中智能模式是指通過現場的開關(斷路器)把檢測的故障信息上傳給主站，由主站根據一定的算法定位故障，按照配電網的實時拓撲結構，通過有關FTU、開關(斷路器)斷閘隔離故障。此后考慮過負荷，網損等情況，根據計算主站給出最合適的恢復方案，并通過控制開關(斷路器)進行負荷轉供，此模式可以適合于任何構造的配電網，并且可以處理一些如多重故障的特殊情況等。

以配電網的實時拓撲結構為基礎的主站故障處理算法，同樣適用于多電源復雜的網絡，并且時間上基本一致。

它具有以下的特點：

(1)系統的故障時的運行方式和正常運行方式可以實現自動最優化，調度靈活，同時可以根據操作員的指令或者調度員選擇預定的運行方式。

(2)可以將開關(斷路器)的電壓、電流以及其開關量等具體數據傳至調度主站或控制中心，并且可以對其進行遙控操作，具有較好的上行和下行通信功能。

(3)可以與電壓無功補償裝置及配變計量監測終端相兼容，進行配網的VQC電壓無功自動控制功能。

(4)系統本身具有自動切除故障點和自動判斷故障點的功能，而且能夠與繼電保護的重合閘、整定、備自投等配合，把故障程度減小到最小。

這種模式能適用于電纜線路(包括環網柜方式、開閉所方式)、架空線路。因此集中智能模式是配網自動化較高級、先進的模式。

5.2、分布智能模式

分布智能模式是指現場的開關(斷路器)擁有在不需要通信與主站系統參與情況下，網絡重構和自動故障判定隔離的能力。其主要設備是FTU結合負荷開關或斷路器形成的擁有重合功能的分段開關。一般可以分成電流計數型(根據開斷故障電流重合器動作次數確定故障區域)和電壓時間型(根據變電站保護重合閘到再次出現故障電流的時間確定故障區域)兩種。

這種方法具有的優點是：成本低、不需要主站參與。因受原理的制約，不可避免地擁有以下幾個缺點：

(1)對系統及用戶沖擊大，故障處理及供電恢復速度慢；

(2)缺乏在同一線路上、下級重合器動作的選擇性；

(3)調整變電站重合閘次數和速斷保護定值。

還有，當網絡重構后其參數配合較困難，如需要調整重合器的整定參數，多電源多分支的復雜網絡等。

總之，此種方法只適合于可靠性較低或通信條件不完善、不具備通信手段的場合和較簡單的網架結構(雙電源供電的“手拉手”線路)。

篇8

3.大連理工大學 電子信息與電氣工程學部， 遼寧，大連116024; 4.大連理工大學 土木工程學院， 遼寧 大連116024)

摘要：給出了將無線傳感技術用于低頻結構振動檢測，以判定其結構壽命和損傷情況的無線振動檢測系統的設計方法。提出了系統的總體架構；分析了加速度傳感器的選取方法，從而完成了無線傳感節點與基站的設計；并用實驗驗證了無線檢測系統的低頻特性。結果表明：這一種低頻無線振動檢測系統具有良好的低頻性能，且無線節點無需布線、方便安裝，十分適合應用在低頻結構物的振動檢測中，具有很好的應用前景。

關鍵詞：低頻結構； 振動檢測； 加速度； 無線傳感節點； 基站

中圖分類號：TN99文獻標識碼：A

文章編號：20951302(2011)04003704

Development and Experiment of the Wireless Lowfrequency Vibration Detection System 

LI Zhirui1, YU Yan1, ZHOU Lei2 ZHANG Chuanjie2, WANG Jie3, OU Jinping4

(1.School of Electronic Science and Technology, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China;

2. Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300451, China;

3. Faculty of Electronic Information and Electrical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China;

4. School of Civil and Hydraulic Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

Abstract： Vibration detection is an effective means to determine the injuries and remaining life of such lowfrequency structures as offshore platform. This paper presents a wireless lowfrequency vibration detection system based on wireless sensor technology. Firstly, the architecture of overall system is proposed, secondly, the lowfrequency acceleration sensor is selected, and then wireless sensor node and base station are integrated; finally, an experiment is conducted to verify the system′s low frequency characteristics. The experimental results show that the wireless lowfrequency vibration detection system has a satisfactory lowfrequency performance, and wireless sensor nodes need no cabling and are easy to install, therefore it is suitable to be applied to lowfrequency structures with a wide application foreground and practical value.

Keywords： lowfrequency structures; vibration detection; acceleration; wireless sensor node; base station



收稿日期：20110325

基金項目：國家863項目“基于振動檢測的現役海洋平臺結構安全評估技術研究”(2008AA092701)的資助。

0引言

大型土木工程結構(如海洋平臺、大壩、懸索橋等)在其服役期間，往往會受到各種環境荷載的共同作用而產生各種形式的振動，這些振動一般以低頻為主，是一類低頻結構物。一般地說，低頻振動是指頻率在5~10 Hz以下的振動,由于其振動加速度值不大，對人的直觀感受影響較小，因而常常被人們忽略［1］。但是，對于這些大型工程結構而言，長期持續的振動卻會影響結構的正常運行以及結構物的強度與壽命，嚴重的還會對結構造成損壞。因此，對這些大型結構進行無損振動檢測，確保其工作的安全性、可靠性是一個重要的研究課題。

振動檢測的基本原理是利用傳感器提取結構物的振動信號，通過智能算法對振動數據進行分析處理，最后獲知結構的損傷情況以采取相應的措施［2］。目前對結構的無損振動檢測，主要是測量加速度參量，再經過一次或兩次積分得到速度或位移參量。因此，基本的工作就是對結構振動數據的采集，即對加速度信號的獲取。因此，低頻加速度傳感器的選取是測量精度高低的關鍵。

傳統的振動檢測多采用有線的方式測量振動數據，并進行分析、處理與判斷。但是，對于大型土木結構而言，有線方式存在難以布線、耗資巨大、后期維護困難等問題［3］。隨著無線傳感技術的發展，用無線代替有線進行數據傳輸更為方便和快捷。

本文運用基于ZigBee的無線星型網絡結構來進行設計，并在分析選用低頻加速度傳感器的基礎上，采用模塊化方法制作無線傳感節點與基站，最后通過實驗對無線振動檢測系統的低頻特性進行驗證。

1無線振動檢測系統架構

無線振動檢測系統實際上就是現有的無線傳感網絡技術在振動檢測領域的一種應用。無線傳感器網絡(WSN)是隨著傳感器技術、無線通信技術等發展起來的一門新型交叉學科。它由放置在監測環境內的大量微型傳感器節點組成，這些傳感器節點集成有傳感器、數據處理單元和通信模塊，它們通過無線信道相連，自組織地構成網絡系統［4］。一般來講，整個系統可分為數據采集部分、數據傳輸部分和數據處理部分。無線振動檢測系統的架構如圖1所示。

圖1無線振動檢測系統架構圖

本研究選用星型網絡拓撲結構來進行設計，它由一個基站和多個無線傳感節點組成。基站作為中央節點，主要負責對網絡中的各傳感節點發送響應指令，接收各傳感節點傳送數據并對數據進行后期處理；各傳感節點用來響應基站指令并對振動信號進行采集，最后將振動數據以無線數據包的形式發給基站。

2無線傳感節點的設計

無線傳感節點是無線振動檢測系統的重要組成部分，它是利用現有的MEMS技術和嵌入式技術器件集成起來的。節點采用模塊化的設計方式［5］，由超低頻加速度傳感器、傳感器接口單元、微處理器、無線模塊、存儲器、電源管理模塊等部分組成。圖2所示是無線傳感節點的組成框圖。

2.1加速度傳感器的選取

超低頻振動信號檢測屬于弱信號檢測范疇，對加速度傳感器的低頻特性、靈敏度等要求較高。由于振動頻率低, 一般傳感器的機械固有頻率難以達到，可能導致在測量時，傳感器的信噪比低,輸出信號極其微弱, 完全“淹沒”在噪聲中而難以拾取。因此，低頻加速度傳感器的選取是一個關鍵，其性能優劣直接影響到被測信號的精度與有效性。

圖2無線傳感節點模塊圖

經過比較，本設計選取力平衡傳感器作為低頻振動加速度信號的拾取單元。力平衡式加速度傳感器一般先將被測量轉換成力或力矩，然后用反饋力調節平衡系統的閉環傳感器。它的設計是通過激勵信號調制、解調，加入力反饋進行電壓輸出進行的。輸出電壓的大小與電容極板運動位移成正比，而電容極板的位移量與傳感器外殼體運動的加速度成正比。因此，電容中間極板的輸出電壓所對應的就是傳感器殼體的運動加速度［6］。

力平衡加速度傳感器目前主要應用于超低頻和低加速度的測量，同時具有動態范圍大、測量精度高等特點。

2.2無線傳感節點硬件電路

加速度傳感器與傳感器接口單元配合使用可構成數據采集單元。傳感器接口單元則由多路選擇器(MUX)與模數轉換器(ADC)構成，多路選擇器用于加速度通道的選取，模數轉換器用于實現模擬量(電壓信號)到數字量的A/D轉換。

微處理單元(MCU)可選用TI公司的高性能16位微處理器MSP430F5438，該處理器具有良好的低功耗特性，可滿足無線傳感節點低功耗和快速數據處理的設計要求；存儲單元選用NAND型大容量Flash存儲器，該存儲器具有體積小、存儲容量大等特點，可滿足對大量振動數據的緩存處理要求。

無線傳感節點選用具有安全、可靠、可充電的集成+24 V鋰電池進行供電。由于傳感節點各模塊單元所需電壓不盡相同(需要±15 V、±12 V、+3.3 V電壓)。為了獲得各模塊所需電壓以及減少電壓紋波影響，電源電路設計采用兩級變換結構。第一級采用DC/DC芯片實現+24 V到±15 V以及+3.3 V的變換，第二級采用LDO芯片實現±15 V到±12 V的變換。

2.3無線模塊設計

無線模塊用于數據的無線交互，實現傳感節點與基站間的數據無線傳輸。本文采用基于ZigBee無線通信協議的芯片進行設計。ZigBee是工作在ISM(工業科學醫療)頻段的專注于低功耗、低成本、低速率的短距離無線網絡通信技術。

無線模塊由無線射頻芯片CC2520與放大前端CC2591及其電路組成。CC2520是TI公司符合IEEE 802.15.4標準規范的第二代ZigBee低功耗射頻收發器，工作于2.4 GHz的ISM免許可證頻段。CC2591是一種工作在2.4 GHz的射頻放大器，能夠提高無線信號的發射功率和接收靈敏度，增加無線信號的強度和傳輸距離［7］。

3基站

基站可由無線模塊、串口服務器、PC機以及嵌入式采集軟件構成。無線模塊主要用于與無線傳感節點的數據交互，通常由一個控制端和多個通信端組成。控制端用于向各傳感節點發送指令，建立通信網絡；通信端用于接收傳感節點發送過來的振動數據包。由于振動數據量比較大，無線通信采用的是點對點的通信方式，即一個無線傳感節點對應一個通信端。

無線模塊與PC機通過串口方式相連。目前,通過PC機的RS 232串行接口與外部設備進行通訊,是許多測控系統中常用的一種通信解決方案。但是，隨著計算機技術的發展，PC機上預留的串口越來越少，有些更是沒有串口，無法滿足本設計對串口的需求，需要進行擴展。本設計選用USB型串口服務器，它可以把串口接收的數據以USB的方式傳送到PC機中，而且具有靈活、簡單、方便、快捷等優點。

PC機中嵌入的智能采集軟件主要完成端口配置，同時完成發送指令、建立網絡，接收數據包，對數據進行分析處理等功能。通常由基本設置、實時采集、歷史波形查看、數據導出、數據分析等模塊組成。

4實驗與數據分析

設計一個單擺實驗裝置可進行低頻振動實驗。由單擺的周期公式T=2πl/g可以看出，擺長不同，則周期(頻率)不同。同此可見，控制擺長就可以得到我們所需要的低頻信號。

雙線擺低頻振動實驗方案圖與實驗現場圖分別如圖3和圖4所示。

圖3單擺實驗方案框圖

圖4單擺實驗實物圖

將有線加速度傳感器與無線加速度傳感器共同放置在單擺裝置的吊籃中心位置處，并用強磁鐵緊緊固定，有線傳感器與NI的采集儀(PXI-4472)相連進行振動信號采集。無線傳感器與無線傳感節點相連，并通過與基站的無線交互，可實現振動信號的提取。

實驗中，可對單擺進行激勵以使其擺動，并盡量控制振幅，使其在擺角＜5°的小振幅下做阻尼擺動。然后用無線與有線同步采集，采集頻率均為100 Hz。利用Matlab對數據進行處理，再比較有線與無線的時域與頻域波形。設置擺長為0.9 m和2.2 m進行實驗的時域與頻域分析圖如圖5與圖6所示。

通過時域圖可以看出，無線與有線波形基本吻合，頻域方面對一階頻率進行差別計算，差別=(實測結果-單擺固有頻率)/單擺固有頻率，單位為%。表1和表2所列分別是0.9 m和2.2 m擺長時，無線與有線的頻率比較，由表1與表2可見，其差別很小，均在可控范圍內。也可對無線與有線的相對誤差進行計算，0.9 m時的相對誤差為Ef=|fwireless-fwire|/fwire≈0.39%；2.2 m時的相對誤差為Ef=|fwireless-fwire|/fwire≈1.19%。實驗結果比較好的反映了單擺的低頻振動特性。另外，無線傳輸誤差較大的原因是存在數據丟失的問題，也是下一步將進行改進的課題。

圖50.9m擺長時域與頻域分析

圖62.2 m擺長時域與頻域分析

表1無線與有線頻率比較(0.9m擺長)

無線有線固有頻率

1st0.5290.5270.525

差別0.760.38

[LL]

表2無線與有線頻率比較(2.2 m擺長)

無線有線固有頻率

1st0.3410.3370.336

差別1.490.30



從圖形和誤差分析可以看出，無線低頻檢測系統能很好地反映低頻信號的振動情況，低頻性能良好、無線傳輸可靠，適合應用于低頻結構的振動測試當中。

5結論

本文針對低頻結構的振動檢測，結合無線傳感技術，給出了一種無線低頻振動檢測系統的設計方法。該系統集成了低頻加速度傳感器、無線傳感節點、基站等裝置。為驗證該系統的低頻性能，本文還給出了單擺實驗裝置。實驗結果表明，本系統適合應用在低頻結構的振動檢測中。所設計的無線傳感節點具有低功耗、無需布線、可超低頻測量等特點，本設計與基站配合構成的檢測系統為低頻結構振動檢測提供了一種新方法，具有廣闊的應用前景。

參考文獻

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［6］李彩華,李小軍,顏世菊.無方向性力平衡加速度傳感器設計［J］.傳感器與微系統,2008,27(11):7880.

［7］Texas Instruments. CC2520 Datasheet［EB/OL］. 省略, 2009.

篇9

激光射束驅動飛行器發展背景和基本原理

自1903年世界上首架載人動力飛機誕生以來，經過百余年的發展，飛機歷經多次更新換代，其外形和性能均發生了巨大的變化，但以燃油作為能源一直是航空器發展的主流，這不可避免地給飛機未來發展帶來很多限制。一方面，由于目前飛機消耗的燃油全靠自身攜帶，要延長其續航能力，只能盡可能加大燃油攜帶量或者進行空中加油；另一方面，隨著全球范圍內能源危機的加劇和節能環保意識的增強，當前飛機以化石燃料為主要能源所導致的種種弊端也正日益顯露。如果使飛機在飛行過程中能夠從外部接收能量，而自身無需攜帶燃料即可順利升空執行任務，那么上述種種問題也將迎刃而解。為此，早在1913年法國人羅蘭?加洛斯就提出了從地面為空中飛行器提供動力的設想，然而直至20世紀晚期，隨著無線能量傳輸技術的發展，這種設想才開始逐漸變為現實。

所謂的無線能量傳輸，就是無需傳輸線路、借助電磁波進行的能量傳遞，其在用于航空動力領域時主要有微波和激光兩種方式。這兩種動力方式國外都有研究，二者工作過程相同：

（1） 來自各種能源途徑的電能轉換成能在自由空間傳播的微波或激光束；

（2）將微波或激光束定向發射和傳輸到飛行中的飛機上；

（3）機上的接收裝置將接收到的微波或激光束能量轉換為電能，通過電動機驅動飛機飛行（今后也可能實現其它驅動方式）。

就其中的激光射束動力方式來說，由于激光具有方向性強、能量密度高的特點，用較小的發射功率即可實現較遠距離的能量傳輸，所需的發射/接收設備體積重量小（僅為微波的1/10），并且不象微波那樣會對通信造成干擾，因而在用作飛行器動力時具有獨特優勢，相關國家軍方和研究機構對其日益重視。

激光射束驅動無人機的主要技術優勢及軍事應用前景

研究表明，飛行器在采用激光驅動技術后，將會帶來一系列明顯的技術優勢，主要包括：

（1）飛行過程中無須象普通飛機那樣需攜帶大量燃油，有助于減小飛機體積（無需設置占用大量機體空間的油箱）和重量（目前飛機燃油通常占起飛重量的40%左右甚至更多），增加有效載荷；

（2）大幅延長飛機航程和續航時間，只要在航線沿途地面上每隔一定距離設置一個激光發射站，以接力的方式為空中飛機提供動力，從理論上講將可以維持飛機無限期地飛行；

（3）由于續航時間的延長，飛機在執行任務期間返航著陸、燃料再加注和再次起飛等次數也將顯著減少甚至完全取消，從而降低對后勤保障的要求；

（4）地面激光發射站使用的能源可以來自太陽能、風能、水能等途徑，將有助于減少對石油等不可再生能源的需求，同時避免燃油燃燒對大氣造成的污染。

對無人機來說，由于機上無乘員，將可以使激光射束驅動飛行器的上述優勢得到更充分的發揮，在軍事上非常適用于以下場合：

（1）用作靜止空中平臺擔負定點監控或通信中繼任務。通過接收由地面傳來的激光束作為動力，無人旋翼機可以長久靜止在空中某一位置，對附近地區實施定點監控或用作通信中繼，此時該機非常類似一顆低成本的地球同步軌道衛星，但停留高度卻大大降低。

（2）對固定或移動軍事設施實施伴隨空中監護。在軍事基地等固定設施內安裝激光發射設備，即可保障無人機在其周邊實施長期空中巡邏。在車隊（或水面艦艇編隊）內部選取一輛車充當機動式激光發射站，即可保障無人機在車隊前方上空飛行，對潛在的威脅（如路邊炸彈、伏兵等）進行搜索偵察。

（3）對特定地區實施廣域持久空中監控。對于部分面積廣大、并且需要保持長期空中監視的地區來說，可以選取本地區內的多個地點設置激光發射站，即可保障無人機對整個地區實現覆蓋。

（4）以“子母機”的形式延伸無人機的任務航程。戰時以一架較大型“母機”作為空中機動激光發射站，可同時為多架承擔作戰/偵察任務的無人機“子機”提供能量補充，從而大大延伸后者的任務航程。由于高空大氣稀薄，對激光傳輸的不良影響也大大降低，因此“母機”對“子機”的能量補充可以在數千米、數十千米甚至更遠距離上進行，而不必象傳統的空中加油那樣，需要加、受油機進行一系列復雜繁瑣的接近、對接、脫離過程，不僅降低了對操作人員的技術要求，還可避免由此帶來的安全隱患（碰撞事故或敵方的攻擊）。

國外研究現狀

目前國外開展激光射束驅動技術的國家主要是美國。由美國家航空航天局（NASA）和阿拉巴馬州大學組成的團隊多年來一直在從事激光射束動力飛行器的研究，并于2003年10月成功完成了世界首架激光射束驅動小型無人機（重300余克）的試飛。近年來美國Lasermotive公司在激光射束動力領域進行了大量卓有成效的研究。2009年該公司采用激光射束驅動技術為一個攀爬機器人提供動力，使其迅速地沿著一根懸垂于直升機上的纜繩攀爬了1000米，并憑借這一成績在當年NASA主辦的“動力射束傳送”挑戰賽中獲獎。2010年10月，Lasermotive公司成功地通過激光射束驅動使1架“塘鵝”四旋翼無人直升機（重約900克）升空并持續飛行超過12小時。

目前Lasermotive公司正在與洛?馬公司合作，以“潛行者”無人機為平臺進行激光射束動力技術的開發驗證。后者是一種供美軍特種部隊使用的小型電動無人機（重6.4千克），其機載蓄電池充電后可持續飛行2小時。參加測試的“潛行者”進行了相應改裝，加裝了由Lasermotive 公司開發并擁有專利的激光射束驅動系統（包括光電接收/轉換裝置和機載能量管理系統），使之能夠接收地面傳來的激光束并將其轉換為電動機所需的直流電，同時為機載蓄電池充電。系統中配套的地面激光發射機則是以Lasermotive 公司參加2009年NASA挑戰賽并獲獎的方案為基礎改進而來。此外，為了保證激光束不會傷害過往的有人駕駛飛機、飛鳥等（目前所用波長的激光對人眼有害），LaserMotive公司還設計了一套安全防護系統，當飛鳥、飛機等進入附近空域時將自動關閉激光器，此時無人機依靠蓄電池供電繼續飛行。

2012年7月，兩家公司合作進行了一次“潛行者”的室內測試飛行，通過激光射束驅動成功地將該機續航時間延長到了48小時以上（提高24倍）。2012年8月，兩家公司成功完成了“潛行者”的首次戶外飛行試驗，對沙漠環境下激光射束驅動系統的性能進行了驗證并取得大量技術成果：

（1） 驗證了系統可在600米距離內通過激光射束為飛行中的無人機補充能量；

（2） 驗證了所發射的激光束不會損傷無人機，激光接收裝置也不會影響其氣動性能和飛行操作；

（3） 驗證了激光接收裝置及能量管理系統的耐用性，不會受到晝夜、高溫和強風的影響；

（4） 驗證了光束定向器可對機載激光接收裝置進行長時間跟蹤，而不會受到湍流和無人機機動飛行的影響，在500米距離上的跟蹤精度可達到厘米級；

（5） 驗證了激光驅動系統完全可滿足設定的操作和安全要求。

Lasermotive和洛?馬公司表示，今后還將對激光射束驅動系統進行更多的試飛驗證，使其最終能夠應用到“潛行者”這類小型無人機上以擴展改善其任務效能。

面臨的主要技術問題及未來前景

篇10

關鍵詞：電牽引采煤機；電氣維護；故障；診斷

電牽引采煤機是一種較環保的采煤機，對比老式的采煤機，電牽引采煤機不容易受外界因素干擾，影響功能使用，并且效率高、更容易維修維護，占地面積較小，由此可見，電牽引采煤機更有利于礦井的經濟發展，更符合實際需要。然而，隨著科技的發展，電牽引采煤機的電子集成度越來越高，這就造成了維修時更加困難，所以，為了更好的保證電牽引采煤機的效率、使用壽命，就必須采取切實有效的電氣維護與故障診斷措施。

1電牽引采煤機電氣系統介紹

以太重煤機有限公司MG400/930-3.3D電牽引雙滾筒采煤機為例，電氣系統控制中心是使用三菱PLC，變頻器是使用ABB變頻器。其電控系統啟動過程為：主啟、左截割電機啟動、右截割電機啟動。該控制方式將油泵、左、右截割分步啟動，增強了啟動操作的安全性。同時具有低功耗的遙控系統，免充電式無線發射，可離機操作，既增加了安全性，也增長了待機時間；還有帶故障記錄的中文人機界面，縮短了故障查詢時間。

2電牽引采煤機的電氣維護以及故障診斷

在目前的電牽引采煤機中很多都具有了自我檢測功能，即發生故障時可以對系統進行自我判斷，找出故障原因，但是由于目前的電氣系統高度集成化，所以同一故障現象可能是不同的故障原因引起的，所以這一結論僅能當做參考意見，為維修人員提供思路，只依靠電牽引采煤機的故障診斷功能的結論進行維修是不可靠的，因此這就需要相關的維修人員將經驗以及可靠的理論知識相結合，判斷故障類型并結合實際合理使用維修方案。2.1電牽引采煤機的啟動先導回路故障診斷啟動先導回路故障主要分為兩種情況：在按下啟動按鈕后，采煤機不啟動；啟動后采煤機不能自保。采煤機不啟動故障排查點：（1）檢查采煤機前級電源是否存故障。（2）檢查隔離開關是否合閘。（3）檢查啟動PE線路是否斷線。（4）檢查啟動二極管是否擊穿。（5）根據電氣圖紙檢查控制回路中的常閉點是否閉合。采煤機不能自保故障排查點：（1）檢查控制中心供電電源是否正常。（2）檢查控制自保繼電器是否正常。（3）檢查是否有主停信號導致停機。（4）根據說明書檢查是否有瓦斯、電機溫度等數值超過保護值掉電。（5）檢查PLC上系統指示燈，判斷PLC是否損壞。2.2電牽引采煤機的搖臂升降故障診斷搖臂升降系統故障主要分為兩種情況：開機后未操作搖臂自動升降和搖臂升降不動作。開機后未操作搖臂自動升降故障排查點：（1）檢查電磁閥閥芯是否卡死不能復位。（2）檢查按鈕板和遙控裝置是否一直向PLC發送指令導致誤動作。（3）檢查繼電器觸點是否粘連導致動作。搖臂升降不動作故障情況故障排查點：（1）檢查電磁閥閥芯是否可以正常動作和電磁閥是否存在短路、短路異常。（2）檢查PLC是否可以收到按鈕板和遙控裝置發送的指令。（3）檢查繼電器是否損壞。2.3電牽引采煤機截割電機不啟動故障診斷截割電機無法啟動故障排查點：（1）檢查截割接觸器是否損壞。（2）檢查截割接觸器控制線路是否斷線。（3）檢查截割電機是否漏電。（4）檢查控制中心內繼電器是否損壞。（5）檢查PLC輸入點是否可以接收啟動指令，排查啟動線路是否正常。2.4電牽引采煤機不牽引故障診斷采煤機在發生不牽引的故障排查點：（1）檢查制動器是否可以打開。（2）檢查PLC是否接收控制指令。（3）變頻器報出故障，根據故障內容判斷故障點。例如：變頻器報出4210故障代碼，根據手冊可查出變頻器溫度過高，應處理電控箱底板冷卻水。（4）檢查變頻器是否損壞，如變頻器損壞必須更換變頻器。2.5故障診斷以及維護時的注意事項上文介紹了幾種常見的故障情況，并針對這些情況提出了相應的檢查方案思路。總結以上幾點情況可知，相同的故障情況可能是不同的器件、電路異常引起的，因此在發生故障時一定要認真觀察現象，不能只依靠采煤機自身的故障判斷直接進行維修工作，哪怕是細微的差別也可以根據現象判斷故障原因，因此維修人員要有足夠的細心以及耐心對故障進行排查，同樣的還要注意維修時間，盡可能在較短的時間內，最大程度的完成維修工作，以免造成礦井的利益損失。

3結束語

綜上所述，在電牽引采煤機的應用過程當中，相關人員應當熟練掌握電牽引采煤機的基本原理，把握好維護以及故障診斷的技巧。在實際的礦井作業過程中，真正要面對的問題要遠比理論中的麻煩且困難多，因此這要求參與維護工作的相關人員在實際維修過程中，要冷靜判斷情況，務必要認準故障類型，處理故障時要根據實際情況采取維修方案并靈活運用，只有正確的操作才能在保證工作人員的安全的同時確保設備在維修后的性能盡可能的不受影響，最大程度的發揮設備的功效作用。

參考文獻

[1]吳金秋.MG380-WD系列交流電牽引采煤機電氣控制系統故障分析與預防對策[J].電子制作，2013，13（13）：378-379.

[2]黃澈，廉自生，張春雨，等.基于LabVIEW的MG1100/2860-WD型交流電牽引采煤機調高系統性能分析[J].煤礦機械，2014，35（7）：528-530.