第31卷 第11期2010年11月
仪器仪表学报
C h i n e s e J o u r n a l o f S c i e n t i f i c I n s t r u m e n t
V o l .31N o .11
N o v .2010
收稿日期:2010-05 R e c e i v e dD a t e :2010-05
＊基金项目：博士后科学基金项目(20090450767)、天津市高等学校科技发展基金计划项目(20080810)资助
＊
张 强，王玉峰
(天津科技大学计算机科学与信息工程学院 天津 300222)
摘 要：提出一种新的基于电磁感应原理的非接触式海洋浮标电能与数据传输系统，设计了新型传输缆与电磁耦合器，建立了传输系统的数学模型，提出了优化传输效率的方法，在理论上提出并证明了降低传输缆电感的方法。实验表明该系统能够为水下仪器设备提供一定的电能功率，双向数据传输波形失真较小。水下钢缆上的设备安装方便，可以随时、随地安装或拆除，钢缆生产与仪器挂载两道工艺完全分离。解决了为每个浮标系统特别定制钢缆的问题，降低浮标生产和投放成本。关键词：电磁耦合；浮标；非接触电能传输；双向数据传输 中图分类号:T H 766 文献标识码:A 国家标准学科分类与代码:510.99
N o n c o n t a c t p o w e r a n d d a t a d e l i v e r y f o r o c e a no b s e r v a t i o nm o o r i n g b u o y
Z h a n g Q i a n g ,W a n g Y u f e n g
(C o m p u t e r S c i e n c e a n dI n f o r m a t i o n E n g i n e e r i n g C o l l e g e ,T i a n j i nU n i v e r s i t y o f S c i e n c e ＆T e c h n o l o g y ,T i a n j i n 300222,C h i n a )
A b s t r a c t :An e wn o n c o n t a c t p o w e r f e e d i n g a n d d a t a -t r a n s m i s s i o n s y s t e mf o r o c e a n o b s e r v a t i o n m o o r i n g b u o y s i s p r o -p o s e d ,w h i c h i s b a s e d o n
e l e c t r o m a g n e t i c i n d u c t i o n .T h e n o v e l m o o r i n g c a b l e s a n d e l e c t r o m a g n e t i c c o u p l e r s a r e d e -s i g n e d .T h e t r a n s m i s s i o n e f f i c i e n c y i s o p t i m i z e db a s e d o n t h e m a t h e m a t i c s m o d e l o f t r a n s m i s s i o ns y s t e m .A n o p t i -m i z e d m o o r i n g c a b l e a r r a n g e m e n t i s i n t r o d u c e d t o r e d u c e t h e i n d u c t a n c e o f t r a n s m i s s i o n c a b l e a n d p r o v e d b y t h e o r y a n a l y s i s .E x p e r i m e n t s s h o w t h a t t h e p r o p o s e d s y s t e mc a n d e l i v e r s u f f i c i e n t p o w e r a n d t h e w a v e f o r md i s t o r t i o n o f b i d i -r e c t i o n a l d a t a t r a n s m i s s i o n s i s l i t t l e .T h e p r o p o s e ds y s t e m a l l o w s e a s i e r a t t a c h m e n t a n dd e t a c h m e n t o f d e v i c e s t o m o o r i n g w i r e s i n a n y t i m e a n y w h e r e w h i c h r e a l i z e s t h e e n t i r e s e p a r a t i o n o f t h e m o o r i n g p r o d u c t i o n a n d c a s t ,a v o i d i n g t h e c u s t o m i z a t i o n f o r e v e r y b u o y m o o r i n g c a b l e .T h i s r e d u c e s t h e c o s t s o f p r o d u c t i o n a n d c a s t .K e y w o r d s :e l e c t r o m a g n e t i c i n d u c t i o n ;b u o y ;n o n c o n t a c t p o w e r f e e d i n g ;b i d i r e c t i o n a l d a t a t r a n s m i s s i o n
1 引 言
环境和资源是制约人类发展的重要问题，地球大部分被海水所覆盖，了解海洋环境、开发海洋资源已成为我国今后发展的重点。海洋浮标是海洋立体监测系统的重要组成部分，海洋浮标一般分为水上和
水下两部分，浮标系统的水上部分需要与水下设备通信，获取水文仪器得
到的数据[1]
；水下仪器自身电能有限，需要从水上设备获取电能。由于电磁波在海水中衰减非常大，所以水下数据与电能传输必须采用电磁波以外的方法。
接触式导线传输
[2-3]
最早被采用，此方式的缺点是可
靠性差，水下仪器部署不灵活。另外一些浮标系统采用
了非接触式声纳数据传输[4-5]
，此方式的缺点是：只能传输数据不能传输能量，造价昂贵，信道干扰严重。
文献[6-10]研究了基于电磁感应原理的非接触式供电问题。文献[6]直接将空气中的电磁感应技术应用于水下，所不同的是通过声纳来完成供电系统的闭环控制。文献[7]为了提高海水中初级、次级线圈间
的互感系数，将电磁耦合器做成为锥形。文献[8-9]设计了可移动的次级线圈和磁芯，实现按需供电。文献[10]利用涡流效应检测机器人的位置。文献[11-13]研究水下传感器网 2616 仪 器 仪 表 学 报第31卷
络的供电，传感器位置固定，需要在传输缆生产过程中部署传感器，增加了生产和投放成本。文献[14]研究了船载拖拽式水下电能与数据的传输，传输功率在毫瓦级，传输效率低，波形失真大。文献[15]提出一种海洋浮标电能、数据传输系统，最大能够为水下设备提供180m W 的电能，数据传输波形失真较大。
针对海洋浮标电能、数据传输存在的问题，本文提出一种新的基于电磁感应原理的非接触式海洋浮标电能、数据传输系统。系统水上、水下各种设备之间完全绝缘，避免相互影响。系统的机械强度高，抗海洋风浪，抗海水腐蚀。系统的另一个主要特点是水下仪器安装、卸载方便，可以在投放现场随时安装、拆除。水下仪器位置部署灵活，钢缆上仪器个数只受传输功率的限制。此特点使钢缆生产与仪器挂载两道工艺完全分离，增强了浮标钢缆的通用性，避免为每个浮标系统专门定制钢缆，降低浮标生产和投放成本。
2 本文提出的传输系统结构
本文提出的传输系统主要由水上浮标和水下特制钢缆构成(见图1)。浮标中的水上设备负责为水下设备传输电能，搜集水下设备传上来的数据并通过天线发射出去。水下仪器挂载于特制钢缆上，负责采集不同深度的海洋数据，它通过电磁耦合器获取电能和水上设备的命令信号，并通过电磁耦合器将采集到的数据传输出去。特制钢缆在机械上负责连接浮标和水下设备，在电气上负责能量和数据的传输。特制钢缆在a a ′与浮标相连,a 端是送电端,a ′是回电端。从a a ′看下去整根缆实际是一条长导线
。
图1 本文提出的浮标系统的整体结构F i g .1G e n e r a l o v e r v i e wo f t h ep r o p o s e ds y s t e m
本文提出了两种形状的特制钢缆：圆缆和扁缆(图2)，圆缆较易加工，而扁缆可以看为圆缆在结构上的优化，有更好的电性能。将二者同时列出，便于分析比较，明确扁缆的优势。
圆缆中的承重钢缆是钢质的，承载各种受力，增加缆的机械强度。圆缆中的导线负责传输电流，为了减小集肤效应，导线采用了多股的利兹线。绝缘外套用以防止海水腐蚀。
扁缆的承重钢缆是扁形的，导线采用金属箔(一般为铜)。扁缆的优点是：传输高频电流在海水中引起的涡流损耗小，传输缆的电感量低，集肤效应小。扁缆的金属箔的宽度与厚度比越大越好，当单层金属箔不能满足电流强度需求时，可以放置多层金属箔并联使用
。
图2 圆缆和扁缆的横截面
F i g .2C r o s s -s e c t i o n s o f r o u n da n d f l a t m o o r i n g c a b l e s
本文提出的电磁耦合器由磁芯和次级绕组构成，耦合器的实质是一个磁芯可拆分的同轴绕组变压器。图3
的耦合器分别配合圆缆与扁缆。以圆耦合器为例，特制钢缆从耦合器中心圆孔穿过，钢缆内的导线构成变压器的初级绕组，匝数为1。在钢缆周围包裹着次级绕组，绕线方向与初级钢缆保持同轴。次级绕组缠绕在磁芯上，由于磁导率很高，初级绕组的磁场被完全限制在磁芯构成的闭合磁路中，漏磁可以忽略。为了便于耦合器的现场拆装，磁芯由上下两部分构成，两部分的贴合面形成变压器的气隙。气隙的存在一方面可以缓解磁芯的直流磁饱和，另一方面会造成漏磁，降低传输效率。为了减少漏磁，磁芯贴合面需加以研磨，同时增大贴合面的面积，耦合器左右两侧突出的“长耳”就是这个目的。
为了提高磁芯的工作频率，磁芯采用铁氧体材料烧结而成。铁氧体材料的另一个优点是抗海水腐蚀，磁芯本身可不做任何防腐处理，直接浸泡于海水中。这种耦
s602
合器最主要的优点是拆装方便，牢固结实。耦合器可以
在浮标的投放现场挂载到钢缆的任意位置。
第11期张 强等：海洋浮标的非接触式电能与数据传输2617
图3 圆耦合器与扁耦合器的横截面F i g .3R o u n da n d F l a t c o u p l e r c r o s s -s e c t i o n
3 系统模型和结构优化
本文提出的传输系统可以看作是一个由电阻电抗构
成的传输网络，其中的电阻成分消耗电能，电抗成分导致无功功率的增加，二者同时还会影响数据波形失真。下面通过模型分析，出优化系统阻抗的方法，提高传输效率，减小波形失真。3.1 空气中传输缆的模型
浮标中的水上设备将高频电压加载到特制钢缆中导线的a a ′端(见图4)，由钢缆中的导线将能量传输往水下设备，水下设备在b b ′端通过电磁耦合器获取感应能量，传输缆表现为一个四端口网络。图4中a a ′与b b ′之间的部分为传输缆，其模型表现为传输缆导线电阻R t 与导线电感L t 的串联，其中R t =2l R ,l 为缆的最大潜水深度, R 是每米缆的电阻值,L t =2l
L , L 是每米缆的电感量
。图4 传输缆模型F i g .4T r a n s m i s s i o nc a b l e m o d e l
能源智能控制为了检测水下几百米处的海洋环境，传输缆要很长，其电阻、电感对效率和传输功率的影响不容忽视。下面
讨论如何优化系统的结构参数以提高传输效果。
传输缆消耗的功率P t 为:P t =I 2
t R t =2I 2
t l R (1)
式中:I t
是传输缆中的电流。水下设备作为负载得到的输出功率P o 为:P o =I t U b b ' (2)由式(1)、(2)可得传输效率η为:η=
P o
P t +P o
=
mppt算法1
1+
2I t
l R U b b '
(3)
由法拉第电磁感应定律可知,U b b '
与磁芯的磁通密度B m 、磁芯截面积A c 、
电流频率f 成正比[16]
:
蚀刻液再生
U b b '=K f B m A c
f (4)
式中:K f
是波形系数。将I t 、
R 写成如下形式:I t =J t A p (5) R =
1
σt A p
(6)
式中:J t 是缆的电流密度,A p 是导线等效截面积,σt
是导线的电导率。
将式(4)～(6)带入式(3)得:
η=11+
2J t
l K f σt B m A c
f (7)
式(7)中的变量很多，但有些量基本是定值很难优化，如：缆的最大潜水深度l 由测量需求决定；电导
率σt 一般是铜的电导率；波形系数K f 一般是正弦波或方波的系数。可以提高传输效率η的途径如下:1)适当地提高电流频率f ，不但能提高传输效率，还能降低耦合器磁芯的体积
[16]
。但是频率的提升要受到
其他因素的制约：首先，频率的增加导致集肤效应的增强，需要更细的利兹线、更薄铜箔，系统成本上升。其次，频率的增加导致海水涡流损耗的增加。再次，频率的增加导致耦合器磁芯损耗的增加。最后，频率的增加导致水上设备末级功率开关管的损耗增加。
2)提高磁芯截面积A c ，能够提高耦合器单匝的承载电压，在功率一定的条件下，可以降低传输电流。3)选取具有高磁通密度B m 的磁芯材料，同样可以提高耦合器单匝的承载电压，降低传输电流。但是B m 的提升受到成本和现有磁材最大磁通密度的制约。
4)降低传输缆的电流密度J t ，可以通过导线截面积A p 或者提高传输电压(功率一定的条件下，提高电压可以降低电流)实现。
以上分析了传输效率，下面分析由传输缆电感L t
引
2618 仪 器 仪 表 学 报第31卷
起的无功功率，这部分功率传输没有实际意义，但会增加水上设备的视在功率，增加系统成本。
传输缆的无功功率Q L 为:
Q L =I 2
t ωL t =2I 2
t ωl L (8)前继
其中ω是电流的角频率。输出功率与无功功率之比θ为:
θ=P o Q L =
U b b '
2I t
ωl L (9)
将式(4)带入式(9)可得:θ=
K f B m A c
4πI t
l L (10)
θ描述了能量传输中输出功率与无功功率之比，这
个值越高，表明能量传输中有用成分越高。提高θ的方法有:
1)降低导线传输电流I t ，在输出功率一定的条件下，降低电流需要通过提高传输电压来实现。2)选取磁通密度B m 高的磁芯材料，增加磁芯截面积A c ，这与提高传输效率η
的方法一致。3)降低单位长度缆的电感量 L ，此电感是产生无功功率的根本原因。下面将分别从传输缆横截面形状和缆间距离入手分析降低电感的方法。3.2 传输缆电感的减小
图5展示了圆缆和扁缆平行放置时的横截面，按照图中标注的尺寸，圆缆和扁缆电感量 L [16]
分别为式
(11)、(12)
。
图5 圆缆与扁缆平行放置的横截面F i g .5C r o s s -s e c t i o n s o f r o u n da n d f l a t m o o r i n g
c a b l e s i np a r a l l e l a r r a n g e m e n t
L r o u n d =μ2πl n 2ζD
(11)
L f l a t =
μ
2×1.15
w d+23b +2.8b
d +2
3
b
0.
222
(12)
图6给出两种缆的电感量与缆间距离F 的关系。从图中可知，扁缆比圆缆有更小的电感。此外由式(12)可知，提高金属箔宽度w 与厚度b 之比，能够进一步降低电感，此项措施还有利于减缓集肤效应。
图6 空气中缆的电感量与导线间距离F 的关系
(传输缆的参数为:s =2m m ,D=5.4m m ,
b =2,w=10，导线截面积均为20m m 2
)
F i g .6R e l a t i o n s h i p s b e t w e e nc a b l e s i n d u c t a n c e
l型密封圈a n d c a
b l e s d i s t a n
c e Fi nt h e a i r (c a b l e s p a r a m e t e r s :s =2m m ,D=5.4m m ,
b =2,w=10,a l l
c a b l e s c r o s s a r e a a r e 20m m 2
)
从图6还可知减小导线间距离也可以减小导线电感 L ，所以本文提出采用有一定柔性的钢缆，将双缆
紧贴固定，尽可能减小缆间距离，降低电感。双缆紧贴固定的另一个好处是有利于提高机械强度，增强抗风浪能力。
4 实验测试
4.1 系统参数
一般海洋浮标的水面电源为直流蓄电池，并利用太阳能为其充电，所以实验系统水上电源采用3个12V 铅酸蓄电瓶。在电能充足的条件下，电源电压在36～38V 之间。
水上电源变换器和数据发送的驱动电路采用M O S 管全桥拓扑结构，全桥的输出经过一个阻抗匹配变压器后加载到传输缆上。系统工作频率为40k H z 。为了防止全桥驱动电路单臂上的两个M O S 管同时导通，占空比为80%。
传输缆采用绝缘铜线代替圆形钢缆，在考虑集肤效
应影响的情况下，导线的有效截面积为4m m 2
，传输缆长度为5m ，并排紧贴固定。
水下耦合器磁芯材料采用天津光电磁材有限公司的R 7K 5Z ，饱和磁感应强度为420m T ，相对磁导率与频率的曲线见图7。水下耦合器的次级导线有效截面积为
0.7m m 2
，匝数为6。水下仪器数据信号输出驱动电路结构与水上相同，电源电压15V 。波形测试点在模型中的位置请参考图4。
第11期张 强等：海洋浮标的非接触式电能与数据传输2619
图7 R 7K 5Z 磁材μr
与频率的关系F i g .7R e l a t i o n s h i p s b e t w e e n μr a
n df r e q u e n c y o f R 7K 5Z 4.2 下行通信波形失真的测试
水上向水下发送数据称为下行通信，反之称为上行通信。波形的失真程度影响通信的带宽和可靠性。下行
通信时，水上设备将信号加于a a ′，水下设备从y y ′接收。图8是水上设备在a a ′施加于钢缆上的下行通信波形。图9是水下仪器在y y ′得到的下传通信波形，此时水下负载开路。从图中可以看出下行通信方波失真较小，只是方波边缘的毛刺没了。为了客观的衡量波形的失真，对泰克示波器输出的C S V 文件进行了分析处理。由于两个波形的变化范围不相同，所以需要对波形的幅值做归一化处理，然后计算归一化后幅值的均方差。经计算得出两波形归一化后一个周期的均方差为0.000966903，标准差为0.031095064，即波形平均失真近似为3.1
%。
图8 水上设备在a a ′施加的下行
信号电压(水下负载开路)F i g .8D o w n l o a d v o l t a g eo na a ′(T h e l o a du n d e r w a t e r i s o p e n
)
图9 水下仪器设备在y y ′得到的下行信号电压
(探头衰减10倍，水下负载开路)F i g .9D o w n l o a dv o l t a g e o ny y ′
(T h ep r o b e a t t e n u a t i o nf a c t o r i s 10,t h e l o a d u n d e r w a t e r i s o p e n )
4.3 上行通信波形失真的测试
水下仪器设备将信号加于y y ′，水上设备从a a ′接收。由于水上设备的输入阻抗很高,a a ′近似为开路。图10
是水下仪器设备在y y ′施加的上传信号波形，图11是水上设备在a a ′得到上传信号波形。计算得出两波形归一化后的均方差为0.00056252，标准差为0.023717504，即波形平均失真近似为2.4%。由于此时a a ′近似为开路，上传信号负载轻，所以波形失真小。
实验测试使用的电缆长度较短，实际应用中电缆可达几百米，远距离输电会导致损耗的增加和数据信号信噪比的下降。通过提高传输电压，可以有效地降低传输电流，从而降低电能传输损耗。通过增加输出信号的输出幅度，可以有效提高信噪比，扩大通信距离
。
图10 水下仪器设备在y y ′施加的上行信号电压
F i g .10U p l o a dv o l t a g e o ny y ′
