一種基于非厄米差頻線圈陣列的異物檢測方法

余躍

（同濟大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200082）

0 引言

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的革新，無線電能傳輸（Wireless Power Transfer, WPT）因其具有的便攜性、低損耗性、使用場景靈活等特性，越來越受到人們的廣泛關(guān)注，其應(yīng)用也越來越廣，如水下傳能[1]，為電動汽車[2-3]和心臟起搏器[4]充電。尤其是麻省理工學(xué)院Marin Soljacic教授團隊于2007年提出的一種磁共振耦合無線電能傳輸?shù)姆桨竅5]，更是為無線傳能打開了研究空間。然而在實際的無線電能傳輸過程中，磁耦合WPT往往會受到周圍環(huán)境的影響，如金屬和非金屬磁性材料等異物落入無線傳能系統(tǒng)中，就會產(chǎn)生渦流效應(yīng)導(dǎo)致金屬本身急劇升溫，繼而可能引發(fā)火災(zāi)，引發(fā)安全事故，同時在傳輸過程中由于金屬異物的損耗，整個系統(tǒng)的傳能效率會降低。這些問題都對無線傳能系統(tǒng)中的異物檢測提出了迫切的要求。

針對這一問題，國內(nèi)外學(xué)者進行了一系列的研究。有的通過檢測系統(tǒng)的物理特征是否發(fā)生變化來實現(xiàn)異物的檢測，如吳坤[6]等提出一種基于聲波的異物檢測方法：在發(fā)射線圈上放置檢測平臺，平臺中央裝有一個聲波發(fā)生器，四周則裝有一系列聲波接收器，通過接收器接收到的聲波信號判斷是否存在異物。有學(xué)者[7]則提出一種檢測熱能損耗的方法：搭建一個檢測電路和分析功率的裝置，采集系統(tǒng)的功率，分析功率的損耗，若測得功率的損耗大于1.5W，即超過了報警閾值，則判斷有金屬異物。還有的通過檢測無線傳能系統(tǒng)的系統(tǒng)參量變化來實現(xiàn)異物檢測，如通過檢測系統(tǒng)的工作頻率[8]，接收線圈的Q值[9]等，來判斷無線傳能系統(tǒng)是否有金屬異物。這些方法中，基于檢測系統(tǒng)物理特征變化的方法成本高，占用空間大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。基于檢測工作頻率，Q值等系統(tǒng)參數(shù)變化的方法，雖然結(jié)構(gòu)簡單，占用空間小，但是這些系統(tǒng)參量不易測量，且檢測精度和靈敏度較低，對體積較小的金屬異物難以檢測，同時難以確定異物落入的位置。而耦合模理論指出[10]，共振線圈的本征頻率和驅(qū)動頻率的變化，會引起共振線圈振幅的變化，而振幅可以通過電壓表現(xiàn)出來。因此，本文利用異物落入時引起檢測單元的振幅參量發(fā)生變化的現(xiàn)象，設(shè)計了一個4×4單元的異物檢測線圈陣列。當(dāng)異物落入時，通過對線圈陣列的各個檢測單元進行獨立的檢測，觀察被檢測單元線圈上電壓的變化，并計算其相對無異物時被檢測單元上電壓的變化率，來實現(xiàn)對金屬異物的檢測，并判斷異物落入的大概位置。

1 理論分析

1.1 單共振檢測單元的理論模型

一個單共振檢測單元，包含一個輸入端口，一個非共振驅(qū)動線圈和一個共振線圈，如圖1所示。其中非共振驅(qū)動線圈接入驅(qū)動頻率為ω的信號發(fā)生器，ω0是共振線圈的本征頻率，γ是非共振驅(qū)動線圈到共振線圈的能量耦合速率，Γ是共振線圈的本征損耗速率。

圖1 單共振檢測單元模型示意圖

由于系統(tǒng)為單向的，是僅有發(fā)射端的無線傳輸系統(tǒng)，因此，共振線圈的耦合模方程為：

其中ω是單個檢測單元的輸入頻率，即驅(qū)動頻率，a是共振線圈的振動，，因此(1)中的相位項可以約去：

上述理論推導(dǎo)表明，欲使振幅|A|最大，則需使最小，即ω=ω0。因此，在接下來的模型設(shè)計中，在非共振驅(qū)動線圈接入的輸入口，信號發(fā)生器設(shè)定的頻率ω應(yīng)為ω0；當(dāng)單共振線圈單元附近有異物時，異物會引起共振線圈本征頻率ω0發(fā)生漂移，導(dǎo)致振幅|A|變小，且異物引起的ω0變化越大，振幅|A|的相對變化率就越大。

1.2 單共振線圈檢測陣列的理論模型

基于上述單共振檢測單元的理論分析，我們還可以將上述檢測單元進行拼接，構(gòu)造檢測陣列。本文設(shè)計了一個4×4個檢測單元的平面檢測陣列，如圖2所示。

圖2 4×4個單共振檢測單元組成的檢測陣列示意圖

對于這個檢測陣列，每次測量時皆對每一個檢測單元進行獨立檢測，檢測振幅|A|的相對變化率，如果在某一個檢測單元上測得振幅|A|相對變化大，那么則可以判定異物在平面上所處的位置。在該陣列中，如果所有檢測單元的本征頻率相同的話，那么當(dāng)其中一個檢測單元附近有異物時，該檢測單元和相鄰檢測單元會諧振，頻率都會發(fā)生變化，導(dǎo)致無法判定異物位置。因此，為了解耦，令相鄰的檢測單元本征頻率不同，分別為ω1和ω2；同時，互為對角的檢測單元耦合影響可忽略，因此，整個檢測陣列只需要兩個不同頻率即可[11]。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 樣品制備

根據(jù)之前的理論分析，我們可以設(shè)計試驗樣品。為了控制手繞誤差，我們采用PCB打樣技術(shù)制作樣品，在PCB基板兩面蝕刻銅帶線作為檢測單元的非共振驅(qū)動線圈和共振線圈，并在共振線圈的兩端預(yù)留焊盤，通過在焊盤上焊接集總電容來調(diào)節(jié)共振線圈的本征頻率。

將單個檢測單元拼接在一起，則得到一個尺寸為16cm×16cm的檢測線圈陣列，為了便于區(qū)分及記錄數(shù)據(jù)，我們將檢測單元從1～16進行了標(biāo)號，如圖3所示。其中，序號為1、3、6、8、9、11、14、16單元，其共振頻率調(diào)節(jié)為7.5MHz；序號為2、4、5、7、10、12、13、15單元，其共振頻率調(diào)節(jié)為6.5MHz。

圖3 16cm×16cm檢測陣列樣品

2.2 實驗驗證

我們將待檢測單元的非共振驅(qū)動線圈接入信號發(fā)生器，共振線圈通過差分探頭接入示波器。信號發(fā)生器給出正弦波，電壓值設(shè)置為10V，頻率設(shè)置為待檢測單元的共振頻率——若檢測序號為1、3、6、8、9、11、14、16的檢測單元，頻率設(shè)為7.5MHz，若檢測序號為2、4、5、7、10、12、13、15的檢測單元，頻率設(shè)為6.5MHz。示波器檢測的是電壓峰峰值，即振幅|A|，實驗裝置示意圖如圖4所示，其中左邊的線圈是驅(qū)動線圈，右邊的線圈是共振線圈。

圖4 實驗裝置示意圖

在實驗中，每次實驗我們都將一個檢測單元接入實驗平臺，即待檢測單元，分別將三種異物放入不同位置點，用示波器測量檢測單元的振幅，與無異物時待檢測單元的振幅作比較，得出振幅相對變化率，即可判斷待檢測單元附近是否存在異物，以及落入異物的位置。實驗中待檢測單元的異物檢測位置點如圖5所示，以待檢測單元中心為原點檢測點，向X軸正方向和X軸負方向每間隔1 cm設(shè)置一個檢測點，共11個檢測點，其中“±1、0”三個檢測點位于待檢測單元上，“±2”兩個檢測點位于待檢測單元和近鄰單元的公共邊上，“±3、±4、±5”六個檢測點位于近鄰單元上。

圖5 異物檢測位置點

異物檢測平面陣列存在對稱性，因此只對編號為1、2、3、4、6、7的檢測單元進行了檢測。實驗結(jié)果如圖6所示，其中，藍色代表一元硬幣的電壓相對變化率，紅色代表一腳硬幣的電壓相對變化率，綠色代表隔磁片的電壓相對變化率[12]。

圖6 異物落入不同位置時被檢測單元的電壓相對變化率

實驗結(jié)果表明，在被檢測單元的范圍內(nèi)（-2cm～2cm），如果落入異物，共振線圈兩端的振幅變化率均大于10%，說明該線圈檢測陣列可以通過振幅變化率有效檢測異物的存在；而當(dāng)異物落入被檢測單元范圍外（-5cm～-2cm和2cm～5cm）時，振幅變化率幾乎為零，說明該異物檢測陣列可以判斷異物落入的位置。此外，異物越靠近被檢測單元的中心，異物的尺寸越大，則振幅變化率越大，說明該異物檢測陣列同樣可以判斷異物的尺寸以及所在的位置。

3 結(jié)語

本文設(shè)計了一種由兩種不同頻率的檢測單元組成的異物檢測線圈陣列，實現(xiàn)了對異物的檢測。該設(shè)計的創(chuàng)新點在于，不僅可以檢測金屬異物，也可以檢測鐵氧體，擴大了異物檢測范圍；同時通過近鄰單元頻率不同解耦的方式，實現(xiàn)對異物位置的判斷，并且檢測單元面積小，可以檢測尺寸很小的異物，且檢測單元可自由拼接。因此該檢查方法可以適應(yīng)不同環(huán)境，具有很強的實用性。