實驗名稱：水下超聲無線電能傳輸系統測試

研究方向：隨著科技的快速發展，人們發現再對海洋資源的勘探、開發與利用和海洋環境監測中，離不開大量的水下機電和傳感設備的支持。為了保障水下機電設備工作時的實時性、可靠性以及不間斷性，需要為其安全、便捷地補充電能，但傳統供電方式存在成本高昂、靈活性差、存在安全隱患受限于充電距離和海水深度等缺點，因此可用于水下設備的無線電能傳輸技術受到極大關注。超聲波因其在海水介質中具有方向性好、傳播距離遠、聲衰減小、無電磁干擾等優點，使得超聲無線電能傳輸技術成為解決水下設備供電問題的有效途徑。本研究通過實驗進行測試，探究超聲無線電能傳輸的可行性和影響效率的指標參數。

實驗目的：通過自主搭建的水下超聲無線電能傳輸實驗平臺探究負載電阻、輸入電壓、傳輸距離和接收換能器對超聲無線電能傳輸系統的輸出功率和傳輸效率的影響。

測試設備：信號發生器、ATA-4014高壓功率放大器、發射/接收換能器、示波器等。

實驗過程：使用AFG30122型信號發生器輸出與發射換能器諧振頻率相同的正弦波信號，經ATA-4014高壓功率放大器將電信號放大，從而驅動發射換能器將電信號轉化為超聲信號向接收換能器傳輸；接收換能器將接收到的超聲信號重新轉化為電信號，利用示波器讀取接收換能器輸出的電壓值以及負載電阻兩端的電壓值。

實驗結果：測試條件：傳輸距離為30cm，負載電阻為38.5。隨著輸入電壓從20V增加到70V時，輸出功率逐漸從0.2W增加到2.11W。然而，傳輸效率呈現下降趨勢。當換能器在人下工作時，換能器的等效電路為靜態電容和動態電阻的并聯模式，系統呈容性。根據交流電路理論，加載在壓電換能器上的電流和電壓之間必然存在相位差0，從而產生無功功率，會降低有功功率的輸出和激勵源效率，同時造成電路中電能損失增加，嚴重將導致換能器發熱嚴重，降低能量轉換效率。不同輸入電壓下，輸出端輸入電流、相位差、有效輸入功率和空負載情況下接收換能器兩端輸出電壓如圖2所示。隨著輸入電壓的增大，輸入電流和接收換能器兩端輸出電壓逐漸增大；同時輸入電壓和電流之間的相位差也逐漸增大，0從20°增加到35°，如圖2(b)所示，輸入電壓為60V輸入電流和輸出電壓之間存在30°的相位差。無功功率計算公式如下：

式中，U、Im、0分別為輸入電壓、輸入電流和相位差。隨著相位差的增大，無功功率增大，導致有效輸入功率降低，系統的能量傳輸效率也降低。因此在實際應用過程需要對換能器進行阻抗匹配，在發射端消除容性造成的無功功率，從而減輕發射電源負擔獲得更高的有功功率。

圖2：不同輸入電壓水下UWET系統輸出功率和能量傳輸效率

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圖：ATA-4014C高壓功率放大器指標參數

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