高压功率放大器在水下超声无线电能传输系统测试中的应用

实验名称：水下超声无线电能传输系统测试

研究方向：随着科技的快速发展，人们发现再对海洋资源的勘探、开发与利用和海洋环境监测中，离不开大量的水下机电和传感设备的支持。为了保障水下机电设备工作时的实时性、可靠性以及不间断性，需要为其安全、便捷地补充电能，但传统供电方式存在成本高昂、灵活性差、存在安全隐患受限于充电距离和海水深度等缺点，因此可用于水下设备的无线电能传输技术受到极大关注。超声波因其在海水介质中具有方向性好、传播距离远、声衰减小、无电磁干扰等优点，使得超声无线电能传输技术成为解决水下设备供电问题的有效途径。本研究通过实验进行测试，探究超声无线电能传输的可行性和影响效率的指标参数。

实验目的：通过自主搭建的水下超声无线电能传输实验平台探究负载电阻、输入电压、传输距离和接收换能器对超声无线电能传输系统的输出功率和传输效率的影响。

测试设备：信号发生器、ATA-4014高压功率放大器、发射/接收换能器、示波器等。

实验过程：使用AFG30122型信号发生器输出与发射换能器谐振频率相同的正弦波信号，经ATA-4014高压功率放大器将电信号放大，从而驱动发射换能器将电信号转化为超声信号向接收换能器传输；接收换能器将接收到的超声信号重新转化为电信号，利用示波器读取接收换能器输出的电压值以及负载电阻两端的电压值。

实验结果：测试条件：传输距离为30cm，负载电阻为38.5。随着输入电压从20V增加到70V时，输出功率逐渐从0.2W增加到2.11W。然而，传输效率呈现下降趋势。当换能器在人下工作时，换能器的等效电路为静态电容和动态电阻的并联模式，系统呈容性。根据交流电路理论，加载在压电换能器上的电流和电压之间必然存在相位差0，从而产生无功功率，会降低有功功率的输出和激励源效率，同时造成电路中电能损失增加，严重将导致换能器发热严重，降低能量转换效率。不同输入电压下，输出端输入电流、相位差、有效输入功率和空负载情况下接收换能器两端输出电压如图2所示。随着输入电压的增大，输入电流和接收换能器两端输出电压逐渐增大；同时输入电压和电流之间的相位差也逐渐增大，0从20°增加到35°，如图2(b)所示，输入电压为60V输入电流和输出电压之间存在30°的相位差。无功功率计算公式如下：

式中，U、Im、0分别为输入电压、输入电流和相位差。随着相位差的增大，无功功率增大，导致有效输入功率降低，系统的能量传输效率也降低。因此在实际应用过程需要对换能器进行阻抗匹配，在发射端消除容性造成的无功功率，从而减轻发射电源负担获得更高的有功功率。

图2：不同输入电压水下UWET系统输出功率和能量传输效率

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图：ATA-4014C高压功率放大器指标参数

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