一種基于非厄米差頻線圈陣列的異物檢測方法

余躍

（同濟大學物理科學與工程學院，上海 200082）

0 引言

近年來，隨著科學技術的革新，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注，其應用也越來越廣，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的方案[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中，就會產生渦流效應導致金屬本身急劇升溫，繼而可能引發火災，引發安全事故，同時在傳輸過程中由于金屬異物的損耗，整個系統的傳能效率會降低。這些問題都對無線傳能系統中的異物檢測提出了迫切的要求。

針對這一問題，國內外學者進行了一系列的研究。有的通過檢測系統的物理特征是否發生變化來實現異物的檢測，如吳坤[6]等提出一種基于聲波的異物檢測方法：在發射線圈上放置檢測平臺，平臺中央裝有一個聲波發生器，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的系統參量變化來實現異物檢測，如通過檢測系統的工作頻率[8]，接收線圈的Q值[9]等，來判斷無線傳能系統是否有金屬異物。這些方法中，基于檢測系統物理特征變化的方法成本高，占用空間大，結構復雜?；跈z測工作頻率，Q值等系統參數變化的方法，雖然結構簡單，占用空間小，但是這些系統參量不易測量，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生變化的現象，設計了一個4×4單元的異物檢測線圈陣列。當異物落入時，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，一個非共振驅動線圈和一個共振線圈，如圖1所示。其中非共振驅動線圈接入驅動頻率為ω的信號發生器，ω0是共振線圈的本征頻率，γ是非共振驅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

由于系統為單向的，是僅有發射端的無線傳輸系統，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，在接下來的模型設計中，在非共振驅動線圈接入的輸入口，信號發生器設定的頻率ω應為ω0；當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發生漂移，導致振幅|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，構造檢測陣列。本文設計了一個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，頻率都會發生變化，導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 實驗結果與分析

2.1 樣品制備

根據之前的理論分析，我們可以設計試驗樣品。為了控制手繞誤差，我們采用PCB打樣技術制作樣品，在PCB基板兩面蝕刻銅帶線作為檢測單元的非共振驅動線圈和共振線圈，并在共振線圈的兩端預留焊盤，通過在焊盤上焊接集總電容來調節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，為了便于區分及記錄數據，我們將檢測單元從1～16進行了標號，如圖3所示。其中，序號為1、3、6、8、9、11、14、16單元，其共振頻率調節為7.5MHz；序號為2、4、5、7、10、12、13、15單元，其共振頻率調節為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動線圈接入信號發生器，共振線圈通過差分探頭接入示波器。信號發生器給出正弦波，電壓值設置為10V，頻率設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

實驗結果表明，在被檢測單元的范圍內（-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 結語

本文設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，實現了對異物的檢測。該設計的創新點在于，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不同環境，具有很強的實用性。