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无线传能尿道阀电磁安全性仿真分析

机床与液压 2024年第16期52卷 140-143页

作者：尹茂李笑广东工业大学机电工程学院广东广州510006

无线传能尿道阀是一种模拟尿道括约肌功能而设计的辅助控尿装置,为评估它植入人体后工作的安全性,利用HFSS软件建立人体各组织层三维模型,计算无线传能线圈间距分别为15、20 mm时、100~1000 kHz频率内的人体各组织层SAR值与电流密度值,... 详细信息

无线传能尿道阀是一种模拟尿道括约肌功能而设计的辅助控尿装置,为评估它植入人体后工作的安全性,利用HFSS软件建立人体各组织层三维模型,计算无线传能线圈间距分别为15、20 mm时、100~1000 kHz频率内的人体各组织层SAR值与电流密度值,分析各组织层SAR值、电流密度值随无线传能线圈间距与工作频率的变化规律。仿真结果表明:各组织层中SAR值与电流密度值均随工作频率的增大而增大,皮肤层、脂肪层的SAR值与电流密度随线圈间距增大呈增大趋势,而肌肉层的SAR值与电流密度随线圈间距增大而减小;最大SAR值与电流密度值分别为8.77×10^(-11) W/kg、433.5μA/m^(2),均远小于安全限值,满足安全使用要求。

关键词：尿道阀无线传能电磁安全性仿真分析

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功率超声加工的无线传能装置设计

制造技术与机床 2022年第4期 50-56页

作者：谭耀文曹诗宇黄文健刘晨阳吴超群武汉理工大学机电工程学院湖北武汉430070 广东美的厨房电器制造有限公司广东佛山528000

数控机床功率超声加工通过将高频轴向超声振动叠加在旋转刀具上,能够有效降低切削力,适用于加工各类特种材料。传统的超声加工系统通常通过接触式滑环进行供电,该供电方式存在电刷容易磨损、互换性不强等缺点。通过设计基于非接触式变... 详细信息

数控机床功率超声加工通过将高频轴向超声振动叠加在旋转刀具上,能够有效降低切削力,适用于加工各类特种材料。传统的超声加工系统通常通过接触式滑环进行供电,该供电方式存在电刷容易磨损、互换性不强等缺点。通过设计基于非接触式变压器的无线传能供电装置,设计变压器原副边的补偿电路,并采用Maxwell软件对其进行了电磁仿真,研究了气隙对传输效率的影响,最后实验验证该数控加工装置的性能。结果表明,电能传输效率随气隙的增大而减小,该补偿电路设计能有效提升数控机床超声加工刀具的振动性能。

关键词：无线传能松耦合变压器 Maxwell

磁耦合谐振式无线传能实验系统设计与传输特性研究

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磁耦合谐振式无线传能实验系统设计与传输特性研究

作者：达霆华中科技大学

学位级别：硕士

基于WiTricity磁耦合谐振式无线传能技术是近期被热门研究的一项高效率无线电能传输技术，无论在无线充电上还是人体植入设备无线供电上，都有极大的应用潜力。与传统的感应耦合式无线能量传输技术和电磁辐射式无线能量传输技术相比，... 详细信息

基于WiTricity磁耦合谐振式无线传能技术是近期被热门研究的一项高效率无线电能传输技术，无论在无线充电上还是人体植入设备无线供电上，都有极大的应用潜力。与传统的感应耦合式无线能量传输技术和电磁辐射式无线能量传输技术相比，磁耦合谐振式无线传能技术具有传输距离相对较大，传输效率较高，利用非辐射特性只在谐振体中传递能量等优点。但是如何将该技术应用于人体内外环境的能量传输，特别是如何高效的向低功耗生物植入电子器件（心脏起搏器、神经刺激器等）供电值得进一步研究。本文通过设计一个磁耦合谐振式无线电能传输实验系统，重点研究该系统的能量传输特性，研究了无线传能中四种耦合谐振拓扑的特征。论文着重研究了无线传能系统中的诸多因素对电能传输效率的影响，并提出了提高无线能量传输效率的几种方法和途径。本文从理论上证明了磁耦合谐振系统次级线圈负载，线圈半径以及匝数等参数的改变都能影响系统无线传能效率，并通过所设计的磁耦合谐振式无线传能系统将上述理论分析进行了验证。本文通过采用一种在源谐振器和设备端谐振器之间增加中继线圈的方法，实现了提高较远距离无线能量传输效率。并在实验上证明了耦合谐振线圈在进行能量传输时，耦合线圈的相对夹角在0到45°转动对能量传输效率并没有太大影响，与两谐振线圈中心轴共线时的能量传输效率基本一致。

关键词：磁耦合谐振无线传能拓扑结构传输效率中继线圈

空中无线传能下基于Colonel Blotto博弈的隐私保护机制研究

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空中无线传能下基于Colonel Blotto博弈的隐私保护机制研究

作者：王瑶河北工程大学

学位级别：硕士

随着5G的规模部署,激增的计算密集型业务给地面蜂窝网络带来了巨大的带宽压力。利用空中接入网的泛在接入、多通信平台深度融合等部署特征,可以在连接密度、用户感知速率等方面为地面蜂窝网络提供有效的解决方案,进一步增强了低成本的... 详细信息

随着5G的规模部署,激增的计算密集型业务给地面蜂窝网络带来了巨大的带宽压力。利用空中接入网的泛在接入、多通信平台深度融合等部署特征,可以在连接密度、用户感知速率等方面为地面蜂窝网络提供有效的解决方案,进一步增强了低成本的全域泛在覆盖。然而,在空中接入网提供高速泛在业务体验的同时,如何高效地为用户提供电量成为亟需解决的关键问题。无线传能技术利用激光信号或者射频信号为用户设备提供持续电量,有效延长了通信网络的服务寿命。随着无线传能技术在通信网络中普及应用,其传能信道的广播特性容易导致无线传能过程受到安全攻击。其一,空中用户设备的充电位置遭到泄露,攻击者伪造充电位置信息。其二,地面用户设备的传能信令未得到保护,攻击者窃听无线传能过程。因此,本文着眼于与无线传能技术高度融合的空中接入网,结合Colonel Blotto博弈开展无线传能过程中隐私保护机制研究。主要研究内容如下:（1）提出了面向激光传能的空中用户设备充电位置隐私保护策略。创建了一种基于多层平铺网格的空间结构,以平铺网格的形式向空中用户设备提供激光充电的位置。基于所创建的空间结构,攻击者通过向空中用户设备分配虚假的平铺网格来发起伪造攻击。针对这一安全威胁,本文采取Colonel Blotto博弈框架,以防御者和攻击者为玩家,以平铺网格为资源,提出了一种防御者和攻击者之间平铺网格分配模型。该博弈框架量化了两个玩家在有限战场上竞争有限资源的过程,并且分别推导出对称和非对称资源的混合策略纳什均衡解。仿真结果表明,较低的本地计算能力、较高的激光发射功率和较低的子信道载波频率可以提高防御者的期望总收益,并且所提出的框架明显优于不同隐私保护级别的对比方案。（2）提出了面向射频传能的地面用户设备传能信令安全传输策略。围绕存在空中窃听者的无人机辅助无线传能系统,分析了空中窃听者通过向地面用户设备分配虚假的信令传输信道发起的窃听攻击。针对这一安全威胁,本文采取Colonel Blotto博弈框架,以防御者和空中窃听者为玩家,以信令传输信道为资源,构建了一个非对称的Colonel Blotto博弈框架,解决了防御者和空中窃听者之间信令传输信道的分配问题,推导出了两个玩家之间非对称资源的混合策略纳什均衡解。仿真结果表明,大量的信令传输信道和较高的射频功率可以提高防御者的期望总收益。

关键词：空中接入网无线传能隐私保护博弈论纳什均衡

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ISM频段双频无线传能电路研究

ISM频段双频无线传能电路研究

作者：吴芳中国科学技术大学

学位级别：硕士

无线能量传输(Wireless Power Transmission,简称WPT)利用无线的方式传输能量,免去了电源线的约束,在不适合有线传输的情况下,可以给电子设备提供稳定有效的电源,是将来输电技术的一个重要发展方向。对于WPT系统,在提高系统转换效率的同... 详细信息

无线能量传输(Wireless Power Transmission,简称WPT)利用无线的方式传输能量,免去了电源线的约束,在不适合有线传输的情况下,可以给电子设备提供稳定有效的电源,是将来输电技术的一个重要发展方向。对于WPT系统,在提高系统转换效率的同时,多频化和小型化也是研究的热点。本文针对工作在ISM(Industrial Scientific Medical,简称ISM)公用频段的双频无线传能电路开展研究,对于实现WPT系统的高效率、多频和小型化,具有积极的推动意义。本文研究的WPT系统工作在2.45GHz和5.8GHz,属于不需要申请就可以使用的ISM频段,系统主要由两部分组成,一是接收射频能量的天线,二是将交流转化为直流的整流电路。论文的主要研究内容和创新如下:1.设计了一种共面波导(Coplanar Waveguide,简称CPW)馈电的双频圆极化能量接收天线。通过改变辐射单元结构,使天线同时工作在2.45GHz和5.8GHz,相比于使用两根天线实现双频,大大减小了体积;通过在等效地上添加对角结构,使天线在两个频点都实现圆极化,并分析了添加缝隙对轴比的影响。通过加工测试,天线在2.45GHz的增益为3.46dBi,在5.8GHz的增益为5.65dBi,满足了设计要求。2.设计了一种新型的双频带整流电路。肖特基二极管的非线性特性增加了整流电路设计的难度,也直接影响整流效率,本文采用闭路公式法和ADS电磁仿真法对肖特基二极管的非线性特性进行了分析,在理论上增加了设计的准确性。不同的输入功率会导致二极管特性的改变,当二极管在大信号下工作时,会产生高次谐波,本文设计了一种新型的扇形枝节滤波器,用以滤除基频和二极管产生的高次谐波。扇形枝节不仅用于小型化,而且与传统射频电容相比,还可降低成本。为了解决二极管前后端电路的失配问题造成能量损耗,本文利用微带线结构设计了一种双频双枝节匹配电路,得到了较好的双频匹配。本文提出的整流器电路可以同时工作在ISM频带的两个不相关的频率上(2.45GHz和5.8GHz),并且可以实现较高的转换效率。通过加工测试,电路得到了实验验证。3.推导了双频传能系统的RF-DC转换效率,并提出了设计方案。通过搭建实验平台,验证了此双频无线传能系统的可行性。

关键词： ISM频段无线传能圆极化天线整流电路双频匹配

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基于无线传能技术的超声电源研制

基于无线传能技术的超声电源研制

作者：谭耀文武汉理工大学

学位级别：硕士

超声技术广泛应用于清洗、检测和加工等领域,超声辅助加工对于脆硬材料的加工在加工质量和效率上具备更优良的性能,因此该技术得到快速发展。在超声辅助加工系统中,超声电源为换能器提供能量,是超声系统中最重要的组成之一。无线传能技... 详细信息

超声技术广泛应用于清洗、检测和加工等领域,超声辅助加工对于脆硬材料的加工在加工质量和效率上具备更优良的性能,因此该技术得到快速发展。在超声辅助加工系统中,超声电源为换能器提供能量,是超声系统中最重要的组成之一。无线传能技术因其能量传输可靠、经济,且主轴旋转速度上限高等特点,使用该方法为刀具进行超声供能成为旋转超声加工系统的研究热点。但无线传能技术所使用的松耦合变压器,漏磁较大且使超声电源监测换能器工作状态变得困难。需要针对无线传能超声加工系统提出一种可以实时监测换能器状态的超声电源,同时研究松耦合变压器补偿电路,实现对传输有效功率的补偿。本文在现有超声换能器和松耦合变压器的基础上进行了以下研究:(1)对超声电源装置的硬件系统进行了详细设计。分析了无线传能超声加工系统的需求,确定了分离式超声电源的设计总架构。完成了全桥整流电路、BUCK斩波调功电路、全桥逆变电路、驱动控制电路、死区生成电路、反馈采样电路等硬件电路设计。(2)设计了超声电源中的阻抗匹配网络。本文所使用的无线传能系统结构,包含了高频变压器、无线传能旋转变压器、变压器补偿电路和换能器电路。本文研究了换能器和松耦合变压器的等效电路并测量了对应的电学参数,根据所测电学参数研究了SS、SP、PS、PP四种补偿方式按最大传递效率和最大传递功率情况下的补偿方式。最后完成了阻抗匹配的超声电源的输出高频变压器的设计。(3)设计了超声电源装置的程序。本文设计了超声电源的控制逻辑,对比了各种短距无线通讯方式的优缺点,选择了2.4G无线通讯。设计了频率追踪控制流程,包含二分法扫频和变步长频率追踪,设计了基于电流反馈的振幅控制程序,最后完成超声电源装置的全部控制系统设计。(4)搭建了基于无线传能的超声电源测试实验平台,通过实验验证电路设计的正确性和可靠性,并根据实验结果对电路进行了优化设计。通过EDA绘制软件将所设计电路绘制成PCB电路板并制作出来,完成整个超声电源供能实验平台搭建,验证了超声电源无线供能系统具有频率追踪和电流反馈的功能。本文研制了一种能够解决无线传能超声加工系统能量传输效率低和换能器反馈采集困难的分离式超声电源,并通过实验验证了该电源能够实现换能器无线监测和频率追踪等功能。

关键词：超声电源无线传能变压器补偿无线反馈

基于无线传能和移动边缘计算的物联网中的任务调度策略研究

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基于无线传能和移动边缘计算的物联网中的任务调度策略研究

作者：刘若琪北京邮电大学

学位级别：硕士

近年来,随着大数据,物联网等技术的发展,移动终端的数量不断增多,导致网络中的数据流量爆炸式增长。为了实现一系列的新兴应用,终端设备的计算需求压力变得十分庞大。未来的物联网需要支持大规模的低功耗无线设备的实时通信和高效计算,... 详细信息

近年来,随着大数据,物联网等技术的发展,移动终端的数量不断增多,导致网络中的数据流量爆炸式增长。为了实现一系列的新兴应用,终端设备的计算需求压力变得十分庞大。未来的物联网需要支持大规模的低功耗无线设备的实时通信和高效计算,如何缓解设备的计算压力并实现设备的可持续运行成为一个亟待解决的技术问题。通过结合无线能量传输(Wireless Power Transfer,WPT)以及移动边缘计算(Mobile Edge Computing,MEC),WPT-MEC 系统能为无线终端设备提供丰富的计算资源和可持续的能源供应,在完成计算任务的同时显著延长系统的生命周期。但由于多种资源之间的时间和空间耦合,使得设计一种合理的资源分配和任务调度策略更具有挑战性。因此,对结合无线传能和移动边缘计算的物联网中的任务调度策略进行研究具有重要的现实意义。在现有研究中,大多数研究者的工作主要集中在静态无线信道或是给定用户计算任务下的一次性优化,即短期优化,而忽略了能量收集过程和计算任务到达的时变性和动态性。为此,本文考虑了动态变化的网络信息,以提高系统的计算能力为目标,研究了 WPT-MEC系统中物联网设备的调度策略优化。本文对所有物联网设备的本地计算频率和卸载比例进行了联合优化,以最小化多个时隙内的平均最大计算时延。由于优化问题非凸且具有时域相关性,难以使用传统优化算法求得最优解。本文提出了基于强化学习的DDPG(Deep Deterministic Policy Gradient)方法求解该动态优化问题。仿真结果表明了 DDPG算法求解该问题的收敛性和有效性,与全部本地计算方法和DQN(Deep Q-Network)算法相比,平均最大计算延迟分别降低73.2%和16.8%,充分证明了 DDPG算法能够有效应对信道的时变性以及任务到达的不确定性,提高系统的计算能力。随着系统中需要处理的任务数增加,单个无线接入点(Access Point,AP)可能无法满足计算需求以及供能需求。本文提出了多AP场景下的无线传能的MEC系统中的任务卸载模型,并以提高系统计算能力为目标优化系统卸载策略。本文联合优化了物联网设备和AP匹配关系、物联网设备的本地计算频率及卸载功率,以最大化多个时隙内系统计算的总比特数。由于优化变量中同时包含离散变量以及连续变量,且目标函数具有时域相关性,无法使用传统优化方法寻找一个全局最优解。因此,本文提出了基于深度强化学习的P-DQN(Parametrized Deep Q-Network)算法来同时优化问题中的离散变量和连续变量。仿真结果验证了 P-DQN算法的收敛性和有效性,最终获得的策略优于基准算法,趋近于理论上的最优值。该算法避免了遍历匹配关系,能够适应于动态变化的网络环境,提高系统的计算能力。

关键词：无线传能移动边缘计算深度强化学习调度策略

超声耦合无线传能系统金属介质传输特性的研究

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超声耦合无线传能系统金属介质传输特性的研究

作者：姜亚雷辽宁工程技术大学

学位级别：硕士

随着社会的进步与科技的发展,电力设备在各种场合日益普及。在一些高温、高压、剧毒、放射性的工作环境中,电力设备通常采用密闭的金属结构,为了监测其内部的工作状态,往往在其内部安装传感器和微控制器。而使用电线直接为传感器和微控... 详细信息

随着社会的进步与科技的发展,电力设备在各种场合日益普及。在一些高温、高压、剧毒、放射性的工作环境中,电力设备通常采用密闭的金属结构,为了监测其内部的工作状态,往往在其内部安装传感器和微控制器。而使用电线直接为传感器和微控制器供电,则需要在金属结构上打孔引线,这就会破坏金属结构的密闭性和完整性,然而无线电能传输技术为解决该问题指明了方向。目前,无线传能技术根据传输方法的不同,可分为电场耦合,磁场耦合,微波辐射以及超声波。但由于金属电磁屏蔽效应的影响,以电磁波作为能量传输介质的无线传能技术在金属结构中无法取得良好的效果。超声耦合无线传能技术可以有效克服这一障碍,并通过金属介质传输无线电能。为了研究不同金属介质对超声耦合WPT系统传输效率的影响,本文基于压电换能器的基本原理和机电等效原理,建立金属介质的超声耦合WPT系统的等效电路模型。在对系统进行阻抗匹配的基础上,利用Multisim软件建模,分析阻抗匹配网络对系统的优化性能以及M值即不同金属介质对系统的影响。通过实验,验证阻抗匹配网络的有效性以及三种金属介质下系统的传输效率,实验表明,铝金属作为传输介质时系统具有较高传输效率。

关键词：超声耦合无线传能金属介质压电换能器阻抗匹配

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基于强化学习的无线传能网络节点控制算法

计算机应用与软件 2021年第12期38卷 274-279页

作者：吴振宇吴凡李云雷大连理工大学创新创业学院辽宁大连116024

以无线传能网络的节点控制问题为研究对象,针对统一化的节点模型设计一种基于策略梯度的强化学习算法。该算法使用神经网络作为控制器,并设计一套奖励机制用来评估控制结果的优劣,以最大化累计奖励为目标优化网络参数,使神经网络控制器... 详细信息

以无线传能网络的节点控制问题为研究对象,针对统一化的节点模型设计一种基于策略梯度的强化学习算法。该算法使用神经网络作为控制器,并设计一套奖励机制用来评估控制结果的优劣,以最大化累计奖励为目标优化网络参数,使神经网络控制器达到更好的控制效果。仿真结果表明,只需设置对控制结果的奖励机制,就可以让节点根据供电需求的变化学习到对应的控制策略,适用于近似周期性的供电场景,也适用于极端情况的供电控制。

关键词：强化学习策略梯度机器学习电网控制无线传能