无线充电基本原理范文

导语：如何才能写好一篇无线充电基本原理，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词： 无线电力传输技术 电磁感应 射频 原理与应用前景

1.引言

自17世纪人类发现如何发电后就用金属电线来四处传输电力。时至今日，供电网、高压线已遍布全球的角角落落。在工作和生活中，越来越多的电器给我们带来极大便捷的同时，不知不觉各种“理不清”的电源线、数据线带来的困扰也与日俱增。不过，这些年的科技发展表明，在无线数据传输技术日益普及之时，科学家对无线电力传输（Wireless Power Transmission，WPT）的研究也有了很大突破，从某种意义上来讲，无线电力传输也不再是幻想——在未来的生活中摆脱那些纷乱的电源线已成为可能。

2.无线电力传输的发展历史

19世纪末被誉为“迎来电力时代的天才”的名尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla，1856—1943）在电气与无线电技术方面作出了突出贡献。他1881年发现了旋转磁场原理，并用于制造感应电动机；1888年发明多相交流传输及配电系统；1889—1890年制成赫兹振荡器；1891年发明高频变压器（特斯拉线圈），现仍广泛用于无线电、电视机及其他电子设备。他曾致力于研究无线传输信号及能量的可能性，并在1899年演示了不用导线采用高频电流的电动机，但由于效率低和对安全方面的担忧，无线电力传输的技术无突破性进展［1］。1901—1905年在纽约附近的长岛建造Wardenclyffe塔，是一座复杂的电磁振荡器，设想它将能够把电力输送到世界上任何一个角落，特斯拉利用此塔实现地球与电离层共振。

2001年5月，法国国家科学研究中心的皮格努莱特，利用微波无线传输电能点亮40m外一个200W的灯泡。其后，2003年在岛上建造的10kW试验型微波输电装置，已开始以2.45GHz频率向接近1km的格朗巴桑村进行点对点无线供电。

2005年，香港城市大学电子工程学系教授许树源成功研制出“无线电池充电平台”，但其使用时仍然要将产品与充电器接触。

2006年10月，日本展出了无线电力传输系统。此系统输出端电力为7V、400mA，收发线圈间距为4mm时，输电效率最大为50%，用于手机快速充电。

2007年6月，美国麻省理工学院的物理学助理教授马林·索尔贾希克研究团队实现了在短距离内的无线电力传输。他们给一个直径60厘米的线圈通电，6英尺（约1.83米）之外连接在另一个线圈上的60瓦的灯泡被点亮了。这种马林称之为“WiTricity”技术的原理是“磁耦合共振”。

2008年9月，北美电力研讨会的论文显示，他们已经在美国内华达州的雷电实验室成功地将800W电力用无线的方式传输到5m远的距离。

2009年10月，日本奈良市针对充电式混合动力巴士进行了无线充电实验。供电线圈埋入充电台的混凝土中，汽车驶上充电台，将车载线圈对准供电线圈就能开始充电。

3.无线电力传输的基本原理

3.1电磁感应——短程传输

电磁感应现象是电磁学中最重大的发现之一，它显示了电、磁现象之间的相互联系与转化。电磁感应是电磁学中的基本原理，变压器就是利用电磁感应的基本原理进行工作的。利用电磁感应进行短程电力传输的基本原理如图1所示，发射线圈L1和接收线圈L2之间利用磁耦合来传递能量。若线圈L1中通已交变电流，该电流将在周围介质中形成一个交变磁场，线圈L2中产生的感应电势可供电给移动设备或者给电池充电。

3.2电磁耦合共振——中程传输

中程无线电力传输方式是以电磁波“射频”或者非辐射性谐振“磁耦合”等形式将电能进行传输。它基于电磁共振耦合原理，利用非辐射磁场实现电力高效传输。在电子学的理论中，当交变电流通过导体，导体的周围会形成交变的电磁场，称为电磁波。在电磁波的频率低于100khz时，电磁波就会被地表吸收，不能形成有效的传输，当电磁波频率高于100khz时，电磁波便可以在空气中传播，并且经大气层外缘的电离层反射，形成较远距离传输能力，人们把具有较远距离传输能力的高频电磁波称为射频（即：RF）。将电信息源（模拟或者数字）用高频电流进行调制（调幅或者调频），形成射频信号后，经过天线发射到空中；较远的距离将射频信号接收后需要进行反调制，再还原成电信息源，这一过程称为无线传输。中程传输是利用电磁波损失小的天线技术，并借助二极管、非接触IC卡、无线电子标签，等等，实现效率较高的无线电力传输。

具体来说，整个装置包含两个线圈，每一个线圈都是一个自振系统。其中一个是发射装置，与能量相连，它并不向外发射电磁波，而是利用振荡器产生高频振荡电流，通过发射线圈向外发射电磁波，在周围形成一个非辐射磁场，即将电能转化为磁场。当接收装置的固有频率与收到的电磁波频率相同时，接收电路中产生的振荡电流最强，完成磁场到电能的转换，从而实现电能的高效传输。图2是一个典型的利用电磁共振来实现无线电力传输的系统方案。电磁波的频率越高其向空间辐射的能量就越大，传输效率就越高。

3.3微波/激光——远程传输

理论上讲，无线电波的波长越短，其定向性越好，弥散就越小。所以，可以利用微波或激光形式来实现电能的远程传输，这对于新能源的开发利用、解决未来能源短缺问题也有着重要意义。1968年，美国工程师彼得格拉提出了空间太阳能发电（Space Solar Power，SSP）的概念。其构想是在地球外层空间建立太能能发电基地，通过微波将电能送回地球。

4.无线电力技术的应用前景

无线电力传输作为一种先进的技术一般应用于特殊的场合，具有广泛的应用前景。

4.1给一些难以架设线路或危险的地区供应电能

高山、森林、沙漠、海岛等地的台站经常遇到架设电力线路困难的问题，而工作在这些地方的边防哨所、无线电导航台、卫星监控站、天文观测点等需要生活和工作用电，无线输电可补充电力不足。此外，无线输电技术还可以给游牧等分散区村落无变压器供电和给用于开采放射性矿物、伐木的机器人供电。

4.2解决地面太阳能电站、水电站、风力电站、原子能电站的电能输送问题

我国的新疆、西藏、青海等地降雨量少、日照充足且存在大片荒芜土地，南方部分地区水力、风力资源丰富，这些地区有利于建造地面太阳能发电站或水电站、风力电站。可是，这些地区人烟稀少、地形复杂，在崇山峻岭之中难以架设线路，这时无线输电技术就有了用武之地。采用无线输电技术，还可以把核电站建在沙漠、荒岛等地。这样一方面便于埋葬核废料，另一方面当电站运行发生故障时也可以避免对周围动植物的大量伤害和耕地的污染。

4.3传送卫星太阳能电站的电能

所谓卫星太阳能电站，就是用运载火箭或航天飞机将太阳能电池板或太阳能聚光镜等材料发送到赤道上空35800km的地球静止同步轨道上。在太空的太阳光线没有地球大气层的影响，辐射能量十分稳定，是“取之不尽”的洁净能源。并且一年中有99%的时间是白天，其利用效率比地面上要高出6—15倍［3］。在那里利用太阳能电池板把阳光直接转变为电能，或者用太阳能聚光镜把阳光汇聚起来作为热源，像地面热电厂一样发电。这样产生的电能供给微波源或激光器，然后采用无线输电技术将大功率电磁射束发送至地面，接收到的微波能量经整流器后变成直流电，由变、配电设施供给用户。

4.4无接点充电插座

随着无线电力技术的发展，一些小型用电设备已经实现了无线供电。如：电动牙刷、“免电池”无线鼠标、无线供电“膜片”/“垫”等。无线供电“膜片”/“垫”是一种家用电器无线供电方式，用一片图书大小的柔软塑料膜片就可对家电进行无线供电，可为圣诞树上的LED、装饰灯、鱼缸水中的灯泡、小型电机、手机、MP3、随身听、温度传感器、助听器、汽车零部件、甚至是植入式医疗器件等供电。

4.5给以微波发动机推进的交通运输工具供电

现在大部分交通运输工具燃烧石油产品，其发动机叫做柴油发动机、汽油发动机等。与此类比，以微波作为能源推进的发动机叫做微波发动机。微波是工作频率在0.3—300GHz的电磁波，不能直接用它来驱动电动机，因为要设计出在如此高的频率下工作的发动机非常困难。如果思路加以改变，把微波能量转变为直流电流的整流器，那么微波就可以直接作为交通工具的能源了。煤、石油、天然气的存储量有限，而日消耗量巨大，总有耗尽之日，到那时卫星太阳能电站可望成为能源供给的主干，通过无线输电技术就可以直接把微波能量输给交通运输工具。

4.6在月球和地球之间架起能量之桥

世界人口的不断增长和地球资源的日益耗尽，太阳系中其他星球的开发利用是人类一直以来的夙愿。月球是地球的天然卫星，其上资源丰富，地域辽阔，是首先要开发的星体。未来人类对月球的利用主要是移民和资源获取。月球的土壤里富含SiO2，是制造太阳能电池的原料。如果先在月球上建立起工厂，然后把太阳能电站直接建在月球上，比起建在地球静止同步轨道上要容易些，借助于微波束或激光束把电能发送到地球。

5.结语

随着无线电力传输技术的不断发展与成熟，不但使人们未来的生活有望摆脱手机、相机、笔记本电脑等移动设备电源线的束缚，享受在机场、车站、酒店多种场所提供的无线电力，而且可用于一些特殊场合，如人体植入仪器如心脏起搏器等的输电问题、新能源（电动）汽车、低轨道军用卫星、太阳能卫星发电站等。在世界经济迅速发展的今天，节能和新的、可再生能源的开发是摆在能源工作者面前的首要问题。太阳能是取之不尽、用之不竭的干净能源。除核能、地热能和潮汐能之外，地球上的所有能源都来自太阳，建造卫星太阳能电站是解决人类能源危机的重要途径。要将相对地球静止的同步轨道上的电能输送的地面，无线输电技术将发挥至关重要的作用。从长远来看，该技术具有潜在的广泛应用前景。但是，每一种无线传输方式，都有一系列问题需要解决，如电能传输效率问题，电力公司如何收费和计费，能量传输所产生的电磁波是否对人体健康带来危害，等等。不管怎样，一旦这项技术能够普及，就会给人们的生活带来巨大的便利。

参考文献

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【关键词】AM;Multisim;包络检波;模拟乘法器

0 引言

信息化飞速发展的今天，无线电传输信号已经广泛的应用。其原理是通过天线，将有用信号转换成便于传输的电信号。由于受天线尺寸的影响，又考虑信息传输的有效性，需要在天线的发送端和接收端之间，选用高频振荡信号为载体，对信号进行调制解调，这样可以实现信号的传输。AM调制解调电路简单，便于接收，而且占用频带窄，广泛应用于中波无线电广播中，为我们的生活带来了便利。但AM调制解调系统在部分电路设计和参数的选择方面等方面，还可以继续研究完善。

1 调幅基本原理

普通调幅波也叫标准调幅波，用AM 表示，调制信号以单频信号作例，设单频信号为m（t），载波信号为正弦信号，要求载波信号远大于调制信号频率，由振幅调制的定义，已调信号的振幅随调制信号线性变化。要使已调波不失真，调制度m应小于或等于1。当m大于1时为过调（应当避免）。

2 AM调制与解调电路

要实现AM调制，核心是实现调制信号与载波相乘;AM号解调是把调制在高频调幅信号中的原调制信号取出来的过程，又称检波[2]。包络检波又分为峰值包络检波和平均包络检波[3]。这里主要研究峰值包络检波。

2.1 振幅调制电路

按实现调幅电平的高低可分为高电平调幅电路和低电平调幅电路。高电平调幅是直接产生满足发射机输出功率要求的已调波，它的优点是整机效率高，设计时必须兼顾输出功率、效率和调制线性的要求，通常高电平调幅只能产生普通调幅波，低电平调幅电路是先在低功率电平级进行振幅调制，然后再经过高频功率放大放大到所需要的发射功率，DSB，SSB均采用这种方式[4]。设计调制器主要要求是调制效率高，调制线性范围大，失真小等，但对低电平调制而言，由于低电平调幅电路的功率较小，对调幅电路来说，输出功率和效率不是主要指标，重点是调制线性的提高。

2.2 二极管峰值包络检波器

RC回路有两个作用：一是产生高频电压，并做作检波器的负载，;二是作为高频电流的旁路作用。

图1 检波原理图

原理说明：检波过程，输入信号是等幅高频电压（载波状态），加电压前C上的电荷为零，当输入电压从零开始增大时，C的高频阻抗很小，电压几乎都加在二极管VD上，当二极管导通C被充电，因二极管电阻小，充电电流很大。而充电常数很小，电容电压建立很快，这个电压反加在二极管上，二极管上的电压是信号源电压和电容电压之差。当输入电压达到一定值时，二极管开始截止;当信号源继续下降，二极管存在一段截止时间，在这段时间里，电容C把存储的电荷通过R放电。因放电常数RC较大，所以放电较慢;当UC下降不多时，信号源的下一个正周期到来，当输入电压远大于UC时，二极管再次导通，电容C又开始充电，UC开始增大，然后继续上述放电、充电的过称[5]。

3 电路设计与仿真

注意在设计包络检波器时，应主要考虑要有较高的检波效率和尽可能避免各种失真并减少对前级中频放大器的影响。

3.1 二极管的选择

要选择导通电阻和结电容比较小的二极管，可以提高效率。选择点接触型二极管BA220，此类电容的优点是结电容较小，频率性好，适用于高频信号检波。

3.2 电阻选择

为了不损失效率，R1/R2一般选择在0.1～0.2，而R1+R2几千欧，它不能太大，否则容易产生底部切割失真和惰性失真。

3.3 电容的选择

C太大容易产生惰性失真，太小又会使纹波加大，效率降低。应使RC远大于TC，Cg一般选的很大，可以起到隔直的作用，此处为10微法。

3.4 参数选择

现设计一音频信号（400Hz～4kHz）解调检波器，设等效输入电阻大于5千欧。

电路分析利用multisim绘制出设计的AM调制解调电路。电路由双差分对调制电路和包络检波两个子电路电路构成。查阅相关资料获得电路参数，用multism仿真实现调制解调过程。

图2 AM调制解调原理图

图3 AM信号与调制信号对比

参数设置载波频率是465kHz，调制信号频率5kHz。示波器XSC1通道A输出是调制后的信号，通道B是调制信号，仿真后包络波形与调制信号波形一致，调制不失真。利用multisim仿真的AM调制解调在误差允许范围内实现了仿真，电路设计成功。

4 总结

AM调制解调虽然简单，但也就因电路简单，便于实现广泛应用于生活中，而且实现调制电路的基本构成模拟乘法器是组成一些重要电路的基本电路，所以研究AM调制解调对指导实践也有深远的影响。

【参考文献】

[1]倪新蕾，池水莲.用数字示波器观测拍与调幅波[J].大学物理，2010（02）.

[2]毛世伟.论窄带调频信号与调幅信号的差异[J]. 宿州学院学报，2012（02）.

[3]郭帅.远距离RFID读卡器设计[D].大连理工大学，2006.

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【关键词】云技术网络平台新能源开发利用无线传输技术系统三者互为系统平台的全立体交互式综合应用

一、云技术

云计算（cloud computing），分布式计算技术的一种，其最基本的概念，是透过网络将庞大的计算处理程序自动分拆成无数个较小的子程序，再交由多部服务器所组成的庞大系统经搜寻、计算分析之后将处理结果回传给用户。透过这项技术，网络服务提供者可以在数秒之内，达成处理数以千万计甚至上亿计的信息，达到和“超级计算机”同样强大效能的网络服务。

“云计算（Cloud technology）”是一个很时尚的概念，它既不是一种技术，也不是一种理论，而是一种商业模式的体现方式。准确说，云计算仅描述了一类棘手的问题，因为现在这个阶段，“计算与数据”跷跷板的平衡已发生变化，即已经到“移动计算要比移动数据要便宜的多（Moving computation is cheaper than moving data）”。《著云台》的分析师团队结合云发展理论总结认为，基于云计算商业模式应用于网络技术、信息技术、整合技术、管理平台技术、应用技术等的总称，可以组成资源池，按需所用，灵活便利。

二、新能源

新能源有广义和狭义之分。广义的新能源泛指能够实现温室气体减排的得的可利用能源，外延涵盖了高效利用能源、资源综合利用、可再生能源、代替能源、核能、节能等。狭义的新能源指除常规性能源和大型水利发电之外的风能、太阳能、生物能、地热能、海洋能、小水电和核能等能源的总成。现阶段对风能、海洋能、小水电和核能的利用主要集中在电能的转换上，而对太阳能、生物能、地热能的利用除了将其转换为电能外，还应用于向热能和燃气的转换上。总体来讲，新能源的利用主要是围绕发电展开的。新能源的共同特点是比较干净，除核裂变燃料外，几乎是永远用不完的。由于煤、油、气常规能源具有污染环境和不可再生的缺点，因此，人类越来越重视新能源的开发和利用。

三、无线传输技术

无线传输技术按技术领域大致分为：无线能量（电能）传输技术、无线通信（数据）传输技术。

无线能量（电能）传输方式及技术原理：无线电力传输是一种传输电力的新技术，它将电力通过电磁耦合、射频微波、激光等载体进行传输。这种技术解除了对于导线的依赖，从而得到更加方便和广阔的应用。

无线电力传输的基本原理：

①电磁感应―――短程传输。电磁感应现象是电磁学中最重大的发现之一，它显示了电、磁现象之间的相互联系与转化。电磁感应是电磁学中的基本原理，变压器就是利用电磁感应的基本原理进行工作的。利用电磁感应进行短程电力传输的基本原理为，发射线圈L1和接收线圈L2之间利用磁耦合来传递能量。若线圈L1中通已交变电流，该电流将在周围介质中形成一个交变磁场，线圈L2中产生的感应电势可供电给移动设备或者给电池充电。

②电磁耦合共振―――中程传输。中程无线电力传输方式是以电磁波“射频”或者非辐射性谐振“磁耦合”等形式将电能进行传输。它基于电磁共振耦合原理，利用非辐射磁场实现电力高效传输。在电子学的理论中，当交变电流通过导体，导体的周围会形成交变的电磁场，称为电磁波。在电磁波的频率低于100khz时，电磁波就会被地表吸收，不能形成有效的传输，当电磁波频率高于100khz时，电磁波便可以在空气中传播，并且经大气层外缘的电离层反射，形成较远距离传输能力，人们把具有较远距离传输能力的高频电磁波称为射频（即：RF）。将电信息源（模拟或者数字）用高频电流进行调制（调幅或者调频），形成射频信号后，经过天线发射到空中；较远的距离将射频信号接收后需要进行反调制，再还原成电信息源，这一过程称为无线传输。中程传输是利用电磁波损失小的天线技术，并借助二极管、非接触IC卡、无线电子标签等等，实现效率较高的无线电力传输。

③微波/激光―――远程传输。理论上讲，无线电波的波长越短，其定向性越好弥散就越小。所以可以利用微波或激光形式来实现电能的远程传输，这对于新能源的开发利用解决未来能源短缺问题也有着重要意义。1968年美国工程师彼得格拉提出了空间太阳能发电（Space Solar Power，SSP）的概念，其构想是在地球外层空间建立太阳能发电基地通过微波将电能送回地球。

无线通信（数据）传输方式及技术原理：无线通信（Wireless communication）是利用电磁波信号在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式。无线通信技术自身有很多优点，成本较低，无线通信技术不必建立物理线路，更不用大量的人力去铺设电缆，而且无线通信技术不受工业环境的限制，对抗环境的变化能力较强，故障诊断也较为容易，相对于传统的有线通信的设置与维修，无线网络的维修可以通过远程诊断完成，更加便捷；扩展性强，当网络需要扩展时，无线通信不需要扩展布线；灵活性强，无线网络不受环境、地形等限制，而且在使用环境发生变化时，无线网络只需要做很少的调整，就能适应新环境的要求。

（1）常用的远距离无线通信技术

目前偏远地区广泛应用的无线通讯技术主要有GPRS/CDMA、数传电台、扩频微波、无线网桥及卫星通信、短波通信技术等。它主要使用在较为偏远或不宜铺设线路的地区，如：煤矿、海上、有污染或环境较为恶劣地区等。

①GPRS/CDMA无线通信技术：GPRS （通用无线分组业务）是由中国移动开发运营的一种基于GSM通信系统的无线分组交换技术，是介于第二代和第三代之间的技术，通常称为2.5G。它是利用“包交换”概念发展的一种无线传输方式。包交换就将数据封装成许多独立的包，再将这些包一个一个传送出去，形式上有点类似寄包裹，其优势在于有资料需要传送时才会占用频宽，而且是以资料量计价，有效的提高网络的利用率。GPRS网络同时支持电路型数据和分组交换数据，从而GPRS网络能够方便的和因特网互相连接，相比原来的GSM网络的电路交换数据传送方式，GPRS的分组交换技术具有实时在线、按量计费、高速传输等优点。CDMA是码分多址的英文缩写（Code Division Multiple Access），是由中国电信运行的一种基于码分技术和多址技术的新的无线通信系统，其原理基于扩频技术。其最早是由于军事上对高质量无线通讯技术的需要而开发设计。CDMA在数据传送过程中，将数据用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使数据信号的带宽被扩展，然后经载波调制将数据发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码，进行相反过程的处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号从而进行解扩，以实现数据传输。其特点是抗干扰能力强、抗衰落能力强、信号隐蔽性强、抗截获的能力强、可以多用户同时接收发送。

②数传电台通信。数传电台是数字式无线数据传输电台的简称。它是采用数字信号处理、数字调制解调、具有前向纠错、均衡软判决等功能的一种无线数据传输电台。数传电台的工作频率大多使用220～240 MHz或400～470 MHz频段，具有数话兼容、数据传输实时性好、专用数据传输通道、一次投资、没有运行使用费、适用于恶劣环境、稳定性好等优点。数传电台的有效覆盖半径约有几十公里，可以覆盖一个城市或一定的区域。数传电台通常提供标准的RS-232数据接口，可直接与计算机、数据采集器、RTU、PLC、数据终端、GPS接收机、数码相机等连接。传输速率从9600到19200 bps，误码低于10-6（-110 dBm时），可工作于单工、半双工、时分双工TDD、全双工方式。无线数传电台是通信行业发展较早的通信方式，也是比较成熟的一项无线通信技术，已经在各行业取得广泛的应用，在航空航天、铁路、电力、石油、气象、地震等各个行业均有应用，在遥控、遥测、摇信、遥感等SCADA领域也取得了长足的进步和发展。

③扩频微波通信。扩频通信，即扩展频谱通信技术（Spread Spectrum Communication）是指其传输信息所用信号的带宽远大于信息本身带宽的一种通信技术。最早始用于军事通信。它传输的基本原理是将所传输的信息用伪随机码序列（扩频码）进行调制，伪随机码的速率远大于传送信息的速率，这时发送信号所占据带宽远大于信息本身所需的带宽实现了频谱扩展，同时发射到空间的无线电功率谱密度也有大幅度的降低。在接收端则采用相同的扩频码进行相关解调并恢复信息数据。其主要特点是：抗噪声能力极强；抗干扰能力极强；抗衰落能力强；抗多径干扰能力强；易于多媒体通信组网；具有良好的安全通信能力；不干扰同类的其他系统等，同时具有传输距离远、覆盖面广等特点，特别适合野外联网应用。

④无线网桥。无线网桥是无线射频技术和传统的有线网桥技术相结合的产物。无线网桥是为使用无线（微波）进行远距离数据传输的点对点网间互联而设计。它是一种在链路层实现LAN互联的存储转发设备，可用于固定数字设备与其他固定数字设备之间的远距离（可达50km）、高速（可达百兆bps）无线组网。扩频微波和无线网桥技术都可以用来传输对带宽要求相当高的视频监控等大数据量信号传输业务。

⑤卫星通信。卫星通信（satellite communication）是指利用人造地球卫星作为中继站来转发无线电信号，从而实现在多个地面站之间进行通信的一种技术，它是地面微波通信的继承和发展。卫星通信系统通常由二部分组成，分别是卫星端、地面端。卫星端在空中，主要用于将地面站发送的信号放大再转发给其它地面站。地面站主要用于对卫星的控制、跟踪以及实现地面通信系统接入卫星通信系统。卫星可分为同步卫星和非同步卫星，同步卫星在空中的运行方向和周期与地球的自转方向及周期相同，从地面的任何位置看，该卫星都是“静止”不动的；非同步卫星的运行周期大于或小于地球的运行周期，其轨道高度、倾角、形状都可根据需要调整。卫星通信的的特点是：覆盖范围广、工作频带宽、通信质量好、不受地理条件限制、成本与通信距离无关等，其主要用在国际通信、国内通信、军事通信、移动通信和广播电视等领域，卫星通信的主要缺点是通信具有一定的延迟，比如打卫星电话时，不能立即听到对方回话，主要原因是卫星通信的传输距离较长，无线电波在空中传输是有一定延迟的。

⑥短波通信。按照国际无线电咨询委员会的划分，短波是指波长l00m～l0m，频率为3MHz～30MHz的电磁波。短波通信是指利用短波进行的无线电通信，又称高频（HF）通信。短波通信可分为地波传播和天波传播。地波传播的衰耗随工作频率的升高而递增，在同样的地面条件下，频率越高，衰耗越大。利用地波只适用于近距离通信，其工作频率一般选在5MHz以下。地波传播受天气影响小，比较稳定，信道参数基本不随时间变化，故信道可视为恒参信道。天波传播是无线电波经电离层反射来进行远距离通信的方式，倾斜投射的电磁波经电离层反射后，可以传到几千千米外的地面。天波的传播损耗比地波小得多，经地面与电离层之间多次反射之后，可以达到极远的地方，因此，利用天波可以进行环球通信。天波传播因受电离层变化和多径传播的严重影响极不稳定，其信道参数随时间而急剧变化，因此称为变参信道。短波通信的特点是：建设维护费用低、周期短、设备简单、电路调度容易、抗毁能力强、频段窄，通信容量小、天波信道信号传输稳定性差等。长期以来，广泛用于政府、军事、外交、气象、商业等部门，用以传送电报、电话、传真、低速数据和图像、语音广播等信息。

（2）常见短距离无线通信技术

短距离无线通信技术是指通信双方通过无线电波传输数据，并且传输距离在较近的范围内，其应用范围非常广泛。近年来，应用较为广泛及具有较好发展前景的短距离无线通信标准有：Zig-Bee、蓝牙（Bluetooth）、无线宽带（Wi-Fi）、超宽带（UWB）和近场通信（NFC）。

①Zig-Bee。Zig-bee是基于IEEE802.15.4标准而建立的一种短距离、低功耗的无线通信技术。Zig-bee来源于蜜蜂群的通信方式，由于蜜蜂（bee）是靠飞翔和“嗡嗡”（zig）地抖动翅膀的来与同伴确定食物源的方向、位置和距离等信息，从而构成了蜂群的通信网络。其特点是距离近，其通常传输距离是10-100米；低功耗，在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个终端工作6～24个月，甚至更长；其成本，Zig-Bee免协议费，芯片价格便宜；低速率，Zig-bee通常工作在20～250 kbps的较低速率；短时延，Zig-bee的响应速度较快等。主要适用于家庭和楼宇控制、工业现场自动化控制、农业信息收集与控制、公共场所信息检测与控制、智能型标签等领域，可以嵌入各种设备。

②蓝牙（Bluetooth）。蓝牙（Bluetooth）是在1998年5月由东芝、爱立信、IBM、Intel和诺基亚等公司共同提出的一种近距离无线数据通讯技术标准。它能够在10米的半径范围内实现点对点或一点对多点的无线数据和声音传输，其数据传输带宽可达1Mbps。通讯介质为频率在2.402GHz到2.480GHz之间的电磁波。蓝牙技术可以广泛应用于局域网络中各类数据及语音设备，如PC、拨号网络、笔记本电脑、打印机、传真机、数码相机、移动电话和高品质耳机等，蓝牙的无线通讯方式将上述设备连成一个微微网，多个微微网之间也可以实现互连接，从而实现各类设备之间随时随地进行通信。蓝牙技术被广泛应用于无线办公环境、汽车工业、信息家电、医疗设备以及学校教育和工厂自动控制等领域，蓝牙目前存在的主要问题是芯片大小和价格较高；抗干扰能力较弱。

③无线宽带（Wi-Fi）。Wi-Fi诞生于1999年，它是一种基于802.11协议的无线局域网接入技术。Wi-Fi技术突出的优势在于它有较广的局域网覆盖范围，其覆盖半径可达100米左右，相比于蓝牙技术，Wi-Fi覆盖范围较广；传输速度非常快，其传输速度可以达到11mbps（802.11b）或者54mbps（802.11a），适合高速数据传输的业务；无须布线，可以不受布线条件的限制，非常适合移动办公用户的需要。在一些人员密集的地方，比如火车站、汽车站、商场、机场、图书馆、校园等地方设置“热点”，可以通过高速线路将因特网接入上述场所。用户只需要将支持无线网络的终端设备该区域内，即可高速接入因特网；健康安全，具有WiFi功能的产品发射功率不超过100毫瓦，实际发射功率约60～70毫瓦，与手机、手持式对讲机等通讯设备相比，WiFi产品的辐射更小。

④超宽带（UWB）。UWB（Ultra Wideband）是一种无载波通信技术，利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，其传输距离通常在10m以内，使用1GHz以上带宽，通信速度可以达到几百兆bit/s以上，UWB的工作频段范围从3.1GHz到10.6 GHz，最小工作频宽为500MHz。其主要特点是：传输速率高；发射功率低，功耗小；保密性强；UWB通信采用调时序列，能够抗多径衰落；UWB所需要的射频和微波器件很少，可以减小系统的复杂性。由于UWB系统占用的带宽很高，UWB系统可能会干扰现有其他无线通信系统。UWB主要应用在高分辨率、较小范围、能够穿透墙壁、地面等障碍物的雷达和图像系统中。军事部门利用UWB技术已经开发出了高分辨率的雷达。据相关报道，一些具有特殊功能的UWB收发器已经被开发出来，用在了能够看穿地面、墙壁、身体等障碍物的雷达和图像装置，这种装置可以用来检查楼房、桥梁、道路等工程的混凝土和沥青结构中的缺陷，以及定位地下电缆及其它管线的故障位置，也可用于疾病诊断。另外，在救援、治安防范、消防及医疗、医学图像处理等领域都大有用途。

⑤NFC。NFC（Near Field Communication）是一种新的近距离无线通信技术，由飞利浦、索尼和诺基亚等公司共同开发，其工作频率为13.56 MHz，由13.56 MHz的射频识别（RFID）技术发展而来，它与目前广为流行的非接触智能卡ISO14443所采用的频率相同，这就为所有的消费类电子产品提供了一种方便的通讯方式。NFC采用幅移键控（ASK）调制方式，其数据传输速率一般为106 kbit/s、212 kbit/s和424 kbit/s三种。NFC的主要优势是：距离近、带宽高、能耗低，与非接触智能卡技术兼容，其在门禁、公交、手机支付等领域有着广阔的应用价值。NFC的应用情境基本可以分为以下五类：A、接触-通过，主要应用在会议入场、交通关卡、门禁控制、和赛事门票等方面；B、接触-确认/支付，主要应用在手机钱包、移动和公交付费等方面；C、接触-连接，这种应用可以实现2个具有NFC功能的设备实现数据的点对点传输；D、接触-浏览，用户可以通过NFC手机了解和使用系统所能提供的功能和服务；E、下载-接触，通过具有NFC功能的终端设备，使用GPRS＼CDMA网络接收或下载相关信息，用于门禁或支付等功能。

四、三者互为系统的立体式应用

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【关键词】E类功放;最适频率调节;高效率;无线电能传输

一、引言

与传统的电力传输不同，无线电能传输（Wireless Power Transmission，WPT）也称无线电力传输或无线功率传输。它通过能量转换和空间辐射来实现。WPT主要通过电场耦合、电磁感应、磁共振、无线电波四种方式来实现非接触式的电能传输，被美国《技术评论》杂志评选为未来十大科研方向之一。

近年来国内外各研究机构（如日本产学研国际中心，英国剑桥SplashPower公司），相继研发出了短距离无线供电产品。美国的Powercast公司开发出的无线充电技术，可为各种耗电量相对较低的电子产品（如手机、汽车零部件）充电或供电。Powercast公司计划推出数百万个无线充电器。该技术得到如此青睐，虽然目前在远距离、高效率仍处于瓶颈，但不久的将来一定会攻克，无线电能传输将开辟人类的一个新纪元。

在理解无线电能传输的基础上，本装置采用E类功放完成能量转换，发射与接收线圈以磁共振方式传输能量，非接触式地为负载提供电能，以满足摆脱移动设备电源线的束缚，实现电能无线传输的愿望。

二、基本原理

系统电路整体框图如图1所示，主要由前级能量变换装置（和最适频率自动调节电路）通过空心线圈将能量传送，和后级采用同样空心线圈的接收能量装置并对能量进行合理转化两部分组成，两个分离的电气部分通过磁共振方式实现能量无线传输。本系统可分为4个模块组成，下面分别详细介绍每个模块：

图1 系统电路整体框图

（一）能量变换模块

E类功率放大器[1]是一种高效率的软开关类功放，理想开关管的电流波形和电压波形没有重叠，不消耗功耗，所以理想E类功放的效率可达100%。E类功率放大电路前、后半周期原理图如图2所示，当开关管导通时谐振频率：

品质因数：

开关管断开时：

品质因数：

E类逆变器的开关频率总是要满足，对应的有。L1为射频扼流圈（一般取值大于10倍的L2），L2、C2构成串联谐振回路（本系统L2采用空心线圈），C1是场效应管输入电容，为分布电容和外界电容的总和（见图2）。

（二）无线传输模块

发送、接收模块采用相同的LC谐振频率以磁共振的方式进行能量传输，相比其他方式，磁共振无需线圈间的位置完全吻合，即可实现能量高效长距离传输。LC谐振有串、并联两种形式。由于发送模块前级连接E类功放，所以发射模块只能采用LC串联形式，接收模块则可以有两种谐振方式，理论分析，接收模块采用并联LC谐振方式则后级近似为恒流源，采用串联LC谐振方式则后级近似为恒压源。

图2 E类功放前（左）、后（右）周期原理图

（三）最适频率自动调节模块

采用磁共振方式无线传输，理论上需将开关频率、发射、接收谐振频率一致，但实际中，由于空心线圈、电容等器件误差的存在和环境等因素的影响，经过实验证明，开关频率需略低于发射、接收谐振频率，效率才会达到最高点。结果证实，当发射模块的功率达到最大时，系统的效率最高。因此，本系统采用MCU检测电路中的电压、电流，通过闭环控制自动寻找最适的开关频率使得效率达到最，省去了接收模块的MCU检测模块，进一步防止了效率的损失。

（四）整流、滤波、斩波模块

接收模块经LC谐振回路将发射模块的能量接收，要根据不同负载的需求，选取适当的整流、滤波、斩波电路[2]。不同的后级整流电路，因寄生电容等参数的存在，将改变接收模块的LC谐振频率，从而影响磁共振的无线传输效率[3]。

图3 前级硬件原理图

三、硬件电路实现

前级硬件原理图如图3所示，系统由15V直流电输入，通过L1、L2、C1、C2以及MOS构成的E类功放电路实现从直流到交流的逆变，L2、C2组成的谐振回路分别取值为72uH、11nF，L2采用0.1*200的李兹线绕制成直径为20cm的空心线圈，C2采用2个22nF的100V耐压值的CBB电容串联，其串联后耐压值增加一倍，电容值为11nF，经计算可知，系统

的谐振频率约为179KHz。扼流电感L1采用铁硅铝材质的磁环，绕制成1mH的电感。本设计采用TI公司的低功耗MCU--MSP430F6638控制UCC27211 MOS驱动器驱动MOS（CSD19531，VDS为100V，Id为105A，Rds（on）为7.7mΩ）。旁路电容C1的容值将决定电路的工作状态，如果逆变器工作在最优状态，其输出功率为最大值。结合MOS的寄生电容和经过多次测量得知此设计最佳工作状态下的C1的值为22nF。一般而言，线圈工作的工作频率需要略低于其固有频率，而开关频率本系统采用通过输入20mΩ的采样电阻进行电流采样，INA282将采样的差分信号放大50倍送往MCU，MCU处理输入功率变化信息，不断调节驱动MOS的PWM频率至最适点，闭环控制使效率达到最高。

后级硬件原理图如图4所示，接收谐振电路L3、C3与发射谐振电路L2、C2取值、取材完全相同，目的是确保谐振频率点完全相同。后级经过全桥整流、电容滤波后给负载供电。

图4 后级硬件原理图

四、仿真与测试

用MATLAB-Simulink仿真[4]，对于不同的C1值仿真出现截然不同的结果，最终确定C1的最合适值为22uF，不同C1值对于的发射线圈波形见图5。

图5 不同C1值对应发射线圈波形

本系统在无线传输距离为10cm、输入直流电压为15V、接收端输出直流电流为0.5A时，硬件改变引起频率自调节，整机效率最高可达75%。并可以点亮10个1W串联的白色高亮LED，也能够实现单点发射、多点接收的功能。整机测试数据如表1所示。

表1 整机效率测试数据

自调节频率（KHz） 187 188 189 190 191 192

输入电压（V） 15.0 15.0 15.0 15.0 15.0 15.0

输入电流（A） 0.50 0.52 0.61 0.57 0.51 0.59

输出电压（V） 10.23 11.15 13.75 12.66 10.41 13.02

输出电流（A） 0.50 0.50 0.50 0.50 0.50 0.50

效率（%） 68 71 75 74 69 73

五、结语

本系统由基于E类功放的能量变换模块、无线发送、接收模块、最适频率自动调节模块和整流、滤波、斩波模块四部分组成，实物测试结果表明该电路可以高效率的实现无线电能传输，并能够实现单点发射、多点接收的功能。本设计为无限供电技术的进一步推广与应用奠定良好基础，为物联网的进一步发展提供支持，当人类解开电线的束缚时，我们将迎来一个全新的世界。

参考文献

[1]董佳兴，薛新.高效E类功率放大器的设计[J].通信对抗，2006.

[2]王兆安，黄俊. 电力电子技术[M]. 北京：机械工业出版社，2004.

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【关键词】 测温;电源;无限射频

随着电力系统的发展和智能电网建设的要求，高压输电设备（例如隔离开关）的温度在线监测成为一个越来越重要的课题。由于隔离开关的触头温升严重影响其安全工作性能和寿命，因此对温度进行准确和及时的监测对于提高设备的安全性，预防事故发生具有重要的意义。相比于非接触式红外测温技术，

目前国内外提出的有关高压隔离开关温度在线测量和传输系统的主要技术方案可从温度测量、供能方式和信号传输三个方面概括，本文将主要从温度测量和供能方式两个方面描述。

1、温度测量

对高压隔离开关进行温度测量的方法主要包括接触式和非接触式两种。

接触式测温主要是在隔离开关的导电臂上埋设热电偶或热电阻等测温元件进行温度测量，这种方法的测量准确度高，成本低廉，而且可以实现微功耗测量，但是由于测量装置安装在高压侧，因此如何为其提供工作电源以及如何将测量数据传递到主控室是需要研究的问题。

非接触式测温主要利用红外测温技术，通过红外探头对设备辐射的温度进行测量。采用红外测温，整个测量装置可以放置在低压侧，其工作电源可以通过电压互感器来提供，或者通过电池来供电（电池的更换比较容易）。但是红外测温技术比较复杂，首先不同的被测物体表面材料不同，则其辐射率也不同，因此对温度测量准确度的影响比较大。针对不同型号和不同触头材料的开关，为了保证测量的准确度，红外传感器都需要进行繁琐的标定工作。【1】另外，红外传感器与被测物体之间的安装距离以及安装角度也都会影响到测量的结果。最后，采用电压互感器供电需要铺设专门的电源线，而电池供电则需要定期维护。这些都会增加这种技术方案的成本，如果温度测量的节点比较多，那么这种技术方案的成本也会比较高。

除此之外，光纤测温技术研究也比较多，光纤是非常好的绝缘介质，同时也是温度传感元件，因此利用光纤对温度进行传感，而在低压侧进行温度测量是这种方案最重要的特点。【2】不过，光纤测温的成本比较高，特别是如果距离比较远，并且测温点比较多，那么造价相当昂贵。

2、供能方式

如果采用接触式测量方案，隔离开关温度在线测量装置需要安装在高压侧，因此如何提供装置的工作电源是一个核心问题，现有的主要技术方案包括：

2.1、电流线圈取能

这种方案的主要原理是在输电线上套装一个电流线圈，通过线圈互感和输电线中的电流来取能。由于负载变化，流过电流线圈电流也会随之变化，当负载较重时，供能充足，当负载不足时，供能又面临不足。

电流线圈取能方式还需面对其他问题，当负载过重时，电流过大，测温系统也不能够正常工作，需要采用限制电流传输的方法，电流线圈取能方式还要能够承受系统短路电路的冲击，电流线圈体积较大，安装也颇为复杂。

采用电流线圈取能方式及增加了成本，也加大了技术难度。

2.2太阳能与风能

这种方案目前研究比较多，主要原理是通过太阳能电池板来提供能量，这种技术往往配合储能电池一起使用，以便应付夜晚供能不足的问题。太阳能电池供电方案的主要缺点是成本较高，体积大，另外用于储能的电池寿命有限。.还有些方案中也提出采用小风机来提供能量或者采用太阳能和小风机复合供能的方式，不过小风机的可靠性较差，特别是强风情况下容易损坏，因此使用不多。

2.3电场感应供能

图1 采用放电方式的感应法取能原理图

电场感应供能的基本原理是利用高压传输线的空间位移电流给一个取能电容充电，然后利用电容放电为温度测量电路和射频收发电路供电。高压传输线的空间位移电流密度取决于电压等级以及距离地面的高度，通常是比较小的。经测试后结果表明，在20000V电压，距离地面2m高的地方，单位面积高压输电线的位移电流密度大约为0.14uA/cm2。为了能够提供温度测量和射频收发电路一次工作的功率消耗以及保证最低工作时间（大约4秒），需要较大的电容器（至少1100uF以上）来实现储能（储能电压需要超过35V）。如果位移电流的幅度过低，则会造成较长的充电时间，此时，充电控制电路的泄露电流的影响就不容忽视，因此整个感应法取能的主要技术瓶颈在于如何提高充电速率效率以及降低充电控制电路的泄露。为此，本项目提出的主要解决方案如图1。

由于电容的储能与电压平方成正比，因此提高充电电压会使电容的储能大大增加（例如使一个1uF的电容器充电到800V），但是这么高的电压对于电子设备是无法直接利用的，因此需要通过一个开关和变压器使其向一个大容量储能电容器放电，把电压降下来。变压器有两个重要的作用：一是能够使放电开关处于低电压侧;二是实现放电功率的传递。直接利用高压输电线对地之间的工频交变电场来取能以维持温度悬浮测量系统的间歇式的工作模式具有非常显著的优势。一方面，高压输电线的电压是非常稳定的，不会出现大起大落，所以直接利用电场感应来取能是非常稳定的能量供应方式;另一方面，通过电场感应取能可以采用在隔离开关导电臂上悬挂面积足够大的对地极板来实现（面积的大小取决于输电电压等级以及对地距离），实现成本是比较低。

3、信号传输

信号传输采用无线射频技术，无限射频技术指的是在工业、科学和医用频段（ISM）应用的各种射频收发器模块以及建立于其上的通讯协议。这个频段只要遵守一定的发射功率就可以不需要申请许可证，从而建立起自己专属的通讯网络。项目研究内容的原理简述以及技术应用。

目前在各项试验中验证了这种技术方案与大容量电容直接取能方式相比，可以提高储能效率2-3倍左右。对于变电站隔离开关的温度在线测量问题，宁夏电力公司和西安交通大学联合提出了一种新的接触式技术方案。在这种技术方案中，温度测量装置被悬挂在隔离开关导电臂上接近触头的位置，悬挂点埋设了测温元件，可以直接对触头附近的温度进行测量;整个装置通过感应交变的高压电场来取能，属于自供电系统，无需外加电源;

由于温度不是一个瞬变量，因此对电力设备温升的监测往往具有一定的时间间隔。在这个时间间隔内，测量系统可以处于休眠的状态来节省功耗，同时也可以利用这个时间间隔对测量系统的下一次工作进行储能。如果测量系统对温度的检测以及传输所占用的时间非常短，而两次测量的时间间隔足够长，那么测量系统的平均功率其实是非常小的。【4】所以，电力设备的温度悬浮测量系统需要一个稳定的但是平均功率不大的能量供应，同时供能方式的成本要足够低以降低大量安装这样的设备所带来的开销。目前，设备已经在宁夏电力公司银川供电局兴庆变投入运行。

参考文献：

[1] 李中祥，宋建成. 高压隔离开关触头温度在线监测系统的研制[J].高压电器，2009，45（2）：11-14.

[2] 时斌. 光纤传感器在高压设备在线测温系统中的应用[J].高电压技术，2007，33（8）：169-173.

[3] 王妍. ZigBee 无线传感器组网技术及其应用[J].舰船电子工程，2008，28（10）：32-33.

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Abstract： This paper summarized the common problems in daily maintenance and troubleshooting of the automatic meteorological station in Xianyang area， analyzed the failure phenomenon， causes and judgment method so as to improve the support capability. At the same time， by communicating with others， a reference is provided for similar problems in the daily security work of regional weather stations.

关键词： 区域自动气象站；故障排查；维修；基本方法

Key words： regional automatic weather stations；troubleshooting；maintenance；basic method

中图分类号：P415.1+2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）03-0120-03

0 引言

区域自动气象站是指在某一地区根据需要建设的，不借助人工干预就能自动探测多个气象要素、自动生成报文，并将探测数据定时传给中心站的气象站。它的出现填补了气象空间区域探测的空白。截止2014年底，根据陕西省气象局观测站网布局总体安排部署和为地方特色产业服务的需求，咸阳境内共布设163个区域自动气象站，站点布局合理，乡镇覆盖率达到100%，主要为气象服务提供气压、温湿度、降水、风向、风速等监测数据。咸阳区域自动气象站弥补了气象空间监测领域的技术空白，所得到的监测数据，特别是温湿度、风速、风险和降水量的监测数据，可用于提高气象监测精度和改进气象服务工作质量上。咸阳地区依据区域站观测数据及时开展各类精细化气象服务，成效显著。但同时，随着站点覆盖数量越来越多，站点距离台站路途遥远、维护维修及其不便，使得区域自动气象站日常维护十分不便，对日常维护和保障维修的要求也越来越高，为此，本文通过对咸阳境内区域自动气象站日常维护、维修保障工作中遇到的常见问题和故障排查及维修进行深度分析，从中总结成功经验，为日后更好的开展日常维修和保障工作提供参考依据。

1 咸阳区域自动气象站基本情况简介

咸阳境内共布设区域自动气象站163个，其中6要素站3个，4要素站7个，2要素站153个，主要针对气压、温湿度、风速、风向、降水量等进行观测，主要以温度和降水观测的2要素站为主。其工作基本原理是传感器将对应气象要素的变化转换成电信号的相应变化。数据采集器采集变化参数后自动进行线性分析和定标处理，使工程量转换成要素量，并合理控制数据质量，最终获得各气象要素的实时数据，并将其传给市局中心站的服务器；采用GPRS/CDMA网络通讯技术及短信通讯方式，其主要通信工作方式为GPRS/CDMA无线网络。咸阳境内南部以平川为主，信号覆盖较好，北部以沟壑山地为主，信号覆盖一般，区域自动气象站建设中数据的传输主要使用GPRS通讯方式，个别信号不好的地区GPRS信号弱时，会自动切换短信传输方式进行数据传输。数据每小时传输至市局中心站服务器，中心站每小时正点00分开始收集各个区域自动站上传的数据并进行处理，生成报文，最后全市报文打包通过互联网向上级服务器定时传输数据资料。

2 日常维护、保障程序

2.1 运行状态实时监控

在日常工作中，全省区域站监控流程如图1所示。

区域气象观测站运行实时监控系统主要是通过陕西省气象信息综合监控平台（http：//10.172.8.66/）进行数据上传监控，根据每小时区域气象站上传状态信息，实时监控区域站的运行状态；也可以通过中心站软件对各个区域自动气象站进行数据传输监控及查询。

2.2 供电状况监控

根据陕西省气象信息综合监控平台（http：//10.172.8.66/）或者中心站资料查询，发现连续夜间数据不能上传，而在白天通过太阳能补充电压后能正常续传。初步断定是蓄电池亏电，导致白天蓄电池储存不上电，夜间采集器不能正常工作造成的。

2.3 观测数据监控

通过区域自动气象站数据查询系统及中国气象局下发可疑数据查询系统来监控区域自动气象站数据采集情况，发现有缺测、错误及疑误数据时及时查找和排除故障。

2.4 通过短信功能监控区域自动气象站参数配置。

3 故障排除及维修维护基本方法

区域自动气象站数量多、观测时效性强、距离台站较远、无人值守，其维修、维护工作已成为基层气象台站技术保障工作的重点和难点，为保障区域站正常运行，准确及时采集气象观测数据，介绍以下区域自动气象观测站日常维护维修方法及步骤：

3.1 通过中心站的运行监控软件，及时发现问题并做出初步故障判断。

3.2 查看故障区域气象站的话费状态（以免由于传输卡欠费导致数据无法上传），根据短信功能可跟踪监控气象站的运行状态，及时发现运行故障，并在第一时间进行故障维修，以防故障扩大，妨碍整个系统稳定运行。

3.3 到达现场后首先查看采集器上指示灯状态

采集器一共分为五种状态：常灭表示模块关闭状态；一秒一闪表示设备正在查找网络；三秒一闪表示设备正常找到网络；一秒两闪表示设备正在激活GPRS并连接TCP状态；三秒两闪表示设备已经与中心站连接正常。最终采集器状态为绿色（电源）指示灯三秒两闪，可判定设备已与中心站连接正常，可以再通过电话与中心站联系进行核对。

3.4 用万用表测量电池电压、太阳能供电电压

测量蓄电池电压：用万用表直流档20V档位测量蓄电池在运行中的电压参数。白天太阳能充电量充足时，其运行电压为6V～7V，夜间也在6V以上。如果低于这个电压值，区域自动站会因为亏电而无法稳定运行。另外，应该单独测量电池电压。测量时，先将电池输入端断电，测量不加负载的情况下，电池电压是否在6V以上，如果低于6V夜间将出现传输中断的问题。

3.5 测量太阳能板充电电流

在不同日照条件下，用2A以上的万用表电流档分别测量太阳能电池板充电电流的变化情况。日照充足时，太阳能电池板充电电流数值大概是1A。当电池板或充电线路存在故障时，无法测到电流，此时应该尽快查明故障点，及时排除故障。

根据以往的气象站运行及维护经验，本文初步判定故障原因是电压不足，需要检查电池是否正常工作。更换电池后再观测运行数据，查看故障是否解除。另外，需要分别测量电池及太阳能的供电参数，然后对比分析测量结果，检查采集器的工作状态，更换采集器后进行跟踪监测，直到故障全部解除。

3.6 各要素的故障分析及排除方法

①温度：通常情况下，温度出现异常偏高或者偏低，首先检查线柱是否松动，再对连线是否有破损及焊接点是否出现断开进行检查。如果都正常，使用万用表对温度探头的四条线柱进行测量，将万用表调整电阻200欧姆，对颜色相同的线柱进行测量，测量值在几欧姆到十几欧姆之间为正常，对颜色不同的线柱进行测量，测量值在100欧姆到110欧姆之间为正常。如果不在正常值范围内，则是温度探头出现故障，需更换新的温度探头。

②气压：查看橡皮管是否变硬，或者有裂口的现象。如一切正常，则可以判定是气压盒的问题，则需更换新的气压盒。

③湿度：出现问题的概率比较小，如果出现故障，对于台站只能更换新的湿度传感器。

④风向、风速：其构造和原理与自动气象观测站风向、风速基本一致，维修时与自动气象站风向、风速维修方法相同或将出现故障的风向、风速传感器进行更换。

⑤降水：在区域站运行中也频繁出现问题，一般都是小故障。当下雨没有雨量时，首先检查雨量桶漏斗是否堵塞，如果堵塞，必然没有雨量，疏通即可；如没有堵塞，则用万用表通断档检查雨量线有没有发生短路或者断开的现象，如果发生短路，需将短路的地方用绝缘胶布处理即可；如果发生断开，只需将断开的地方焊接上即可。如果出现雨量偏大或者偏小，应打开雨量筒，查看雨量翻斗是否有杂物，需要定期进行清洗，（清洗和检修雨量器时，需要将雨量线与采集板断开，防止修理过程中翻斗产生计数，上传至中心站，产生错误数据）；其次检查干簧管是否损坏，通过万用表通断档检查，如果不正常，更换干簧管即可。

3.7 最后重启采集器

在重启前先查看接线柱是否松落，重新紧固、插拔（谨记检查接线柱必须在关闭采集器状态下进行），若排除线路松落原因。按动采集器电源按钮，系统供电后绿色的电源指示灯亮起，连续两声蜂鸣声，指示设备电启动成功。正常情况供电约10秒后红色的网络指示灯由一秒一闪变为三秒一闪，表明设备已经正常注册到无线网络上，对于GPRS信号差的地方，时间会稍长些，采集器重启正常后可连续监控数据传输状态及数据质量，经监控运行正常即可。若采集器不能正常启动，则需更换新的采集器。

4 结束语

区域自动气象站在持续运行过程中，会出现许多不同类型的问题，而针对使用过程中产生的各类问题，保障维修人员要对其进行故障的初步判断与排查检修。对于区域自动气象站的维护和维修，从原则上来讲，主要以预防故障为前提进行日常维护工作；在发生故障时，根据以上方法冷静对故障原因及部位进行分析，在分析判断的基础上，按照区域站维护维修基本程序和方法，可以很大程度上提高工作效率，减少故障持续时间，最大限度的节省资源，做到第一时间发现问题，科学分析和判断故障原因及故障部位，对故障部位进行及时检修，以达到提高区域自动气象站的数据传输及时率和数据传输准确率，从而提高区域气象探测资料在制作天气预报和政府部门重大灾害性天气决策服务中的作用。

参考文献：

[1]中国气象局综合观测司.气象装备技术保障手册.

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电力系统配网自动化是指采用现代通信技术、电子技术、网络技术及计算机与电力设备相结合，在正常及事故情况下把配电网的保护、控制、监测、计量和供电部门的工作管理相结合起来，改善供电质量，和用户保持好更加负责，更加密切的关系，用合适的价格迎合用户需求的多样化，目标是获得最好的供电经济性，更加有效的企业管理。电力系统配网自动化是一个具有较高综合性、复杂巨大的系统性工程，包括电力企业中和配电系统相关的所有控制及功能数据。从确保对用户的供电质量，节省运行费用的观点，提升服务的水准等方面来看，电力系统配网自动化是一个统一的有机整体。

2　配电网的合理规划

电力系统配网自动化的基本原理：把环网结构开环运行的配电网线路采用分段开关区分成若干个供电区域。一旦其中的供电区域出现问题，可以及时的断开该区域的开关，从而隔离开出现故障的区域，然后把非故障区域快速恢复供电，进而免除了因为某一区域出现故障而致使所有线路连续停电，大大缩小了停电区域的范围，增加了供电的可靠性。所有，电力系统配网自动化对配电网的规划提出了几点基本要求：

(1)采用成环网型供电线路，同时至少采用双电源，如果是供电密集区域，有必要的时候可以考虑选用多电源供电系统。

(2)采用分段式线路干线。防止因线路某一部位出现故障而致使整条线路都停电，可以通过分段开关来转移非故障区域负荷。分段的原则：在充分考虑投资效益的前提下，就实际的情况而言，或采用线长相等(负荷相等、用户数量均等)的原则。把长度在3km以内的线分成3段，如果线的长度超过3km，分段一般少于5段。

(3)为了节约一次设备的总投资数，分段开关应采用负荷开关时，而不采用断路器。一旦线路发生故障后，其分段开关并不是切断故障电流，而是进行隔离故障区域。

3　开关设备的选型

开关设备是电力系统配网自动化的重要设备，当前有很多厂家进行生产，但能够实现遥控操作、数据信息通讯等功能的开关设备，能够生产出与计算机的遥控技术和数据传输终端设备连接的生产厂家还是较少。目前我国部分地区实现电力系统配网自动化的开关设备基本上都没有这个功能。因此，要实现利用通信技术和计算机网络，做到对配网正常运行的检测、控制以及发生故障时的迅速处理和配网的设备管理、生产管理的自动化，关键是选择正确的开关设备。断路器、控制开关不仅需要数据信息通讯和远方的遥控操作等一般功能，而且还需要完善、独立的操作电源系统。

4　控制中心与各开关(断路器)之间的数据通信网络

电力系统配网自动化建设存在的主要瓶颈是：电力系统配网自动化需要较高通信系统的通信速率以及可靠性。有关供电局电力系统配网自动化运行和建设的经验来看，就目前我国部分地区实现的电力系统配网自动化的通信方式采用无线通信、光纤通信和载波通信等几种形式来看，无线通信和载波通信存在的缺点是：不是非常的稳定，究其原因是受到较多因素的限制，但其优点是：与其他的通信方式相比较，其投资较少，因此更加适应小范围的城镇电力系统配网自动化。而这两种通信方式并不适应城市电力系统配网自动化的要求。所以应当采用光纤通信方式，其优点是快的通信速率和高的可靠性，可以适应城市的电力系统配网自动化的要求。电力系统配网自动化首选的通信方式是这种通信方式支持接口(RS232／485)和以太网等多种通信模式。

一般选择交流220V充当操作电源，通常由充电屏、电池屏、逆变电源屏和交流配电屏组成的电源系统。在整个配电网络中设置多套电源系统来适应设计的需要，应按照电压降和电源线路的具体情况来决定具体的数量。

5　电力系统配网自动化实用化模式

电力系统配网自动化按照故障处理的具体形式分为集中智能模式和分布智能模式。

5.1、集中智能模式

集中智能模式是指通过现场的开关(断路器)把检测的故障信息上传给主站，由主站根据一定的算法定位故障，按照配电网的实时拓扑结构，通过有关FTU、开关(断路器)断闸隔离故障。此后考虑过负荷，网损等情况，根据计算主站给出最合适的恢复方案，并通过控制开关(断路器)进行负荷转供，此模式可以适合于任何构造的配电网，并且可以处理一些如多重故障的特殊情况等。

以配电网的实时拓扑结构为基础的主站故障处理算法，同样适用于多电源复杂的网络，并且时间上基本一致。

它具有以下的特点：

(1)系统的故障时的运行方式和正常运行方式可以实现自动最优化，调度灵活，同时可以根据操作员的指令或者调度员选择预定的运行方式。

(2)可以将开关(断路器)的电压、电流以及其开关量等具体数据传至调度主站或控制中心，并且可以对其进行遥控操作，具有较好的上行和下行通信功能。

(3)可以与电压无功补偿装置及配变计量监测终端相兼容，进行配网的VQC电压无功自动控制功能。

(4)系统本身具有自动切除故障点和自动判断故障点的功能，而且能够与继电保护的重合闸、整定、备自投等配合，把故障程度减小到最小。

这种模式能适用于电缆线路(包括环网柜方式、开闭所方式)、架空线路。因此集中智能模式是配网自动化较高级、先进的模式。

5.2、分布智能模式

分布智能模式是指现场的开关(断路器)拥有在不需要通信与主站系统参与情况下，网络重构和自动故障判定隔离的能力。其主要设备是FTU结合负荷开关或断路器形成的拥有重合功能的分段开关。一般可以分成电流计数型(根据开断故障电流重合器动作次数确定故障区域)和电压时间型(根据变电站保护重合闸到再次出现故障电流的时间确定故障区域)两种。

这种方法具有的优点是：成本低、不需要主站参与。因受原理的制约，不可避免地拥有以下几个缺点：

(1)对系统及用户冲击大，故障处理及供电恢复速度慢；

(2)缺乏在同一线路上、下级重合器动作的选择性；

(3)调整变电站重合闸次数和速断保护定值。

还有，当网络重构后其参数配合较困难，如需要调整重合器的整定参数，多电源多分支的复杂网络等。

总之，此种方法只适合于可靠性较低或通信条件不完善、不具备通信手段的场合和较简单的网架结构(双电源供电的“手拉手”线路)。

篇8

3.大连理工大学 电子信息与电气工程学部， 辽宁，大连116024; 4.大连理工大学 土木工程学院， 辽宁 大连116024)

摘要：给出了将无线传感技术用于低频结构振动检测，以判定其结构寿命和损伤情况的无线振动检测系统的设计方法。提出了系统的总体架构；分析了加速度传感器的选取方法，从而完成了无线传感节点与基站的设计；并用实验验证了无线检测系统的低频特性。结果表明：这一种低频无线振动检测系统具有良好的低频性能，且无线节点无需布线、方便安装，十分适合应用在低频结构物的振动检测中，具有很好的应用前景。

关键词：低频结构； 振动检测； 加速度； 无线传感节点； 基站

中图分类号：TN99文献标识码：A

文章编号：20951302(2011)04003704

Development and Experiment of the Wireless Lowfrequency Vibration Detection System 

LI Zhirui1, YU Yan1, ZHOU Lei2 ZHANG Chuanjie2, WANG Jie3, OU Jinping4

(1.School of Electronic Science and Technology, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China;

2. Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300451, China;

3. Faculty of Electronic Information and Electrical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China;

4. School of Civil and Hydraulic Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

Abstract： Vibration detection is an effective means to determine the injuries and remaining life of such lowfrequency structures as offshore platform. This paper presents a wireless lowfrequency vibration detection system based on wireless sensor technology. Firstly, the architecture of overall system is proposed, secondly, the lowfrequency acceleration sensor is selected, and then wireless sensor node and base station are integrated; finally, an experiment is conducted to verify the system′s low frequency characteristics. The experimental results show that the wireless lowfrequency vibration detection system has a satisfactory lowfrequency performance, and wireless sensor nodes need no cabling and are easy to install, therefore it is suitable to be applied to lowfrequency structures with a wide application foreground and practical value.

Keywords： lowfrequency structures; vibration detection; acceleration; wireless sensor node; base station



收稿日期：20110325

基金项目：国家863项目“基于振动检测的现役海洋平台结构安全评估技术研究”(2008AA092701)的资助。

0引言

大型土木工程结构(如海洋平台、大坝、悬索桥等)在其服役期间，往往会受到各种环境荷载的共同作用而产生各种形式的振动，这些振动一般以低频为主，是一类低频结构物。一般地说，低频振动是指频率在5~10 Hz以下的振动,由于其振动加速度值不大，对人的直观感受影响较小，因而常常被人们忽略［1］。但是，对于这些大型工程结构而言，长期持续的振动却会影响结构的正常运行以及结构物的强度与寿命，严重的还会对结构造成损坏。因此，对这些大型结构进行无损振动检测，确保其工作的安全性、可靠性是一个重要的研究课题。

振动检测的基本原理是利用传感器提取结构物的振动信号，通过智能算法对振动数据进行分析处理，最后获知结构的损伤情况以采取相应的措施［2］。目前对结构的无损振动检测，主要是测量加速度参量，再经过一次或两次积分得到速度或位移参量。因此，基本的工作就是对结构振动数据的采集，即对加速度信号的获取。因此，低频加速度传感器的选取是测量精度高低的关键。

传统的振动检测多采用有线的方式测量振动数据，并进行分析、处理与判断。但是，对于大型土木结构而言，有线方式存在难以布线、耗资巨大、后期维护困难等问题［3］。随着无线传感技术的发展，用无线代替有线进行数据传输更为方便和快捷。

本文运用基于ZigBee的无线星型网络结构来进行设计，并在分析选用低频加速度传感器的基础上，采用模块化方法制作无线传感节点与基站，最后通过实验对无线振动检测系统的低频特性进行验证。

1无线振动检测系统架构

无线振动检测系统实际上就是现有的无线传感网络技术在振动检测领域的一种应用。无线传感器网络(WSN)是随着传感器技术、无线通信技术等发展起来的一门新型交叉学科。它由放置在监测环境内的大量微型传感器节点组成，这些传感器节点集成有传感器、数据处理单元和通信模块，它们通过无线信道相连，自组织地构成网络系统［4］。一般来讲，整个系统可分为数据采集部分、数据传输部分和数据处理部分。无线振动检测系统的架构如图1所示。

图1无线振动检测系统架构图

本研究选用星型网络拓扑结构来进行设计，它由一个基站和多个无线传感节点组成。基站作为中央节点，主要负责对网络中的各传感节点发送响应指令，接收各传感节点传送数据并对数据进行后期处理；各传感节点用来响应基站指令并对振动信号进行采集，最后将振动数据以无线数据包的形式发给基站。

2无线传感节点的设计

无线传感节点是无线振动检测系统的重要组成部分，它是利用现有的MEMS技术和嵌入式技术器件集成起来的。节点采用模块化的设计方式［5］，由超低频加速度传感器、传感器接口单元、微处理器、无线模块、存储器、电源管理模块等部分组成。图2所示是无线传感节点的组成框图。

2.1加速度传感器的选取

超低频振动信号检测属于弱信号检测范畴，对加速度传感器的低频特性、灵敏度等要求较高。由于振动频率低, 一般传感器的机械固有频率难以达到，可能导致在测量时，传感器的信噪比低,输出信号极其微弱, 完全“淹没”在噪声中而难以拾取。因此，低频加速度传感器的选取是一个关键，其性能优劣直接影响到被测信号的精度与有效性。

图2无线传感节点模块图

经过比较，本设计选取力平衡传感器作为低频振动加速度信号的拾取单元。力平衡式加速度传感器一般先将被测量转换成力或力矩，然后用反馈力调节平衡系统的闭环传感器。它的设计是通过激励信号调制、解调，加入力反馈进行电压输出进行的。输出电压的大小与电容极板运动位移成正比，而电容极板的位移量与传感器外壳体运动的加速度成正比。因此，电容中间极板的输出电压所对应的就是传感器壳体的运动加速度［6］。

力平衡加速度传感器目前主要应用于超低频和低加速度的测量，同时具有动态范围大、测量精度高等特点。

2.2无线传感节点硬件电路

加速度传感器与传感器接口单元配合使用可构成数据采集单元。传感器接口单元则由多路选择器(MUX)与模数转换器(ADC)构成，多路选择器用于加速度通道的选取，模数转换器用于实现模拟量(电压信号)到数字量的A/D转换。

微处理单元(MCU)可选用TI公司的高性能16位微处理器MSP430F5438，该处理器具有良好的低功耗特性，可满足无线传感节点低功耗和快速数据处理的设计要求；存储单元选用NAND型大容量Flash存储器，该存储器具有体积小、存储容量大等特点，可满足对大量振动数据的缓存处理要求。

无线传感节点选用具有安全、可靠、可充电的集成+24 V锂电池进行供电。由于传感节点各模块单元所需电压不尽相同(需要±15 V、±12 V、+3.3 V电压)。为了获得各模块所需电压以及减少电压纹波影响，电源电路设计采用两级变换结构。第一级采用DC/DC芯片实现+24 V到±15 V以及+3.3 V的变换，第二级采用LDO芯片实现±15 V到±12 V的变换。

2.3无线模块设计

无线模块用于数据的无线交互，实现传感节点与基站间的数据无线传输。本文采用基于ZigBee无线通信协议的芯片进行设计。ZigBee是工作在ISM(工业科学医疗)频段的专注于低功耗、低成本、低速率的短距离无线网络通信技术。

无线模块由无线射频芯片CC2520与放大前端CC2591及其电路组成。CC2520是TI公司符合IEEE 802.15.4标准规范的第二代ZigBee低功耗射频收发器，工作于2.4 GHz的ISM免许可证频段。CC2591是一种工作在2.4 GHz的射频放大器，能够提高无线信号的发射功率和接收灵敏度，增加无线信号的强度和传输距离［7］。

3基站

基站可由无线模块、串口服务器、PC机以及嵌入式采集软件构成。无线模块主要用于与无线传感节点的数据交互，通常由一个控制端和多个通信端组成。控制端用于向各传感节点发送指令，建立通信网络；通信端用于接收传感节点发送过来的振动数据包。由于振动数据量比较大，无线通信采用的是点对点的通信方式，即一个无线传感节点对应一个通信端。

无线模块与PC机通过串口方式相连。目前,通过PC机的RS 232串行接口与外部设备进行通讯,是许多测控系统中常用的一种通信解决方案。但是，随着计算机技术的发展，PC机上预留的串口越来越少，有些更是没有串口，无法满足本设计对串口的需求，需要进行扩展。本设计选用USB型串口服务器，它可以把串口接收的数据以USB的方式传送到PC机中，而且具有灵活、简单、方便、快捷等优点。

PC机中嵌入的智能采集软件主要完成端口配置，同时完成发送指令、建立网络，接收数据包，对数据进行分析处理等功能。通常由基本设置、实时采集、历史波形查看、数据导出、数据分析等模块组成。

4实验与数据分析

设计一个单摆实验装置可进行低频振动实验。由单摆的周期公式T=2πl/g可以看出，摆长不同，则周期(频率)不同。同此可见，控制摆长就可以得到我们所需要的低频信号。

双线摆低频振动实验方案图与实验现场图分别如图3和图4所示。

图3单摆实验方案框图

图4单摆实验实物图

将有线加速度传感器与无线加速度传感器共同放置在单摆装置的吊篮中心位置处，并用强磁铁紧紧固定，有线传感器与NI的采集仪(PXI-4472)相连进行振动信号采集。无线传感器与无线传感节点相连，并通过与基站的无线交互，可实现振动信号的提取。

实验中，可对单摆进行激励以使其摆动，并尽量控制振幅，使其在摆角＜5°的小振幅下做阻尼摆动。然后用无线与有线同步采集，采集频率均为100 Hz。利用Matlab对数据进行处理，再比较有线与无线的时域与频域波形。设置摆长为0.9 m和2.2 m进行实验的时域与频域分析图如图5与图6所示。

通过时域图可以看出，无线与有线波形基本吻合，频域方面对一阶频率进行差别计算，差别=(实测结果-单摆固有频率)/单摆固有频率，单位为%。表1和表2所列分别是0.9 m和2.2 m摆长时，无线与有线的频率比较，由表1与表2可见，其差别很小，均在可控范围内。也可对无线与有线的相对误差进行计算，0.9 m时的相对误差为Ef=|fwireless-fwire|/fwire≈0.39%；2.2 m时的相对误差为Ef=|fwireless-fwire|/fwire≈1.19%。实验结果比较好的反映了单摆的低频振动特性。另外，无线传输误差较大的原因是存在数据丢失的问题，也是下一步将进行改进的课题。

图50.9m摆长时域与频域分析

图62.2 m摆长时域与频域分析

表1无线与有线频率比较(0.9m摆长)

无线有线固有频率

1st0.5290.5270.525

差别0.760.38

[LL]

表2无线与有线频率比较(2.2 m摆长)

无线有线固有频率

1st0.3410.3370.336

差别1.490.30



从图形和误差分析可以看出，无线低频检测系统能很好地反映低频信号的振动情况，低频性能良好、无线传输可靠，适合应用于低频结构的振动测试当中。

5结论

本文针对低频结构的振动检测，结合无线传感技术，给出了一种无线低频振动检测系统的设计方法。该系统集成了低频加速度传感器、无线传感节点、基站等装置。为验证该系统的低频性能，本文还给出了单摆实验装置。实验结果表明，本系统适合应用在低频结构的振动检测中。所设计的无线传感节点具有低功耗、无需布线、可超低频测量等特点，本设计与基站配合构成的检测系统为低频结构振动检测提供了一种新方法，具有广阔的应用前景。

参考文献

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［7］Texas Instruments. CC2520 Datasheet［EB/OL］. 省略, 2009.

篇9

激光射束驱动飞行器发展背景和基本原理

自1903年世界上首架载人动力飞机诞生以来，经过百余年的发展，飞机历经多次更新换代，其外形和性能均发生了巨大的变化，但以燃油作为能源一直是航空器发展的主流，这不可避免地给飞机未来发展带来很多限制。一方面，由于目前飞机消耗的燃油全靠自身携带，要延长其续航能力，只能尽可能加大燃油携带量或者进行空中加油；另一方面，随着全球范围内能源危机的加剧和节能环保意识的增强，当前飞机以化石燃料为主要能源所导致的种种弊端也正日益显露。如果使飞机在飞行过程中能够从外部接收能量，而自身无需携带燃料即可顺利升空执行任务，那么上述种种问题也将迎刃而解。为此，早在1913年法国人罗兰・加洛斯就提出了从地面为空中飞行器提供动力的设想，然而直至20世纪晚期，随着无线能量传输技术的发展，这种设想才开始逐渐变为现实。

所谓的无线能量传输，就是无需传输线路、借助电磁波进行的能量传递，其在用于航空动力领域时主要有微波和激光两种方式。这两种动力方式国外都有研究，二者工作过程相同：

（1） 来自各种能源途径的电能转换成能在自由空间传播的微波或激光束；

（2）将微波或激光束定向发射和传输到飞行中的飞机上；

（3）机上的接收装置将接收到的微波或激光束能量转换为电能，通过电动机驱动飞机飞行（今后也可能实现其它驱动方式）。

就其中的激光射束动力方式来说，由于激光具有方向性强、能量密度高的特点，用较小的发射功率即可实现较远距离的能量传输，所需的发射/接收设备体积重量小（仅为微波的1/10），并且不象微波那样会对通信造成干扰，因而在用作飞行器动力时具有独特优势，相关国家军方和研究机构对其日益重视。

激光射束驱动无人机的主要技术优势及军事应用前景

研究表明，飞行器在采用激光驱动技术后，将会带来一系列明显的技术优势，主要包括：

（1）飞行过程中无须象普通飞机那样需携带大量燃油，有助于减小飞机体积（无需设置占用大量机体空间的油箱）和重量（目前飞机燃油通常占起飞重量的40%左右甚至更多），增加有效载荷；

（2）大幅延长飞机航程和续航时间，只要在航线沿途地面上每隔一定距离设置一个激光发射站，以接力的方式为空中飞机提供动力，从理论上讲将可以维持飞机无限期地飞行；

（3）由于续航时间的延长，飞机在执行任务期间返航着陆、燃料再加注和再次起飞等次数也将显著减少甚至完全取消，从而降低对后勤保障的要求；

（4）地面激光发射站使用的能源可以来自太阳能、风能、水能等途径，将有助于减少对石油等不可再生能源的需求，同时避免燃油燃烧对大气造成的污染。

对无人机来说，由于机上无乘员，将可以使激光射束驱动飞行器的上述优势得到更充分的发挥，在军事上非常适用于以下场合：

（1）用作静止空中平台担负定点监控或通信中继任务。通过接收由地面传来的激光束作为动力，无人旋翼机可以长久静止在空中某一位置，对附近地区实施定点监控或用作通信中继，此时该机非常类似一颗低成本的地球同步轨道卫星，但停留高度却大大降低。

（2）对固定或移动军事设施实施伴随空中监护。在军事基地等固定设施内安装激光发射设备，即可保障无人机在其周边实施长期空中巡逻。在车队（或水面舰艇编队）内部选取一辆车充当机动式激光发射站，即可保障无人机在车队前方上空飞行，对潜在的威胁（如路边炸弹、伏兵等）进行搜索侦察。

（3）对特定地区实施广域持久空中监控。对于部分面积广大、并且需要保持长期空中监视的地区来说，可以选取本地区内的多个地点设置激光发射站，即可保障无人机对整个地区实现覆盖。

（4）以“子母机”的形式延伸无人机的任务航程。战时以一架较大型“母机”作为空中机动激光发射站，可同时为多架承担作战/侦察任务的无人机“子机”提供能量补充，从而大大延伸后者的任务航程。由于高空大气稀薄，对激光传输的不良影响也大大降低，因此“母机”对“子机”的能量补充可以在数千米、数十千米甚至更远距离上进行，而不必象传统的空中加油那样，需要加、受油机进行一系列复杂繁琐的接近、对接、脱离过程，不仅降低了对操作人员的技术要求，还可避免由此带来的安全隐患（碰撞事故或敌方的攻击）。

国外研究现状

目前国外开展激光射束驱动技术的国家主要是美国。由美国家航空航天局（NASA）和阿拉巴马州大学组成的团队多年来一直在从事激光射束动力飞行器的研究，并于2003年10月成功完成了世界首架激光射束驱动小型无人机（重300余克）的试飞。近年来美国Lasermotive公司在激光射束动力领域进行了大量卓有成效的研究。2009年该公司采用激光射束驱动技术为一个攀爬机器人提供动力，使其迅速地沿着一根悬垂于直升机上的缆绳攀爬了1000米，并凭借这一成绩在当年NASA主办的“动力射束传送”挑战赛中获奖。2010年10月，Lasermotive公司成功地通过激光射束驱动使1架“塘鹅”四旋翼无人直升机（重约900克）升空并持续飞行超过12小时。

目前Lasermotive公司正在与洛・马公司合作，以“潜行者”无人机为平台进行激光射束动力技术的开发验证。后者是一种供美军特种部队使用的小型电动无人机（重6.4千克），其机载蓄电池充电后可持续飞行2小时。参加测试的“潜行者”进行了相应改装，加装了由Lasermotive 公司开发并拥有专利的激光射束驱动系统（包括光电接收/转换装置和机载能量管理系统），使之能够接收地面传来的激光束并将其转换为电动机所需的直流电，同时为机载蓄电池充电。系统中配套的地面激光发射机则是以Lasermotive 公司参加2009年NASA挑战赛并获奖的方案为基础改进而来。此外，为了保证激光束不会伤害过往的有人驾驶飞机、飞鸟等（目前所用波长的激光对人眼有害），LaserMotive公司还设计了一套安全防护系统，当飞鸟、飞机等进入附近空域时将自动关闭激光器，此时无人机依靠蓄电池供电继续飞行。

2012年7月，两家公司合作进行了一次“潜行者”的室内测试飞行，通过激光射束驱动成功地将该机续航时间延长到了48小时以上（提高24倍）。2012年8月，两家公司成功完成了“潜行者”的首次户外飞行试验，对沙漠环境下激光射束驱动系统的性能进行了验证并取得大量技术成果：

（1） 验证了系统可在600米距离内通过激光射束为飞行中的无人机补充能量；

（2） 验证了所发射的激光束不会损伤无人机，激光接收装置也不会影响其气动性能和飞行操作；

（3） 验证了激光接收装置及能量管理系统的耐用性，不会受到昼夜、高温和强风的影响；

（4） 验证了光束定向器可对机载激光接收装置进行长时间跟踪，而不会受到湍流和无人机机动飞行的影响，在500米距离上的跟踪精度可达到厘米级；

（5） 验证了激光驱动系统完全可满足设定的操作和安全要求。

Lasermotive和洛・马公司表示，今后还将对激光射束驱动系统进行更多的试飞验证，使其最终能够应用到“潜行者”这类小型无人机上以扩展改善其任务效能。

面临的主要技术问题及未来前景

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关键词：电牵引采煤机；电气维护；故障；诊断

电牵引采煤机是一种较环保的采煤机，对比老式的采煤机，电牵引采煤机不容易受外界因素干扰，影响功能使用，并且效率高、更容易维修维护，占地面积较小，由此可见，电牵引采煤机更有利于矿井的经济发展，更符合实际需要。然而，随着科技的发展，电牵引采煤机的电子集成度越来越高，这就造成了维修时更加困难，所以，为了更好的保证电牵引采煤机的效率、使用寿命，就必须采取切实有效的电气维护与故障诊断措施。

1电牵引采煤机电气系统介绍

以太重煤机有限公司MG400/930-3.3D电牵引双滚筒采煤机为例，电气系统控制中心是使用三菱PLC，变频器是使用ABB变频器。其电控系统启动过程为：主启、左截割电机启动、右截割电机启动。该控制方式将油泵、左、右截割分步启动，增强了启动操作的安全性。同时具有低功耗的遥控系统，免充电式无线发射，可离机操作，既增加了安全性，也增长了待机时间；还有带故障记录的中文人机界面，缩短了故障查询时间。

2电牵引采煤机的电气维护以及故障诊断

在目前的电牵引采煤机中很多都具有了自我检测功能，即发生故障时可以对系统进行自我判断，找出故障原因，但是由于目前的电气系统高度集成化，所以同一故障现象可能是不同的故障原因引起的，所以这一结论仅能当做参考意见，为维修人员提供思路，只依靠电牵引采煤机的故障诊断功能的结论进行维修是不可靠的，因此这就需要相关的维修人员将经验以及可靠的理论知识相结合，判断故障类型并结合实际合理使用维修方案。2.1电牵引采煤机的启动先导回路故障诊断启动先导回路故障主要分为两种情况：在按下启动按钮后，采煤机不启动；启动后采煤机不能自保。采煤机不启动故障排查点：（1）检查采煤机前级电源是否存故障。（2）检查隔离开关是否合闸。（3）检查启动PE线路是否断线。（4）检查启动二极管是否击穿。（5）根据电气图纸检查控制回路中的常闭点是否闭合。采煤机不能自保故障排查点：（1）检查控制中心供电电源是否正常。（2）检查控制自保继电器是否正常。（3）检查是否有主停信号导致停机。（4）根据说明书检查是否有瓦斯、电机温度等数值超过保护值掉电。（5）检查PLC上系统指示灯，判断PLC是否损坏。2.2电牵引采煤机的摇臂升降故障诊断摇臂升降系统故障主要分为两种情况：开机后未操作摇臂自动升降和摇臂升降不动作。开机后未操作摇臂自动升降故障排查点：（1）检查电磁阀阀芯是否卡死不能复位。（2）检查按钮板和遥控装置是否一直向PLC发送指令导致误动作。（3）检查继电器触点是否粘连导致动作。摇臂升降不动作故障情况故障排查点：（1）检查电磁阀阀芯是否可以正常动作和电磁阀是否存在短路、短路异常。（2）检查PLC是否可以收到按钮板和遥控装置发送的指令。（3）检查继电器是否损坏。2.3电牵引采煤机截割电机不启动故障诊断截割电机无法启动故障排查点：（1）检查截割接触器是否损坏。（2）检查截割接触器控制线路是否断线。（3）检查截割电机是否漏电。（4）检查控制中心内继电器是否损坏。（5）检查PLC输入点是否可以接收启动指令，排查启动线路是否正常。2.4电牵引采煤机不牵引故障诊断采煤机在发生不牵引的故障排查点：（1）检查制动器是否可以打开。（2）检查PLC是否接收控制指令。（3）变频器报出故障，根据故障内容判断故障点。例如：变频器报出4210故障代码，根据手册可查出变频器温度过高，应处理电控箱底板冷却水。（4）检查变频器是否损坏，如变频器损坏必须更换变频器。2.5故障诊断以及维护时的注意事项上文介绍了几种常见的故障情况，并针对这些情况提出了相应的检查方案思路。总结以上几点情况可知，相同的故障情况可能是不同的器件、电路异常引起的，因此在发生故障时一定要认真观察现象，不能只依靠采煤机自身的故障判断直接进行维修工作，哪怕是细微的差别也可以根据现象判断故障原因，因此维修人员要有足够的细心以及耐心对故障进行排查，同样的还要注意维修时间，尽可能在较短的时间内，最大程度的完成维修工作，以免造成矿井的利益损失。

3结束语

综上所述，在电牵引采煤机的应用过程当中，相关人员应当熟练掌握电牵引采煤机的基本原理，把握好维护以及故障诊断的技巧。在实际的矿井作业过程中，真正要面对的问题要远比理论中的麻烦且困难多，因此这要求参与维护工作的相关人员在实际维修过程中，要冷静判断情况，务必要认准故障类型，处理故障时要根据实际情况采取维修方案并灵活运用，只有正确的操作才能在保证工作人员的安全的同时确保设备在维修后的性能尽可能的不受影响，最大程度的发挥设备的功效作用。

参考文献

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[2]黄澈，廉自生，张春雨，等.基于LabVIEW的MG1100/2860-WD型交流电牵引采煤机调高系统性能分析[J].煤矿机械，2014，35（7）：528-530.