[0001] 本发明涉及一种将传感器测量并输出的各类电量与非电物理量，例如电流(AD)、电压(VD)、功率(WD)、频率(FD)、温度(TT)、重量(LD)、位置(PT)、压力、转速(RT)、角度等，转换成可接收的直流模拟量电信号的变送器，更具体的，本发明涉及一种使用电磁共振无线电源的变送器及变送器组。

[0002] 变送器是把传感器的输出信号转变为可被控制器识别的信号的转换器。在自动控制中，信号有如下传输顺序：信号源→传感器→变送器→运算器控制器→执行机构→控制输出。

[0003] 图1是一种变送器的示例性组装图，变送器10包括壳体101、功能板100、连接器300、中间塑料盖102、显示板200等。功能板100上的功能板电路110把来自外部传感器输入的待变送的原始信号转换为可被控制器识别的变送器10的输出信号，功能板100还把一些信号传送给显示板200。显示板200上的显示板电路210接收该些信号，按预定要求处理后，显示相关信息。变送器10工作时需要电源，如功能板100上的功能板电路110、显示板200上的显示板电路210都需要和电源连接，并且常见的连接方式是有线电连接。通常，显示器200上有4个连接插口可以供连接器300插入，能够实现变送器10在4个方向的安装(即旋转)。显示板200和功能板100间存在有线电连接以传送电力和信号。在旋转时，需要调整上述有线电连接中的连接线。连接器300在显示板200上占据一定的空间，并且这种连接使得变送器10整体并不是很紧凑。如果变送器10旋转时不需要调整电连接线，而只是相应的旋转具有显示屏的显示板200，安装将更简便，由于没有连接器300，甚至可以不需要中间塑料盖102，而是直接将显示板200上的螺丝拧入功能板的螺纹中固定。

[0004] 为了对输入信号进行转换和/或显示等，变送器具有一些电路单元，如功能板上起转换功能的功能板电路、显示板上起显示功能的显示板电路等。在变送器工作时，这些电路单元需要电源供电。通过电源连接器、连接电缆及电连接接口等，该电源和外部供电系统(如客户的配电箱)有线电连接，从而获得电力。这种有线电连接的有线电源带来了一些弊端：1)电源连接器或连接电缆出现缺陷时造成变送器失效或不可靠；2)有线电连接的连接处的带电导体在危险环境打火花，带来危险；3)在同时给多台变送器供电时，必须使每台变送器都和外部供电系统有线电连接；4)对于图1中有显示板的变送器，显示板和功能板有线电连接，如电源线、信号线(在本发明中，信号不同于电源电流，信号可以是数据信号也可以是控制信号)；所述显示板可以旋转，但是，连接器在显示板上占据一定的空间，使得这种连接使得变送器整体并不是很紧凑，并且显示板旋转后，需要重新设置电连接线，操作不便。即变送器的有线供电结构限制了变送器的安装灵活性、便利程度，而且也使变送器结构复杂、可靠性下降。

[0020] 实施例1

[0021] 变送器10包括多个电路单元。如图2所示，在变送器10的供电结构中，包括源谐振电路50、第一负载谐振电路60，以及和第一负载谐振电路60有线电连接第一用电单元800。其中，供电系统400和源谐振电路50有线电连接，为源谐振电路50输入待无线发射的电能。变送器10包括第一用电单元800及第一负载谐振电路60。供电系统400可以是现有技术中给变送器10供电的任何合适电源，如客户的AC/DC配电柜900(参见图4)。源谐振电路50将该待无线发射的电能转换为高频电磁波并发射。第一负载谐振电路60和源谐振电路50电磁共振耦合，无线接收该高频电磁波，为该用电单元提供工作所需电力。即第一用电单元800使用的是无线电源，无线电源包括组件：源谐振电路50和第一负载谐振电路60。从无线供电目的看，源谐振电路50和第一负载谐振电路60选择在壳体101内、壳体101上、壳体101外配置，都可以实现无线供电。即，源谐振电路50可以不是变送器10的组件，处于变送器10之外。变送器10可包括壳体101、功能板100、显示板200。优选，源谐振电路50设置在功能板100上，第一负载谐振电路60设置在显示板200上。通过使用无线电源，变送器的电路单元可不和供电系统直接有线电连接，变送器安装简单、灵活、方便，并使变送器可靠性提高，避免了在危险环境下，使用有线电源时，连接处打火花的问题。

[0022] 实施例2

[0023] 对于实施例1中的第一用电单元800，可以是功能板电路110或显示板电路210(可参考图3)，或者是变送器10内的其它电路单元。其中，变送器10包括壳体101、功能板100、显示板200。功能板100上具有功能板电路110，其中功能板电路110把传感器的输出信号转变为可被控制器识别的信号。显示板200具有起显示功能的显示板电路210。

[0024] 可选的，显示板200上有第一负载谐振电路60，第一负载谐振电路60和显示板电路210有线电连接，为显示板电路210提供电能；源谐振电路50在变送器10的功能板100上，这样，功能板100可以无线给显示板200传输电能，从而使功能板100和显示板200之间不需要使用用于传输电力的电连接线。

[0025] 多个电路单元中除了第一用电单元800、第一负载谐振电路60，还可包括更多的用电单元和负载谐振电路，如，多个电路单元可选的还包括第二负载谐振电路及第二用电单元；其中，第二用电单元是和第二负载谐振电路有线电连接，第二负载谐振电路通过电磁共振耦合，接收高频电磁波，并为第二用电单元提供电能，即对于第二用电单元而言，该第二负载谐振电路是电源；第二用电单元是所述变送器的功能板上的功能板电路。例如将第一用电单元选择为显示板电路210，第二用电单元选择为功能板电路110，

[0026] 实施例3

[0027] 对于实施例2中的方案，为了实现显示板200和功能板100间在无有线电连接的情况下，显示板200、功能板100间可无线给对方电能(如功能板100给显示板200无线传输电能)，也能从功能板100获得需要显示的数据信号或者控制信号，可以进一步设置收发器电路。如图3所示，显示板电路210包括显示板无线收发器电路2101，功能板电路110包括功能板无线收发器电路1101；其中，功能板无线收发器电路1101向所述显示板无线收发器电路2101发送无线信号。这样，所述显示板200和功能板100间无有线的电连接；在显示板200的用电由功能板无线提供或不由功能板提供时，显示板200可360度旋转，且所述显示板200旋转后，无需调整显示板200和功能板100间的电连接线即可实现正常显示。

[0028] 对于无线收发器，可以使用支持串行外设接口(SPI，Serial Peripheral Interface)串行数据的射频(RF，radio frequency)收发器，以TI(德州仪器)的射频收发器为例，如CC8521射频收发器。

[0029] 实施例4

[0030] 对于实施例1所述的供电结构，可以进一步选择为这样的变送器组：有相邻的至少2个(即多个)变送器，每个变送器都配有第一负载谐振电路60，给这多个变送器仅配1个源谐振电路50，实现一个源谐振电路50为多个第一负载谐振电路无线发射电能。图4是是该实施方案的一个示意图。其中，10A、10B、10C、10D为一组相邻的变送器，构成变送器组。每个变送器都具有各自的第一负载谐振电路60A、60B、60C、60D(图中未示出)，但它们共用一个源谐振电路50；900是客户的AC/DC配电柜，其一端和源谐振电路50有线电连接，一端和市电或电源转换单元有线电连接。在本实施例中，源谐振电路50优选在壳体101之外，即源谐振电路电路50可以采用外置结构。即本方案可实现单一电源对多台变送器供电。

[0031] 上述实施例的进一步的选择

[0032] 在一些实施方案中，功能板电路110获得电力的方式可以是：1)和供电系统400有线电连接；2)源谐振电路50和供电系统400有线电连接，功能板100上有第一负载谐振电路60，从而实现功能板100和供电系统400的无线电连接，以无线方式获得电力。

[0033] 在一些实施方式中，即显示板电路210获得电力的方式可以是：1)和供电系统400有线电连接；2)通过源谐振电路50和供电系统400有线电连接，显示板200上有第一负载谐振电路60，从而实现显示板200和供电系统400的无线电连接，以无线方式获得电力；3)功能板100上有源谐振电路50，显示板200上有第一负载谐振电路60，从而实现显示板200从功能板100以无线方式获得电力。

[0034] 在一个实施方案中，源谐振电路50和第一负载谐振电路60都位于壳体101之内。在一个实施方案中，源谐振电路50在壳体101之外，而第一负载谐振电路60在壳体101之内。在一个实施方案中，源谐振电路50在壳体101之内，而第一负载谐振电路60在壳体
101之外。根据不同的源谐振电路、第一负载谐振电路位置选择，可选择在壳体101上设置和第一用电单元800连接的接口，以实现为第一用电单元800供电。

[0035] 无线电源电路的具体设计

[0036] 本发明的核心点在于设计一套强耦合电磁共振无线电源传输电路。如何选择谐振的线圈是非常重要的。此设计的物理原理如下：在自然界中谐振现象非常普遍.振动的两个线圈之前包含了能量的传播，当两个线圈以相同的频率发生磁共振时，即使很小的激励也能在两个线圈之间积聚很大的能量；当两个线圈靠近时，两个线圈发生能量的耦合，从而在两个线圈之间发生能量的传递。基于以上物理原理，在图5中，给出了结合了一个完整强耦合电磁共振无线电源传输的框图。下面就结合该图，说明无线电源的具体设计。需要说明的是，为了说明本发明的核心构思，下面的内容进行了适当的简化，略去了一些次要内容，本领域普通技术人员有能力在此核心构思的基础上作一些改变，这些改变应属于本发明要求保护的范围。

[0037] 为了产生高频电磁波发射，需要一个高频电源。变送器的常见输入有市电和24V直流电，它们都不是高频的电源输入。因此，在具体实现源谐振电路时，需要使用高频功率放大器和高频振荡器，以将输入的电能高效无线发射。在本发明的一个实施方案中，选择如下的结构：源谐振电路50和客户的AC/DC配电柜900连接，其中源谐振电路50含有高频功率放大器501和高频振荡器502，它们的连接关系如图5所示。高频电源的组成部件包括和客户的AC/DC配电柜900、高频振荡器502同时连接的高频功率放大器501。高频功率放大器501包括开关管相关电路单元5011。图5中，Ls是磁耦合源谐振器，用来发射能量；LD是磁耦合负载谐振器，用来接收能量；单匝线圈L1从高频电源接收到能量后将能量耦合给源谐振器Ls，源谐振器Ls将能量无线耦合给负载谐振器LD；再将能量耦合给单匝线圈Lw，最后耦合到的交流电源通过全桥转为直流电源给负载Rw供电。这里的Rw可以是用电单元800。在图5中，高频功率放大器501、高频振荡器502、Ls均是源谐振电路50的组件。

[0038] 源谐振电路50可等效为R、L和C串联的谐振电路。源谐振电路50的性能由谐振频率ω0和它的自身损耗Г决定。该性能可以用质量因子Q衡量，其中Q＝ω0/2Г，Q越大储能能力越高。其中，ω0和Q的计算公式如下。

[0039]

[0040] 在强耦合电磁共振无线电源传输系统中，质量因子期望足够大。所以需要选择源谐振电路的电路参数，如尽量选择电感值大，自身电阻损耗和寄生电容都较小的电感，使源谐振器的质量因子Q足够大，优选60％以上，更优选75％以上或80％以上。

[0041] 在一个实施方案中，选择高效的E类功率放大器作为源谐振电路50中的高频功率放大器501。E类功率放大器的基本原理图如图6所示。其中，C1是开关管的输入电容和电路的分布电容之和，C2是并联电容，LRFC是高频扼流圈，MOSFET开关管S连接到高频振荡器502。在一个实施方案中，选择LMC555作为高频振荡器502，其最大频率输出为3MHZ。LMC555的最大频率输出的电路如图7所示。通常此类功率放大器的输出阻抗是50Ω。这里选择L1为100nH，后端的最终负载可以到达500Ω，以实现阻抗匹配。

[0042] 当开关管饱和，v0＝0，is先增大后减小，当开关管断开，is＝0，v0由负载决定，v0和is交替为0的特性使得此类功率放大器的传输效率理论上达到了100％，当开关管在断开和饱和之间的状态，直流功率被转为高频的交流功率。

[0043] 分析了电源输入部分，现将重点放在源谐振电路50和第一负载谐振电路60的等效电路分析上，此部分是本设计的关键。考虑到谐振电路在高频工作状态下的寄生电阻和寄生电容，本发明图5可等效为图8。

[0044] 图8左侧是源谐振电路，右侧是负载谐振电路及负载Rw。其中，uin是高频输入电压(即uin是图5中经过L1耦合到Ls上的电压)；Ls是源谐振器，用来发射能量；Rs是源谐振器电阻；Cs是源谐振器电容。LD是负载谐振器(注意，LD两端电压是图5中Lw两端的电压)，用来接收能量；RD是负载谐振器电阻；CD是负载谐振器电容；M是互感，D是源谐振器和负载谐振器之间的距离。选择源谐振电路的电路参数，使的源谐振电路工作时，源谐振电路实现LC谐振，谐振频率为ω(ω＝ω0)。选择负载谐振电路的电路参数，使的负载谐振电路工作时，负载谐振器实和源谐振器共振，共振频率为ω，负载谐振器LD无线接收源谐振器Ls发射来的电能。

[0045] 当Ls和LD都以ω频率共振时，假设Rs＝RD＝R0，电源的功率传输效率η计算如下。

[0046]

[0047]

[0048]

[0049] 其中：

[0050] μ0是真空导磁率，等于4π*10-7H/m；

[0051] σ是电导率；

[0052] n是空心线圈匝数；

[0053] r是空心线圈半径；

[0054] a是导线半径。

[0055] 在如下条件下：

[0056]

[0057] 可以得到最大功率传输效率如下：

[0058]

[0059] 为了获得最大的功率传输效率，R0越小越好，这意味着在保证能够达到必须的谐振频率前提下a越大，r越小，n越小越好，同时在相同的互感条件下，如果想使得传输距离D变大，n、r越大越好，所以想使得传输效率和传输距离之间达到一个优化，必须选择合适的n、r。通过线绕空心电感计算器可以计算得出需要的谐振器参数。

[0060] 在一个实施方案中，为了满足谐振频率3MHz，需要将空心线圈的自谐振频率设置在3MHz，经过计算和选值，Ls和LD的电感为8mH，空心线圈长1cm，直径5cm，所以能安装在现有的电路板上。铜的电阻率ρ为：

[0061] ρ＝1.75x10-8Ω·m；

[0062] 经计算：

[0063] R0＝ρl/s＝1.75*10-8*100*3.14*0.05/[3.14*(0.04*10-3)2]＝55Ω。

[0064] 根据之前理论可知，负载可为Rw＝RL＝500Ω。可以得到ηmax＝80％，及[0065] 系统的功率传输效率可达80％。考虑到下述关系：

[0066]

[0067]

[0068] 可得传输距离为0.8cm。

[0069] 通过优化互感电路中各元件的物理参数，可提高互感电路的功率传输效率η。在一些实施例方案中，η至少50％以上，优选75％以上。传输距离D至少0.4cm以上，优选0.7cm以上，如0.8cm。为了延长传输距离，可以牺牲传输效率，实际使用时，可根据实际情况来做权衡。

[0070] 在一个实施方案中，源谐振器和负载谐振器的尺寸可以不一致。

[0071] 在一个实施方案中，源谐振器电路和负载谐振器电路之间可以通过设置具有中间谐振器的中间谐振电路进行能量的中转，从而实现较远距离的无线能量传输。

[0072] 在一个实施方案中，第一负载谐振电路60和源谐振电路50阻抗匹配，以获得高的功率传输效率。

[0073] 本领域技术人员能够理解的，对于本发明所述的无线电源，源谐振电路和第一负载谐振电路及第一负载谐振电路和负载的连接电路，都可以根据需要作适当的改进。如无线电源的输出功率可调；在电源输入或输出时，对电源的频率、电压和电流等作适当的变换；设置控制电路，在第一负载谐振电路和负载断开时，使源谐振电路停止工作，在第一负载谐振电路和负载电连接时，启动源谐振电路。

[0074] 出于说明和描述的目的，前面已经提供了对于实施方案的描述。该描述并不是意在穷举或限制本公开。一般而言，特定实施方案的各个要素或特征并不限于该特定实施方案，而是，即使没有具体地示出或描述，在适用的情况下，多个特定实施方案的各个要素或特征可互换、组合，并且可用于所选择的实施方式。特定实施方案的各个要素或特征也可以以多种方式变化，这些变化并不被视为脱离本公开，而是所有这些变化都包括在本公开的范围内。

[0075] 描述了以下示例性实施方式：

[0076] 示例1：一种变送器，包括：

[0077] 第一负载谐振电路，及

[0078] 第一用电单元；

[0079] 其中，所述第一用电单元和所述第一负载谐振电路有线电连接，所述第一负载谐振电路通过电磁共振耦合，接收高频电磁波，并为所述第一用电单元提供电能。

[0080] 示例2：如示例1所述的变送器，其中，所述第一用电单元是显示板上的起显示功能的显示板电路。

[0081] 示例3：如示例2所述的变送器，其中，所述第一负载谐振电路在所述显示板上。

[0082] 示例4：如示例3所述的变送器，其中，所述变送器的功能板和所述显示板是分立的。

[0083] 示例5：如示例1所述的变送器，其中，所述第一用电单元是所述变送器的功能板上的功能板电路。

[0084] 示例6：如示例5所述的变送器，其中，所述第一负载谐振电路在所述功能板上。

[0085] 示例7：如示例3所述的变送器，还包括：

[0086] 第二负载谐振电路，及

[0087] 第二用电单元；

[0088] 其中，所述第二用电单元和所述第二负载谐振电路有线电连接，所述第二负载谐振电路通过电磁共振耦合，接收高频电磁波，并为所述第二用电单元提供电能。

[0089] 示例8：如示例3或7所述的变送器，其中，所述变送器还包括功能板上的源谐振电路，其中，所述源谐振电路和为所述源谐振电路输入待无线发射的电能的供电系统有线电连接，并将所述待无线发射的电能转换为所述高频电磁波并发射。

[0090] 示例9：如示例4所述的变送器，其中，所述功能板电路和所述显示板电路均包括能够彼此通信的无线收发器电路。

[0091] 示例10：如示例7所述的变送器，其中，所述第一负载谐振器被布置为能够接收所述变送器的壳体之外或之上的源谐振电路无线发射的电能；所述第二负载谐振器被布置为能够接收所述变送器的壳体之外或之上的源谐振电路无线发射的电能。

[0092] 示例11：如示例9所述的变送器，其中，所述变送器还包括功能板上的源谐振电路，其中，所述源谐振电路和为所述源谐振电路输入待无线发射的电能的供电系统有线电连接，并将所述待无线发射的电能转换为所述高频电磁波并发射。

[0093] 示例12：如示例9所述的变送器，其中，所述变送器还包括第二负载谐振电路及第二用电单元，其中，所述第二用电单元和所述第二负载谐振电路有线电连接，所述第二负载谐振电路通过电磁共振耦合，接收高频电磁波，并为所述第二用电单元提供电能，所述第二负载谐振电路在所述功能板上，所述第二用电单元是所述功能板电路。

[0094] 示例13：如示例8、11或12所述的变送器，其中，所述源谐振电路含有高频振荡器和高频功率放大器，以提供无线电能发射所需的高频电源。

[0095] 示例14：如示例13所述的变送器，其中，所述高频功率放大器为E类功率放大器。

[0096] 示例15：如示例14所述的变送器，其中，所述E类功率放大器包含连接到所述高频振荡器的MOSFET开关管。

[0097] 示例16：如示例13所述的变送器，其中，所述高频振荡器为最大输出频率为3MHz的高频振荡器。

[0098] 示例17：如示例9所述的变送器，其中，所述显示板无线收发器电路和/或所述功能板无线收发器电路含支持串行外设接口(SPI)的射频收发器。

[0099] 示例18：一种变送器组，其特征在于：包括多个示例1所述的变送器，所述变送器组包括一个源谐振电路，所述多个变送器共用所述源谐振电路，其中，

[0100] 所述源谐振电路和为所述源谐振电路输入待无线发射的电能的供电系统有线电连接，并将所述待无线发射的电能转换为所述高频电磁波并发射。