一种电-光-声-摩擦电耦合的信号传输结构.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN116015468A(43)申请公布日2023.04.25(21)申请号202211673754.4(22)申请日2022.12.26(71)申请人南京邮电大学地址210003江苏省南京市栖霞区文苑路9号(72)发明人曹自平韩文杰(74)专利代理机构南京纵横知识产权代理有限公司32224专利代理师史俊军(51)Int.Cl.H04B10/50(2013.01)H04B10/524(2013.01)权利要求书1页说明书3页附图3页(54)发明名称一种电-光-声-摩擦电耦合的信号传输结构(57)摘要本发明公开了一种电‑光‑声‑摩擦电耦合的信号传输结构，本发明提出一种添加有第三相颗粒以提高声阻抗的激光超声换能器，利用该激光超声换能器替代用于信号发送的压电超声换能器，利用激光激励超声波信号，使用一种具有包含有海绵基体、金属膜和填充体的摩擦电器件替代信号接收用的压电超声换能器，将超声波信号转换成电信号，相较于传统的基于压电超声波换能器的电‑声‑电耦合的信号传输结构，无需电缆，可实现远距离跨金属的信号无线传输。CN116015468ACN116015468A权利要求书1/1页1.一种电‑光‑声‑摩擦电耦合的信号传输结构，其特征在于，包括设置在金属介质两侧的激光超声换能器和摩擦电器件；激光超声换能器包括第一基体和设置在第一基体上的第二相颗粒，第二相颗粒吸收周期性激光脉冲，并将周期性激光脉冲转换成周期性热能，第一基体在周期性热能的作用下膨胀、收缩，产生超声波信号；摩擦电器件包括第二基体，第二基体上开设有若干孔洞，孔洞内壁镀有金属膜，空洞内填充有填充体，第二基体和填充体在超声波信号的作用下相互挤压和拉扯，使金属膜任意位置处的电荷密度发生相应动态变化产生电信号。2.根据权利要求1所述的一种电‑光‑声‑摩擦电耦合的信号传输结构，其特征在于，第一基体上设置有增加激光超声换能器声阻抗的第三相颗粒。3.根据权利要求2所述的一种电‑光‑声‑摩擦电耦合的信号传输结构，其特征在于，第三相颗粒为金属颗粒，颗粒粒径为5‑200000纳米，所组成元素中质量含量大于50%的元素的原子量不小于50。4.根据权利要求1或2所述的一种电‑光‑声‑摩擦电耦合的信号传输结构，其特征在于，第一基体为聚二甲基硅氧烷基体。5.根据权利要求1或2所述的一种电‑光‑声‑摩擦电耦合的信号传输结构，其特征在于，第二相颗粒为碳基纳米颗粒，颗粒粒径为5‑200纳米，所组成元素中碳元素质量含量大于50%。6.根据权利要求1所述的一种电‑光‑声‑摩擦电耦合的信号传输结构，其特征在于，第二基体为绝缘性高分子基体，为孔隙率大于50%的多孔结构。7.根据权利要求1所述的一种电‑光‑声‑摩擦电耦合的信号传输结构，其特征在于，填充体为绝缘性高分子填充体。8.根据权利要求1所述的一种电‑光‑声‑摩擦电耦合的信号传输结构，其特征在于，金属膜的厚度为10‑5000纳米。9.根据权利要求1所述的一种电‑光‑声‑摩擦电耦合的信号传输结构，其特征在于，还包括信源、信道编码模块、数字调制模块、激光器、信号放大及滤波模块、数字解调模块、信道解码模块和信宿，信源、信道编码模块、数字调制模块、激光器依次连接，激光器向激光超声换能器发射激光，信号放大及滤波模块、数字解调模块、信道解码模块和信宿依次连接，信号放大及滤波模块的输入端输入摩擦电器件输出的电信号。2CN116015468A说明书1/3页一种电‑光‑声‑摩擦电耦合的信号传输结构技术领域[0001]本发明涉及一种电‑光‑声‑摩擦电耦合的信号传输结构，属于通信技术领域。背景技术[0002]厚壁密闭金属腔体是一类典型的国防和工业特种装备，它使得腔内高温、高压、甚至高爆炸和高辐射性环境能够安全地与外界隔绝。实际应用中为不降低这类装备的力学强度，通常希望尽可能不在腔体上开孔，这导致利用常规技术对腔内状态进行实时监控变得极为困难。[0003]长期以来无线监控是以电磁波为载体进行信号无线传输，但密闭金属腔体却会对电磁波形成屏蔽效应。而对于超声波而言，金属是其良好传输媒介，较低功率的超声波在金属中传播距离可达数米之遥，因此以超声波为载体进行跨厚壁金属的信号无线传输具有较好的应用价值。[0004]当超声波从空气进入金属介质时，由于空气的声阻抗与金属的声阻抗相差几个数量级的失配，会在空气/金属界面上产生强烈反射；同理，当超声波从金属进入空气时也会在界面出现强烈反射。在超声波跨金属信号无线传输系统中，为了避免超声波在空气/金属界面因反射而降低通信质量，要求实现信号发射和信号接收的超声波换能器与金属壁紧密接触。由于体积紧凑和使用方法简单，通常超声波换能器选用压电式结构（压电超声换能器），需要指出的是，这类超声波换能器在使用时需要通过电