无线充电与供电技术在物探领域中的应用探讨

付卫山 王 伟 李富贵 王凤城 马建刚

(中石油东方地球物理勘探公司 新疆 哈密)

0 引 言

在地震勘探野外施工现场，随着电子设备的应用日益增多，各种充电线和数据线以及需要事先布置好的插座却给我们的工作带来了困扰。尽管目前已经有红外、蓝牙等无线数据传输方式可以减少线缆数量，但最基本的电力能源供应仍基于有线传输，“蛛网缠身”的感觉仍挥之不去，往往因找不到匹配的数据线、充电头而烦恼，还存在诸多安全隐患。然而，随着电力传输技术的突飞猛进，为电子产品无线充、供电已成为可能［1］。本文主要介绍了无线充、供电技术的传播方式和基本原理，探讨了无线充、供电技术在物探领域中的应用，以及无线充、供电技术的待解难题。

1 无线充电与供电技术的基本原理和主要传播方式［2］

无线充电技术利用了电磁波感应原理，及相关的交流感应技术，在发送和接收端用相应的线圈来发送和接收产生感应的交流信号来进行充电的一项技术，用户只需要将充电设备放在一个“平板”上即可进行充电。

目前无线充电的四种方式:

1)电磁感应方式:利用电磁感应原理进行充电的设备，类似于变压器。在发送和接收端各有一个线圈，发送端线圈连接有线电源产生电磁信号，接收端线圈感应发送端的电磁信号从而产生电流给用电设备。收发设备需要有较高的识别能力，由于电磁波是向四面八方辐射而大量散失，因此效率较低，通常它只适合相互“贴着”的小功率电子产品。

2)磁共振方式:当振荡电路为非理想状态而有电阻时，电阻发热，成为阻尼振荡;当振荡电路中有外加的周期性电动势作用时，将成为受迫振荡;当外加电动势的频率与电路自由振荡的固有频率ω 相同时，振幅达最大值，叫电磁共振。

3)电场耦合方式:电场耦合方式的无线供电技术与“电磁感应方式”及“磁场共振方式”不同，电场耦合方式利用通过沿垂直方向耦合两组非对称偶极子而产生的感应电场来传输电力，在电场耦合的无线充电模式中，充电座和待充电电器不是通过高频磁场来进行磁场的感应，而是直接通过两者之间形成的电容中的高频电场，这种充电方式具有成本低，要求低的优点，具有抗水平错位能力较强的特点。

4)微波:是一种较为成熟的无线充电方式，其电能传输与老式的矿石收音机的收音过程相似。矿石收音机自身没有直流电源，它利用天线接收来自电台的载波，经过检波后在听筒中产生音频电流。微波传输电脑其原理就是将电力以微波或激光形式发射到远程的接收设备，然后通过整流、调制等处理后使用。研制的微型高校接收电路，可以捕捉到从墙壁弹回的无线电波能量，在随负载做出调整的同时保持稳定的直流电压。只需要一个安装在墙身插头的发送器，以及可以安装在任何低电压产品的“蚊型”接收器，将无线电波转化成直流电，在约1m 范围内为不同电子装置的电池充电。

2 在物探领域中应用探讨［3］

2.1 电磁感应无线充电在对讲机与手薄等电池上的应用

在地震勘探领域，需要用到很多带电池的电器设备，如对讲机、GPS 天线电池、仪器和测量手薄等。每一台带电池的电气设备都得有配套的充电器，长年下来对讲机型号五花八门，导致随配的充电器也各式各样，充电时繁琐不说，还容易插错充电器导致充不上电或损毁电器设备造成误工。由于电磁感应技术具有技术简单、充电高效，并能够运用于如充满水、沙泥及灰尘的各种恶劣环境，我们可以购置适当的无线充电器，再对电器电池进行适当的改装，即在电池背后加一个磁感应线圈，主要采用电磁感应原理，通过线圈进行能量耦合，实现能量的传递，如图1 所示。

图1 无线充电器系统框图

系统工作时输入端将交流市电经全桥整流电路变换成直流电，或用24 V 直流电端直接为系统供电。经过电源管理模块后输出的直流电通过2M 有源晶振逆变转换成高频交流电供给初级绕组。通过2 个电感应线圈耦合能量，次级线圈输出的电流经接收转换电路变换成直流电为电池充电。可以做到将多个电器放置于同一充电平台上同时充电，免去接线的烦恼，消除安全隐患。

2.2 磁共振无线供电技术在仪器车上的应用

地震勘探仪器车是资料采集的核心，也是电器最集中的地方。仪器车上种类繁多的电源线，大箱墙壁上高低错位的插座、插线板都是仪器车大箱的一大“特色”，仪器操作员在工作时容易碰到这些电源线导致掉电故障，影响地震采集，有时甚至有触电危险。磁共振无线供电技术在仪器车上的应用可以很好的解决上述问题，与常规电力传输方法不同的是，磁共振无线供电方式，接受线圈和发射线圈可以相距很远，其传输距离和效率受制于磁场的强弱。发射线圈与电源相连，向外发射一定频率的磁场，远处的接收线圈在磁场中发生谐振，接收空间中的能量，在将能量用于设备运转，于是能量便从电源，穿过空间实现了传输。我们可以在仪器大箱墙壁里安装频一个率可调方波发生器，接功率发生电路和发射线圈，接收电路部分安装接收线圈和整流电路就可以带负载如图2 所示。

图2 无线感应充电框图

通过调整发射频率使两个线圈在同一频率产生共振，达到磁共振无线供电目的，仪器车上要使用电台进行通讯，所以需要注意的是必须对其相应频率进行保护，防止相同频率的电磁波进行干扰。

3 无线充电与供电技术的待解难题

无线电力传输的主要障碍是无线电力传输的效率和距离，无线电波的弥散、吸收与衰减是无线输电的难点。电磁波在自由空间传输能量的过程中会向四面八方散发、不易集中、定向性差，能量在无线传输过程中，空气作为耦合介质，电力载体的磁力线会有极大损耗，特别是微波，漫射在空间，能量衰减更快。因此无线电力传输功率低，整体效率差，难以输送大量的能量，电力难以进行大功率远距离的无线传输。对于无线充电，充电器与被充电设备之间以磁场形式连接，各种各样的干扰会造成能量传输的损耗，电磁感应方式传送能量较小、传送范围较小等问题也制约着无线充电发展。

4 结束语

虽然无线充、供电技术在电力传输的效率和距离上还有一些不足，但我相信在不久的未来，随着无线充、供电技术的发展，野外的对讲机、手机等带电池的设备无线充电都将实现，仪器车上电脑、手机等各种电器需要的所有电力都来自于从仪器车大箱里铺装的供电系统，或者来自车上的接收装置接收的电磁波;还有野外营房车内电器也可以实现无线充、供电，停车场可以安装无线充电柜对车辆进行充电，无线接点仪器野外站体也都可能实现无线充、供电。总之，无线充、供电技术在物探领域必定有着更广阔的利用空间。

［1］古丽萍.令人期待的无线电力传输及其发展［J］. 中国无线电，2012，22(1)

［2］王 莹.无线充电动向［J］.电子产品世界，2011，18(11)

［3］谢利涛.无线充电技术及其应用.2011(资料)