本發(fā)明涉及超聲波能量傳輸技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種超聲信道能量衰落建模方法及其實驗裝置。

背景技術(shù)：

無線輸能是現(xiàn)在能量傳輸?shù)囊粋€研究熱點，目前研究超聲波輸能有直接讓超聲波換能器與超聲波接收裝置接觸，或者將超聲波換能器放置在傳輸介質(zhì)（如液體）中。但此種實驗方式無法對變量進行精確和定量的控制，難以對影響系統(tǒng)效率的參數(shù)進行試驗測量。

對于傳輸信道建模目前并沒有一個確定性的方法。有學者通過機電等效的方法，將信道等效為電路模型，采用耦合的方式描述傳輸衰落信道和傳輸系統(tǒng)，但此方法無法與實驗數(shù)據(jù)緊密結(jié)合。

當在研究超聲波在液體介質(zhì)中的傳輸效率時，需要對超聲波接收裝置相對于超聲波發(fā)生器及超聲波換能器的源宿距離、相對高度、相對角度進行定量的測量，但如果采用傳統(tǒng)的衰落信道建模方法和實驗方式，則無法對實驗變量進行精確控制，不能保證實驗的準確性和精確性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提供一種能精確控制，且能提高準確性的一種超聲信道能量衰落建模方法。

本發(fā)明的另一個目的是提供一種能精確控制，且能實現(xiàn)快速測量的一種超聲信道能量衰落建模實驗裝置。

本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：

一種超聲信道能量衰落建模方法，包括以下步驟：

設置信道系統(tǒng)參數(shù)，并建立用于超聲波傳輸能量信道的黑盒模型，所述黑盒模型包括有輸入端口和輸出端口；

通過測量儀器采集實驗的測試集數(shù)據(jù)，并根據(jù)黑盒模型對其進行處理得到衰落信道模型。

作為所述的一種超聲信道能量衰落建模方法的進一步改進，所述通過測量儀器采集實驗的測試集數(shù)據(jù)，并根據(jù)黑盒模型對其進行處理得到衰落信道模型，其具體包括：

在多次實驗中利用測量儀器通過電氣測量點進行數(shù)據(jù)采集，得到實驗的測試集數(shù)據(jù)；

對測試集數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學處理，并進而進行回歸分析，建立有相關(guān)關(guān)系的變量之間的數(shù)學關(guān)系式，從而確定變量之間的相關(guān)關(guān)系，進而得到變量之間的相互依賴和制約關(guān)系，得到衰落信道模型。

作為所述的一種超聲信道能量衰落建模方法的進一步改進，所述對測試集數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學處理，并進而進行回歸分析，建立有相關(guān)關(guān)系的變量之間的數(shù)學關(guān)系式，從而確定變量之間的相關(guān)關(guān)系，進而得到變量之間的相互依賴和制約關(guān)系，得到衰落信道模型，之后還包括以下步驟：

根據(jù)得到的衰落信道模型，對其進行驗證處理。

作為所述的一種超聲信道能量衰落建模方法的進一步改進，所述根據(jù)得到的衰落信道模型，對其進行驗證處理，其具體包括：

重復獲取測試集數(shù)據(jù)的實驗步驟，在同一實驗參數(shù)下，取不同的實驗數(shù)值，得到檢驗集數(shù)據(jù)；

根據(jù)得到的衰落信道模型進行預測和控制，得到模型預測集數(shù)據(jù)；

將檢驗集數(shù)據(jù)和模型預測集數(shù)據(jù)進行對比處理，從而根據(jù)對比結(jié)果判斷衰落信道模型的有效性。

本發(fā)明所采用的另一技術(shù)方案是：

一種超聲信道能量衰落建模實驗裝置，包括超聲波發(fā)生部件、矩形水槽、接收裝置底座和超聲波接收裝置，所述矩形水槽的側(cè)壁設有連接口，所述超聲波發(fā)生部件通過連接口與矩形水槽連接，所述矩形水槽的底部設有與側(cè)壁垂直設置的導軌和標尺，所述接收裝置底座安裝在導軌上，所述超聲波接收裝置安裝在接收裝置底座上。

作為所述的一種超聲信道能量衰落建模實驗裝置的進一步改進，所述超聲波發(fā)生部件包括超聲波發(fā)生器和第一超聲波換能器，所述超聲波發(fā)生器的輸出端與第一超聲波換能器的輸入端連接，所述第一超聲波換能器通過連接口與矩形水槽連接。

作為所述的一種超聲信道能量衰落建模實驗裝置的進一步改進，所述接收裝置底座包括底座主體，所述底座主體底部設有安裝座，所述底座主體通過安裝座安裝在導軌上，所述底座主體上由上到下依次設有角度調(diào)節(jié)盤、細調(diào)連桿和粗調(diào)連桿，所述底座主體底部設有超聲波接收裝置夾具，所述超聲波接收裝置安裝在超聲波接收裝置夾具上。

作為所述的一種超聲信道能量衰落建模實驗裝置的進一步改進，所述超聲波接收裝置包括有第二超聲波換能器和整流電路，所述第二超聲波換能器的輸出端與整流電路的輸入端連接。

作為所述的一種超聲信道能量衰落建模實驗裝置的進一步改進，所述安裝座通過螺栓與導軌連接。

作為所述的一種超聲信道能量衰落建模實驗裝置的進一步改進，所述角度調(diào)節(jié)盤可自由旋轉(zhuǎn)，能實現(xiàn)0°～180°的旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明一種超聲信道能量衰落建模方法通過對測試集數(shù)據(jù)的采集和處理，從而建立了測量變量與系統(tǒng)參數(shù)的相關(guān)關(guān)系模型，進而擇優(yōu)選擇和修正模型，對傳輸信道的特征和性能進行了描述，本發(fā)明可有效控制參數(shù)變量，對影響系統(tǒng)效率的參數(shù)進行多方面探究和試驗測量，使用快捷簡便，且能有效提高準確性，可廣泛用于對超聲波輸能的研究領(lǐng)域。

本發(fā)明的另一個有益效果是：

本發(fā)明一種超聲信道能量衰落建模實驗裝置通過側(cè)面連接超聲波發(fā)生部件，并將超聲波接收裝置置于接收裝置底座上，在液體介質(zhì)中通過改變接收裝置底座在導軌上不同距離螺栓的連接和移動，從而能有效控制源宿距離，并可通過矩形水槽底面標尺讀出，使用簡單方便。

進一步，通過接收裝置底座的粗調(diào)連桿和細調(diào)連桿實現(xiàn)在垂直于水面的相對高度調(diào)節(jié)，通過底座上角度調(diào)節(jié)器的旋轉(zhuǎn)改變，從而調(diào)節(jié)超聲波接收裝置與超聲波發(fā)生部件的相對角度，再通過超聲波接收裝置的測量點測量相關(guān)數(shù)據(jù)，提高了實驗結(jié)果的準確性與可靠性，實現(xiàn)了有效地對實驗變量進行精確控制，能滿足超聲波輸能多次實驗要求。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進一步說明：

圖1為本發(fā)明一種超聲信道能量衰落建模方法的步驟流程圖；

圖2為本發(fā)明一種超聲信道能量衰落建模方法的數(shù)據(jù)處理的步驟流程圖；

圖3為本發(fā)明一種超聲信道能量衰落建模實驗裝置的超聲發(fā)生部件的結(jié)構(gòu)方框圖；

圖4為本發(fā)明一種超聲信道能量衰落建模實驗裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明一種超聲信道能量衰落建模實驗裝置的側(cè)視圖；

圖6為本發(fā)明一種超聲信道能量衰落建模實驗裝置的俯視圖；

圖7為本發(fā)明一種超聲信道能量衰落建模實驗裝置的接收裝置底座正視示意圖；

圖8為本發(fā)明一種超聲信道能量衰落建模實驗裝置的接收裝置底座俯視示意圖；

圖9為本發(fā)明一種超聲信道能量衰落建模實驗裝置的超聲波接收裝置框圖。

具體實施方式

參考圖1，本發(fā)明一種超聲信道能量衰落建模方法，包括以下步驟：

設置信道系統(tǒng)參數(shù)，并建立用于超聲波傳輸能量信道的黑盒模型，所述黑盒模型包括有輸入端口和輸出端口；

通過測量儀器采集實驗的測試集數(shù)據(jù)，并根據(jù)黑盒模型對其進行處理得到衰落信道模型。

其中，所述信道系統(tǒng)參數(shù)包括源宿距離、角度、高度、頻率和傳輸介質(zhì)等。

優(yōu)選的，在控制變量的前提下，調(diào)整信道系統(tǒng)參數(shù)，如源宿距離、角度、高度、頻率和傳輸介質(zhì)等，重復上述步驟，即可得到不同參數(shù)下的衰落信道模型。

參考圖2，進一步作為優(yōu)選的實施方式，所述通過測量儀器采集實驗的測試集數(shù)據(jù)，并根據(jù)黑盒模型對其進行處理得到衰落信道模型，其具體包括：

在多次實驗中利用測量儀器通過電氣測量點進行數(shù)據(jù)采集，得到實驗的測試集數(shù)據(jù)；

對測試集數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學處理，并進而進行回歸分析，建立有相關(guān)關(guān)系的變量之間的數(shù)學關(guān)系式，從而確定變量之間的相關(guān)關(guān)系，進而得到變量之間的相互依賴和制約關(guān)系，得到衰落信道模型。

其中，所述測試集數(shù)據(jù)包括但不限于電壓、電流和功率等參數(shù)。所述統(tǒng)計學處理包括但不限于標準化處理、異常點剔除和共線性分析等統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析處理方法。

進一步作為優(yōu)選的實施方式，所述對測試集數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學處理，并進而進行回歸分析，建立有相關(guān)關(guān)系的變量之間的數(shù)學關(guān)系式，從而確定變量之間的相關(guān)關(guān)系，進而得到變量之間的相互依賴和制約關(guān)系，得到衰落信道模型，之后還包括以下步驟：

根據(jù)得到的衰落信道模型，對其進行驗證處理。

進一步作為優(yōu)選的實施方式，所述根據(jù)得到的衰落信道模型，對其進行驗證處理，其具體包括：

重復獲取測試集數(shù)據(jù)的實驗步驟，在同一實驗參數(shù)下，取不同的實驗數(shù)值，得到檢驗集數(shù)據(jù)；

根據(jù)得到的衰落信道模型進行預測和控制，得到模型預測集數(shù)據(jù)；

將檢驗集數(shù)據(jù)和模型預測集數(shù)據(jù)進行對比處理，從而根據(jù)對比結(jié)果判斷衰落信道模型的有效性。

參考圖3～圖9，本發(fā)明一種超聲信道能量衰落建模實驗裝置，包括超聲波發(fā)生部件、矩形水槽11、接收裝置底座4和超聲波接收裝置，所述矩形水槽11的側(cè)壁設有連接口，所述超聲波發(fā)生部件通過連接口與矩形水槽11連接，所述矩形水槽11的底部設有與側(cè)壁垂直設置的導軌1和標尺3，所述接收裝置底座4安裝在導軌1上，所述超聲波接收裝置安裝在接收裝置底座4上。

優(yōu)選的，所述矩形水槽11為不銹鋼體，側(cè)邊通過耦合劑及與第一超聲波換能器12同樣直徑的圓形的連接口與第一超聲波換能器12相連接；所述矩形水槽11底面設置導軌1及標尺3，可在上述導軌1上對超聲波接收裝置進行相對超聲波發(fā)生器和第一超聲波換能器12的源宿距離，相對高度和相對角度的調(diào)節(jié)。

進一步作為優(yōu)選的實施方式，所述超聲波發(fā)生部件包括超聲波發(fā)生器和第一超聲波換能器12，所述超聲波發(fā)生器的輸出端與第一超聲波換能器12的輸入端連接，所述第一超聲波換能器12通過連接口與矩形水槽11連接。

優(yōu)選的，所述超聲波發(fā)生器可以產(chǎn)生相應頻率的超聲波。所述第一超聲波換能器12為壓電陶瓷圓環(huán)形換能片。所述超聲波發(fā)生器的正負電極與所述第一超聲波換能器12的正負電極通過導線進行連接。

進一步作為優(yōu)選的實施方式，所述接收裝置底座4包括底座主體16，所述底座主體16底部設有安裝座17，所述底座主體16通過安裝座17安裝在導軌1上，所述底座主體16上由上到下依次設有角度調(diào)節(jié)盤5、細調(diào)連桿7和粗調(diào)連桿8，所述底座主體16底部設有超聲波接收裝置夾具10，所述超聲波接收裝置安裝在超聲波接收裝置夾具10上。

優(yōu)選的，所述導軌1為空心圓柱體，并設有螺栓2，螺栓2間距為5cm，用于與接收裝置底座4的固定和連接，可實現(xiàn)接收裝置底座4在導軌1上遠近距離的調(diào)節(jié)；所述標尺3平行于導軌1，用于記錄第一超聲波換能器12與超聲波接收裝置的源宿距離。所述接收裝置底座4頂部設有超聲波接收裝置夾具10，夾具為L型，由絕緣材料制作；所述底座粗調(diào)連桿8和細調(diào)連桿7上均標明刻度，分別實現(xiàn)相對高度H的精細調(diào)節(jié)。

進一步作為優(yōu)選的實施方式，所述超聲波接收裝置包括有第二超聲波換能器和整流電路，所述第二超聲波換能器的輸出端與整流電路的輸入端連接。

優(yōu)選的，所述第二超聲波換能器為壓電陶瓷圓環(huán)換能器，其正負電極通過導線與整流電路的電極相連；整流電路后端設置相應輸出電極作為的電氣測量點14，可通過示波器，萬用表等相關(guān)儀器進行測量。

進一步作為優(yōu)選的實施方式，所述安裝座17通過螺栓2與導軌1連接。

進一步作為優(yōu)選的實施方式，所述角度調(diào)節(jié)盤5可自由旋轉(zhuǎn)，能實現(xiàn)0°～180°的旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)。

本發(fā)明具體實施例中，以系統(tǒng)參數(shù)設置為超聲波頻率為F1，源宿距離L1，相對高度H1，相對角度為90°下超聲波在介質(zhì)A中的能量傳輸實驗過程進行說明。

首先在矩形水槽11內(nèi)放置相應的介質(zhì)A。確定實驗頻率后，調(diào)整超聲波發(fā)生器至相應的起振頻率F1，連接至第一超聲波發(fā)生器電極13，給超聲波換能器12提供相應頻率F1正弦波電流。將超聲波接收裝置放置在接收裝置底座4的L型絕緣的超聲波接收裝置夾具10，調(diào)節(jié)接收裝置底座4上的粗調(diào)連桿8，再調(diào)節(jié)接收裝置底座4上的細調(diào)連桿7，分別讀出高度數(shù)值h1和h2（H1=h1+h2）。轉(zhuǎn)動接收裝置底座4上的角度調(diào)節(jié)盤5，使得超聲波接收裝置與第一超聲波換能器12成一定的角度α（此例為90?）。接收裝置底座4放置在導軌1上，接收裝置底座4通過導軌1上的螺栓2卡口2進行固定。并通過底面上的標尺3讀出源宿距離L1，做好數(shù)據(jù)記錄（F1，H1，L1，α，介質(zhì)A）。通過超聲波接收裝置讀出接收數(shù)值，可得到超聲波在條件：頻率F1，源宿距離L1，相對高度H1，相對角度為 α 下在介質(zhì)A中傳輸?shù)膶嶒灁?shù)據(jù)，在以上系統(tǒng)參數(shù)條件下，重復多次實驗，采集實驗的測試集數(shù)據(jù)D1。

將傳輸信道等效為黑盒模型，根據(jù)所述黑盒模型輸入輸出端口實驗測試集數(shù)據(jù)D1的分布情況，運用統(tǒng)計學方法，對測試集數(shù)據(jù)D1進行處理，進行回歸分析，選擇合適模型，建立有相關(guān)關(guān)系的變量之間的數(shù)學關(guān)系式。從而確定變量之間的相關(guān)關(guān)系。

通過參數(shù)分析，判別所建立的數(shù)學關(guān)系式的有效性，并對模型進行擇優(yōu)選擇。

重復以上D1實驗步驟，在同一實驗參數(shù)下，取不同的實驗數(shù)值，得到檢驗集數(shù)據(jù)D2。

利用所得到的經(jīng)驗公式進行預測和控制，得到模型預測集數(shù)據(jù)D3，對比試驗檢驗集D2數(shù)據(jù)，觀測其預測性并進行驗證。

在控制變量的前提下，調(diào)整信道參數(shù)，如源宿距離，角度，高度，頻率，傳輸介質(zhì)等，重復以上實施方式步驟，得到不同參數(shù)下的衰落信道模型。

因為在研究超聲波輸能的實驗中，需要對多個實驗參數(shù)進行控制，并進行多次實驗數(shù)據(jù)觀測。實踐發(fā)現(xiàn)，使用該實驗裝置，可以簡單便捷地通過上述方法對實驗變量頻率F，源宿距離L，相對高度H，相對角度α，介質(zhì)種類進行多次控制調(diào)整，并多次實驗。保證了實驗的高效性，提高了實驗結(jié)果的準確性與可靠性，實現(xiàn)了有效地對實驗變量（源宿距離，相對高度，相對角度，傳輸介質(zhì)等）進行精確控制，能滿足超聲波輸能多次實驗要求。同時通過測試集數(shù)據(jù)D1的采集和處理，建立了測量變量與系統(tǒng)參數(shù)的相關(guān)關(guān)系模型。擇優(yōu)選擇和修正模型，對傳輸信道的特征和性能進行了描述，對檢驗集數(shù)據(jù)D2進行了預測。此裝置可有效控制參數(shù)變量，對影響系統(tǒng)效率的參數(shù)進行多方面探究和試驗測量，使用快捷簡便，結(jié)合建模方法可廣泛用于對超聲波輸能的研究領(lǐng)域。

以上是對本發(fā)明的較佳實施進行了具體說明，但本發(fā)明創(chuàng)造并不限于所述實施例，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不違背本發(fā)明精神的前提下還可做作出種種的等同變形或替換，這些等同的變形或替換均包含在本申請權(quán)利要求所限定的范圍內(nèi)。