无线内窥镜中高效电磁感应连接

    感应连接结构简单,适合于短距离能量传输和数据发送[1]。目前已被应用于电子耳蜗和人工心脏[2]、神经信号的采集以及视觉补偿[3]、脑电信号[4]等多种生物仪器中。无线内窥镜在检测人体消化道疾病时因缺乏运动控制而受到限制[5],并且图像的帧速率等也需要控制。文[6]研究了人体组织对信号的衰减特性;文[7]指出人体组织对125kHz信号完全是透明的。电磁感应具有系统简单、低功耗设计等优点[1,7]。

无线内窥镜胶囊在人体内姿态不确定[5],不能直接应用电磁感应连接。文[8]设计了二维接收线圈,文[9]使用了半波整流合成,它们在一定程度上克服了方向性的限制;但又具有一定的局限性。本文提出了三维接收的整流合成输出的新方法,该方法实现了复合整流合成电路。

1　感应连接输出整流合成分析

文[3]从能量耦合效率的角度分析了接收电路的类型,在低功率应用中常采用并联谐振,在大功率应用中一般采用串联谐振形式。考虑按需式无线内窥镜的具体情况,发射电路采用串联谐振电路,接收电路采用并联谐振电路,谐振频率fo为125kHz。

1.1　感应连接的分解与合成

为了克服方向性的限制,提高效率,需要将磁场进行分解采用不同的线圈进行接收,如图1所示。

图1中, 3个分量波形一致,只存在初始相位为0和π,以及幅值大小的区别,因此只需要研究在不同的θ和φ情况下合成输出波形的幅值与单向最大输出的幅值比。同时将3个分量的一端作为公共端,另一端对公共端的电位分别为νA、νB和νC。虽然半波整流能消除单线圈方向性的限制,但当νA、νB和νC有相同极性时,仅能输出半周信号,直接影响了能量传输的效率,因此需要分析全波整流电路。

1.2　全波整流合成分析

全波整流合成电路结构如图2所示。当νA>νB>νC,在正半周时,电流从A点经D11流过负载,从D32流回C点;在负半周时,电流从C点经D31流过负载,从D12流回A点。电流流经2个方向的接收线圈。输出幅值与每个线圈的输出关系可以表示为

 νo =max( νA-νB , νA-νC , νB-νC ). (1)

νo的输出幅值与θ和φ的关系曲线如图3所示。

对式(1)和图3分析可知:最小的幅值比为0,最大的幅值比为1.414。

交流三相系统中相差为2π/3,任何时候电压的瞬时值不可能完全同号,并且合成输出有

νo= sin(α+ 2π/3) - sin(α- 2π/3),

α∈(0,π/6). (2)

　　因此,交流三相的全波整流输出为相电压的1.732倍。而在无线内窥镜系统中,θ和φ分别在[0 2π]之间独立地取值。当θ和φ在不同象限时,每个方向接收线圈的输出电压值的符号如表1所示。