0 引言

作为第3种地球科学观测平台，海底观测网能够对海底进行全天候、实时和高分辨率的多界面立体综合观测（汪品先，2007）。在国外，已建设完成的海底观测网越来越多，应用范围越来越广，我国的海底观测网正在建设中。海底地震观测作为海底观测的一个分支领域，亦随着海底观测网的发展也逐渐发展起来。用来进行海底地震观测的海底地震仪（阮爱国等，2004），随着目前有缆式海底观测网的应用（李慧青等，2012），埋入型和沉浮型无缆式海底地震仪（Prothero，1986）发展为使用较多的带光电缆的缆式海底地震仪。由于光电缆式海底观测网可为有缆式海底地震仪提供长期、连续的电能传输，并实时将海底地震仪的观测数据反馈到岸上，因此海底地震能够被实时监测（李风华等，2015）。目前，将海底地震仪连接到海底观测网的接驳盒较多使用国外研制的湿插拔水密连接器（叶杨高等，2008）。该类型的水密连接器在水下完成插拔，接口直接电气连接，存在因接口磨损、海水渗漏而导致金属接触点短路的安全隐患，因而存在插拔次数受限而使用寿命短的问题（张博等，2013）；且该连接器在水下是通过油压平衡完成水下动态挤压密封的，技术及工艺复杂，导致其成本高、价格昂贵，最高可达80万元。为了解决现有连接器存在安全隐患、插拔次数受限、使用寿命短、价格高等问题，开始研制电磁耦合非接触式传输的湿插拔水下连接器，并逐渐受到广泛关注。

近年来，国内外对水下电磁耦合非接触式电能传输和非接触信号传输有较多的研究，且取得诸多研究结果。日本东北大学研发的水下非接触电能传输系统可给水下机器人充电，能够提供500 W的传输电能且转换效率为90%（马伟锋等，2008）；我国浙江大学研究的水下非接触电能传输装置可为负载提供48 V/500 W的直流电，传输总效率为70%-75%（林麟，2012）；美国的Alvin载人深潜器采用非接触电磁感应式信号传输将传感器采集的信号传输到计算机上（Fornari et al，1997；Tivey et al，2004）；我国浙江大学提出的深海非接触双向信号传输技术可以实现通信速率不低于9 600 bps、在10 cm通信距离内误码率为0的非接触串行通信（赵伟，2004）。电磁耦合非接触式电能与信号同时传输在国内外也有相关研究，德国VAHLE（法勒）公司以电磁耦合线圈同时传输数据信号与电能技术开发了移动设备供电与指令控制产品；我国西安电子科技大学等高校对电能和信号同时传输也有一定的研究，其研究结果为电能传输500 W时效率达85%，信号传输频率为300 MHz时误码率为0（高欢，2017）。目前，国内外对水下非接触电能传输进行研究，主要是将其用于水下大功率仪器设备的供电，研究目标是提高大功率传输能力；而对水下非接触信号传输主要是研究远距离的通信传输，以使得信号能在几厘米到几十米范围内非接触传输。本文设计的连接器是专门用于将有缆式海底地震仪连接到海底观测网的，同时，根据海底地震仪的工作指标设计一款同时传输小功率电能与近距离数据信号的湿插拔接插头。海底电缆可为连接器插座端直流供电，插头端接入插座后可为海底地震仪供电，同时两端开始进行数据信号双向传输。

1 设计特点及分析

连接器分为插头和插座2部分，通过电磁耦合实现电能和信号的非接触传输。该设计的特点之一是，采用分离式同轴磁芯结构，磁芯结构如图 1（a）所示，在该组磁芯上绕制同轴线圈，以实现磁路封闭的紧耦合状态，且连接器插好后用于传输电能的初级、次级线圈之间的间隙非常小，可小至4 mm以内。绕在磁芯架上的用于传输信号的线圈，随着连接器插头和插座的连接，通过插座端的磁芯实现电磁耦合，连接器的连接示意图如图 1（b）所示。

这种同轴圆筒型线圈紧耦合的结构设计，相比已有的通过电磁感应实现的非接触电能传输器件，其耦合度高，漏磁小，可减少外部电磁干扰，避免电路补偿设计，且无需考虑方位的对准而使插拔操作简单；该设计的特点之二是，使用功率放大器并用正弦波作为功率放大器的信号驱动来实现电能传输，使用D类功率放大器代替目前普遍使用的开关电源电路来提供电能传输所需的交变信号。这可以避免开关电源的干扰，这种开关电源电路即逆变电路生成的是方波信号，而方波信号在跳变沿有高频损耗，有较难滤除的高频尖峰，会使得信号传输时出现能量损耗，从而影响电能传输效率。采用正弦波可避免这种能量损耗，同时正弦波可由单片机等控制芯片生成，且其频率、幅值易调控，电路传输部分可控性强，并能够生成幅值小有一定间隙的正弦波以完成对电源供电的控制，减小连接器的插座在空载时电能的损耗。此外，D类功率放大器功率传输效率较高，达90%以上，且对连接器电能传输效率影响较小。

2 连接器设计方案

连接器设计包括电磁线圈制作和电路实现2部分。电磁线圈由磁芯和绕在磁芯上的漆包线组成，是连接器非电气接触传输电能和信号的关键部件，作为插座与插头的插拔接口，其插合的紧密程度直接影响到连接器的传输性能，在磁芯上以及磁芯架上紧密绕制2组线圈，分别用于传输电能和信号。电路实现包括电能传输电路和信号传输电路2部分，电能传输电路包括插座端的功率放大电路和插头端的整流滤波电路；为实现信号双工传输，信号传输电路在插头、插座端对称，都由信号驱动与接收电路组成。电能传输使用功率放大电路，采用正弦波作为功率放大器的输入信号来完成电能传输；为了避免电能与数据信号同时传输时相互干扰，电能信号与数据信号的传输频率设在不同频带上，电能传输正弦波的频率为1-10 kHz，海底地震仪与岸基站传输数据信号，其传输的波形为方波，将其传输频率设为100-1 000 kHz。本研究设计的水下连接器结构见图 2。

3 设计与验证

本实验制作出电磁线圈和实际电路，将电磁线圈和实际电路连接，给插座端的功率放大器提供12 V直流电源，采用信号发生器模拟正弦信号以及数字方波信号，完成了连接器的电能和信号传输实验。实验中分别对电能传输和信号传输进行测试，通过测试得到电能传输时正弦波作为载波的最佳传输幅值以及频率，并计算在最佳幅值及频率条件下电能传输效率；对信号传输进行测试，得到数据信号即方波的信号不失真传输幅值以及最佳传输频率，并根据信号接收结果推测信号传输误码率；最后用整个连接器模块同时进行电能传输和信号传输，对二者传输时是否相互干扰进行测试。

3.1 电磁耦合部件设计

电磁线圈的磁芯材质采用具有低损耗、高频率功率优势的铁氧体芯；磁芯结构采用同轴磁芯，通过增加绕线的层数减小两磁芯插合时的距离，以使得二者间隙小于3 mm，实现线圈紧耦合，从而减小漏感。对传输电能和传输信号的2组线圈要求不同，电能组传输的性能指标是电能传输效率，因此对线圈的耦合程度要求很高，需要减少电能在线圈上的损耗，提高功率传输效率；而信号组传输的性能指标是传输信号的误码率，需使得接收端接收到无误码信号，因此对线圈耦合程度要求较低。

电能传输线圈设计的目标是线圈互感强、线圈损耗小以及线圈的品质因数Q值高。为了补偿线圈内阻对电能的损耗，需要设置两端线圈的绕制比来升高线圈次级端的输出电压。为了使得线圈互感系数高，绕线时采用多层导线紧密绕的方式，使得两端线圈重合长度长，磁芯间隙小，从而漏感量小，两端线圈能较好耦合。本实验插座端绕线采用多股漆包线并绕，以有效地增加导体的表面积，较小线圈内阻，提高Q值并减小线圈的自感。为使线圈漏感量减小，损耗降低，同时互感系数高，进行了多次绕线实验，以使两线圈间隙处于最小状态。

信号传输线圈设计的目标是完成高频信号的无失真耦合，两端无需进行升降压处理，但为了信号能够不失真传输，线圈的匝数不能太少，否则会影响线圈传输的波形，从而无法分辨出传输的信号；但线圈的匝数也不能太多，以免电感太大而影响电能传输。为绕制信号传输线圈，在设计的磁芯上加1对磁芯塑料外壳，在该外壳上用单线密绕1组线圈，该线圈通过磁芯的外部电磁感应完成信号的传输（图 3）。由图 3可见，当电能传输线圈完成接插时，外部的磁芯外壳随着内部2个磁芯插合也完成对接，2组线圈的各项参数如表 1所示。

3.2 电能传输电路设计与测试

电能传输采用BTL型D类功率放大器在插座线圈前端进行功率放大，利用D类功率放大器低阻抗、高传输效率的优点，提高电路传输效率；在次级线圈输出端，采用电能传输效率较高的全桥电路对正弦波进行整流，并采用电容对电路进行滤波，以得到最大功率传输效率。连接器工作时，向功率放大器提供12 V直流电源，在其信号输入端输入1-10 kHz的正弦信号序列，将其输出接到电能传输线圈的插座端，插头端整流滤波后为负载提供直流电压。本实验通过连接1个电阻作为负载来分析该连接器对电能传输的功率传输效率进行分析，图 4所示为电能传输原理图。

电能传输时，在插座端给功率放大器信号输入端输入正弦波序列，在电源端接入12 V直流稳压电源，其输出连接到电能传输线圈的初级端，线圈的次级端连接到电桥，经过电容滤波后连接负载，计算电源端输出功率以及负载端消耗总功率，得到连接器电能功率传输总效率。通过在不同的幅值、频率下得到正弦波的不同输出波形，来确定电能传输时正弦波的最佳传输幅值和频率。

由于电能传输的频率特性受功率放大器和电磁线圈的影响，而电能传输载波频带目标范围为1-10 kHz，因此在该范围内完成频率测试，测试结果见图 5（a）-5（d）。由图 5可见，当频率为1 kHz、2 kHz时，信号的放大倍数为25倍左右；且随着频率的增大，输出幅度变大；当频率再升高到3 kHz、4 kHz时，输出波形幅度变小，即信号放大倍数变小。由此得知，信号的频率在超过2 kHz左右时输出的放大倍数受限，导致信号幅值变小。为了使放大倍数最大、电信号在传输电路的损耗最小，电能传输频率选为2 kHz。

电能传输的幅值特性主要受功率放大器幅值特性的影响，幅值较小时可导致传输功率太小，传输效率随之降低；而幅值太大可导致功率放大器放大倍数受限。根据功率放大器的输入要求，首先对其进行小信号输入测试，然后不断增大信号幅值进行测试，最终得到信号最大不失真幅值，并在不失真幅值范围内计算电能输入、输出功率及传输效率。实验结果如图 6（a）-6（d）所示。由图 6可见，当幅值由260 mV变为270 mV时，信号输出随信号输入的变大而变大，当幅值从270 mV升至280 mV再到290 mV时，信号输出波形不变，输出波形幅值受限。由此得知信号最大不失真输出时的输入波形的幅值为270 mV左右。

在频率为2 kHz功率放大器的输入电压为12 V、负载RW为30 Ω的情况下，测量输入信号为200 -270 mV时电源电流以及负载两端电压，并计算电源输出功率、负载消耗功率以及电能传输总效率，测量结果如表 2所示。由表 2得知，在正弦信号的幅值为270 mV时，次级端负载两端电压为19 V，输出功率为12 W；电能传输的总效率大于67%。

3.3 信号传输电路设计与测试

信号传输线圈由单线绕成，插座和插头两端是半双工通信，两边电路均需发送和接收信号，故两边电路对称，中间通过线圈连接，导线一端用于发送信号，导线另一端用于接收信号，信号在电磁线圈上传输并正确接收，需要较复杂的信号驱动和接收电路。信号发送前为使方波能够在互感较低的信号线圈上传输，需要较大驱动，故在前端采用放大器将信号放大，然后通过电容滤波以及选频网络进行选频，信号输出到线圈的一端，线圈的另一端接收到波形，信号会在线圈传输中有较大的损耗，因此，接收到的波形信号通过滤波后首先需要采用放大器进行放大，然后经过比较器将经过线圈传输后失真变形的波形恢复为方波，以识别出数字信号，信号传输的电路原理如图 7所示。

信号传输的电路部分在线圈两端相同，都可用于信号发送或接收，信号传输测试是在发送电路的D_out输出端口由信号发生器传入无限周期的方波序列，在接收电路的D_in信号输入端检测波形，通过改变输入方波的幅值、频率得到数据信号不失真传输的幅值特性和频率特性，最后输入10001000无线周期波形模拟随机信号，估计信号传输误码率。

信号传输电路中，放大器和比较器的工作电压为3.0 V，故将方波幅值偏置设为比较器工作电压的一半，即1.5 V。输入方波信号幅值太大时，信号传输受放大器自身电压的影响而导致输入幅度限幅；相反，输入信号幅值较小时，因后端有放大器将信号放大，不会对信号传输有影响。对信号幅值特性测试时，使用正弦波作为输入，与D_out信号输出端波形显示结果进行对比，得出不失真的信号电压幅值并确定为输入信号的幅值。幅度测试结果如图 8（a）-8（c）所示。由图 8可见，当信号峰值为3.0 V、1.5 V时，在D_out信号输出端的波形被削峰，输入波形失真；当信号幅值为1.0 V时，信号能完全无失真显示，故输入信号幅值小于1.0 V时能无失真输入。

信号的频率越高，抗干扰性越好，在电磁线圈中传输时互感越强，信噪比越高。但信号频率过高时，受电路以及芯片的影响信号传输失真。为了避免与电能传输时相互干扰，信号传输的频带范围设置为100-1 000 kHz，通过改变输入方波的频率进行测试得到不失真信号输入频率。信号传输测试结果如图 9（a）-9（c）所示。由图 9可见，接收端信号的峰值以及占空比都出现失真，信号频率为320 kHz时得到无失真接收波形，信号幅值被放大。从实验结果得知，信号在电路中不失真传输的频率至少须达到320 kHz。

输入不同幅值、频率的信号进行信号传输实验，在发送端D_out输入10001000脉冲序列，其峰值-峰值为1.4 -1.6 V，频率为320 kHz，得到信号传输不失真时的幅值和频率，测试结果如图 10所示。由图 10可见，信号传输有接收延迟，但信号的波形能无失真接收。

3.4 电能和信号同时传输测试

连接器需要完成电能与信号的同时传输，在分别对电能传输与信号传输作传输测试并得到各自传输时幅值和频率范围后，最后完成二者同时传输，将同时传输时的测试结果与单独传输的结果进行对比，考察二者同时传输是否互相干扰，以验证连接器设计的可行性。将电能传输的正弦波频率设为2 kHz，幅值设为270 mV；信号传输频率设为320 kHz，幅值设为100 mV，完成同时传输实验，实验结果如图 11所示。由图 11可见，电能同时传输时负载端的输出电压为19.24 V，电源电流为1.50 A，与电能单独传输时相同，证明了电能与信号在线圈中传输时无相互干扰，从而验证了该连接器设计的可行性。

4 结论

本文提出非接触式同时传输电能和信号的水下连接器设计思路，旨在为海底地震仪连接到海底观测网时提供长期电能传输以及实时双向数据传输。设计出特殊的电磁线圈，采用D功率放大器以及正弦波驱动电能传输，在电能传输的正弦波幅值270 mV、频率2 kHz时，信号传输幅值100 mV、频率传输320 kHz情况下，二者同时传输无相互干扰，且电能传输输出电压为19 V，功率为12 W，传输效率大于67%，信号传输无误码，验证了实验设计的可行性。今后，在本设计的基础上，还需完成信号传输的编解码电路以及电路的控制电路；同时考虑插头插座自身的密封设计以及连接器的耐压性，还需要对其连接器的外壳作进一步的结构设计，以最终实现水下试用。该设计使得低成本、长寿命、水下湿插拔非接触式连接器成为可能，为海底地震仪在海底观测网中的应用提供了便利，在海底地震观测方面解决了长期实时监测的难题，为未来海底地震仪水下实时供电时所用水下连接器的研究提供了方向。