李 陽(yáng) 李 垚 王 瑞 翟宇潔 石少博 胡濤成

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)單線電能傳輸系統(tǒng)的電磁安全性分析

李 陽(yáng) 李 垚 王 瑞 翟宇潔 石少博 胡濤成

（天津工業(yè)大學(xué)電工電能新技術(shù)天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300387）

目前，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)最成熟的供電方式是電池供電，但由于該方法需要頻繁更換電池，導(dǎo)致供電可靠性變差。單線電能傳輸可以兼顧傳輸距離與傳輸效率，同時(shí)具有分布靈活、無(wú)方向性的特點(diǎn)，因此可以用來(lái)解決無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)電池供電的問(wèn)題。該文針對(duì)單線電能傳輸系統(tǒng)電磁安全性問(wèn)題，首先建立有電容球、無(wú)電容球兩種單線電能傳輸系統(tǒng)模型及人體模型；然后對(duì)兩種系統(tǒng)模型的電磁安全性進(jìn)行仿真分析，主要對(duì)比研究了二者的空間電磁場(chǎng)分布、空間電磁場(chǎng)強(qiáng)度、體內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度和體內(nèi)電流密度；最后利用實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。研究表明，與有電容球系統(tǒng)相比，無(wú)電容球系統(tǒng)的各物理量數(shù)值均小于有電容球系統(tǒng)，其更符合限制時(shí)變電場(chǎng)和磁場(chǎng)的安全標(biāo)準(zhǔn)。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 單線電能傳輸 電磁安全 仿真分析

0 引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)具有感知、計(jì)算、存儲(chǔ)和無(wú)線通信能力的微型節(jié)點(diǎn)組成的大范圍、長(zhǎng)期性對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行全面感知和精確控制的特殊網(wǎng)絡(luò)[1-4]。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)因具有低功耗、低成本、分布式、自組織等特點(diǎn)，在國(guó)家安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[5-7]。目前，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)最成熟的供電方式是電池供電，但是這種方式需要頻繁更換電池，電池更換不及時(shí)會(huì)導(dǎo)致電能供給不足，進(jìn)而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)故障甚至網(wǎng)絡(luò)中斷[8]。針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)電池供電可靠性差的問(wèn)題，科研人員提出多種解決方案，其中之一就是利用單線電能傳輸方法為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)供電。

單線電能傳輸是一種新型的電能傳輸方法，它僅使用單根導(dǎo)線連接電源與用電設(shè)備[9]。單線電能傳輸系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)可分為有電容球系統(tǒng)和無(wú)電容球系統(tǒng)兩種，同時(shí)線圈結(jié)構(gòu)可分為螺旋桶形線圈和平面螺旋線圈。由于螺旋桶形線圈體積大，不適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)供電場(chǎng)景，因此采用平面螺旋線圈結(jié)構(gòu)。無(wú)論何種結(jié)構(gòu)，單線電能傳輸系統(tǒng)在工作時(shí)都會(huì)產(chǎn)生高頻時(shí)變電磁場(chǎng)。因此，需要對(duì)這種高頻時(shí)變電磁場(chǎng)的分布特性及其對(duì)人體產(chǎn)生的影響進(jìn)行深入研究。

單線電能傳輸系統(tǒng)電磁安全性研究一方面可以幫助理解單線電能傳輸系統(tǒng)的工作過(guò)程及傳輸機(jī)理；另一方面為減小單線電能傳輸系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁輻射提供了依據(jù)。研究單線電能傳輸系統(tǒng)的電磁安全性需要考慮電磁環(huán)境下的生物效應(yīng)，少量的電磁輻射可造成皮膚發(fā)熱、神經(jīng)疼痛，大量電磁輻射可導(dǎo)致神經(jīng)紊亂、心臟衰竭、灼傷甚至死亡[10]。目前，國(guó)內(nèi)采用的電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)是GB 8702-2014《電磁環(huán)境控制限值》[11]，國(guó)外電磁場(chǎng)輻射標(biāo)準(zhǔn)中具有代表性的是IEEE C95.1[12]和ICNIRP導(dǎo)則[13-14]。

本文主要研究?jī)?nèi)容是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)單線電能傳輸供電方法的電磁安全性，首先介紹了電磁輻射的生物學(xué)效應(yīng)及兩種為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)供電的單線電能傳輸系統(tǒng)，然后建立了單線電能傳輸系統(tǒng)模型及人體模型，仿真系統(tǒng)空間電磁場(chǎng)分布、空間電磁場(chǎng)強(qiáng)度、人體體內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度和電流密度，將兩個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 原理分析

1.1 電磁輻射的生物學(xué)效應(yīng)

電磁波的生物學(xué)效應(yīng)是指生物體在吸收電磁波后所產(chǎn)生的與生命現(xiàn)象有關(guān)的響應(yīng)，可以分為熱效應(yīng)、非熱效應(yīng)和累計(jì)效應(yīng)三個(gè)方面[15-16]。熱效應(yīng)是指生物組織內(nèi)的水分子在電磁環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生摩擦運(yùn)動(dòng)，使得生物體溫度升高，導(dǎo)致組織和器官不能正常工作。非熱效應(yīng)是指一旦受到外界電磁環(huán)境影響，人體本身的電磁場(chǎng)被打破，生物體內(nèi)組織和器官也會(huì)受到一定的影響。累計(jì)效應(yīng)是指生物體在受到電磁傷害后未來(lái)得及自我恢復(fù)而再一次受到電磁作用，傷害累計(jì)后形成的永久性病態(tài)。

生物體的組織不同，其對(duì)電磁場(chǎng)產(chǎn)生的響應(yīng)也不同，這種組織自身具有的性質(zhì)稱為電磁特性，生物體的電磁特性分為導(dǎo)電特性和介電特性[17]。生物組織內(nèi)有大量的自由電子存在，當(dāng)這些自由電子處于電磁環(huán)境中時(shí)就會(huì)進(jìn)行移動(dòng)，此種現(xiàn)象就是組織的導(dǎo)電特性，其通常用電導(dǎo)率進(jìn)行描述。生物組織內(nèi)有大量的束縛電荷存在，在電磁場(chǎng)作用下，這些電荷會(huì)不斷地進(jìn)行移動(dòng)，從而使生物組織表現(xiàn)出一定的電磁特性，這種特性就是生物組織的介電特性，其通常用介電常數(shù)來(lái)描述。在不同頻率下，人體器官具有不同的電導(dǎo)率和介電常數(shù)，電導(dǎo)率和介電常數(shù)決定了人體器官在電磁場(chǎng)環(huán)境下的電磁場(chǎng)強(qiáng)度，當(dāng)人體的電磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)一定限值會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生傷害[18-22]。

1.2 單線電能傳輸系統(tǒng)

大多數(shù)參考文獻(xiàn)中提出的單線電能傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，該結(jié)構(gòu)由特斯拉無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)演化而來(lái)，系統(tǒng)由電源、頂端導(dǎo)體、發(fā)射端初級(jí)線圈、發(fā)射端次級(jí)線圈、單線、接收端初級(jí)線圈、接收端次級(jí)線圈、負(fù)載組成。次級(jí)線圈一端通過(guò)單導(dǎo)線連接，另一端與電容球連接，初級(jí)線圈分別與電源和負(fù)載連接[23-24]。

圖1所示系統(tǒng)中的次級(jí)線圈體積往往很大，工作時(shí)頂端導(dǎo)體也會(huì)產(chǎn)生巨大的電壓，因此該結(jié)構(gòu)不適合為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)供電。本文采用的單線電能傳輸系統(tǒng)在圖1系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。發(fā)射線圈和接收線圈采用平面螺旋線圈，平面螺旋線圈具有更小的體積，更適合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)供電場(chǎng)景，同時(shí)，圖2b中的系統(tǒng)在圖2a系統(tǒng)的基礎(chǔ)上去掉了電容球。新型電能傳輸系統(tǒng)的基本特性及其對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)供電的可行性，文獻(xiàn)[25]已詳細(xì)論述，本文不再贅述。

圖1 單線電能傳輸系統(tǒng)

（a）有球系統(tǒng)

（b）無(wú)球系統(tǒng)

圖2 兩種單線電能傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Fig.2 Two structure diagrams of single wire power transfer system

2 模型建立

2.1 單線電能傳輸系統(tǒng)模型

利用有限元分析軟件建立的兩種單線電能傳輸系統(tǒng)仿真模型如圖3所示。圖3a中，電容球的存在會(huì)產(chǎn)生分布電容，導(dǎo)致系統(tǒng)諧振頻率發(fā)生變化，但在相關(guān)電磁輻射限值標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定中，不同頻率下電磁場(chǎng)強(qiáng)度和其他物理量限值不同，即不同頻率下的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)不同，因此無(wú)法在不同頻率下對(duì)比兩個(gè)系統(tǒng)的電磁安全性。為了對(duì)比研究?jī)上到y(tǒng)的電磁安全性，本文調(diào)節(jié)線圈匝數(shù)使得兩個(gè)系統(tǒng)的諧振頻率相同。

圖3 兩種單線電能傳輸系統(tǒng)模型

兩系統(tǒng)中線圈相同的參數(shù)為：線徑1.14mm、匝間距10mm、內(nèi)徑50mm、傳輸距離5m、傳輸功率為100W。帶電容球的單線電能傳輸系統(tǒng)次級(jí)線圈匝數(shù)為15，電容球距離次級(jí)線圈的高度為1.5m，不帶電容球的單線電能傳輸系統(tǒng)匝數(shù)為16。通過(guò)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的掃頻，得到兩系統(tǒng)效率最高時(shí)的頻率為6.26MHz，即兩系統(tǒng)的工作頻率為6.26MHz。

2.2 人體模型

本文利用Mimics對(duì)人體及主要器官進(jìn)行三維重建。將獲得的人體CT圖像轉(zhuǎn)化為DICOM格式進(jìn)行存儲(chǔ)并導(dǎo)入到Mimics軟件中，將CT圖像冠狀面和矢狀面設(shè)置成相應(yīng)視圖，設(shè)置完成后，Mimics軟件會(huì)自動(dòng)生成3個(gè)不同的視圖以及三維模型。

進(jìn)行組織結(jié)構(gòu)的構(gòu)建時(shí)，可以利用不同的閾值對(duì)不同密度的器官組織進(jìn)行區(qū)分，以完成圖像分割。然后，對(duì)人體模型進(jìn)行圖像處理、區(qū)域增長(zhǎng)、空間填補(bǔ)，使器官之間相互分離，器官和模型表面更加光滑。將處理后的人體三維模型進(jìn)行有限元前處理，但是利用Mimics建模只能得到面網(wǎng)格模型，因此進(jìn)行有限元仿真分析仍然需要在COMSOL中進(jìn)行體網(wǎng)格劃分等后續(xù)工作。

本文采用的人體模型為1.75m雙手上舉站立的男性，人體內(nèi)部器官包括大腦、心臟、肝臟、胃部、肺部、腎臟等，在此基礎(chǔ)上建立的人體模型如圖4所示。

圖4 人體與系統(tǒng)的相對(duì)位置

3 仿真分析

3.1 空間電磁場(chǎng)分布

分別對(duì)兩系統(tǒng)的電磁場(chǎng)分布情況進(jìn)行仿真來(lái)驗(yàn)證電容球?qū)尉€電能傳輸系統(tǒng)電磁場(chǎng)分布的影響。設(shè)置場(chǎng)線的起點(diǎn)個(gè)數(shù)相同，得到仿真結(jié)果如圖5所示，可以通過(guò)場(chǎng)線分布的疏密來(lái)分析電磁場(chǎng)分布。通過(guò)圖5可知，電容球的存在使電場(chǎng)和磁場(chǎng)的分布產(chǎn)生差異，這就使得兩系統(tǒng)的電磁安全性產(chǎn)生差異。通過(guò)對(duì)比圖5a和圖5b可知，電容球附近的電場(chǎng)線和磁場(chǎng)線相對(duì)密集，即電容球附近的電場(chǎng)強(qiáng)度和磁

圖5 兩種單線電能傳輸系統(tǒng)的電磁場(chǎng)分布

場(chǎng)強(qiáng)度較大。這使電容球附近的電磁安全性更差，也表明有球系統(tǒng)電磁安全性更低。

3.2 空間電磁場(chǎng)強(qiáng)度

分別對(duì)兩個(gè)單線電能傳輸系統(tǒng)的電磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行仿真，得到的電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖6所示?？梢钥闯?，有球系統(tǒng)中電容球和其連接線處的電場(chǎng)強(qiáng)度明顯更高。

圖6 電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度分布

為對(duì)比兩系統(tǒng)電場(chǎng)由于結(jié)構(gòu)差異造成的電磁輻射差異，對(duì)各標(biāo)準(zhǔn)限值下的安全距離進(jìn)行比較。本文兩系統(tǒng)所在頻率范圍下采用的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的適用于公眾曝露的限值分別為：GB 8702-2014《電磁環(huán)境控制限值》規(guī)定在3～30MHz下電場(chǎng)強(qiáng)度為67/1/2V/m、磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.17/1/2A/m；ICNIRP 1998導(dǎo)則規(guī)定在1～10MHz下的電場(chǎng)強(qiáng)度為87/1/2V/m、磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.73/A/m；ICNIRP 2010導(dǎo)則規(guī)定在3kHz～10MHz下的電場(chǎng)強(qiáng)度為83V/m、磁場(chǎng)強(qiáng)度為21A/m；IEEE C95.1規(guī)定在3～30MHz下的電場(chǎng)強(qiáng)度為823.8/V/m、磁場(chǎng)強(qiáng)度為16.3/A/m。以上頻率以MHz為單位，具體數(shù)值數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，由于在各標(biāo)準(zhǔn)中GB 8702-2014《電磁環(huán)境控制限值》所規(guī)定的公眾暴露限值最為嚴(yán)格，因此本文采用電場(chǎng)強(qiáng)度為26.78V/m、磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.068A/m作為評(píng)判 標(biāo)準(zhǔn)。

用本文所使用的電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度限值對(duì)兩系統(tǒng)進(jìn)行限定，得到電場(chǎng)強(qiáng)度為26.78V/m的等值面、磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.068A/m的等值面如圖7所示?？芍星蛳到y(tǒng)超過(guò)限值的區(qū)域基本上覆蓋了無(wú)球系統(tǒng)超過(guò)限值的區(qū)域。

表1 各標(biāo)準(zhǔn)中的電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度限值

Tab.1 The limits of electric field strength and magnetic field strength in each standard

圖7 電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度限值限定距離空間

因系統(tǒng)鋪設(shè)方式為線圈平鋪于地面，所以選擇測(cè)量俯視圖情況下符合標(biāo)準(zhǔn)的安全距離更為直觀。測(cè)量以下四個(gè)距離：發(fā)射線圈沿單線方向的安全距離、發(fā)射線圈沿垂直于單線方向的安全距離、接收線圈沿垂直于單線方向的安全距離、接收線圈沿單線方向的安全距離，如圖7b所示。距離越小說(shuō)明電磁輻射不符合標(biāo)準(zhǔn)的范圍越小，距離越大說(shuō)明范圍越大。

有球系統(tǒng)的電場(chǎng)限值限定距離、、、分別為2.46m、2.34m、2.09m、2.25m，磁場(chǎng)限值限定距離、、、分別為1.08m、0.89m、1.12m、0.96m。無(wú)球系統(tǒng)的電場(chǎng)限值限定距離、、、分別為2.13m、1.98m、1.82m、1.93m，磁場(chǎng)限值限定距離、、、分別為0.99m、0.83m、1.15m、0.96m。在單線中間部分，無(wú)球系統(tǒng)電場(chǎng)限值限定距離要略高于有球系統(tǒng)電場(chǎng)限值限定距離。綜合對(duì)比兩系統(tǒng)的4個(gè)安全距離及整體覆蓋范圍可知，無(wú)球系統(tǒng)高于標(biāo)準(zhǔn)限值的區(qū)域更小，即無(wú)球系統(tǒng)的電磁安全性優(yōu)于有球系統(tǒng)的電磁安全性。

3.3 體內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度

將人體模型分別導(dǎo)入兩種單線電能傳輸系統(tǒng)中，以有球系統(tǒng)為例，其相對(duì)位置如圖4所示。線圈鋪設(shè)于地面，人體呈站立姿勢(shì)，位于發(fā)射線圈前30cm處，背對(duì)于發(fā)射線圈。

在6.26MHz的情況下人體主要器官的電導(dǎo)率、相對(duì)介電常數(shù)、相對(duì)磁導(dǎo)率和密度見(jiàn)表2，將電導(dǎo)率、相對(duì)介電常數(shù)、相對(duì)磁導(dǎo)率和密度添加到各器官的材料屬性中。

表2 人體主要器官電磁參數(shù)

Tab.2 The electromagnetic parameters of the main organs in human body

對(duì)各個(gè)器官的電場(chǎng)強(qiáng)度最大值進(jìn)行仿真計(jì)算，得到的結(jié)果如圖8所示?？芍?，無(wú)球系統(tǒng)中各個(gè)器官電場(chǎng)強(qiáng)度最大值小于有球系統(tǒng)各個(gè)器官電場(chǎng)強(qiáng)度最大值。從兩單線電能傳輸系統(tǒng)的總體情況可以看出，肝臟和腎臟的電場(chǎng)強(qiáng)度較大，而大腦和心臟的電場(chǎng)強(qiáng)度較小。

圖8 人體器官的體電場(chǎng)強(qiáng)度最大值

器官表面的電場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖9所示?？芍?，腎臟表面電場(chǎng)強(qiáng)度最大，大腦表面電場(chǎng)強(qiáng)度最小。根據(jù)圖中各器官的顏色變化規(guī)律，本文推測(cè)越靠近線圈的器官受到的輻射越大，器官表面的電場(chǎng)強(qiáng)度也就越大。通過(guò)圖8和圖9對(duì)兩系統(tǒng)中人體內(nèi)器官電場(chǎng)強(qiáng)度的綜合對(duì)比，可知，無(wú)球系統(tǒng)中器官電場(chǎng)強(qiáng)度最大值更低，即無(wú)電容球的單線電能傳輸系統(tǒng)的電磁安全性優(yōu)于有球的單線電能傳輸系統(tǒng)。

圖9 器官表面的電場(chǎng)強(qiáng)度分布

3.4 體內(nèi)電流密度

對(duì)處于兩系統(tǒng)中的人體重要器官的電流密度進(jìn)行仿真計(jì)算，得到的器官電流密度最大值數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 器官電流密度最大值

通過(guò)表3可知，無(wú)球系統(tǒng)中的人體器官電流密度最大值小于有球系統(tǒng)中的人體器官電流密度最大值。其中，電流密度最大的器官是胃部，電流密度最小的器官是腦部。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文對(duì)空間電磁場(chǎng)限值距離進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)際建立兩種單線電能傳輸系統(tǒng)如圖10所示。利用電磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x對(duì)兩系統(tǒng)的空間電磁場(chǎng)強(qiáng)度限值的安全距離進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，得到的數(shù)據(jù)見(jiàn)表4、表5。因?qū)嶒?yàn)室環(huán)境復(fù)雜和測(cè)量?jī)x器的固有誤差，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)存在一定差異。

圖10 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

表4 電場(chǎng)限值距離

Tab.4 The distances defined by the electric field

表5 磁場(chǎng)限值距離

Tab.5 The distances defined by the magnetic field

通過(guò)表4數(shù)據(jù)可知，無(wú)球系統(tǒng)的電場(chǎng)限值距離整體低于有球系統(tǒng)，符合仿真情況。但是從表5數(shù)據(jù)可知，無(wú)球系統(tǒng)的磁場(chǎng)限值距離與有球系統(tǒng)差距不大。將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)基本吻合。

5 結(jié)論

本文針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可用的兩種單線電能傳輸系統(tǒng)電磁安全性進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)論如下：

1）從空間電場(chǎng)角度分析，有球系統(tǒng)發(fā)射端和接收端的電場(chǎng)限值限制距離要高于無(wú)球系統(tǒng)發(fā)射端和接收端的電場(chǎng)限值限制距離，雖然單線中間部分無(wú)球系統(tǒng)電場(chǎng)限值限制距離略高于有球系統(tǒng)電場(chǎng)限值限制距離，但無(wú)球系統(tǒng)電場(chǎng)限值整體覆蓋范圍比有球系統(tǒng)電場(chǎng)限值整體覆蓋范圍小，表明無(wú)球系統(tǒng)更安全。

2）從空間磁場(chǎng)角度分析，有球系統(tǒng)磁場(chǎng)限值覆蓋范圍大于無(wú)球系統(tǒng)磁場(chǎng)限值限制覆蓋范圍，表明無(wú)球系統(tǒng)更安全。

3）從器官電場(chǎng)強(qiáng)度角度分析，有球系統(tǒng)各器官電場(chǎng)強(qiáng)度最大值約為無(wú)球系統(tǒng)各器官電場(chǎng)強(qiáng)度最大值的1.7～2.3倍，表明無(wú)球系統(tǒng)更安全。

4）從器官電流密度角度分析，有球系統(tǒng)各器官電流密度最大值約為無(wú)球系統(tǒng)各器官電流密度最大值的1.7～2.3倍，表明無(wú)球系統(tǒng)更安全。

綜上所述，相比于有球單線電能傳輸系統(tǒng)，無(wú)球單線電能傳輸系統(tǒng)更安全，更適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

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Electromagnetic Safety Analysis on Single Wire Power Transfer System Based on Wireless Sensor Networks

（Tianjin Key Laboratory of Advanced Electrical Engineering and Energy Technology Tiangong University Tianjin 300387 China）

At present, the most mature power supply method for wireless sensor networks is battery, but this method requires frequent battery replacement, resulting in poor power supply reliability. Single wire power transfer can take into account the transmission distance and transmission efficiency, and has the characteristics of flexible distribution and non-directivity. Therefore, it can be utilized to solve the problem of reliability of battery in wireless sensor networks. Aiming at the electromagnetic safety problem of single wire power transfer system, two single wire power transfer system models with and without capacitor balls, and human body models were first established. Then, the electromagnetic safety of the two system models was simulated and analyzed. The spatial electromagnetic field distribution, the spatial electromagnetic field strength, the electric field strength in vivo and the current density in vivo of the two systems are compared. Finally, the experimental system was used to verify the simulation. The results show that, compared with the system with the capacitor balls, the value of each physical quantity of the system without capacitor balls is smaller, which is more in line with the safety standards of limiting time-varying electric and magnetic fields.

Wireless sensor networks, single wire power transfer, electromagnetic safety, simulation analysis

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L90235

TM15

李 陽(yáng) 男，1979年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闊o(wú)線電能傳輸理論與應(yīng)用。E-mail: liyang@tiangong.edu.cn（通信作者）

李 垚 女，1996年生，碩士研究生，研究方向?yàn)闊o(wú)線電能傳輸技術(shù)。E-mail: ly1931065389@163.com

2020-07-04

2020-10-28

國(guó)家自然科學(xué)基金（51877151, 51577133）和天津市高等學(xué)校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)培養(yǎng)計(jì)劃（TD13-5040）資助項(xiàng)目。

（編輯 崔文靜）