高压功率放大器在压电叠堆-蜂鸣片复合俘能器设计中的应用

实验名称：安装在激振器上的俘能器实验

研究方向：压电式俘能器是一种基于正压电效应的能量收集技术，具有结构简单、使用简便,能量密度高和不易受电磁干扰的优点，近年来受到国内外众多学者关注，逐渐成为振动能量收集和自供电式无线传感器节点领域研究热点。压电俘能器结构较多，主要有悬臂结构、叠堆结构、多方向结构、复合结构等，根据不同的环境振动条件可以选择不同结构的压电俘能器进行能量收集。压电俘能器材料方面，聚偏二氟乙烯(PVDF)是一种柔性材料薄膜，可用于制作柔性传感器和俘能器：错酸铅(PZT)压电陶瓷材料具有能量转换效率高的优点，适用于机械振动能量收集。

实验目的：研究复合俘能器参数对俘能电压和功率的影响，并介绍复合俘能器结构参数辨识方法，为复合俘能器在实际振动环境中电压和功率的预测起参考作用。

测试设备：复合俘能器，信号发生器，ATA-4315高压功率放大器，电荷放大器，激振器，加速计，示波器。

实验过程：实验装置原理图如下图所示：信号发生器发生一个正弦电压函数信号，正弦信号经过功率放大器放大后输入电动式激振器内，激振器就会产生一个正弦振动，加速度计和俘能器安装在激振器上，随着激振器的振动会产生一个正弦电压信号，加速度计电压信号经电荷放大器放大后输入示波器进行显示，俘能器产生电压信号直接送入示波器显示，从示波器中可以读出激振器的振动加速度和俘能器开路电压。

图：实验装置图

将加速度传感器使用502胶水粘接在激振台上，将俘能器安装在激振台上，实验装置用到的仪器设备为：激振器和压电式加速度传感器、示波器、信号发生器、ATA-4315高压功率放大器、电荷放大器等。

实验结果：为了研究压电蜂鸣片在复合俘能器中的作用，使用顶端质量块相同的#2、#5能器作为实验对象，分别测量有蜂鸣片的#2能器和无蜂鸣片的#5能器叠堆电压的频率特性。如图4.6所示，分别将#2和#5能器安装在激振器上，函数信号发生器输出幅值为4V的正弦电压信号，功放放大倍数不变(F不变)，采用15~4000H的激励频率对两个俘能器进行振动激励，得到两个俘能器中叠堆的开路电压频响曲线，如图4.7所示。

顶端质量相同条件下，无蜂鸣片的#5俘能器在3270Hz处谐振此时叠堆输出电压仅为1V,如此高的振动频率在环境中是难以达到的,在低频振动下,有蜂鸣片的#2俘能器在144Hz处有个明显的峰值，表明发生了谐振，在144Hz处#2、#5俘能器中叠堆电压分别为3.86V、0.3V，#2中叠堆电压约为#5的13倍，根据公式表明#2中叠堆电压受力大小为#5中叠堆的13倍，蜂鸣片起到了放大叠堆受力的作用，由于叠堆电容不变，#2能器叠每次收集的能量是5能器的169倍，达到了提高叠堆俘能器功率的效果。

图：ATA-4315高压功率放大器指标参数

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