功率放大器在冲击式压电俘能器研究中的应用

实验名称：冲击式压电俘能器数值分析及实验测试

研究方向：无线传感网络应用于生态环境监测和人体健康监测具有重要的意义和应用前景，但如何为其进行可持续供电是目前存在的一个巨大挑战。由于传感器节点的分布范围过于广泛，采用电缆传输的方式需要昂贵的费用:采用电池供电存在着种种弊端(不可持续且污染环境等)。风能作为世界上储量丰富、分布广泛的自然资源之一，是一种可以利用的理想能源。利用俘能装置俘获能量为无线传感网络供电可以有效解决传感器持续供电的问题。将俘能装置与无线传感网络结合在一起组成可以进行自供电的生态环境监测气候监测、自然灾害监测和人体健康监测等监测网络，对保护和改善人类生存环境具有重要意义。

实验目的：对基础激励冲击式压电俘能器进行理论验证，探究压电梁的振动特性和发电特性的影响。分析压电梁与冲击梁碰撞后运动状态以及输出特性。对激励加速度，外接电阻，激励频率等参数进行实验验证。

测试设备：冲击式压电俘能器实验样机、激振器、振动控制台、功率放大器、NI数据采集卡、加速度传感器、可变电阻(阻值为0-1MΩ)、笔记本电脑、夹具和导线等。

实验过程：首先将冲击式压电俘能器实验样机通过夹具将其固定在激振器的铝制底板上，连接好N数据采集卡和可变电阻，加速度传感器通过永磁铁吸附在铝制底板上：N1数据采集卡的输出端通过USB接口与笔记本电脑相连:振动控制台与笔记本电脑、功率放大器、加速度传感器相连形成一个闭合的回路。

实验过程中，首先接通电源，调节可变电阻:通过振动控制台配套的计算机软件进行设置基础激励信号，如激振器所需要的频率、加速度等:再通过功率放大器将基础励信号放大并传递至激振器，激振器输出信号，冲击式压电俘能器中冲击梁产生机械振动:当冲击梁与压电梁发生碰撞时，压电梁输出电压信号:NI数据采集卡负责收集电压信号，并通过USB线将采集到的数据传输到笔记本电脑上:利用数据采集软件中已制作好的程序，对采集到的实时电压信号进行显示和记录:采用控制变量法，对实验中的相关参数进行调整，获得不同参数下俘能器的实时电压信号，并进行记录和保存。采用数据分析软件对实验数据进行分析处理:最后将设备开关和电源总闸关闭，整理实验平台。

为了确保实验顺利进行并获得真实可靠的数据，在进行实验测试之前，需要注意以下几种情况:(1)压电片具有易碎性，在压电梁的夹持端缠绕防水软胶带，防止夹具在对压电梁夹持时，导致压电片断裂:(2)确保实验一次性完成，防止其他因素导致实验之间存在较大误差:(3)重复实验时要保持实验参数的一致性。

实验结果：不同激振频率下俘能器的电压时域图，如图2.14所示。在加速度为4g，压电梁自由端无质量块，冲击梁厚度为0.2mm的情况下，分别测试了激振频率为6Hz、6.6HZ、9.2Hz、12Hz、13.4Hz和13.8Hz下俘能器的输出性能。通过分析俘能器在单频激励下的电压输出可以得到，冲击梁与压电梁每次碰撞的位置不会完全相同，这就导致每个周期信号会有一些差异，但总体特征保持一致。随着激振频率的增加，冲击梁与压电梁在一秒内碰撞的次数增加，压电梁自由振动衰减周期减少。在激振频率为13.8Hz时，时域图呈现平滑的周期特性，进而说明在此频率下冲击梁与压电梁没有发生碰撞，原因是13.8Hz时的激振频率远离冲击梁的固有频率，导致冲击梁振动幅度下降,振动位移无法达到冲击距离，此时，没有动能传递到压电梁，压电梁的振动位移接近于0。

通过扫频实验进一步测试了不同激励加速度下基础激励冲击式压电俘能器的输出性能，如图2.15所示。在压电梁自由端无质量块，冲击位置为压电梁前端的情况下，分别测试了激励加速度为2g、3g、4g和5g下俘能器在激振频率6~14Hz之间的电压输出。从图中可以明显得到随着激振加速度的增加俘能器的输出电压也随之增加，随着激振频率的增加俘能器的电压输出逐渐增大，在激振频率为6.5Hz时达到俘能器电压输出的第一个峰值，随后随着激振频率的增加，俘能器输出电压逐渐下降，在达到一个最低电压输出后，输出电压再次增加，在激振频率为13.6Hz时达到俘能器出现第二峰值，随后输出电压迅速减小趋近于0，这是因为随着激振频率的增加冲击梁的振动位移小于冲击梁与压电梁之间的冲击距离，因此两者之间不再发生碰撞。扫频响应更加直观地展现了俘能器在6~14Hz频率范围内的输出性能和振动特性。

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