高壓功率放大器在壓電疊堆-蜂鳴片復合俘能器設計中的應用

　　實驗名稱：安裝在激振器上的俘能器實驗

　　研究方向：壓電式俘能器是一種基于正壓電效應的能量收集技術，具有結構簡單、使用簡便,能量密度高和不易受電磁干擾的優點，近年來受到國內外眾多學者關注，逐漸成為振動能量收集和自供電式無線傳感器節點領域研究熱點。壓電俘能器結構較多，主要有懸臂結構、疊堆結構、多方向結構、復合結構等，根據不同的環境振動條件可以選擇不同結構的壓電俘能器進行能量收集。壓電俘能器材料方面，聚偏二氟乙烯(PVDF)是一種柔性材料薄膜，可用于制作柔性傳感器和俘能器：錯酸鉛(PZT)壓電陶瓷材料具有能量轉換效率高的優點，適用于機械振動能量收集。

　　實驗目的：研究復合俘能器參數對俘能電壓和功率的影響，并介紹復合俘能器結構參數辨識方法，為復合俘能器在實際振動環境中電壓和功率的預測起參考作用。

　　測試設備：復合俘能器，信號發生器，ATA-4315高壓功率放大器，電荷放大器，激振器，加速計，示波器。

　　實驗過程：實驗裝置原理圖如下圖所示：信號發生器發生一個正弦電壓函數信號，正弦信號經過功率放大器放大后輸入電動式激振器內，激振器就會產生一個正弦振動，加速度計和俘能器安裝在激振器上，隨著激振器的振動會產生一個正弦電壓信號，加速度計電壓信號經電荷放大器放大后輸入示波器進行顯示，俘能器產生電壓信號直接送入示波器顯示，從示波器中可以讀出激振器的振動加速度和俘能器開路電壓。

圖：實驗裝置圖

　　將加速度傳感器使用502膠水粘接在激振臺上，將俘能器安裝在激振臺上，實驗裝置用到的儀器設備為：激振器和壓電式加速度傳感器、示波器、信號發生器、ATA-4315高壓功率放大器、電荷放大器等。

　　實驗結果：為了研究壓電蜂鳴片在復合俘能器中的作用，使用頂端質量塊相同的#2、#5能器作為實驗對象，分別測量有蜂鳴片的#2能器和無蜂鳴片的#5能器疊堆電壓的頻率特性。如圖4.6所示，分別將#2和#5能器安裝在激振器上，函數信號發生器輸出幅值為4V的正弦電壓信號，功放放大倍數不變(F不變)，采用15~4000H的激勵頻率對兩個俘能器進行振動激勵，得到兩個俘能器中疊堆的開路電壓頻響曲線，如圖4.7所示。

　　頂端質量相同條件下，無蜂鳴片的#5俘能器在3270Hz處諧振此時疊堆輸出電壓僅為1V,如此高的振動頻率在環境中是難以達到的,在低頻振動下,有蜂鳴片的#2俘能器在144Hz處有個明顯的峰值，表明發生了諧振，在144Hz處#2、#5俘能器中疊堆電壓分別為3.86V、0.3V，#2中疊堆電壓約為#5的13倍，根據公式表明#2中疊堆電壓受力大小為#5中疊堆的13倍，蜂鳴片起到了放大疊堆受力的作用，由于疊堆電容不變，#2能器疊每次收集的能量是5能器的169倍，達到了提高疊堆俘能器功率的效果。

圖：ATA-4315高壓功率放大器指標參數

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