高壓功率放大器在壓電疊堆-蜂鳴片復合俘能器設(shè)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(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡單、使用簡便,能量密度高和不易受電磁干擾的優(yōu)點，近年來受到國內(nèi)外眾多學者關(guān)注，逐漸成為振動能量收集和自供電式無線傳感器節(jié)點領(lǐng)域研究熱點。壓電俘能器結(jié)構(gòu)較多，主要有懸臂結(jié)構(gòu)、疊堆結(jié)構(gòu)、多方向結(jié)構(gòu)、復合結(jié)構(gòu)等，根據(jù)不同的環(huán)境振動條件可以選擇不同結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換效率高的優(yōu)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(shù)對俘能電壓和功率的影響，并介紹復合俘能器結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識方法，為復合俘能器在實際振動環(huán)境中電壓和功率的預測起參考作用。

　　測試設(shè)備：復合俘能器，信號發(fā)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(fā)生器發(fā)生一個正弦電壓函數(shù)信號，正弦信號經(jīng)過功率放大器放大后輸入電動式激振器內(nèi)，激振器就會產(chǎn)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(chǎn)生一個正弦電壓信號，加速度計電壓信號經(jīng)電荷放大器放大后輸入示波器進行顯示，俘能器產(chǎn)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(shè)備為：激振器和壓電式加速度傳感器、示波器、信號發(fā)生器、ATA-4315高壓功率放大器、電荷放大器等。

　　實驗結(jié)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(zhì)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(shù)信號發(fā)生器輸出幅值為4V的正弦電壓信號，功放放大倍數(shù)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(zhì)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(huán)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(fā)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(jù)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(shù)

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