功率放大器在磁耦合壓電振動俘能器研究中的應用

實驗名稱：不等厚梁各參數對輸出電壓的影響

研究方向：結合國家自然科學基金“基于組合換能器的磁力耦合輔助激勵式壓電振動發電機研究"的研究目標，為提高俘能器的可靠性及環境適應能力，提出了兩種輔助懸臂梁間接激勵的磁耦合壓電振動俘能器，其利用輔助梁單向、間接激勵壓電振子進行發電。分析了輔助梁結構參數、磁鐵配置參數及負載電阻等要素對俘能器輸出特性的影響規律，從理論仿真和試驗兩方面對其進行了系統的研究。

實驗目的：為驗證理論與仿真結果的正確性，對設計的單磁鐵耦合和雙磁鐵耦合兩種樣機、搭建試驗測試平臺，通過試驗方法研究等厚及不等厚的輔助梁結構參數(長度和厚度等因素)、磁鐵配置參數(間距和角度)及激勵參數(振幅、頻率和激勵方式)對兩種輔助梁間接激勵的磁耦合壓電俘能器輸出電壓的影響規律。

測試設備：電腦、RC-2000振動控制儀、ATA-309B功率放大器、DC-1000振動臺、加速度傳感器、數字示波器及試驗樣機。

實驗過程：利用電腦、RC-2000振動控制儀、ATA-309B功率放大器、DC-1000振動臺、加速度傳感器、數字示波器及試驗樣機搭建了如圖4.2所示測試平臺。其中，RC2000振動控制器采用先進的分布式結構體系，利用閉環控制保證控制系統的實時性、高效性及穩定性。在電腦端設置簡諧激勵的振幅及頻率，傳輸給振動控制儀，振動控制儀、功率放大器、振動臺、試驗樣機和加速度傳感器形成閉環控制，最后利用數字示波器采集壓電振子在受激過程中輸出的開路電壓。

研究討論輔助懸臂梁結構參數、耦合磁鐵配置參數及激勵參數對俘能器電壓特性的影響規律。為了方便起見，規定:

①沒有特別說明情況下，所施加的勵是振幅為1.5mm、頻率在10~40Hz之間；

②低頻段和高頻段分別指激勵頻率在10~25Hz和25~40Hz；

③試驗中上、下側的壓電振子在相同條件下的幅頻特性基本一致，故僅測試上側壓電振子開路電壓的峰峰值；

④有效頻帶指輸出電壓大于10V所對應的頻率區間，有效帶寬指有效頻帶的寬度；

柔性梁在固定端的輔助梁如圖4.8所示，其由一根0.1mm厚的中間梁和兩根0.2mm厚的附加梁粘貼而成，兩側的附加梁恒長為80mm，柔性梁長(未粘貼有附加梁的中間梁的長度)為l1。

當L0從0增加至10mm，俘能器固有頻率從26Hz降低至23.5Hz，最大電壓從89.6V減小至88V。圖4.9(b)給出了弱磁耦合條件下梁總長1=100mm、l1不同時的幅頻特性曲線。由圖可知:當l1從0增加至20mm，俘能器固有頻率從20Hz降低至17Hz，最大電壓從37.2V增加至41.6V。

當其由三根厚度均為0.3mm的矩形梁粘貼而成，中間柔性梁恒長90mm，兩側附加梁的長度均為2。另外，預彎壓電振子在安裝后實測其與輔助梁滑動接觸的位置距固定端42mm。

固有頻率隨附加梁長度的增大而升高、有效帶寬隨其增大而拓寬、最大電壓隨其增大先減小后增大。對比附加梁長度l2=0mm和55mm可知，增設兩根附加梁后俘能器的最大電壓從22V上升至44.8V、增加了2倍，有效頻帶區間從12.7~14.9Hz拓寬至18.7~26.3Hz、拓寬了3.6倍。

圖4.13給出了柔性梁在中間位置(位于壓電振子和輔助梁接觸點和固定端之間)時不等厚輔助梁的結構示意圖，其由一根長為90mm、厚度為hs的中間柔性梁及粘貼于中間梁兩側厚度均為03mm的附加梁構成。柔性梁(未粘貼有附加梁的中間梁)恒長為10mm。

圖4.14為水平耦合距離d1=12.5mm、豎直耦合距離h1=0mm、耦合角a=0°激勵振幅為3mm、柔性梁厚度h3=0.3mm、安裝距離L3不同時單磁耦合俘能器的幅頻特性曲線。當安裝距離分別為0mm、10mm和20mm時，俘能器的固有頻率分別為16HZ、10Hz及10Hz、最大電壓分別為58.4V、32V及28.8V。固有頻率隨安裝距離L3的增大而降低、最大電壓隨其增大而減小。圖4.15為d1=12.5mm、h1=0mm、a1=0、激勵振幅為3mm、柔性梁厚度h3及安裝距離L3;不同時單磁耦合俘能器的幅頻特性曲線。由圖4.15可知:圖中4組都有較低的響應頻率，其中柔性梁厚度h03=0.2mm、安裝距離L3=10mm時，俘能器具有較低的響應頻率和較寬的有效頻帶。

測試結果：

柔性梁在自由端、其它參數不變時，通過減小柔性梁長度，可以提高俘能器的固有頻率、拓寬有效帶寬，獲得較好的低頻段響應。

柔性梁在固定端、其它參數不變時，通過增加柔性梁長度lo可以進一步降低固有頻率，且最大電壓幾乎不受影響。

綜上所述，在其他條件不變時，通過改變柔性梁的長度、厚度及所在位置可以進一步提高俘能器的發電能力。

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圖：ATA-309C功率放大器指標參數

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