高壓功率放大器在壓電疊堆-蜂鳴片復(fù)合俘能器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)：安裝在激振器上的俘能器實(shí)驗(yàn)

研究方向：壓電式俘能器是一種基于正壓電效應(yīng)的能量收集技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用簡(jiǎn)便,能量密度高和不易受電磁干擾的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)受到國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者關(guān)注，逐漸成為振動(dòng)能量收集和自供電式無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。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(fù)合結(jié)構(gòu)等，根據(jù)不同的環(huán)境振動(dòng)條件可以選擇不同結(jié)構(gòu)的壓電俘能器進(jìn)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(cuò)酸鉛(PZT)壓電陶瓷材料具有能量轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)點(diǎn)，適用于機(jī)械振動(dòng)能量收集。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/strong>研究復(fù)合俘能器參數(shù)對(duì)俘能電壓和功率的影響，并介紹復(fù)合俘能器結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)方法，為復(fù)合俘能器在實(shí)際振動(dòng)環(huán)境中電壓和功率的預(yù)測(cè)起參考作用。

測(cè)試設(shè)備：復(fù)合俘能器，信號(hào)發(fā)生器，ATA-4315高壓功率放大器，電荷放大器，激振器，加速計(jì)，示波器。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：實(shí)驗(yàn)裝置原理圖如下圖所示：信號(hào)發(fā)生器發(fā)生一個(gè)正弦電壓函數(shù)信號(hào)，正弦信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大器放大后輸入電動(dòng)式激振器內(nèi)，激振器就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)正弦振動(dòng)，加速度計(jì)和俘能器安裝在激振器上，隨著激振器的振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)正弦電壓信號(hào)，加速度計(jì)電壓信號(hào)經(jīng)電荷放大器放大后輸入示波器進(jìn)行顯示，俘能器產(chǎn)生電壓信號(hào)直接送入示波器顯示，從示波器中可以讀出激振器的振動(dòng)加速度和俘能器開(kāi)路電壓。

圖：實(shí)驗(yàn)裝置圖

將加速度傳感器使用502膠水粘接在激振臺(tái)上，將俘能器安裝在激振臺(tái)上，實(shí)驗(yàn)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(hào)發(fā)生器、ATA-4315高壓功率放大器、電荷放大器等。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：為了研究壓電蜂鳴片在復(fù)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(shí)驗(yàn)對(duì)象，分別測(cè)量有蜂鳴片的#2能器和無(wú)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(hào)發(fā)生器輸出幅值為4V的正弦電壓信號(hào)，功放放大倍數(shù)不變(F不變)，采用15~4000H的激勵(lì)頻率對(duì)兩個(gè)俘能器進(jìn)行振動(dòng)激勵(lì)，得到兩個(gè)俘能器中疊堆的開(kāi)路電壓頻響曲線，如圖4.7所示。

頂端質(zhì)量相同條件下，無(wú)蜂鳴片的#5俘能器在3270Hz處諧振此時(shí)疊堆輸出電壓僅為1V,如此高的振動(dòng)頻率在環(huán)境中是難以達(dá)到的,在低頻振動(dòng)下,有蜂鳴片的#2俘能器在144Hz處有個(gè)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(dá)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(biāo)參數(shù)

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