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(yīng)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(xué)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(fù)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(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(jī)械振動能量收集。
實驗?zāi)康模?/strong>研究復(fù)合俘能器參數(shù)對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)辨識方法,為復(fù)合俘能器在實際振動環(huán)境中電壓和功率的預(yù)測起參考作用。
測試設(shè)備:復(fù)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(jìn)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(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(jìn)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(dá)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(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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