實驗名稱：不(bu)等厚梁各參數對輸出(chu)電壓(ya)的影響

研究方向：結合(he)國家自然(ran)科(ke)學基金“基于組合(he)換能器(qi)的磁力(li)耦(ou)合(he)輔助激勵(li)式壓電振動(dong)發電機研究(jiu)(jiu)”的研究(jiu)(jiu)目標，為提高俘(fu)能器(qi)的可靠性及(ji)環境適(shi)應能力(li)，提出(chu)了兩種(zhong)輔助懸臂(bei)梁間接激勵(li)的磁耦(ou)合(he)壓電振動(dong)俘(fu)能器(qi)，其利(li)用輔助梁單向(xiang)、間接激勵(li)壓電振子進行發電。分析了輔助梁結構(gou)參數、磁鐵(tie)配(pei)置參數及(ji)負載電阻等要素(su)對俘(fu)能器(qi)輸出(chu)特(te)性的影響規(gui)律，從理論仿(fang)真和試驗兩方面對其進行了系統的研究(jiu)(jiu)。

實驗目的：為驗(yan)(yan)證理論(lun)與(yu)仿真(zhen)結(jie)果的(de)正(zheng)確性，對設計的(de)單磁鐵耦合和(he)雙磁鐵耦合兩種(zhong)樣(yang)機、搭建試(shi)驗(yan)(yan)測試(shi)平臺，通過試(shi)驗(yan)(yan)方(fang)法研究等(deng)厚及不等(deng)厚的(de)輔助梁結(jie)構參數(shu)(長度和(he)厚度等(deng)因(yin)素)、磁鐵配置(zhi)參數(shu)(間距(ju)和(he)角度)及激勵參數(shu)(振幅(fu)、頻率和(he)激勵方(fang)式(shi))對兩種(zhong)輔助梁間接激勵的(de)磁耦合壓電(dian)俘(fu)能器輸出電(dian)壓的(de)影響(xiang)規律。

測試設備：電腦(nao)、RC-2000振動(dong)控制(zhi)儀、ATA-309B功率放大器(qi)、DC-1000振動(dong)臺(tai)、加速度(du)傳感器(qi)、數字示波器(qi)及試驗(yan)樣機。

實驗過程：利用電(dian)(dian)腦(nao)、RC-2000振(zhen)(zhen)動控制儀(yi)、ATA-309B功率(lv)放大器(qi)(qi)、DC-1000振(zhen)(zhen)動臺(tai)、加速度傳(chuan)感器(qi)(qi)、數字示波器(qi)(qi)及試驗(yan)(yan)樣(yang)(yang)機搭建了如圖4.2所(suo)示測試平臺(tai)。其中，RC2000振(zhen)(zhen)動控制器(qi)(qi)采用先進的分布式(shi)結構(gou)體系，利用閉(bi)環控制保(bao)證(zheng)控制系統的實時(shi)性(xing)、高效性(xing)及穩(wen)定(ding)性(xing)。在電(dian)(dian)腦(nao)端(duan)設置(zhi)簡諧激勵的振(zhen)(zhen)幅及頻(pin)率(lv)，傳(chuan)輸給振(zhen)(zhen)動控制儀(yi)，振(zhen)(zhen)動控制儀(yi)、功率(lv)放大器(qi)(qi)、振(zhen)(zhen)動臺(tai)、試驗(yan)(yan)樣(yang)(yang)機和(he)加速度傳(chuan)感器(qi)(qi)形(xing)成閉(bi)環控制，最后(hou)利用數字示波器(qi)(qi)采集壓電(dian)(dian)振(zhen)(zhen)子(zi)在受(shou)激過(guo)程(cheng)中輸出的開路電(dian)(dian)壓。

研究討論輔助(zhu)懸臂梁結(jie)構參數、耦合磁(ci)鐵配(pei)置參數及激(ji)勵參數對俘能器(qi)電壓特性(xing)的影響規(gui)律。為了(le)方便起(qi)見(jian)，規(gui)定:

①沒有特別(bie)說明(ming)情況(kuang)下，所施加(jia)的勵是振幅(fu)為(wei)1.5mm、頻率在(zai)10~40Hz之間；

②低頻(pin)(pin)段(duan)和高頻(pin)(pin)段(duan)分(fen)別指激勵頻(pin)(pin)率(lv)在10~25Hz和25~40Hz；

③試驗(yan)中(zhong)上、下(xia)側的(de)壓(ya)電(dian)振子在(zai)相(xiang)同條件下(xia)的(de)幅(fu)頻(pin)特(te)性(xing)基(ji)本(ben)一致，故僅測(ce)試上側壓(ya)電(dian)振子開(kai)路電(dian)壓(ya)的(de)峰(feng)峰(feng)值；

④有效頻(pin)帶(dai)指輸出電壓大于10V所對(dui)應的頻(pin)率區間，有效帶(dai)寬指有效頻(pin)帶(dai)的寬度(du)；

柔(rou)性梁(liang)在固(gu)定端(duan)的輔助(zhu)梁(liang)如圖4.8所示，其由(you)一根0.1mm厚(hou)的中間梁(liang)和兩根0.2mm厚(hou)的附(fu)加梁(liang)粘貼而成(cheng)，兩側的附(fu)加梁(liang)恒長為(wei)80mm，柔(rou)性梁(liang)長(未粘貼有附(fu)加梁(liang)的中間梁(liang)的長度(du))為(wei)l1。

當L0從0增(zeng)加至(zhi)(zhi)10mm，俘能(neng)器固有頻率從26Hz降(jiang)低至(zhi)(zhi)23.5Hz，最大電壓從89.6V減小至(zhi)(zhi)88V。圖4.9(b)給出了弱(ruo)磁(ci)耦合(he)條(tiao)件下梁總長1=100mm、l1不同(tong)時的幅頻特性曲線。由圖可知:當l1從0增(zeng)加至(zhi)(zhi)20mm，俘能(neng)器固有頻率從20Hz降(jiang)低至(zhi)(zhi)17Hz，最大電壓從37.2V增(zeng)加至(zhi)(zhi)41.6V。

當(dang)其(qi)(qi)由(you)三根(gen)厚度(du)均為0.3mm的矩形梁(liang)粘貼而成，中間柔性梁(liang)恒(heng)長90mm，兩(liang)側(ce)附加梁(liang)的長度(du)均為2。另外(wai)，預(yu)彎壓電振子在安裝后(hou)實測其(qi)(qi)與輔助梁(liang)滑動接觸(chu)的位置(zhi)距固定端42mm。

固(gu)有(you)頻率隨(sui)附(fu)加梁長(chang)度的增大(da)而升高、有(you)效(xiao)帶(dai)寬(kuan)(kuan)隨(sui)其增大(da)而拓(tuo)寬(kuan)(kuan)、最大(da)電壓隨(sui)其增大(da)先減小(xiao)后增大(da)。對(dui)比附(fu)加梁長(chang)度l2=0mm和55mm可知，增設兩根(gen)附(fu)加梁后俘能(neng)器的最大(da)電壓從22V上升至44.8V、增加了(le)2倍，有(you)效(xiao)頻帶(dai)區間從12.7~14.9Hz拓(tuo)寬(kuan)(kuan)至18.7~26.3Hz、拓(tuo)寬(kuan)(kuan)了(le)3.6倍。

圖(tu)4.13給出了柔(rou)(rou)(rou)性梁(liang)(liang)在中間(jian)(jian)位置(zhi)(位于(yu)壓(ya)電振(zhen)子和(he)輔助梁(liang)(liang)接(jie)觸點和(he)固定(ding)端(duan)之間(jian)(jian))時不等厚輔助梁(liang)(liang)的結構(gou)示意圖(tu)，其由一根(gen)長為(wei)90mm、厚度為(wei)hs的中間(jian)(jian)柔(rou)(rou)(rou)性梁(liang)(liang)及粘貼于(yu)中間(jian)(jian)梁(liang)(liang)兩側(ce)厚度均為(wei)03mm的附加梁(liang)(liang)構(gou)成(cheng)。柔(rou)(rou)(rou)性梁(liang)(liang)(未粘貼有附加梁(liang)(liang)的中間(jian)(jian)梁(liang)(liang))恒長為(wei)10mm。

圖(tu)4.14為(wei)(wei)水平耦合距(ju)(ju)(ju)離(li)(li)d1=12.5mm、豎直耦合距(ju)(ju)(ju)離(li)(li)h1=0mm、耦合角a=0°激(ji)勵振幅(fu)(fu)為(wei)(wei)3mm、柔(rou)性(xing)(xing)梁(liang)厚度h3=0.3mm、安裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)距(ju)(ju)(ju)離(li)(li)L3不同時單磁耦合俘(fu)能器(qi)的幅(fu)(fu)頻(pin)(pin)特(te)性(xing)(xing)曲(qu)線(xian)。當安裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)距(ju)(ju)(ju)離(li)(li)分別為(wei)(wei)0mm、10mm和(he)20mm時，俘(fu)能器(qi)的固有(you)頻(pin)(pin)率分別為(wei)(wei)16HZ、10Hz及(ji)10Hz、最(zui)大(da)(da)電壓分別為(wei)(wei)58.4V、32V及(ji)28.8V。固有(you)頻(pin)(pin)率隨安裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)距(ju)(ju)(ju)離(li)(li)L3的增(zeng)大(da)(da)而(er)降低、最(zui)大(da)(da)電壓隨其(qi)增(zeng)大(da)(da)而(er)減小。圖(tu)4.15為(wei)(wei)d1=12.5mm、h1=0mm、a1=0、激(ji)勵振幅(fu)(fu)為(wei)(wei)3mm、柔(rou)性(xing)(xing)梁(liang)厚度h3及(ji)安裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)距(ju)(ju)(ju)離(li)(li)L3;不同時單磁耦合俘(fu)能器(qi)的幅(fu)(fu)頻(pin)(pin)特(te)性(xing)(xing)曲(qu)線(xian)。由圖(tu)4.15可知:圖(tu)中(zhong)4組都有(you)較(jiao)低的響(xiang)應頻(pin)(pin)率，其(qi)中(zhong)柔(rou)性(xing)(xing)梁(liang)厚度h03=0.2mm、安裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)距(ju)(ju)(ju)離(li)(li)L3=10mm時，俘(fu)能器(qi)具有(you)較(jiao)低的響(xiang)應頻(pin)(pin)率和(he)較(jiao)寬(kuan)的有(you)效頻(pin)(pin)帶(dai)。

測試結果：

柔性(xing)梁(liang)(liang)在自由端、其(qi)它參(can)數不變(bian)時，通過(guo)減(jian)小柔性(xing)梁(liang)(liang)長度，可以提高俘能器的(de)固有頻(pin)率、拓寬(kuan)有效帶(dai)寬(kuan)，獲得較好的(de)低頻(pin)段響(xiang)應。

柔(rou)性梁在固(gu)定端、其(qi)它參數不(bu)變時，通過增加柔(rou)性梁長度lo可(ke)以進一步降低(di)固(gu)有頻率，且最大電壓幾乎不(bu)受(shou)影響。

綜上所述，在(zai)其他條件(jian)不變時，通過改變柔性梁的長(chang)度、厚度及所在(zai)位置可(ke)以進(jin)一步提(ti)高(gao)俘能(neng)器的發電能(neng)力。

?功率(lv)放(fang)大器推薦：ATA-309C

圖：ATA-309C功率放大器指標參數

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