實(shí)驗(yàn)名稱：不等厚梁各參數(shù)對(duì)輸出電壓的影響

研究方向：結(jié)合國(guó)家自然科學(xué)基金“基于組合換能器的磁力耦合輔助激勵(lì)式壓電振動(dòng)發(fā)電機(jī)研究”的研究目標(biāo)，為提高俘能器的可靠性及環(huán)境適應(yīng)能力，提出了兩種輔助懸臂梁間接激勵(lì)的磁耦合壓電振動(dòng)俘能器，其利用輔助梁?jiǎn)蜗颉㈤g接激勵(lì)壓電振子進(jìn)行發(fā)電。分析了輔助梁結(jié)構(gòu)參數(shù)、磁鐵配置參數(shù)及負(fù)載電阻等要素對(duì)俘能器輸出特性的影響規(guī)律，從理論仿真和試驗(yàn)兩方面對(duì)其進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/strong>為驗(yàn)證理論與仿真結(jié)果的正確性，對(duì)設(shè)計(jì)的單磁鐵耦合和雙磁鐵耦合兩種樣機(jī)、搭建試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，通過試驗(yàn)方法研究等厚及不等厚的輔助梁結(jié)構(gòu)參數(shù)(長(zhǎng)度和厚度等因素)、磁鐵配置參數(shù)(間距和角度)及激勵(lì)參數(shù)(振幅、頻率和激勵(lì)方式)對(duì)兩種輔助梁間接激勵(lì)的磁耦合壓電俘能器輸出電壓的影響規(guī)律。

測(cè)試設(shè)備：電腦、RC-2000振動(dòng)控制儀、ATA-309B功率放大器、DC-1000振動(dòng)臺(tái)、加速度傳感器、數(shù)字示波器及試驗(yàn)樣機(jī)。

實(shí)驗(yàn)過程：利用電腦、RC-2000振動(dòng)控制儀、ATA-309B功率放大器、DC-1000振動(dòng)臺(tái)、加速度傳感器、數(shù)字示波器及試驗(yàn)樣機(jī)搭建了如圖4.2所示測(cè)試平臺(tái)。其中，RC2000振動(dòng)控制器采用先進(jìn)的分布式結(jié)構(gòu)體系，利用閉環(huán)控制保證控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、高效性及穩(wěn)定性。在電腦端設(shè)置簡(jiǎn)諧激勵(lì)的振幅及頻率，傳輸給振動(dòng)控制儀，振動(dòng)控制儀、功率放大器、振動(dòng)臺(tái)、試驗(yàn)樣機(jī)和加速度傳感器形成閉環(huán)控制，最后利用數(shù)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(jié)構(gòu)參數(shù)、耦合磁鐵配置參數(shù)及激勵(lì)參數(shù)對(duì)俘能器電壓特性的影響規(guī)律。為了方便起見，規(guī)定:

①?zèng)]有特別說明情況下，所施加的勵(lì)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(lì)頻率在10~25Hz和25~40Hz；

③試驗(yàn)中上、下側(cè)的壓電振子在相同條件下的幅頻特性基本一致，故僅測(cè)試上側(cè)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(duì)應(yīng)的頻率區(qū)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(cè)的附加梁恒長(zhǎng)為80mm，柔性梁長(zhǎng)(未粘貼有附加梁的中間梁的長(zhǎng)度)為l1。

當(dāng)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(zhǎng)1=100mm、l1不同時(shí)的幅頻特性曲線。由圖可知:當(dāng)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(dāng)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(zhǎng)90mm，兩側(cè)附加梁的長(zhǎng)度均為2。另外，預(yù)彎壓電振子在安裝后實(shí)測(cè)其與輔助梁滑動(dòng)接觸的位置距固定端42mm。

固有頻率隨附加梁長(zhǎng)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(duì)比附加梁長(zhǎng)度l2=0mm和55mm可知，增設(shè)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(qū)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(diǎn)和固定端之間)時(shí)不等厚輔助梁的結(jié)構(gòu)示意圖，其由一根長(zhǎng)為90mm、厚度為hs的中間柔性梁及粘貼于中間梁兩側(cè)厚度均為03mm的附加梁構(gòu)成。柔性梁(未粘貼有附加梁的中間梁)恒長(zhǎng)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(lì)振幅為3mm、柔性梁厚度h3=0.3mm、安裝距離L3不同時(shí)單磁耦合俘能器的幅頻特性曲線。當(dāng)安裝距離分別為0mm、10mm和20mm時(shí)，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(lì)振幅為3mm、柔性梁厚度h3及安裝距離L3;不同時(shí)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(yīng)頻率，其中柔性梁厚度h03=0.2mm、安裝距離L3=10mm時(shí)，俘能器具有較低的響應(yīng)頻率和較寬的有效頻帶。

測(cè)試結(jié)果：

柔性梁在自由端、其它參數(shù)不變時(shí)，通過減小柔性梁長(zhǎng)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(yīng)。

柔性梁在固定端、其它參數(shù)不變時(shí)，通過增加柔性梁長(zhǎng)度lo可以進(jìn)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(shí)，通過改變?nèi)嵝粤旱拈L(zhǎng)度、厚度及所在位置可以進(jìn)一步提高俘能器的發(fā)電能力。

?功率放大器推薦：ATA-309C

圖：ATA-309C功率放大器指標(biāo)參數(shù)

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