功率放大器在磁耦合压电振动俘能器研究中的应用

实验名称：不等厚梁各参数对输出电压的影响

研究方向：结合国家自然科学基金“基于组合换能器的磁力耦合辅助激励式压电振动发电机研究”的研究目标，为提高俘能器的可靠性及环境适应能力，提出了两种辅助悬臂梁间接激励的磁耦合压电振动俘能器，其利用辅助梁单向、间接激励压电振子进行发电。分析了辅助梁结构参数、磁铁配置参数及负载电阻等要素对俘能器输出特性的影响规律，从理论仿真和试验两方面对其进行了系统的研究。

实验目的：为验证理论与仿真结果的正确性，对设计的单磁铁耦合和双磁铁耦合两种样机、搭建试验测试平台，通过试验方法研究等厚及不等厚的辅助梁结构参数(长度和厚度等因素)、磁铁配置参数(间距和角度)及激励参数(振幅、频率和激励方式)对两种辅助梁间接激励的磁耦合压电俘能器输出电压的影响规律。

测试设备：电脑、RC-2000振动控制仪、ATA-309B功率放大器、DC-1000振动台、加速度传感器、数字示波器及试验样机。

实验过程：利用电脑、RC-2000振动控制仪、ATA-309B功率放大器、DC-1000振动台、加速度传感器、数字示波器及试验样机搭建了如图4.2所示测试平台。其中，RC2000振动控制器采用先进的分布式结构体系，利用闭环控制保证控制系统的实时性、高效性及稳定性。在电脑端设置简谐激励的振幅及频率，传输给振动控制仪，振动控制仪、功率放大器、振动台、试验样机和加速度传感器形成闭环控制，最后利用数字示波器采集压电振子在受激过程中输出的开路电压。

研究讨论辅助悬臂梁结构参数、耦合磁铁配置参数及激励参数对俘能器电压特性的影响规律。为了方便起见，规定:

①没有特别说明情况下，所施加的励是振幅为1.5mm、频率在10~40Hz之间；

②低频段和高频段分别指激励频率在10~25Hz和25~40Hz；

③试验中上、下侧的压电振子在相同条件下的幅频特性基本一致，故仅测试上侧压电振子开路电压的峰峰值；

④有效频带指输出电压大于10V所对应的频率区间，有效带宽指有效频带的宽度；

柔性梁在固定端的辅助梁如图4.8所示，其由一根0.1mm厚的中间梁和两根0.2mm厚的附加梁粘贴而成，两侧的附加梁恒长为80mm，柔性梁长(未粘贴有附加梁的中间梁的长度)为l1。

当L0从0增加至10mm，俘能器固有频率从26Hz降低至23.5Hz，最大电压从89.6V减小至88V。图4.9(b)给出了弱磁耦合条件下梁总长1=100mm、l1不同时的幅频特性曲线。由图可知:当l1从0增加至20mm，俘能器固有频率从20Hz降低至17Hz，最大电压从37.2V增加至41.6V。

当其由三根厚度均为0.3mm的矩形梁粘贴而成，中间柔性梁恒长90mm，两侧附加梁的长度均为2。另外，预弯压电振子在安装后实测其与辅助梁滑动接触的位置距固定端42mm。

固有频率随附加梁长度的增大而升高、有效带宽随其增大而拓宽、最大电压随其增大先减小后增大。对比附加梁长度l2=0mm和55mm可知，增设两根附加梁后俘能器的最大电压从22V上升至44.8V、增加了2倍，有效频带区间从12.7~14.9Hz拓宽至18.7~26.3Hz、拓宽了3.6倍。

图4.13给出了柔性梁在中间位置(位于压电振子和辅助梁接触点和固定端之间)时不等厚辅助梁的结构示意图，其由一根长为90mm、厚度为hs的中间柔性梁及粘贴于中间梁两侧厚度均为03mm的附加梁构成。柔性梁(未粘贴有附加梁的中间梁)恒长为10mm。

图4.14为水平耦合距离d1=12.5mm、竖直耦合距离h1=0mm、耦合角a=0°激励振幅为3mm、柔性梁厚度h3=0.3mm、安装距离L3不同时单磁耦合俘能器的幅频特性曲线。当安装距离分别为0mm、10mm和20mm时，俘能器的固有频率分别为16HZ、10Hz及10Hz、最大电压分别为58.4V、32V及28.8V。固有频率随安装距离L3的增大而降低、最大电压随其增大而减小。图4.15为d1=12.5mm、h1=0mm、a1=0、激励振幅为3mm、柔性梁厚度h3及安装距离L3;不同时单磁耦合俘能器的幅频特性曲线。由图4.15可知:图中4组都有较低的响应频率，其中柔性梁厚度h03=0.2mm、安装距离L3=10mm时，俘能器具有较低的响应频率和较宽的有效频带。

测试结果：

柔性梁在自由端、其它参数不变时，通过减小柔性梁长度，可以提高俘能器的固有频率、拓宽有效带宽，获得较好的低频段响应。

柔性梁在固定端、其它参数不变时，通过增加柔性梁长度lo可以进一步降低固有频率，且最大电压几乎不受影响。

综上所述，在其他条件不变时，通过改变柔性梁的长度、厚度及所在位置可以进一步提高俘能器的发电能力。

功率放大器推荐：ATA-309C

图：ATA-309C功率放大器指标参数

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