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實驗名稱：沖擊式壓電俘能器數(shù)值分析及實驗測試
研究方向：無線傳感網絡應用于生態(tài)環(huán)境監(jiān)測和人體健康監(jiān)測具有重要的意義和應用前景，但如何為其進行可持續(xù)供電是目前存在的一個巨大挑戰(zhàn)。由于傳感器節(jié)點的分布范圍過于廣泛，采用電纜傳輸?shù)姆绞叫枰嘿F的費用:采用電池供電存在著種種弊端(不可持續(xù)且污染環(huán)境等)。風能作為世界上儲量豐富、分布廣泛的自然資源之一，是一種可以利用的理想能源。利用俘能裝置俘獲能量為無線傳感網絡供電可以有效解決傳感器持續(xù)供電的問題。將俘能裝置與無線傳感網絡結合在一起組成可以進行自供電的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測氣候監(jiān)測、自然災害監(jiān)測和人體健康監(jiān)測等監(jiān)測網絡，對保護和改善人類生存環(huán)境具有重要意義。
實驗目的：對基礎激勵沖擊式壓電俘能器進行理論驗證，探究壓電梁的振動特性和發(fā)電特性的影響。分析壓電梁與沖擊梁碰撞后運動狀態(tài)以及輸出特性。對激勵加速度，外接電阻，激勵頻率等參數(shù)進行實驗驗證。
測試設備：沖擊式壓電俘能器實驗樣機、激振器、振動控制臺、功率放大器、NI數(shù)據采集卡、加速度傳感器、可變電阻(阻值為0-1MΩ)、筆記本電腦、夾具和導線等。
實驗過程：首先將沖擊式壓電俘能器實驗樣機通過夾具將其固定在激振器的鋁制底板上，連接好N數(shù)據采集卡和可變電阻，加速度傳感器通過永磁鐵吸附在鋁制底板上：N1數(shù)據采集卡的輸出端通過USB接口與筆記本電腦相連:振動控制臺與筆記本電腦、功率放大器、加速度傳感器相連形成一個閉合的回路。
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實驗過程中，首先接通電源，調節(jié)可變電阻:通過振動控制臺配套的計算機軟件進行設置基礎激勵信號，如激振器所需要的頻率、加速度等:再通過功率放大器將基礎勵信號放大并傳遞至激振器，激振器輸出信號，沖擊式壓電俘能器中沖擊梁產生機械振動:當沖擊梁與壓電梁發(fā)生碰撞時，壓電梁輸出電壓信號:NI數(shù)據采集卡負責收集電壓信號，并通過USB線將采集到的數(shù)據傳輸到筆記本電腦上:利用數(shù)據采集軟件中已制作好的程序，對采集到的實時電壓信號進行顯示和記錄:采用控制變量法，對實驗中的相關參數(shù)進行調整，獲得不同參數(shù)下俘能器的實時電壓信號，并進行記錄和保存。采用數(shù)據分析軟件對實驗數(shù)據進行分析處理:最后將設備開關和電源總閘關閉，整理實驗平臺。
為了確保實驗順利進行并獲得真實可靠的數(shù)據，在進行實驗測試之前，需要注意以下幾種情況:(1)壓電片具有易碎性，在壓電梁的夾持端纏繞防水軟膠帶，防止夾具在對壓電梁夾持時，導致壓電片斷裂:(2)確保實驗一次性完成，防止其他因素導致實驗之間存在較大誤差:(3)重復實驗時要保持實驗參數(shù)的一致性。
實驗結果：不同激振頻率下俘能器的電壓時域圖，如圖2.14所示。在加速度為4g，壓電梁自由端無質量塊，沖擊梁厚度為0.2mm的情況下，分別測試了激振頻率為6Hz、6.6HZ、9.2Hz、12Hz、13.4Hz和13.8Hz下俘能器的輸出性能。通過分析俘能器在單頻激勵下的電壓輸出可以得到，沖擊梁與壓電梁每次碰撞的位置不會完全相同，這就導致每個周期信號會有一些差異，但總體特征保持一致。隨著激振頻率的增加，沖擊梁與壓電梁在一秒內碰撞的次數(shù)增加，壓電梁自由振動衰減周期減少。在激振頻率為13.8Hz時，時域圖呈現(xiàn)平滑的周期特性，進而說明在此頻率下沖擊梁與壓電梁沒有發(fā)生碰撞，原因是13.8Hz時的激振頻率遠離沖擊梁的固有頻率，導致沖擊梁振動幅度下降,振動位移無法達到沖擊距離，此時，沒有動能傳遞到壓電梁，壓電梁的振動位移接近于0。
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通過掃頻實驗進一步測試了不同激勵加速度下基礎激勵沖擊式壓電俘能器的輸出性能，如圖2.15所示。在壓電梁自由端無質量塊，沖擊位置為壓電梁前端的情況下，分別測試了激勵加速度為2g、3g、4g和5g下俘能器在激振頻率6~14Hz之間的電壓輸出。從圖中可以明顯得到隨著激振加速度的增加俘能器的輸出電壓也隨之增加，隨著激振頻率的增加俘能器的電壓輸出逐漸增大，在激振頻率為6.5Hz時達到俘能器電壓輸出的第一個峰值，隨后隨著激振頻率的增加，俘能器輸出電壓逐漸下降，在達到一個最低電壓輸出后，輸出電壓再次增加，在激振頻率為13.6Hz時達到俘能器出現(xiàn)第二峰值，隨后輸出電壓迅速減小趨近于0，這是因為隨著激振頻率的增加沖擊梁的振動位移小于沖擊梁與壓電梁之間的沖擊距離，因此兩者之間不再發(fā)生碰撞。掃頻響應更加直觀地展現(xiàn)了俘能器在6~14Hz頻率范圍內的輸出性能和振動特性。
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圖：ATA-3090C功率放大器指標參數(shù)
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