測試設(shè)備：振動信號采集系統(tǒng)（INV9832三軸加速度傳感器、INV3062T數(shù)據(jù)采集儀）、仿真軟件、振動測試平臺（信號發(fā)生器、功率放大器ATA-314、激振器）、示波器、加速度傳感器、整流橋（LX10M）、負載電阻、超級電容、以及搭載煙霧傳感器與藍牙模塊的掘進機截割部模擬實驗平臺。

實驗過程：首先，搭建掘進機實驗臺，采集截割部在55rpm轉(zhuǎn)速下的振動信號，經(jīng)分析確定目標(biāo)俘能頻帶為20-30Hz（主頻24.88Hz）。隨后，基于歐拉-伯努利梁理論和壓電方程建立磁激勵多段彎折梁的機電耦合模型。通過COMSOL軟件對單體結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析與發(fā)電性能仿真，優(yōu)化出壓電梁基底厚度0.25mm、質(zhì)量塊6.68g、壓電片貼于I-III和I-IV梁等最優(yōu)參數(shù)。搭建振動實驗臺，對單體結(jié)構(gòu)進行掃頻實驗，驗證仿真結(jié)果并得出在23Hz時最大輸出電壓20.3V。在此基礎(chǔ)上，引入非線性磁激勵，實驗探究了磁鐵極性（同性最優(yōu)）和間距（30mm最優(yōu)）對發(fā)電性能的影響，發(fā)現(xiàn)磁激勵顯著拓寬了響應(yīng)頻帶并提升了低頻輸出。最后，基于最優(yōu)參數(shù)制作十字陣列俘能器，通過電路仿真確定并聯(lián)接口電路及40kΩ最優(yōu)負載，實驗測得在25Hz、2.0g激勵條件下，最大輸出功率為6.742mW。集成供電測試表明，該俘能器可為低功耗加速度傳感器和煙霧傳感器穩(wěn)定輔助供電。

圖1實驗測試流程圖

圖2掘進機截割部振動測試實驗臺3D示意圖

實驗結(jié)果：所提出的十字陣列磁激勵壓電振動俘能器在20-30Hz頻帶內(nèi)具有多個共振峰，有效拓寬了工作帶寬。在外部激勵頻率25Hz、加速度2.0g、外接負載40kΩ的條件下，最大輸出功率達到6.742mW。成功進行的輔助供電實驗表明，該俘能器能夠滿足井下低功耗無線傳感器（如加速度傳感器、煙霧傳感器）的供電需求，為實現(xiàn)自供能無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)提供了可行的技術(shù)解決方案。

圖3不同軸陣列俘能器輸出電壓曲線

圖4不同軸方向陣列俘能器輸出功率曲線

安泰放大器在此應(yīng)用中的產(chǎn)品優(yōu)勢：

一、超大功率輸出能力——驅(qū)動激振器模擬掘進機截割部的強振動環(huán)境

二、寬頻帶與穩(wěn)定低頻響應(yīng)——精準(zhǔn)覆蓋頻及多共振峰識別需求

三、高輸出穩(wěn)定性——保障磁激勵對比實驗中激勵條件的精確復(fù)現(xiàn)與長時間運行可靠性

【推薦產(chǎn)品】：ATA-314功率放大器

圖：ATA-314功率放大器指標(biāo)參數(shù)

本文實驗素材由西安安泰電子整理發(fā)布。Aigtek已經(jīng)成為在業(yè)界擁有廣泛產(chǎn)品線，且具有相當(dāng)規(guī)模的儀器設(shè)備供應(yīng)商，樣機都支持免費試用。西安安泰電子是專業(yè)從事功率放大器、高壓放大器、功率信號源、前置微小信號放大器、高精度電壓源、高精度電流源等電子測試儀器研發(fā)、生產(chǎn)和銷售的高科技企業(yè)。

審核編輯 黃宇