實驗名稱：沖擊式壓電俘能器數值(zhi)分析及實驗(yan)測試

　　研究方向：無(wu)線傳(chuan)感網絡(luo)(luo)應用(yong)(yong)于(yu)生(sheng)(sheng)態環境(jing)監測(ce)和人(ren)體健(jian)康(kang)監測(ce)具有重(zhong)要的(de)意(yi)(yi)義和應用(yong)(yong)前景(jing)，但如何為(wei)其進行可(ke)(ke)(ke)持(chi)續供(gong)電(dian)(dian)(dian)是(shi)目前存(cun)在的(de)一(yi)個巨大(da)挑戰。由于(yu)傳(chuan)感器節點的(de)分布范圍過于(yu)廣泛，采(cai)用(yong)(yong)電(dian)(dian)(dian)纜傳(chuan)輸的(de)方(fang)式需要昂貴的(de)費用(yong)(yong):采(cai)用(yong)(yong)電(dian)(dian)(dian)池供(gong)電(dian)(dian)(dian)存(cun)在著種(zhong)(zhong)種(zhong)(zhong)弊(bi)端(不可(ke)(ke)(ke)持(chi)續且污染環境(jing)等(deng))。風能(neng)作為(wei)世界上儲(chu)量(liang)豐(feng)富、分布廣泛的(de)自(zi)然資源之一(yi)，是(shi)一(yi)種(zhong)(zhong)可(ke)(ke)(ke)以利(li)用(yong)(yong)的(de)理(li)想(xiang)能(neng)源。利(li)用(yong)(yong)俘(fu)能(neng)裝置俘(fu)獲能(neng)量(liang)為(wei)無(wu)線傳(chuan)感網絡(luo)(luo)供(gong)電(dian)(dian)(dian)可(ke)(ke)(ke)以有效解(jie)決傳(chuan)感器持(chi)續供(gong)電(dian)(dian)(dian)的(de)問題。將俘(fu)能(neng)裝置與無(wu)線傳(chuan)感網絡(luo)(luo)結合在一(yi)起組成(cheng)可(ke)(ke)(ke)以進行自(zi)供(gong)電(dian)(dian)(dian)的(de)生(sheng)(sheng)態環境(jing)監測(ce)氣候監測(ce)、自(zi)然災(zai)害監測(ce)和人(ren)體健(jian)康(kang)監測(ce)等(deng)監測(ce)網絡(luo)(luo)，對(dui)保護(hu)和改善人(ren)類生(sheng)(sheng)存(cun)環境(jing)具有重(zhong)要意(yi)(yi)義。

　　實驗目的：對(dui)基礎激勵沖擊式壓電(dian)(dian)(dian)俘能(neng)器進行(xing)(xing)理論驗證(zheng)，探(tan)究壓電(dian)(dian)(dian)梁的(de)振動(dong)特性和(he)發電(dian)(dian)(dian)特性的(de)影響。分析壓電(dian)(dian)(dian)梁與沖擊梁碰撞后運動(dong)狀態以(yi)及輸出特性。對(dui)激勵加速度(du)，外接電(dian)(dian)(dian)阻，激勵頻率等參數進行(xing)(xing)實(shi)驗驗證(zheng)。

　　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數據采集卡、加速(su)度(du)傳(chuan)感器、可(ke)變電阻(阻值為0-1MΩ)、筆記本(ben)電腦、夾具和導(dao)線等。

　　實驗過程：首(shou)先(xian)將沖擊式壓電(dian)俘能器(qi)實驗樣機(ji)通過夾具將其固定在激(ji)振器(qi)的(de)鋁制底(di)(di)板(ban)上，連(lian)接(jie)好N數據采(cai)集卡和可變電(dian)阻，加速度傳感器(qi)通過永磁鐵吸(xi)附在鋁制底(di)(di)板(ban)上：N1數據采(cai)集卡的(de)輸出端通過USB接(jie)口(kou)與筆(bi)記本電(dian)腦(nao)相連(lian):振動控制臺與筆(bi)記本電(dian)腦(nao)、功率放大器(qi)、加速度傳感器(qi)相連(lian)形(xing)成一個(ge)閉(bi)合的(de)回路(lu)。

　　實(shi)驗(yan)過程中(zhong)，首先(xian)接通電(dian)(dian)(dian)(dian)源，調(diao)節可變電(dian)(dian)(dian)(dian)阻:通過振動控制臺配套的(de)計算(suan)機軟(ruan)件(jian)(jian)進行設置(zhi)基礎激(ji)勵信(xin)號(hao)(hao)，如(ru)激(ji)振器所需(xu)要的(de)頻率、加速度等:再(zai)通過功率放大器將基礎勵信(xin)號(hao)(hao)放大并傳遞至激(ji)振器，激(ji)振器輸出信(xin)號(hao)(hao)，沖擊(ji)式壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)俘能器中(zhong)沖擊(ji)梁產(chan)生(sheng)機械振動:當沖擊(ji)梁與壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)梁發生(sheng)碰撞(zhuang)時(shi)(shi)，壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)梁輸出電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)信(xin)號(hao)(hao):NI數(shu)(shu)(shu)據采(cai)(cai)集(ji)(ji)卡負責收集(ji)(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)信(xin)號(hao)(hao)，并通過USB線將采(cai)(cai)集(ji)(ji)到的(de)數(shu)(shu)(shu)據傳輸到筆記本電(dian)(dian)(dian)(dian)腦上:利用數(shu)(shu)(shu)據采(cai)(cai)集(ji)(ji)軟(ruan)件(jian)(jian)中(zhong)已制作好的(de)程序，對(dui)采(cai)(cai)集(ji)(ji)到的(de)實(shi)時(shi)(shi)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)信(xin)號(hao)(hao)進行顯示和(he)記錄:采(cai)(cai)用控制變量法，對(dui)實(shi)驗(yan)中(zhong)的(de)相關參數(shu)(shu)(shu)進行調(diao)整(zheng)，獲得不同(tong)參數(shu)(shu)(shu)下俘能器的(de)實(shi)時(shi)(shi)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)信(xin)號(hao)(hao)，并進行記錄和(he)保(bao)存。采(cai)(cai)用數(shu)(shu)(shu)據分析軟(ruan)件(jian)(jian)對(dui)實(shi)驗(yan)數(shu)(shu)(shu)據進行分析處(chu)理(li):最后(hou)將設備開(kai)關和(he)電(dian)(dian)(dian)(dian)源總閘關閉，整(zheng)理(li)實(shi)驗(yan)平(ping)臺。

　　為了確保實(shi)(shi)(shi)(shi)驗順利進(jin)行并(bing)獲得真(zhen)實(shi)(shi)(shi)(shi)可靠的(de)(de)數據，在(zai)進(jin)行實(shi)(shi)(shi)(shi)驗測試之(zhi)前，需要(yao)注意以下幾種情況:(1)壓(ya)電片具有易碎(sui)性(xing)，在(zai)壓(ya)電梁的(de)(de)夾持端纏繞防(fang)(fang)水軟膠帶(dai)，防(fang)(fang)止夾具在(zai)對壓(ya)電梁夾持時，導(dao)致壓(ya)電片斷裂:(2)確保實(shi)(shi)(shi)(shi)驗一次性(xing)完成(cheng)，防(fang)(fang)止其他(ta)因素導(dao)致實(shi)(shi)(shi)(shi)驗之(zhi)間存在(zai)較大誤差:(3)重(zhong)復實(shi)(shi)(shi)(shi)驗時要(yao)保持實(shi)(shi)(shi)(shi)驗參數的(de)(de)一致性(xing)。

　　實驗結果：不同激振(zhen)(zhen)(zhen)頻(pin)(pin)率下(xia)俘能(neng)器的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)壓(ya)時(shi)域(yu)(yu)圖，如(ru)圖2.14所(suo)示。在(zai)(zai)(zai)加速度為4g，壓(ya)電(dian)(dian)梁(liang)(liang)自由端無質量塊，沖(chong)擊(ji)梁(liang)(liang)厚度為0.2mm的(de)(de)(de)(de)情況下(xia)，分(fen)別測試了激振(zhen)(zhen)(zhen)頻(pin)(pin)率為6Hz、6.6HZ、9.2Hz、12Hz、13.4Hz和13.8Hz下(xia)俘能(neng)器的(de)(de)(de)(de)輸(shu)出(chu)性(xing)(xing)能(neng)。通(tong)過(guo)分(fen)析(xi)俘能(neng)器在(zai)(zai)(zai)單頻(pin)(pin)激勵下(xia)的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)壓(ya)輸(shu)出(chu)可以得到(dao)(dao)，沖(chong)擊(ji)梁(liang)(liang)與(yu)(yu)(yu)壓(ya)電(dian)(dian)梁(liang)(liang)每(mei)次(ci)碰(peng)(peng)撞的(de)(de)(de)(de)位(wei)置(zhi)不會完全相同，這就導(dao)致每(mei)個周(zhou)(zhou)期信號(hao)會有一些(xie)差異(yi)，但(dan)總體特(te)征(zheng)保持一致。隨著激振(zhen)(zhen)(zhen)頻(pin)(pin)率的(de)(de)(de)(de)增加，沖(chong)擊(ji)梁(liang)(liang)與(yu)(yu)(yu)壓(ya)電(dian)(dian)梁(liang)(liang)在(zai)(zai)(zai)一秒內碰(peng)(peng)撞的(de)(de)(de)(de)次(ci)數增加，壓(ya)電(dian)(dian)梁(liang)(liang)自由振(zhen)(zhen)(zhen)動(dong)(dong)衰(shuai)減(jian)(jian)周(zhou)(zhou)期減(jian)(jian)少。在(zai)(zai)(zai)激振(zhen)(zhen)(zhen)頻(pin)(pin)率為13.8Hz時(shi)，時(shi)域(yu)(yu)圖呈現平滑的(de)(de)(de)(de)周(zhou)(zhou)期特(te)性(xing)(xing)，進而(er)說明在(zai)(zai)(zai)此頻(pin)(pin)率下(xia)沖(chong)擊(ji)梁(liang)(liang)與(yu)(yu)(yu)壓(ya)電(dian)(dian)梁(liang)(liang)沒有發生碰(peng)(peng)撞，原因是13.8Hz時(shi)的(de)(de)(de)(de)激振(zhen)(zhen)(zhen)頻(pin)(pin)率遠離(li)沖(chong)擊(ji)梁(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)固有頻(pin)(pin)率，導(dao)致沖(chong)擊(ji)梁(liang)(liang)振(zhen)(zhen)(zhen)動(dong)(dong)幅度下(xia)降,振(zhen)(zhen)(zhen)動(dong)(dong)位(wei)移無法達到(dao)(dao)沖(chong)擊(ji)距離(li)，此時(shi)，沒有動(dong)(dong)能(neng)傳遞到(dao)(dao)壓(ya)電(dian)(dian)梁(liang)(liang)，壓(ya)電(dian)(dian)梁(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)振(zhen)(zhen)(zhen)動(dong)(dong)位(wei)移接(jie)近于0。

　　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生碰撞。掃頻響應更加直觀地展現了俘能器在6~14Hz頻率范圍內的輸出性能和振動特性。

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