【概述】

本研究中使用功率放大器，搭建掘進(jìn)機(jī)試驗(yàn)平臺。為滿足井下掘進(jìn)機(jī)智能化開采中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的持久供電需求，解決化學(xué)電池更換難、壽命短的問題，本研究針對掘進(jìn)機(jī)截割部振動能量回收效率低、頻帶窄的挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)并測試了一種十字陣列磁激勵壓電振動俘能器。通過振動信號采集、結(jié)構(gòu)參數(shù)仿真優(yōu)化、單體與磁激勵性能實(shí)驗(yàn)及陣列系統(tǒng)集成供電測試，驗(yàn)證了所研制俘能器在寬頻帶能量收集、輸出功率及為低功耗傳感器持續(xù)供電方面的性能，證實(shí)了其作為井下無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)輔助供能解決方案的可行性。
 

實(shí)驗(yàn)名稱：面向掘進(jìn)機(jī)截割部的磁激勵壓電振動俘能器研究

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/strong>本研究旨在通過采集掘進(jìn)機(jī)截割部振動頻譜確定目標(biāo)工作頻帶，基于壓電理論與磁力耦合建立系統(tǒng)機(jī)電模型，并通過仿真與實(shí)驗(yàn)優(yōu)化俘能器結(jié)構(gòu)參數(shù)（如壓電梁厚度、質(zhì)量塊質(zhì)量、壓電片安裝位置、磁極性與間距等），最終制作十字陣列樣機(jī)，測試其最大輸出功率，并集成至供電系統(tǒng)驗(yàn)證其為低功耗無線傳感器輔助供電的能力。

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(fù)載電阻、超級電容、以及搭載煙霧傳感器與藍(lán)牙模塊的掘進(jìn)機(jī)截割部模擬實(shí)驗(yàn)平臺。

實(shí)驗(yàn)過程：首先，搭建掘進(jìn)機(jī)實(shí)驗(yàn)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(jī)電耦合模型。通過COMSOL軟件對單體結(jié)構(gòu)進(jìn)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梁等參數(shù)。搭建振動實(shí)驗(yàn)臺，對單體結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃頻實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)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(shí)驗(yàn)探究了磁鐵極性和間距對發(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負(fù)載，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)測試流程圖

圖2掘進(jìn)機(jī)截割部振動測試實(shí)驗(yàn)臺3D示意圖

實(shí)驗(yàn)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(fù)載40kΩ的條件下，最大輸出功率達(dá)到6.742mW。成功進(jìn)行的輔助供電實(shí)驗(yàn)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(shí)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(jìn)機(jī)截割部的強(qiáng)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(shí)驗(yàn)中激勵條件的精確復(fù)現(xiàn)與長時間運(yùn)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(shí)驗(yàn)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(jī)都支持免費(fèi)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)。