實(shí)驗(yàn)名稱：管道內(nèi)檢測智能球旋轉(zhuǎn)能量收集

研究方向：管道檢測

測試目的：

以管道內(nèi)檢測智能球的運(yùn)動特性分析為基礎(chǔ)，提出適用于智能球的旋轉(zhuǎn)壓電能量收集結(jié)構(gòu)，建立機(jī)電耦合模型，分析集能器響應(yīng)特性，明確智能球自供能集能器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。

測試設(shè)備：ATA-3080功率放大器、信號發(fā)生器、電磁激振器、加速度傳感器、示波器等。

圖：單軸振動實(shí)驗(yàn)平臺

實(shí)驗(yàn)過程：

旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)平臺如下圖所示，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動由電機(jī)產(chǎn)生，控制器用于調(diào)節(jié)速度，電機(jī)通過軸連接到亞克力材質(zhì)轉(zhuǎn)盤，壓電集能器輸出端通過滑環(huán)連接到示波器或采集卡。

圖：旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)平臺示意圖

實(shí)驗(yàn)中，壓電集能器由商用的壓電纖維復(fù)合材料與6061T鋁合金構(gòu)成，壓電材料尺寸101×20×0.21mm，懸臂梁尺寸101×20×0.33mm，質(zhì)量塊10g，負(fù)載電阻1MΩ。壓電材料使用環(huán)氧樹脂粘合劑與懸臂梁基底粘合，MFC的電極直接連接到負(fù)載電阻兩端。振動及旋轉(zhuǎn)激勵(lì)下的集能器穩(wěn)態(tài)時(shí)域響應(yīng)如下圖所示，分別選擇共振頻率12.3Hz、8.7Hz的1s數(shù)據(jù)。

圖：振動與旋轉(zhuǎn)激勵(lì)下的集能器時(shí)域響應(yīng)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

振動與旋轉(zhuǎn)集能器響應(yīng)均呈現(xiàn)了近似正弦特性，其中旋轉(zhuǎn)集能器由于基座重量導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)存在一定不均勻性，不同頻率激勵(lì)下的穩(wěn)態(tài)輸出電壓有效值如下圖所示。

圖：振動與旋轉(zhuǎn)激勵(lì)下的集能器頻率響應(yīng)統(tǒng)計(jì)

在振動與旋轉(zhuǎn)激勵(lì)實(shí)驗(yàn)條件下，同參數(shù)集能器分別在12.3與8.7Hz達(dá)到共振狀態(tài)，仿真中分別在12.29Hz與8.70Hz取得峰值，旋轉(zhuǎn)集能器的共振頻率更低，振動集能器共振頻率近似為旋轉(zhuǎn)集能器的√2倍。

旋轉(zhuǎn)與振動集能器的響應(yīng)峰值電壓分別為35.04V與25.64V，對應(yīng)的峰值功率為1.23mW與0.66mW，仿真中的峰值電壓分別為37.89V與27.27V，比值分別約為實(shí)驗(yàn)1.367、仿真1.389，由于實(shí)驗(yàn)并非理想開路狀態(tài)，開路狀態(tài)下振動集能器幅值未達(dá)到旋轉(zhuǎn)集能器的√2倍。然而，旋轉(zhuǎn)集能器具有更窄帶寬，振動集能器6dB帶寬(功率下降為25%，電壓下降為50%)為1.2Hz，旋轉(zhuǎn)集能器6dB帶寬0.6Hz，下降一倍，旋轉(zhuǎn)集能器的寬頻帶實(shí)現(xiàn)更為困難。

安泰ATA-3080C功率放大器：

圖：ATA-3080C功率放大器指標(biāo)參數(shù)

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審核編輯 黃宇