實驗名稱：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)檢測智能球的運動特性分析為基礎，提出適用于智能球的旋轉(zhuǎn)壓電能量收集結(jié)構(gòu)，建立機電耦合模型，分析集能器響應特性，明確智能球自供能集能器設計的關鍵技術點。

　　測試設備：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：單軸振動實驗平臺

　　實驗過程：

　　旋轉(zhuǎn)實驗平臺如下圖所示，旋轉(zhuǎn)運動由電機產(chǎn)生，控制器用于調(diào)節(jié)速度，電機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)實驗平臺示意圖

　　實驗中，壓電集能器由商用的壓電纖維復合材料與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載電阻兩端。振動及旋轉(zhuǎn)激勵下的集能器穩(wěn)態(tài)時域響應如下圖所示，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)激勵下的集能器時域響應

　　實驗結(jié)果：

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

圖：振動與旋轉(zhuǎn)激勵下的集能器頻率響應統(tǒng)計

　　在振動與旋轉(zhuǎn)激勵實驗條件下，同參數(shù)集能器分別在12.3與8.7Hz達到共振狀態(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峰值電壓分別為35.04V與25.64V，對應的峰值功率為1.23mW與0.66mW，仿真中的峰值電壓分別為37.89V與27.27V，比值分別約為實驗1.367、仿真1.389，由于實驗并非理想開路狀態(tài)，開路狀態(tài)下振動集能器幅值未達到旋轉(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)集能器的寬頻帶實現(xiàn)更為困難。

　　安泰ATA-3080功率放大器：

　　圖：ATA-3080功率放大器指標參數(shù)

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　　本文實驗案例參考自知網(wǎng)論文《管道內(nèi)檢測智能球自供能能量收集關鍵技術研究》

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