【概述】

本研究中使用功率放大器，搭建掘進機試驗平臺。為滿足井下掘進機智能化開采中無線傳感器網絡的持久供電需求，解決化學電池更換難、壽命短的問題，本研究針對掘進機截割部振動能量回收效率低、頻帶窄的挑戰，設計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、結構參數仿真優化、單體與磁激勵性能實驗及陣列系統集成供電測試，驗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供電方面的性能，證實了其作為井下無線監測網絡輔助供能解決方案的可行性。
 

實驗名稱：面向掘進機截割部的磁激勵壓電振動俘能器研究

實驗目的：本研究旨在通過采集掘進機截割部振動頻譜確定目標工作頻帶，基于壓電理論與磁力耦合建立系統機電模型，并通過仿真與實驗優化俘能器結構參數（如壓電梁厚度、質量塊質量、壓電片安裝位置、磁極性與間距等），最終制作十字陣列樣機，測試其最大輸出功率，并集成至供電系統驗證其為低功耗無線傳感器輔助供電的能力。

測試設備：振動信號采集系統（INV9832三軸加速度傳感器、INV3062T數據采集儀）、仿真軟件、振動測試平臺（信號發生器、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轉速下的振動信號，經分析確定目標俘能頻帶為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軟件對單體結構進行模態分析與發電性能仿真，優化出壓電梁基底厚度0.25mm、質量塊6.68g、壓電片貼于I-III和I-IV梁等參數。搭建振動實驗臺，對單體結構進行掃頻實驗，驗證仿真結果并得出在23Hz時最大輸出電壓20.3V。在此基礎上，引入非線性磁激勵，實驗探究了磁鐵極性和間距對發電性能的影響，發現磁激勵顯著拓寬了響應頻帶并提升了低頻輸出。最后，基于參數制作十字陣列俘能器，通過電路仿真確定并聯接口電路及40kΩ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，為實現自供能無線監測網絡提供了可行的技術解決方案。

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

安泰放大器在此應用中的產品優勢：

一、超大功率輸出能力——驅動激振器模擬掘進機截割部的強振動環境

二、寬頻帶與穩定低頻響應——精準覆蓋頻及多共振峰識別需求

三、高輸出穩定性——保障磁激勵對比實驗中激勵條件的精確復現與長時間運行可靠性

【推薦產品】：ATA-314功率放大器

圖：ATA-314功率放大器指標參數

本文實驗素材由西安安泰電子整理發布。Aigtek已經成為在業界擁有廣泛產品線，且具有相當規模的儀器設備供應商，樣機都支持免費試用。西安安泰電子是專業從事功率放大器、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、生產和銷售的高科技企業。