应用案例

【概述】

本研究中使用功率放大器，搭建掘进机试验平台。为满足井下掘进机智能化开采中无线传感器网络的持久供电需求，解决化学电池更换难、寿命短的问题，本研究针对掘进机截割部振动能量回收效率低、频带窄的挑战，设计并测试了一种十字阵列磁激励压电振动俘能器。通过振动信号采集、结构参数仿真优化、单体与磁激励性能实验及阵列系统集成供电测试，验证了所研制俘能器在宽频带能量收集、输出功率及为低功耗传感器持续供电方面的性能，证实了其作为井下无线监测网络辅助供能解决方案的可行性。

实验名称：面向掘进机截割部的磁激励压电振动俘能器研究

实验目的：本研究旨在通过采集掘进机截割部振动频谱确定目标工作频带，基于压电理论与磁力耦合建立系统机电模型，并通过仿真与实验优化俘能器结构参数（如压电梁厚度、质量块质量、压电片安装位置、磁极性与间距等），最终制作十字阵列样机，测试其最大输出功率，并集成至供电系统验证其为低功耗无线传感器辅助供电的能力。

测试设备：振动信号采集系统（INV9832三轴加速度传感器、INV3062T数据采集仪）、仿真软件、振动测试平台（信号发生器、功率放大器ATA-314、激振器）、示波器、加速度传感器、整流桥（LX10M）、负载电阻、超级电容、以及搭载烟雾传感器与蓝牙模块的掘进机截割部模拟实验平台。

实验过程：首先，搭建掘进机实验台，采集截割部在55rpm转速下的振动信号，经分析确定目标俘能频带为20-30Hz（主频24.88Hz）。随后，基于欧拉-伯努利梁理论和压电方程建立磁激励多段弯折梁的机电耦合模型。通过COMSOL软件对单体结构进行模态分析与发电性能仿真，优化出压电梁基底厚度0.25mm、质量块6.68g、压电片贴于I-III和I-IV梁等最优参数。搭建振动实验台，对单体结构进行扫频实验，验证仿真结果并得出在23Hz时最大输出电压20.3V。在此基础上，引入非线性磁激励，实验探究了磁铁极性（同性最优）和间距（30mm最优）对发电性能的影响，发现磁激励显著拓宽了响应频带并提升了低频输出。最后，基于最优参数制作十字阵列俘能器，通过电路仿真确定并联接口电路及40kΩ最优负载，实验测得在25Hz、2.0g激励条件下，最大输出功率为6.742mW。集成供电测试表明，该俘能器可为低功耗加速度传感器和烟雾传感器稳定辅助供电。

图1实验测试流程图

图2掘进机截割部振动测试实验台3D示意图

实验结果：所提出的十字阵列磁激励压电振动俘能器在20-30Hz频带内具有多个共振峰，有效拓宽了工作带宽。在外部激励频率25Hz、加速度2.0g、外接负载40kΩ的条件下，最大输出功率达到6.742mW。成功进行的辅助供电实验表明，该俘能器能够满足井下低功耗无线传感器（如加速度传感器、烟雾传感器）的供电需求，为实现自供能无线监测网络提供了可行的技术解决方案。

图3不同轴阵列俘能器输出电压曲线

图4不同轴方向阵列俘能器输出功率曲线

安泰放大器在此应用中的产品优势：

一、超大功率输出能力——驱动激振器模拟掘进机截割部的强振动环境

二、宽频带与稳定低频响应——精准覆盖频及多共振峰识别需求

三、高输出稳定性——保障磁激励对比实验中激励条件的精确复现与长时间运行可靠性

【推荐产品】：ATA-314功率放大器

图：ATA-314功率放大器指标参数

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