实验名称：管道内检测智能球旋转能量收集

　　研究方向：管道检测

　　测试目的：

　　以管道内检测智能球的运动特性分析为基础，提出适用于智能球的旋转压电能量收集结构，建立机电耦合模型，分析集能器响应特性，明确智能球自供能集能器设计的关键技术点。

　　测试设备：ATA-3080功率放大器、信号发生器、电磁激振器、加速度传感器、示波器等。

　　图：单轴振动实验平台

　　实验过程：

　　旋转实验平台如下图所示，旋转运动由电机产生，控制器用于调节速度，电机通过轴连接到亚克力材质转盘，压电集能器输出端通过滑环连接到示波器或采集卡。

　　图：旋转实验平台示意图

　　实验中，压电集能器由商用的压电纤维复合材料与6061T铝合金构成，压电材料尺寸101×20×0.21mm，悬臂梁尺寸101×20×0.33mm，质量块10g，负载电阻1MΩ。压电材料使用环氧树脂粘合剂与悬臂梁基底粘合，MFC的电极直接连接到负载电阻两端。振动及旋转激励下的集能器稳态时域响应如下图所示，分别选择共振频率12.3Hz、8.7Hz的1s数据。

　　图：振动与旋转激励下的集能器时域响应

　　实验结果：

　　振动与旋转集能器响应均呈现了近似正弦特性，其中旋转集能器由于基座重量导致旋转存在一定不均匀性，不同频率激励下的稳态输出电压有效值如下图所示。

图：振动与旋转激励下的集能器频率响应统计

　　在振动与旋转激励实验条件下，同参数集能器分别在12.3与8.7Hz达到共振状态，仿真中分别在12.29Hz与8.70Hz取得峰值，旋转集能器的共振频率更低，振动集能器共振频率近似为旋转集能器的√2倍。

　　旋转与振动集能器的响应峰值电压分别为35.04V与25.64V，对应的峰值功率为1.23mW与0.66mW，仿真中的峰值电压分别为37.89V与27.27V，比值分别约为实验1.367、仿真1.389，由于实验并非理想开路状态，开路状态下振动集能器幅值未达到旋转集能器的√2倍。然而，旋转集能器具有更窄带宽，振动集能器6dB带宽(功率下降为25%，电压下降为50%)为1.2Hz，旋转集能器6dB带宽0.6Hz，下降一倍，旋转集能器的宽频带实现更为困难。

　　JN江南sportsATA-3080功率放大器：

　　图：ATA-3080功率放大器指标参数

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　　本文实验案例参考自知网论文《管道内检测智能球自供能能量收集关键技术研究》