路俊虎等：基于驻极体静电俘能器的优化设计与实验测试 ·497· 应的测试，通过信号发生器输出正弦信号来模拟环 05 。表面电位为500V 境中的振动，信号经过功率放大器输入到激振台，激 振台为俘能器提供激励，动态信号分析仪与示波器 0.4 用来记录静电俘能器的输出电压，加速度传感器用 来测量激励的大小，外界负载大小通过电阻进行调 节，试验装置及连接关系如图15所示. 同数值仿真条件一样，当表面电位为500V、空 气间隙为0.2mm时，在外界激励加速度幅值为2m· 02 s2保持不变的条件下，通过扫频法得到负载电阻的 0.05 0.10 0.150.200.250.300.35 输出电压随频率变化的曲线如图16所示：静电俘能 空气间隙/mm 器的谐振频率为95.3Hz,半功率带宽为2.6Hz,在 图17空气间隙与功率的关系 谐振处其负载电压最大可达44.5V. Fig.17 Relation between the air gap and the output power ,信号发生器 一表面电位为500V 信号放大器 态信 阻抗分析仪 不被器 分析仪 2 静电俘能器结构 微振器 图15试验装置实物图 0.05 0.10 0.150.200.250.300.35 Fig.15 Physical prototype experiment apparatus 空气间隙mm 图18空气间隙与带宽的关系 Fig.18 Relation between the air gap and the bandwidth ·一表面电位为500V 空气间隙为0.2mm 图20所示，半功率带宽随着表面电位的增大而增 40 大，且当表面电位为2200V时，带宽达到4Hz.从图 21中可以看出，随着负载的增加，输出功率先增大 32 后减小.当最佳负载为90M时，对应的最大输出 功率为0.188mW.如图22所示，随着负载电阻的 增大，半功率带宽先增大后减小，当负载电阻为330 9293 94 959697 98 频率川z M时，带宽达到最大值为4.7Hz. 图16频率与输出电压的关系 0.5r -空气间隙为02mm Fig.16 Relationship between the frequency and the output voltage 如图17所示，当外界激励加速度幅值和驻极体 0.4 面积保持定值时，实验测试可知：随着空气间隙的增 大，输出功率先增大后减小，当间隙为0.15mm时 0.3 (最佳空气间隙)，功率达到最大值为0.45mW.如 图18所示，随着间隙的减小，半功率带宽逐渐增大， 020 500100015002000 当空气间隙为0.1mm时，带宽达到最大值为4Hz. 表面电位W 由图19所示，实验测试同仿真结果一致：输出功率 图19表面电位与输出功率的关系 是表面电位的函数.当驻极体的尺寸及外界激励加 Fig.19 Relationship between the surface potential and the output power 速度保持恒定时，在空气间隙为0.2mm、表面电位 为800V时输出功率达到一个最大值为0.45mW. 由本文所设计的双端固支梁结构参数及材料属 之后随着表面电位的增加，功率随之逐渐减小.如 性如图23所示.路俊虎等: 基于驻极体静电俘能器的优化设计与实验测试 应的测试，通过信号发生器输出正弦信号来模拟环 境中的振动，信号经过功率放大器输入到激振台，激 振台为俘能器提供激励，动态信号分析仪与示波器 用来记录静电俘能器的输出电压，加速度传感器用 来测量激励的大小，外界负载大小通过电阻进行调 节，试验装置及连接关系如图 15 所示． 同数值仿真条件一样，当表面电位为 500 V、空 气间隙为0. 2 mm 时，在外界激励加速度幅值为 2 m· s － 2保持不变的条件下，通过扫频法得到负载电阻的 输出电压随频率变化的曲线如图 16 所示: 静电俘能 器的谐振频率为 95. 3 Hz，半功率带宽为 2. 6 Hz，在 谐振处其负载电压最大可达 44. 5 V． 图 15 试验装置实物图 Fig． 15 Physical prototype experiment apparatus 图 16 频率与输出电压的关系 Fig． 16 Ｒelationship between the frequency and the output voltage 如图 17 所示，当外界激励加速度幅值和驻极体 面积保持定值时，实验测试可知: 随着空气间隙的增 大，输出功率先增大后减小，当间隙为 0. 15 mm 时 ( 最佳空气间隙) ，功率达到最大值为 0. 45 mW． 如 图 18 所示，随着间隙的减小，半功率带宽逐渐增大， 当空气间隙为 0. 1 mm 时，带宽达到最大值为 4 Hz． 由图 19 所示，实验测试同仿真结果一致: 输出功率 是表面电位的函数． 当驻极体的尺寸及外界激励加 速度保持恒定时，在空气间隙为 0. 2 mm、表面电位 为 800 V 时输出功率达到一个最大值为 0. 45 mW． 之后随着表面电位的增加，功率随之逐渐减小． 如 图 17 空气间隙与功率的关系 Fig． 17 Ｒelation between the air gap and the output power 图 18 空气间隙与带宽的关系 Fig． 18 Ｒelation between the air gap and the bandwidth 图 20 所示，半功率带宽随着表面电位的增大而增 大，且当表面电位为 2200 V 时，带宽达到 4 Hz． 从图 21 中可以看出，随着负载的增加，输出功率先增大 后减小． 当最佳负载为 90 MΩ 时，对应的最大输出 功率为 0. 188 mW． 如图 22 所示，随着负载电阻的 增大，半功率带宽先增大后减小，当负载电阻为 330 MΩ 时，带宽达到最大值为 4. 7 Hz． 图 19 表面电位与输出功率的关系 Fig． 19 Ｒelationship between the surface potential and the output power 由本文所设计的双端固支梁结构参数及材料属 性如图 23 所示． · 794 ·