CN105759156A - 一种多方向振动能量收集装置性能测试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多方向振动能量收集装置性能测试系统及方法。该测试系统包括待测多方向振动能量收集装置、模拟振动平台和信号检测模块。测试方法是：开启信号发生器输出正弦信号；通过功率放大器，正弦信号放大输出；放大的正弦信号输入到激振器产生振动；其中激振器上面安装有可调节任意角度的角度调节装置，多方向振动能量收集装置安装在角度调节装置上，并随激振器振动而振动；可调节负载与多方向振动能量收集装置能量输出端相连接，用于测试多方向振动能量收集装置的有效带宽及其共振频率，输出功率与频率、振幅、负载、角度的多变量之间对应关系。采用本发明的系统及方法就能够测试任意多方向振动能量收集装置的性能，并绘制拟合曲线得出结论，从而改进装置提高性能。
Description
技术领域
本发明涉及振动能量收集性能测试领域，尤其涉及一种多方向振动能量收集装置性能测试系统及方法。
背景技术
随无线传感技术的高速发展，其节点的分布往往布局在野外环境，而通过传统的布线或更换电池难以满足需求，而且成本过高。以能量收集技术吸收环境能量将其转换为可供无线传感器节点使用电能的出现，尤其是振动能量的收集得到了广泛应用。通过理论研究，设计振动能量收集装置作为换能装置，尤其是多方向振动能量收集装置是振动能量收集的重点。而多方向振动能量收集装置性能的测试，要通过设计测试系统及完整的测试方案全面测试能量收集装置的性能，通过性能测试与理论分析对比，进一步优化能量收集装置并提高性能。
多方向振动能量收集装置在测试性能过程中，通常需要对其进行不同频率下的振动测试求得有效带宽和共振频率，对其进行不同振动幅度下的振动测试测得其性能参数变化规律，对其进行不同负载下的振动测试测的其输出功率变换规律及最大输出功率，对其进行不同角度下的振动测试测得其随角度变化时共振频率、输出电压、输出功率等性能参数变化规律。目前，在国内很多的研究中没有一套完整的能量收集装置性能测试系统及方法，各种性能测试系统及方法不能全面的测试能量收集装置的性能，因此，亟待一种多方向振动能量收集装置性能测试系统及方法，给出完整的性能测试系统及方法，从而对任意多方向振动能量收集装置都可以测试性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多方向振动能量收集装置性能测试系统及方法。采用本发明的系统及方法就能够测试任意多方向振动能量收集装置的性能，并绘制拟合曲线得出结论，从而改进装置提高性能。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种多方向振动能量收集装置性能测试系统，包括待测试多方向振动能量收集装置、模拟振动平台和信号检测模块，模拟振动平台包括信号发生器、功率放大器、激振器和角度调节装置，信号检测模块包括示波器、功率分析仪、可调节负载和计算机；
所述信号发生器的输出端接入功率放大器的输入端，功率放大器的输出端接入激振器的输入端，其中激振器上面安装有可调节任意角度的角度调节装置；
待测多方向振动能量收集装置安装在角度调节装置上，并随激振器振动而振动，待测多方向振动能量收集装置的能量输出端接示波器的输入端；
所述可调节负载与待测多方向振动能量收集装置能量输出端相连接，功率分析仪的电流输入端串联在负载电路中，电压输入端并联在可调节负载两端，用于测试多方向振动能量收集装置的输出功率与频率、振幅和负载的对应关系。
一种多方向振动能量收集装置性能测试方法，包括以下步骤：
步骤一、开启信号发生器，正弦输出信号通过功率放大器放大输入到激振器，将角度调节装置固定在激振器的顶杆端，待测多方向振动能量收集装置固定在角度调节装置上，多方向振动能量收集装置的能量输出端接示波器的输入端；
步骤二、当激振器的振幅一定时，调节激振器振动频率，得到待测多方向振动能量收集装置输出电压与振动频率对应关系，从而分析出装置的有效带宽和共振频率；
步骤三、当激振器的振动频率一定时，调节激振器振幅，得到待测多方向振动能量收集装置输出电压与振幅的对应关系；
步骤四、在多方向振动能量收集装置的能量输出端接入可调节负载，功率分析仪的电流输入端串联在负载电路中，电压输入端并联在负载两端；
步骤五、当激振器的振动频率和振幅一定时，改变外接负载大小，功率分析仪对信号处理分析得到有效电压值和电流值，从而计算出不同负载所对应的输出功率并显示，计算机上的功率分析软件对测得的数据和波形图进行显示、保存及导出。同理，当负载和振幅一定时得到输出功率与振动频率的对应关系，当负载和振动频率一定时得到输出功率与振幅的对应关系，综上所述，可得单一角度时输出功率与振动频率、振幅、外接负载多变量之间的对应关系。
步骤六、调整角度调节装置的角度，重复上述步骤一至步骤五，得到多方向振动能量收集装置在不同角度时的有效带宽和共振频率，输出功率与振动频率、振幅、外接负载、角度多变量之间的对应关系。
本发明的特点在于：
1、一种多方向振动能量收集装置性能测试系统及方法实现了测试多方向振动能量收集装置性能没有统一测试系统及标准方法的空白，实现了性能测试的规范化。
2、多方向振动能量收集装置性能测试系统组成简单，系统在有限的实验环境条件下模拟真实振动场景，具有较高的可实用性及精确性，同时，系统控制、调节简单，对任意多方向振动能量收集装置都可适用。
3、多方向振动能量收集装置性能测试方法使用操作简单、方便。使用本发明的测试方法可以对任意振动能量收集装置进行有效的性能测试，通过性能测试，对其作初步评判，从而对装置做下一步的改进，有效提高能量收集的效率。
4、本发明开发设计的基于系统与方法结合的评判振动能量收集装置性能的评判标准，其通过系统组成和方法操作，实现了振动能量收集装置性能测试。
附图说明
图1是本发明的多方向振动能量收集装置性能测试系统框图。
图2是本发明的多方向振动能量收集装置性能测试方法框图。
图3是本发明的测试输出电压流程图。
图4是本发明的测试输出功率流程图。
具体实施方法
如图1所示，本发明公开一种多方向振动能量收集装置性能测试系统及方法。该测试系统包括待测多方向振动能量收集装置、模拟振动平台和信号检测模块。模拟振动平台包括信号发生器、功率放大器、激振器和角度调节装置。信号检测模块包括示波器、可调节负载、功率分析仪和计算机。
如图1和图2所示，本发明公开一种多方向振动能量收集装置性能测试方法包括如下步骤：
首先，开启信号发生器，正弦输出信号通过功率放大器放大输入到激振器，将角度调节装置固定在激振器的顶杆端，待测多方向振动能量收集装置固定在角度调节装置上，多方向振动能量收集装置的能量输出端接示波器的输入端；
其次如图3所示，当激振器的振幅一定时，调节激振器振动频率，得到待测多方向振动能量收集装置输出电压与振动频率对应关系，从而分析出装置的有效带宽和共振频率；当激振器的振动频率一定时，调节激振器振幅，得到待测多方向振动能量收集装置输出电压与振幅的对应关系；改变角度调节装置固定角度，重复上述步骤，得到多方向振动能量收集装置在不同角度时的有效带宽和共振频率，输出功率与振动频率、振幅、角度多变量之间的对应关系。
然后如图4所示，在多方向振动能量收集装置的能量输出端接入可调节负载，功率分析仪的电流输入端串联在负载电路中，电压输入端并联在负载两端；当激振器的振动频率和振幅一定时，改变外接负载大小，功率分析仪对信号处理分析得到有效电压值和电流值，从而计算出不同负载所对应的输出功率并显示，计算机上的功率分析软件对测得的数据和波形图进行显示、保存及导出。同理，当负载和振幅一定时得到输出功率与振动频率的对应关系，当负载和振动频率一定时得到输出功率与振幅的对应关系，综上所述，可得单一角度时输出功率与振动频率、振幅、外接负载多变量之间的对应关系。调整角度调节装置的角度，重复上述步骤，得到多方向振动能量收集装置在不同角度时的有效带宽和共振频率，输出功率与振动频率、振幅、外接负载、角度多变量之间的对应关系。
最后，对所有测试的数据进行整理分析，并与理论分析结论进行对比，从而对多方向振动能量收集装置的性能进行评价，为多方向振动能量收集装置的改进提供依据，最终达到提高多方向振动能量收集装置能量收集效率的目的。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何限制，凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (4)
1.一种多方向振动能量收集装置性能测试系统，其特征在于：包括待测试多方向振动能量收集装置、模拟振动平台和信号检测模块，模拟振动平台包括信号发生器、功率放大器、激振器和角度调节装置，信号检测模块包括示波器、功率分析仪、可调节负载和计算机；
所述信号发生器的输出端接入功率放大器的输入端，功率放大器的输出端接入激振器的输入端，其中激振器上面安装有可调节任意角度的角度调节装置；
待测多方向振动能量收集装置安装在角度调节装置上，并随激振器振动而振动，待测多方向振动能量收集装置的能量输出端接示波器的输入端；
所述可调节负载与待测多方向振动能量收集装置能量输出端相连接，功率分析仪的电流输入端串联在负载电路中，电压输入端并联在可调节负载两端，用于测试多方向振动能量收集装置的输出功率与频率、振幅和负载的对应关系。
2.如权利要求1所述的一种多方向振动能量收集装置性能测试系统，其特征在于：所述待测多方向振动能量收集装置包括所有通过振动产生电能的换能结构装置。
3.如权利要求1所述的一种多方向振动能量收集装置性能测试系统，其特征在于：所述角度调节装置使激振器振动方向与待测装置安装方向产生一个固定的夹角，通过改变角度调节装置角度，得到待测多方向振动能量收集装置在不同角度下振动时，输出电压与角度的对应关系。
4.如权利要求1、2或3所述的一种多方向振动能量收集装置性能测试系统的测试方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤一、开启信号发生器，正弦输出信号通过功率放大器放大输入到激振器，将角度调节装置固定在激振器的顶杆端，待测多方向振动能量收集装置固定在角度调节装置上，待测多方向振动能量收集装置的能量输出端接示波器的输入端；
步骤二、当激振器的振幅一定时，调节激振器振动频率，得到待测多方向振动能量收集装置输出电压与振动频率对应关系，从而分析出待测多方向振动能量收集装置的有效带宽和共振频率；
步骤三、当激振器的振动频率一定时，调节激振器振幅，得到待测多方向振动能量收集装置输出电压与振幅的对应关系；
步骤四、在待测多方向振动能量收集装置的能量输出端接入可调节负载，功率分析仪的电流输入端串联在负载电路中，电压输入端并联在负载两端；
步骤五、当激振器的振动频率和振幅一定时，改变外接可调节负载大小，功率分析仪对信号处理分析得到有效电压值和电流值，从而计算出不同负载所对应的输出功率并显示，计算机上的功率分析软件对测得的数据和波形图进行显示、保存及导出；同理，当可调节负载和振幅一定时得到输出功率与振动频率的对应关系，当可调节负载和振动频率一定时得到输出功率与振幅的对应关系，综上所述，可得单一角度时输出功率与振动频率、振幅、外接负载多变量之间的对应关系；
步骤六、调整角度调节装置的角度，重复上述步骤一至步骤五，得到待测多方向振动能量收集装置在不同角度时的有效带宽和共振频率，输出功率与振动频率、振幅、外接负载、角度多变量之间的对应关系。
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