Toepassing van piëzo-elektriese keramiek in strukturele gesondheidsmonitering

PZT kan nie net gebruik word om verskeie piëzo-elektriese produkte te maak nie, maar in onlangse jare word PZT geleidelik toegepas op die opsporing van strukturele skade. Volgens die positiewe en omgekeerde piëzo-elektriese effekte van piëzo-elektriese materiale, kan PZT piëzo-elektriese keramiek as beide dryf- en waarnemingselemente gebruik word. PZT piëso-elektriese keramiekhemisfeer kan geplak word op plekke waar krake of spanningskonsentrasies waarskynlik op komponente sal voorkom. Die meganiese impedansie of frekwensierespons het 'n hoë sensitiwiteit vir skade, wat dit die hoofaanwyser maak om skade-identifikasie te bestudeer.

In onlangse jare is meer en meer navorsing oor piëso-elektriese impedansietegnologie gebruik in strukturele gesondheidsdiagnose. In 1995 het Sun en ander piëso-elektriese impedansietegnologie suksesvol gebruik vir strukturele gesondheidsdiagnose van saamgestelde steiers, wat beskou is as die begin van die toepassing van piëso-elektriese impedansietegnologie in die veld van strukturele gesondheidsdiagnose. Die voordeel van piëzo-elektriese impedansie tegnologie dat dit sensitief is vir klein skade aan die struktuur, wat bevorderlik is om die aanvanklike mislukking van die struktuur op te spoor. Verder, die piëzo-elektriese materiaal PZT (lood zirconate titanate piëzo-elektriese keramiek) word dikwels gebruik in piëzo-elektriese impedansie tegnologie het 'n klein grootte en 'n struktuur Eenvoudig en betroubaar. Daarbenewens is PZT slegs sensitief vir veranderinge in die plaaslike area rondom dit, wat help om die algehele massalading van die struktuur te isoleer, dit verander in strukturele styfheid en grenstoestande, en die impak van strukturele skade naby PZT piezo op die metingsresultate. Daarom is hierdie tegniek geskik om moniteringskakels op te spoor wat streng vereistes vir strukturele integriteit het of 'n groot impak op die lewensduur van die struktuur het en skade is nie maklik om op te spoor nie. Hierdie artikel sal die basiese beginsels van piëzo-elektriese impedansietegnologie vir strukturele gesondheidsdiagnose bekendstel.

Inleiding tot piëso-elektriese materiale

Piëso-elektriese materiaal is 'n spesiale diëlektriese materiaal met 'n piëso-elektriese effek en 'n omgekeerde piëso-elektriese effek. Die piëso-elektriese effek is 'n kenmerk van sekere piëzo-kristalle wat deur die Franse broers P.Curie en J.Curie in 1880 ontdek is. Wanneer 'n meganiese krag (of druk vrygestel word) op die piëzo-elektriese liggaam in sy polarisasierigting toegepas word, sal die piëzo-elektriese liggaam 'n lading- en ontladingsverskynsel genereer. Hierdie verskynsel word die positiewe piëso-elektriese effek genoem, inteendeel, 'n piëso-elektriese liggaam word op die piëso-elektriese liggaam toegepas. 'n Elektriese veld met dieselfde (of teenoorgestelde) polarisasierigting veroorsaak twee effekte: die omgekeerde piëso-elektriese effek en die elektrostriktiewe effek. Die omgekeerde piëso-elektriese effek, dit wil sê, die diëlektrikum word meganies vervorm onder die werking van 'n eksterne elektriese veld, en die grootte van die spanning is eweredig aan die grootte van die toegepaste elektriese veld, en die rigting is verwant aan die rigting van die elektriese veld. Die elektrostriktiewe effek, dit wil sê die diëlektriese veld F, wat spanning veroorsaak as gevolg van geïnduseerde polarisasie. Die vervorming is eweredig aan die kwadraat van die elektriese veld en het niks te doen met die rigting van die elektriese veld nie. Die omgekeerde piëso-elektriese effek en die elektrostriktiewe effek is in wese die resultate van polarisasie van die diëlektriese kristal onder die werking van 'n eksterne elektriese veld, wat veroorsaak dat die kristalrooster vervorm word en manifesteer as 'n meganiese spanning op 'n makroskaal. Piëzokeramiek word piëzo-elektriese keramiek genoem deur bestanddele te meng, teen hoë temperatuur te sinter en die vaste deeltjies lukraak tussen die deeltjies te versamel. PZT piezo kan as 'n waarnemingselement en 'n dryfelement gebruik word, en kan met ander materiale ingebed word om 'n saamgestelde materiaal te vorm, so dit het 'n wye reeks toepassingsvooruitsigte, soos vliegtuigbeheer op vliegtuigvlerke en vibrasiebeheerstelsels. Aktiewe beheer van vibrasie en geraas, strukturele gesondheidsmonitering in toerusting, ens.

Die hoofkenmerke van PZT-toepassing in slim materiaalstrukture is:

① Kan as beide 'n bestuurder en 'n sensor gebruik word;
② Wanneer dit as 'n drywer gebruik word, is sy opwekkingskrag klein;
③ Die reaksiespoed is vinniger, wat 1 000 keer dié van die vormgeheue-legering is;
④ Die grootte kan klein en dun gemaak word, en kan op die oppervlak van die struktuur geïnstalleer word of in die struktuur begrawe word;
⑤ Die kombinasie is buigsaam. Dit kan in die vorm van relatief groot stukke gebruik word, of dit kan in klein stukke gebruik word.

PZT struktuur
PZT piëzo keramiek is 'n deurlopende vaste oplossing van Pbzro3 en PbTio3 en het 'n ABO3 perovskiet struktuur. PZT, wat in die vroeë 1950's gevind is, is 'n belangrike piëzo-elektriese ferro-elektriese materiaal met belangrike tegniese toepassingswaarde. Piëso-elektriese keramiek is kristallyne diëlektriese materiale wat nie 'n middelpunt van simmetrie het nie. 'n Kristallyne diëlektrikum wat nie 'n middelpunt van simmetrie het nie, het geen 432-punt groepkristal met uiters lae omgekeerde piëso-elektriese effek as gevolg van die uiters hoë simmetrie nie. Die vervorming van die simmetriese diëlektrikum van die kristal wat veroorsaak word deur die omgekeerde piëso-elektriese effek. Onder die werking van die elektriese veld word die diëlektrikum gepolariseer. Omdat daar geen ioniese binding tussen die linkersy-ioon en die heel regterkantste positiewe ioon (en ander (chemiese bindings) is nie), kan daar dus tydens die polarisasieproses 'n groot relatiewe verplasing tussen hulle plaasvind, wat 'n groot omgekeerde piëzo-elektriese effek op 'n makroskaal toon. Uitgedruk as: S = dE, wat eweredig is aan die grootte van die elektriese veld. gekoppel aan mekaar Die energie wat in die medium gestoor word, bestaan uit twee dele, een is vervormingsenergie en die ander is elektromagnetiese energie. Volgens moderne strukturele dinamika-teorie, wanneer skade en defekte voorkom in die toerusting en struktuur, soos krake, los boute, ens Kwantitatief gebaseer op veranderinge in meganiese impedansie Die verandering van meganiese dinamiese impedansie met frekwensie is egter moeilik om te meet met konvensionele metodes. Deur gebruik te maak van die selfaandrywende en self-sensitiewe kenmerke van piëzo-elektriese elemente, kan PZT piëzo-keramiek optree as beide 'n dryfelement en 'n dinamiese struktuur om die struktuur daarvan te bekom. tussen meganiese eienskappe en elektriese inligting, en meganiese dinamiese impedansie-inligting kan weerspieël word deur eenvoudige gemete elektriese inligting. longitudinale vibrasie van die balk; wanneer die omgekeerde spanning toegepas word, sal hulle die buiging van die balk veroorsaak. weerspieël die skadestatus van die struktuur. Die frekwensie-afhanklike admittansie (inverse impedansie) word verkry uit die piëso-elektriese koppelingseffek en die interaksie van PZT met die struktuur piëso-elektriese silinder-omskakelaar is die basislyn van die toelating as 'n funksie van frekwensie. Die tweede item bevat die impedansie-inligting van die PZT-materiaal self en die impedansie-inligting van die eksterne struktuur. As in ag geneem word dat die piëzo-elektriese stelsel bepaal is nadat die piëzo-elektriese keramiekplaat aan die eksterne struktuur geheg is, is die impedansie AZ van die PZT-materiaal self konstant, en die impedansiewaarde van die eksterne struktuur is die enigste parameter wat die tweede term beïnvloed, en sodoende die hele piëzo-elektriese stelsel beheer. Veranderinge in toelating Y. Wanneer die parameters en werkverrigting van PZT konstant gehou word, bepaal die strukturele impedansie Z uniek die waarde van die tweede term. Enige verandering in piëso-elektriese natriumgeleiding stem ooreen met strukturele skade en defekte, sodat die waarde van piëso-elektriese natriumgeleidingsvermoë gebruik kan word om struktuurskade te identifiseer.

Implementering van PZT vir strukturele gesondheidsmonitering

As gevolg van die piëso-elektriese effek en die omgekeerde piëso-elektriese effek van die piëso-elektriese element, het die piëso-elektriese element 'n dubbele funksie van aandryf en waarneming. Deur hierdie kenmerk te gebruik, is dit moontlik om aanlyn en intydse gesondheidsmonitering van die struktuur te bewerkstellig. 'n Deel van die PZT-materiaal is gekoppel aan die kragbron wat die opwekkingsein deur 'n draad opwek. Die spanning of lading word gebruik om die kragtoevoer aan te dryf om 'n opwekkingsein (spanning of lading) op die PZT toe te pas. Omdat die PZT-materiaal die omgekeerde piëso-elektriese effek het, dit wil sê, dit sal vervorm onder die werking van 'n elektriese veld. Die PZT-materiaal is ingebed (of geplak) op die basismateriaal, so sy eie vervorming sal na die basismateriaal oorgedra word, met die basismateriaal wat vervorm of saam beweeg. Op hierdie tydstip is die PZT gelykstaande aan 'n drywer en genereer vervorming deur die opwekkingsein te ontvang. Terselfdertyd, sommige PZT-materiaal piëzokeramiekbuise is op die basismateriaal gerangskik en is nie aan die kragtoevoer gekoppel nie. Wanneer die basismateriaal vervorm of beweeg, sal hierdie vervorming of beweging na die PZT-materiaal oorgedra word. As gevolg van die piëzo-elektriese effek van die PZT-materiaal, word 'n elektriese lading binne die PZT-materiaal gegenereer, en die grootte van die elektriese lading verander met die grootte van die vervorming of beweging. Op hierdie tydstip is die PZT gelykstaande aan 'n sensor. Gebruik dan die meettoestel om die uitsetsein van hierdie PZT-sensor in reële tyd te meet en te versamel, en dit kan die vervorming of beweging van die basismateriaal in reële tyd en aanlyn weerspieël, om sodoende die real-time en aanlyn gesondheidsmonitering van die struktuur te realiseer.

Vergelyk die data wat intyds ingesamel is met die vibrasiedata wanneer die struktuur normaal is, en kyk of die PZT-uitsetsein verander (soos krake of losheid van die struktuur, ens., in teorie, sal dit veroorsaak dat die PZT-uitset in die struktuur verander. As dit verander, word dit beskou dat die struktuur 'n fout het. Wanneer 'n mislukking plaasvind, kan die sein in tyd na die kontroleerder oorgedra word na 'n beheerder-tyd, na 'n aanlyn-tydse mislukking. intydse monitering, foutdiagnose en mislukkingsverwerking van die struktuur.

PZT kan optree as beide 'n dryfelement en 'n waarnemingselement om die struktuur te prikkel om die dinamiese reaksie van die struktuur te verkry. Die beginsel van positiewe en omgekeerde piëso-elektriese effek word gebruik om die dinamiese reaksieverwantskap tussen die piëso-elektriese keramiekplaat en die eksterne struktuur te ontleed. Wanneer die eksterne struktuur verander, verander die ooreenstemmende piëso-elektriese impedansie ook. Deur die toelatingsverandering van die piëso-elektriese keramiek te meet, kan die toestand van die struktuur in reële tyd voorspel word. PZT is geskik vir beide makroskade en geringe skade, en het 'n goeie ontwikkelingsvooruitsig in die strukturele gesondheidsmonitering van geboue in die toekoms.