تطبيق السيراميك الكهروضغطي في مراقبة الصحة الهيكلية

لا يمكن استخدام PZT فقط لصنع منتجات كهروضغطية مختلفة، ولكن في السنوات الأخيرة تم تطبيق PZT تدريجيًا للكشف عن الأضرار الهيكلية. وفقًا للتأثيرات الكهرضغطية الإيجابية والعكسية للمواد الكهرضغطية، يمكن استخدام السيراميك الكهرضغطي PZT كعناصر قيادة واستشعار. PZT نصف الكرة الخزفية الكهرضغطية في الأماكن التي من المحتمل أن تحدث فيها تشققات أو تركيزات إجهاد على المكونات. يمكن لصق تتمتع المعاوقة الميكانيكية أو استجابة التردد بحساسية عالية للضرر، مما يجعلها المؤشر الرئيسي لدراسة تحديد الضرر.

في السنوات الأخيرة، تم استخدام المزيد والمزيد من الأبحاث حول تكنولوجيا المعاوقة الكهرضغطية في تشخيص الصحة الهيكلية. في عام 1995، نجح صن وآخرون في استخدام تكنولوجيا المعاوقة الكهرضغطية لتشخيص الصحة الهيكلية للسقالات المجمعة، والتي كانت تعتبر بداية تطبيق تكنولوجيا المعاوقة الكهرضغطية في مجال تشخيص الصحة الهيكلية. ميزة تكنولوجيا المعاوقة الكهرضغطية هي أنها حساسة للأضرار الصغيرة التي تلحق بالهيكل، مما يساعد على اكتشاف الفشل الأولي للهيكل. علاوة على ذلك، فإن المادة الكهروضغطية PZT (السيراميك الكهروضغطي تيتانات زركون الرصاص) غالبًا ما تستخدم في تكنولوجيا المعاوقة الكهرضغطية لها حجم صغير وبنية بسيطة وموثوقة. بالإضافة إلى ذلك، فإن PZT حساس فقط للتغيرات في المنطقة المحلية المحيطة به، مما يساعد على عزل التحميل الشامل للهيكل، ويتغير في الصلابة الهيكلية والظروف الحدودية، وتأثير الضرر الهيكلي بالقرب من PZT بيزو على نتائج القياس. ولذلك فإن هذه التقنية مناسبة لتتبع وصلات المراقبة التي لها متطلبات صارمة فيما يتعلق بالسلامة الهيكلية أو التي لها تأثير كبير على عمر الهيكل والضرر الذي ليس من السهل اكتشافه. ستقدم هذه المقالة المبادئ الأساسية لتقنية المعاوقة الكهرضغطية لتشخيص الصحة الهيكلية.

مقدمة للمواد الكهرضغطية

المواد الكهرضغطية هي مادة عازلة خاصة ذات تأثير كهرضغطية وتأثير كهرضغطية معكوس. التأثير الكهرضغطي هو سمة من سمات بعض البلورات الانضغاطية التي اكتشفها الأخوان الفرنسيان P.Curie وJ.Curie في عام 1880. عندما يتم تطبيق قوة ميكانيكية (أو تحرير الضغط) على الجسم الكهرضغطي في اتجاه الاستقطاب، فإن الجسم الكهرضغطي سيولد ظاهرة الشحن والتفريغ. وتسمى هذه الظاهرة التأثير الكهرضغطي الإيجابي، على العكس من ذلك، يتم تطبيق جسم كهرضغطية على الجسم الكهرضغطي. يؤدي المجال الكهربائي الذي له نفس اتجاه الاستقطاب (أو معاكس) إلى تأثيرين: التأثير الكهرضغطي العكسي وتأثير الانقباض الكهربائي. التأثير الكهرضغطي العكسي، أي أن العازل الكهربائي يتشوه ميكانيكيًا تحت تأثير مجال كهربائي خارجي، ويتناسب حجم الضغط مع حجم المجال الكهربائي المطبق، ويرتبط الاتجاه باتجاه المجال الكهربائي. التأثير الكهربائي، أي المجال العازل F، الذي يسبب الإجهاد بسبب الاستقطاب المستحث. يتناسب الانفعال طرديا مع مربع المجال الكهربائي ولا علاقة له باتجاه المجال الكهربائي. إن التأثير الكهرضغطي العكسي والتأثير الكهربي هما في الأساس نتائج استقطاب البلورة العازلة تحت تأثير مجال كهربائي خارجي، مما يؤدي إلى تشويه الشبكة البلورية ويظهر كإجهاد ميكانيكي على نطاق واسع. يُطلق على السيراميك الانضغاطي اسم السيراميك الكهرضغطي عن طريق خلط المكونات، والتلبيد عند درجة حرارة عالية، وتجميع الجزيئات الصلبة بشكل عشوائي بين الجزيئات. يمكن استخدام بيزو PZT كعنصر استشعار وعنصر قيادة، ويمكن دمجه مع مواد أخرى لتشكيل مادة مركبة، لذلك لديه مجموعة واسعة من آفاق التطبيق، مثل التحكم في أجنحة الطائرات وأنظمة التحكم في الاهتزاز. التحكم النشط في الاهتزازات والضوضاء، ومراقبة السلامة الهيكلية في المعدات، وما إلى ذلك.

الملامح الرئيسية لتطبيق PZT في هياكل المواد الذكية هي:

① يمكن استخدامه كسائق وجهاز استشعار؛
② عند استخدامه كسائق، تكون قوة الإثارة صغيرة؛
③ سرعة الاستجابة أسرع، وهي 1000 مرة من سبيكة ذاكرة الشكل؛
④ يمكن أن يكون الحجم صغيرًا ورقيقًا، ويمكن تثبيته على سطح الهيكل أو دفنه في الهيكل؛
⑤ المجموعة مرنة. ويمكن استخدامه على شكل قطع كبيرة نسبياً، أو يمكن استخدامه على شكل قطع صغيرة.

هيكل PZT
سيراميك PZT الانضغاطي هو محلول صلب مستمر من Pbzro3 وPbTio3 وله هيكل ABO3 بيروفسكايت. تم العثور على PZT في أوائل الخمسينيات من القرن العشرين، وهي مادة كهرضغطية مهمة ذات قيمة تطبيقية فنية مهمة. السيراميك الكهرضغطي عبارة عن مواد عازلة بلورية ليس لها مركز تناظر. لا يحتوي العازل الكهربائي البلوري الذي لا يحتوي على مركز تناظر على بلورة مجموعة مكونة من 432 نقطة مع تأثير كهرضغطية عكسي منخفض للغاية بسبب التناظر العالي للغاية. تشوه العازل المتماثل للبلورة الناتج عن التأثير الكهرضغطي العكسي. تحت تأثير المجال الكهربائي، يتم استقطاب العازل الكهربائي. نظرًا لعدم وجود رابطة أيونية بين الأيون الموجب في أقصى اليسار والأيون الموجب في أقصى اليمين (وغيرها من (الروابط الكيميائية)، لذلك أثناء عملية الاستقطاب، يمكن أن يحدث إزاحة نسبية كبيرة بينهما، مما يدل على تأثير كهرضغطية عكسي كبير على مقياس كلي. يتم التعبير عنه كـ: S = dE، وهو ما يتناسب مع حجم المجال الكهربائي. أي بالنسبة للمواد الكهرضغطية، تقترن الكميات الكهربائية والميكانيكية ببعضها البعض. تتكون الطاقة المخزنة في الوسط من جزأين، أحدهما طاقة الانفعال و والآخر هو الطاقة الكهرومغناطيسية. وفقًا لنظرية الديناميكيات الهيكلية الحديثة، عندما تحدث أضرار وعيوب في المعدات والهيكل، مثل الشقوق والمسامير المفككة وما إلى ذلك، فإن صلابتها وخصائص المعاوقة الميكانيكية ستتغير أيضًا، كما يتغير التردد الطبيعي ونمط الهيكل، لذلك يمكن تحديد درجة الضرر كميًا بناءً على التغيرات في المعاوقة الميكانيكية، ومع ذلك، يصعب قياس تغير المعاوقة الديناميكية الميكانيكية مع التردد باستخدام الطرق التقليدية وخصائص الاستشعار الذاتي للعناصر الكهرضغطية، يمكن أن تعمل سيراميك PZT كعنصر دافع وعنصر استشعار لإثارة الهيكل للحصول على الاستجابة الديناميكية للهيكل، وبالتالي إنشاء جسر بين الخصائص الميكانيكية والمعلومات الكهربائية، ويمكن أن تنعكس التغييرات الميكانيكية الديناميكية بواسطة معلومات كهربائية مقاسة بسيطة عند تطبيق جهد خارجي معين على سطح لوح السيراميك الكهرضغطي، يتم إنشاء قوة سطح جانبية على سطح الشعاع لتوليد اهتزازات مختلفة (عندما تتعرض PZTs العلوية والسفلية لنفس الجهد، فإنها ستتسبب في اهتزاز طولي للشعاع؛ وعندما يتم تطبيق الجهد العكسي، فإنها ستتسبب في اهتزاز الانحناء للشعاع. بدوره، يتسبب الاهتزاز في تشوه الشعاع، ويمكن أن تنعكس خصائص التشوه في شكل إشارات كهربائية من خلال خصائص الاستشعار للوحة السيراميك الكهرضغطية. لذلك، يمكن أن تعكس خصائص القبول الديناميكي للوحة السيراميك الكهرضغطية الملصقة على الهيكل حالة الضرر يتم الحصول على القبول المعتمد على التردد (المقاومة العكسية) من تأثير الاقتران الكهرضغطي وتفاعل PZT مع الهيكل محول الطاقة الأسطواني الكهرضغطي هو خط الأساس للدخول كدالة للتردد. يحتوي العنصر الثاني على معلومات المعاوقة الخاصة بمادة PZT نفسها ومعلومات المعاوقة الخاصة بالهيكل الخارجي. مع الأخذ في الاعتبار أنه تم تحديد النظام الكهرضغطي بعد توصيل لوح السيراميك الكهرضغطي بالهيكل الخارجي، تكون المعاوقة AZ لمادة PZT نفسها ثابتة، وقيمة المعاوقة للهيكل الخارجي هي المعلمة الوحيدة التي تؤثر على الفصل الثاني، وبالتالي التحكم في النظام الكهرضغطي بأكمله. التغييرات في القبول Y. عندما تظل المعلمات وأداء PZT ثابتة، فإن المعاوقة الهيكلية Z تحدد بشكل فريد قيمة الفصل الثاني. أي تغيير في موصلية الصوديوم الكهرضغطية يتوافق مع الأضرار والعيوب الهيكلية، بحيث يمكن تحديد قيمة موصلية الصوديوم الكهرضغطية لتحديد تلف الهيكل.

تنفيذ PZT لرصد الصحة الهيكلية

بسبب التأثير الكهرضغطي والتأثير الكهرضغطي العكسي للعنصر الكهرضغطي، فإن العنصر الكهرضغطي له وظيفة مزدوجة للقيادة والاستشعار. باستخدام هذه الميزة، من الممكن تحقيق مراقبة صحية للهيكل عبر الإنترنت وفي الوقت الفعلي. يتم توصيل جزء من مادة PZT بمصدر الطاقة الذي يولد إشارة الإثارة عبر سلك. يتم استخدام الجهد أو الشحنة لتشغيل مصدر الطاقة لتطبيق إشارة الإثارة (الجهد أو الشحن) على PZT. لأن مادة PZT لها تأثير كهرضغطية معكوس، أي أنها سوف تتشوه تحت تأثير المجال الكهربائي. يتم دمج مادة PZT (أو لصقها) على المادة الأساسية، لذلك سيتم نقل تشوهها إلى المادة الأساسية، مع تشوه المادة الأساسية أو تحريكها معًا. في هذا الوقت، يكون PZT مكافئًا للسائق ويولد تشوهًا عن طريق استقبال إشارة الإثارة. وفي نفس الوقت البعض يتم ترتيب الأنابيب الخزفية المصنوعة من مادة PZT على المادة الأساسية ولا يتم توصيلها بمصدر الطاقة. عندما تتشوه المادة الأساسية أو تتحرك، سيتم نقل هذا التشوه أو الحركة إلى مادة PZT. بسبب التأثير الكهرضغطي لمادة PZT، يتم توليد شحنة كهربائية داخل مادة PZT، ويتغير حجم الشحنة الكهربائية مع حجم التشوه أو الحركة. في هذا الوقت، PZT يعادل جهاز استشعار. ثم استخدم جهاز القياس لقياس وتجميع إشارة الخرج لمستشعر PZT هذا في الوقت الفعلي، ويمكن أن يعكس تشوه أو حركة المادة الأساسية في الوقت الفعلي وعلى الإنترنت، وذلك لتحقيق المراقبة الصحية للهيكل في الوقت الحقيقي وعلى الإنترنت.

قارن البيانات التي تم جمعها في الوقت الفعلي مع بيانات الاهتزاز عندما يكون الهيكل طبيعيًا، ولاحظ ما إذا كانت إشارة خرج PZT تتغير (مثل الشقوق أو رخاوة الهيكل، وما إلى ذلك، من الناحية النظرية، ستتسبب في تغيير إخراج PZT في الهيكل. إذا تغيرت، يعتبر أن الهيكل به فشل. عند حدوث فشل، يمكن إرسال الإشارة إلى وحدة التحكم في الوقت المناسب للتعامل مع فشل الهيكل في الوقت المناسب لتحقيق المراقبة عبر الإنترنت وفي الوقت الحقيقي وتشخيص الفشل ومعالجة الفشل للهيكل.

يمكن أن يعمل PZT كعنصر قيادة وعنصر استشعار لإثارة الهيكل للحصول على الاستجابة الديناميكية للهيكل. يتم استخدام مبدأ التأثير الكهرضغطي الإيجابي والعكسي لتحليل علاقة الاستجابة الديناميكية بين لوح السيراميك الكهرضغطي والهيكل الخارجي. عندما يتغير الهيكل الخارجي، تتغير أيضًا المعاوقة الكهرضغطية المقابلة. من خلال قياس تغير دخول السيراميك الكهروضغطي، يمكن التنبؤ بحالة الهيكل في الوقت الفعلي. يعتبر PZT مناسبًا لكل من الأضرار الكلية والأضرار الطفيفة، وله آفاق تطوير جيدة في مراقبة الصحة الهيكلية للمباني في المستقبل.