ما هي المادة والهيكل الكهرضغطية؟

المواد الكهرضغطية هي مادة عازلة خاصة ذات تأثير كهرضغطية وتأثير كهرضغطية معكوس. التأثير الكهرضغطي هو سمة بعض البلورات الانضغاطية التي اكتشفها الأخوان الفرنسيان P. Curie و J. Curie في عام 1880. عندما تمارس قوة كهرضغطية قوة ميكانيكية (أو تحرر الضغط) على اتجاهها الكهرضغطي، فإن الجسم الكهرضغطي سيولد ظاهرة شحن وتفريغ. تسمى هذه الظاهرة بالتأثير الكهرضغطي الإيجابي. يؤدي المجال الكهربائي الذي يكون هو نفسه (أو معاكسًا) لاتجاه الاستقطاب إلى تأثيرين: تأثير كهرضغطية معكوس وتأثير كهربائي. التأثير الكهرضغطي العكسي، أي أن العازل يتشوه ميكانيكيًا بواسطة مجال كهربائي خارجي، ويتناسب حجم الانفعال مع حجم المجال الكهربائي المطبق، ويرتبط الاتجاه باتجاه المجال الكهربائي. التأثير الكهربائي، أي المجال العازل للكهرباء تولد مادة السيراميك الكهرضغطية Pzt إجهادًا بسبب الاستقطاب المستحث، ويتناسب حجم الإجهاد مع مربع المجال الكهربائي، وهو مستقل عن اتجاه المجال الكهربائي. إن التأثير الكهرضغطي العكسي والتأثير الكهربائي هما في الأساس نتيجة استقطاب البلورة العازلة تحت تأثير مجال كهربائي خارجي، ويتم تشويه الشبكة، وتظهر مجهريا كإجهاد ميكانيكي.

السيراميك الكهرضغطي هو سيراميك كهرضغطي يتم الحصول عليه عن طريق خلط المكونات، والتلبيد عند درجة حرارة عالية، والحصول على مجموعة كهرضغطية بعد تفاعل الطور الصلب بين الجزيئات. يمكن استخدام مادة PZT كعنصر استشعار وعنصر قيادة، ويمكن دمجها مع مواد أخرى لتشكيل مادة مركبة. ولذلك، فإن لديها مجموعة واسعة من التطبيقات، مثل التعامل مع الطائرات على أجنحة الطائرات، وفي أنظمة الاهتزاز. التحكم النشط في الاهتزاز والضوضاء لمراقبة الصحة الهيكلية في المعدات.

2 هيكل PZT

وفقًا لنظرية الديناميكيات الهيكلية الحديثة، عندما تحدث أضرار وعيوب في المعدات والهياكل، مثل الشقوق والمسامير السائبة وما إلى ذلك، فإن صلابتها وخصائص المعاوقة الميكانيكية ستتغير، الأمر الذي سيؤدي أيضًا إلى تغييرات في التردد الطبيعي ونمط الهيكل. لذلك، يمكن تحديد درجة الضرر كميًا بناءً على التغير في المعاوقة الميكانيكية. ومع ذلك، تختلف المعاوقة الديناميكية الميكانيكية مع التردد ويصعب قياسها باستخدام الطرق التقليدية. باستخدام خصائص ذاتية الحركة والاستشعار الذاتي للعنصر الكهرضغطي، مادة PZT يمكن للأقراص الدائرية الانضغاطية أن تعمل في نفس الوقت كعنصر قيادة وعنصر استشعار لإثارة الهيكل للحصول على الاستجابة الديناميكية للهيكل، وبالتالي إنشاء جسر بين الخصائص الميكانيكية والمعلومات الكهربائية ومعلومات المعاوقة الديناميكية الميكانيكية. يمكن أن تنعكس التغييرات من خلال معلومات كهربائية بسيطة يتم قياسها. عندما يتم تطبيق جهد خارجي معين على سطح لوح السيراميك الكهرضغطي، يتم إنشاء قوة سطح جانبية على سطح الشعاع. ستدفع هذه القوى السطحية الشعاع لإنتاج اهتزازات مختلفة (عندما يتعرض PZT العلوي والسفلي لنفس الجهد، سوف يهتز الشعاع طوليًا؛ وعندما يتم تطبيق جهد عكسي، سيتعرض الشعاع لاهتزازات الانحناء). بدوره، يؤدي الاهتزاز إلى تشوه الشعاع، ويمكن أن تنعكس خصائص التشوه على شكل إشارات كهربائية من خلال خصائص الاستشعار لألواح السيراميك الكهرضغطية. ولذلك، فإن خصائص الدخول الديناميكية لألواح السيراميك الكهرضغطية الملصقة على الهيكل يمكن أن تعكس حالة الضرر للهيكل. وفقا لتأثير اقتران كهرضغطية، والتفاعل بين PZT والهيكل، يمكن الحصول على القبول المعتمد على التردد (مقلوب المعاوقة). عندما تظل معلمات وأداء PZT ثابتًا، تحدد المعاوقة الهيكلية بشكل فريد قيمة الحد الثاني. أي تغيير في الصوديوم الكهرضغطي يتوافق مع الأضرار والعيوب الهيكلية، بحيث يمكن تحديد الضرر الهيكلي من خلال قيمة الصوديوم الكهرضغطية.

بسبب التأثير الكهرضغطي والتأثير الكهرضغطي العكسي للعنصر الكهرضغطي، فإن العنصر الكهرضغطي له وظائف مزدوجة للقيادة والاستشعار، ويمكن لهذه الميزة تحقيق مراقبة صحية للهيكل عبر الإنترنت وفي الوقت الفعلي.

يتم توصيل جزء من مادة PZT بمصدر الطاقة الذي يولد إشارة الإثارة من خلال سلك، ويتم تطبيق إشارة الإثارة (الجهد أو الشحن) على مادة PZT من خلال مصدر طاقة قيادة الجهد أو الشحن، لأن مادة PZT لها تأثير كهرضغطية عكسي، أي يحدث تشوه تحت تأثير المجال الكهربائي بسبب دمج مادة PZT (أو الالتزام بها) بالمادة الأساسية، لذلك سيتم نقل تشوهها إلى المادة الأساسية، والقاعدة سيتم تشويه المواد أو نقلها معًا. في هذا الوقت، PZT يعادل السائق، ويتم إنشاء التشوه عن طريق استقبال إشارة الإثارة. أو ممارسة لدفع المواد الأساسية. في الوقت نفسه، يتم وضع بعض مواد PZT على المادة الأساسية ولا يتم توصيلها بمصدر الطاقة، وينتقل هذا التشوه أو الحركة إلى مادة PZT عندما تتشوه المادة الأساسية أو تتحرك. بسبب التأثير الكهرضغطي لمادة PZT، يتم إنشاء شحنة داخل الشحنة، ويختلف حجم الشحنة مع حجم التشوه أو الحركة. في هذا الوقت، مادة PZT تعادل جهاز استشعار. بعد ذلك، يتم قياس وجمع إشارة الخرج لمستشعر PZT بواسطة جهاز القياس، ويمكن أن ينعكس تشوه أو حركة المادة الأساسية في الوقت الفعلي وعلى الإنترنت، وبالتالي تحقيق المراقبة الصحية للهيكل في الوقت الحقيقي وعلى الإنترنت.