Прымяненне п'езаэлектрычнай керамікі ў структурным маніторынгу здароўя

PZT можа быць выкарыстаны не толькі для вырабу розных п'езаэлектрычных вырабаў, але ў апошнія гады PZT паступова ўжываецца для выяўлення структурных пашкоджанняў. Згодна з станоўчым і зваротным п'езаэлектрычным эфектам п'езаэлектрычных матэрыялаў, п'езаэлектрычная кераміка PZT можа выкарыстоўвацца як у якасці рухаючага, так і ў якасці адчувальнага элемента. PZT П'езаэлектрычная керамічная паўсфера можа быць устаўлена ў месцах, дзе верагоднасць узнікнення расколін або канцэнтрацыі напружання на кампанентах. Механічны імпеданс або частотная характарыстыка мае высокую адчувальнасць да пашкоджання, што робіць яго асноўным паказчыкам для вывучэння ідэнтыфікацыі пашкоджанняў.

У апошнія гады ўсё больш і больш даследаванняў па тэхналогіі п'езаэлектрычнага імпедансу выкарыстоўваецца ў структурнай дыягностыцы здароўя. У 1995 годзе Sun і іншыя паспяхова выкарысталі тэхналогію п'езаэлектрычнага імпедансу для дыягностыкі здароўя сабраных рыштаванняў, што лічылася пачаткам прымянення тэхналогіі п'езаэлектрычнага імпедансу ў галіне дыягностыкі стану канструкцый. Перавага тэхналогіі п'езаэлектрычнага імпедансу ў тым, што яна адчувальная да невялікіх пашкоджанняў канструкцыі, што спрыяе выяўленню першапачатковага збою канструкцыі. Больш за тое, п'езаэлектрычны матэрыял PZT (п'езаэлектрычная кераміка з тытаната свінцу цырканата) часта выкарыстоўваецца ў тэхналогіі п'езаэлектрычнага імпедансу, мае невялікі памер і структуру, простую і надзейную. Акрамя таго, PZT адчувальны толькі да змяненняў у лакальнай вобласці вакол сябе, што дапамагае ізаляваць агульную масавую нагрузку на канструкцыю, змены калянасці канструкцыі і межавых умоў, а таксама ўплыў структурных пашкоджанняў паблізу п'еза PZT на вынікі вымярэнняў. Такім чынам, гэты метад падыходзіць для адсочвання маніторынгу спасылак, якія маюць строгія патрабаванні да цэласнасці канструкцыі або маюць вялікі ўплыў на тэрмін службы канструкцыі і няпроста выявіць пашкоджанні. У гэтым артыкуле будуць прадстаўлены асноўныя прынцыпы тэхналогіі п'езаэлектрычнага імпедансу для дыягностыкі стану канструкцый.

Уводзіны ў п'езаэлектрычныя матэрыялы

П'езаэлектрычны матэрыял - гэта спецыяльны дыэлектрычны матэрыял з п'езаэлектрычным эфектам і зваротным п'езаэлектрычным эфектам. П'езаэлектрычны эфект з'яўляецца характарыстыкай некаторых п'езакрышталяў, адкрытых французскімі братамі П. Кюры і Ж. Кюры ў 1880 г. Калі механічная сіла (або ціск адпускаецца) прыкладваецца да п'езаэлектрычнага цела ў кірунку яго палярызацыі, п'езаэлектрычнае цела будзе ствараць з'явы зарада і разраду. Гэта з'ява называецца станоўчым п'езаэлектрычным эфектам, наадварот, п'езаэлектрычнае цела прыкладваецца да п'езаэлектрычнага цела. Электрычнае поле з аднолькавым (або супрацьлеглым) напрамкам палярызацыі выклікае два эфекты: зваротны п'езаэлектрычны эфект і электрастрыкцыйны эфект. Зваротны п'езаэлектрычны эфект, гэта значыць дыэлектрык механічна дэфармуецца пад дзеяннем вонкавага электрычнага поля, прычым велічыня дэфармацыі прапарцыйная велічыні прыкладзенага электрычнага поля, а кірунак звязаны з кірункам электрычнага поля. Электрастрыкцыйны эфект, гэта значыць дыэлектрычнае поле F, якое выклікае дэфармацыю з-за індукаванай палярызацыі. Дэфармацыя прапарцыйная квадрату электрычнага поля і не мае нічога агульнага з напрамкам электрычнага поля. Зваротны п'езаэлектрычны эфект і электрастрыкцыйны эфект з'яўляюцца па сутнасці вынікамі палярызацыі дыэлектрычнага крышталя пад дзеяннем знешняга электрычнага поля, якое выклікае скажэнне крышталічнай рашоткі і выяўляецца ў выглядзе механічнай дэфармацыі ў макрамаштабе. П'езакераміку называюць п'езаэлектрычнай керамікай шляхам змешвання інгрэдыентаў, спякання пры высокай тэмпературы і выпадковага збору цвёрдых часціц паміж часціцамі. PZT п'еза можа выкарыстоўвацца ў якасці адчувальнага элемента і прываднага элемента, а таксама можа быць убудаваны з іншымі матэрыяламі ў кампазітны матэрыял, таму ён мае шырокі спектр перспектыў прымянення, напрыклад, кіраванне самалётам на крылах і сістэмы кантролю вібрацыі. Актыўны кантроль вібрацыі і шуму, структурны маніторынг стану абсталявання і г.д.

Асноўныя асаблівасці прымянення PZT у разумных матэрыяльных структурах:

① Можа выкарыстоўвацца і як драйвер, і як датчык;
② Пры выкарыстанні ў якасці драйвера магутнасць узбуджэння малая;
③ Хуткасць водгуку вышэй, што ў 1000 разоў перавышае хуткасць сплаву з памяццю формы;
④ Памер можна зрабіць невялікім і тонкім, і яго можна ўсталяваць на паверхні канструкцыі або пахаваць у канструкцыі;
⑤ Камбінацыя гнуткая. Яго можна выкарыстоўваць у выглядзе адносна буйных кавалачкаў, а можна дробнымі.

Структура PZT
П'езакераміка PZT уяўляе сабой суцэльны цвёрды раствор Pbzro3 і PbTio3 і мае перовскитную структуру ABO3. Знойдзены ў пачатку 1950-х гадоў PZT з'яўляецца важным п'езаэлектрычным сегнетоэлектрычным матэрыялам з важным тэхнічным прымяненнем. П'езаэлектрычная кераміка - гэта крышталічны дыэлектрычны матэрыял, які не мае цэнтра сіметрыі. Крышталічны дыэлектрык, які не мае цэнтра сіметрыі, не мае 432-кропкавага крышталя групы з надзвычай нізкім зваротным п'езаэлектрычным эфектам з-за надзвычай высокай сіметрыі. Дэфармацыя сіметрычнага дыэлектрыка крышталя, выкліканая зваротным п'езаэлектрычным эфектам. Пад дзеяннем электрычнага поля адбываецца палярызацыя дыэлектрыка. Паколькі няма іённай сувязі паміж крайнім левым бакавым іёнам і крайнім правым станоўчым іёнам (і іншымі (хімічнымі сувязямі), таму падчас працэсу палярызацыі паміж імі можа адбыцца вялікае адноснае зрушэнне, якое паказвае вялікі зваротны п'езаэлектрычны эфект у макрамаштабе. Выражаецца як: S = dE, што прапарцыянальна велічыні электрычнага поля. Гэта значыць, для п'езаэлектрычных матэрыялаў электрычныя і механічныя велічыні з'яўляюцца Энергія, назапашаная ў асяроддзі, складаецца з дзвюх частак, адна - гэта энергія электрамагнітнай дынамікі, калі ў абсталяванні і канструкцыі ўзнікаюць пашкоджанні, такія як расколіны, аслабленыя балты і г.д., зменіцца ўласная частата і рэжым канструкцыі змены механічнага імпедансу. Аднак змяненне механічнага дынамічнага імпедансу складана вымераць з дапамогай звычайных метадаў. Выкарыстоўваючы характарыстыкі самакіравання і самаадчування п'езаэлектрычных элементаў, п'езакераміка можа дзейнічаць як рухаючы элемент, так і адчувальны элемент для ўзбуджэння структуры для атрымання дынамічнай рэакцыі, усталёўваючы такім чынам мост паміж механічнымі характарыстыкамі і інфармацыяй аб механічным дынамічным супраціве адлюстроўвацца простай вымеранай электрычнай інфармацыяй. Калі на паверхню п'езаэлектрычнага ліста прыкладваецца пэўнае знешняе напружанне, на паверхні бэлькі ствараецца бакавая паверхневая сіла, якая выклікае розныя вібрацыі на бэльку (калі верхні і ніжні PZT падвяргаюцца аднолькаваму напружэнню, яны выклічуць падоўжную вібрацыю бэлькі; У сваю чаргу, вібрацыя выклікае дэфармацыю бэлькі, і характарыстыкі дэфармацыі могуць быць адлюстраваны ў выглядзе адчувальных характарыстык п'езаэлектрычнага керамічнага ліста эфект п'езаэлектрычнай сувязі і ўзаемадзеянне ЦТС са структурай свабоднага ЦТС п'езаэлектрычны цыліндрычны пераўтваральнік з'яўляецца базавай допуск у залежнасці ад частаты. Другі элемент змяшчае інфармацыю аб імпедансе самога матэрыялу PZT і інфармацыю аб імпедансе знешняй структуры. Улічваючы, што п'езаэлектрычная сістэма была вызначана пасля таго, як п'езаэлектрычны керамічны ліст прымацаваны да знешняй канструкцыі, імпеданс AZ самога матэрыялу PZT з'яўляецца пастаянным, а значэнне імпедансу знешняй канструкцыі з'яўляецца адзіным параметрам, які ўплывае на другі член, тым самым кіруючы ўсёй п'езаэлектрычнай сістэмай. Змены ў праводзе Y. Калі параметры і характарыстыкі PZT падтрымліваюцца нязменнымі, структурны імпеданс Z адназначна вызначае значэнне другога члена. Любое змяненне праводнасці п'езаэлектрычнага натрыю адпавядае структурным пашкоджанням і дэфектам, так што значэнне праводнасці п'езаэлектрычнага натрыю можа быць выкарыстана для ідэнтыфікацыі пашкоджанняў структуры.

Укараненне PZT для структурнага маніторынгу здароўя

З-за п'езаэлектрычнага эфекту і адваротнага п'езаэлектрычнага эфекту п'езаэлектрычнага элемента, п'езаэлектрычны элемент выконвае двайную функцыю кіравання і адчування. Выкарыстоўваючы гэтую функцыю, можна дамагчыся маніторынгу стану структуры ў рэжыме онлайн і ў рэжыме рэальнага часу. Частка матэрыялу PZT падключаецца да крыніцы харчавання, якая генеруе сігнал узбуджэння праз провад. Напружанне або зарад выкарыстоўваюцца для кіравання крыніцай харчавання для падачы сігналу ўзбуджэння (напружання або зарада) на PZT. Паколькі матэрыял PZT валодае зваротным п'езаэлектрычным эфектам, гэта значыць ён будзе дэфармавацца пад дзеяннем электрычнага поля. Матэрыял PZT убудаваны (або налеплены) на матэрыял асновы, так што яго ўласная дэфармацыя будзе перададзена матэрыялу асновы, пры гэтым матэрыял асновы дэфармуецца або рухаецца разам. У гэты час PZT эквівалентны драйверу і стварае дэфармацыю, прымаючы сігнал узбуджэння. Пры гэтым некаторыя П'езакерамічныя трубкі з матэрыялу PZT размешчаны на аснове матэрыялу і не падключаюцца да крыніцы харчавання. Калі асноўны матэрыял дэфармуецца або рухаецца, гэтая дэфармацыя або рух будзе перадавацца матэрыялу PZT. З-за п'езаэлектрычнага эфекту матэрыялу PZT унутры матэрыялу PZT утвараецца электрычны зарад, і велічыня электрычнага зарада змяняецца ў залежнасці ад памеру дэфармацыі або руху. У гэты час PZT эквівалентны датчыку. Затым выкарыстоўвайце вымяральны прыбор для вымярэння і збору выхаднога сігналу гэтага датчыка PZT у рэжыме рэальнага часу, і ён можа адлюстроўваць дэфармацыю або перамяшчэнне асноўнага матэрыялу ў рэжыме рэальнага часу і ў Інтэрнэце, каб рэалізаваць маніторынг стану канструкцыі ў рэжыме рэальнага часу і ў рэжыме анлайн.

Параўнайце даныя, сабраныя ў рэжыме рэальнага часу, з дадзенымі аб вібрацыі, калі канструкцыя нармальная, і паглядзіце, ці зменіцца выхадны сігнал PZT (напрыклад, расколіны або хісткасць канструкцыі і г.д., тэарэтычна, гэта прывядзе да змены выхаду PZT у канструкцыі. Калі ён зменіцца, лічыцца, што канструкцыя няспраўная. Калі адбываецца збой, сігнал можа быць перададзены на кантролер своечасова, каб своечасова справіцца са збоем канструкцыі, каб дасягнуць у рэжыме онлайн, маніторынг у рэжыме рэальнага часу, дыягностыка адмоваў і апрацоўка адмоваў структуры.

PZT можа дзейнічаць і як рухаючы элемент, і як адчувальны элемент для ўзбуджэння канструкцыі для атрымання дынамічнай рэакцыі канструкцыі. Прынцып станоўчага і адваротнага п'езаэлектрычнага эфекту выкарыстоўваецца для аналізу ўзаемасувязі дынамічнага водгуку паміж п'езаэлектрычным керамічным лістом і знешняй структурай. Калі знешняя структура змяняецца, адпаведны п'езаэлектрычны імпеданс таксама змяняецца. Вымяраючы змяненне допуску п'езаэлектрычнай керамікі, можна прадбачыць стан структуры ў рэжыме рэальнага часу. PZT падыходзіць як для макрапашкоджанняў, так і для дробных пашкоджанняў і мае добрую перспектыву развіцця ў галіне маніторынгу стану канструкцый будынкаў у будучыні.