Aplikace piezoelektrické keramiky při monitorování zdraví konstrukcí

PZT lze použít nejen k výrobě různých piezoelektrických výrobků, ale v posledních letech se PZT postupně aplikuje i na detekci poškození konstrukcí. Podle pozitivních a inverzních piezoelektrických efektů piezoelektrických materiálů lze piezoelektrickou keramiku PZT použít jako hnací i snímací prvky. PZT piezoelektrickou keramickou polokouli lze nalepit na místa, kde je pravděpodobné, že se na součástech vyskytnou praskliny nebo koncentrace napětí. Mechanická impedance nebo frekvenční odezva má vysokou citlivost na poškození, což z ní činí hlavní indikátor pro studium identifikace poškození.

V posledních letech se stále více výzkumů v oblasti piezoelektrické impedanční technologie používá ve strukturální zdravotní diagnostice. V roce 1995 Sun a další úspěšně použili piezoelektrickou impedanční technologii pro strukturální zdravotní diagnostiku sestavených lešení, což bylo považováno za začátek aplikace piezoelektrické impedanční technologie v oblasti strukturální zdravotní diagnostiky. Výhodou piezoelektrické impedanční technologie je, že je citlivá na malá poškození konstrukce, což přispívá k detekci počátečního selhání konstrukce. Navíc piezoelektrický materiál PZT (olovnatý zirkonát titanát piezoelektrická keramika) se často používá v piezoelektrické impedanční technologii, má malé rozměry a strukturu. Jednoduchý a spolehlivý. PZT je navíc citlivý pouze na změny v místním okolí, což pomáhá izolovat celkové hmotové zatížení konstrukce, mění se tuhost konstrukce a okrajové podmínky a vliv poškození konstrukce v blízkosti piezo PZT na výsledky měření. Proto je tato technika vhodná pro sledování monitorovacích spojů, které mají přísné požadavky na strukturální integritu nebo mají velký dopad na životnost konstrukce a poškození není snadné odhalit. Tento článek představí základní principy piezoelektrické impedanční technologie pro strukturální zdravotní diagnostiku.

Úvod do piezoelektrických materiálů

Piezoelektrický materiál je speciální dielektrický materiál s piezoelektrickým efektem a inverzním piezoelektrickým efektem. Piezoelektrický jev je charakteristický pro určité piezokrystaly, které objevili francouzští bratři P.Curie a J.Curie v roce 1880. Když je na piezoelektrické těleso ve směru jeho polarizace aplikována mechanická síla (neboli tlak), piezoelektrické těleso vygeneruje jev nabíjení a vybíjení. Tento jev se nazývá pozitivní piezoelektrický jev, naopak piezoelektrické těleso je aplikováno na piezoelektrické těleso. Elektrické pole se stejným (nebo opačným) směrem polarizace způsobuje dva efekty: inverzní piezoelektrický efekt a elektrostrikční efekt. Reverzní piezoelektrický jev, to znamená, že dielektrikum je mechanicky deformováno působením vnějšího elektrického pole a velikost deformace je úměrná velikosti použitého elektrického pole a směr souvisí se směrem elektrického pole. Elektrostrikční efekt, tj. dielektrické pole F, které způsobuje napětí v důsledku indukované polarizace. Napětí je úměrné druhé mocnině elektrického pole a nemá nic společného se směrem elektrického pole. Inverzní piezoelektrický jev a elektrostrikční efekt jsou v podstatě výsledkem polarizace dielektrického krystalu působením vnějšího elektrického pole, které způsobuje deformaci krystalové mřížky a projevuje se jako mechanické namáhání v makro měřítku. Piezokeramika se nazývá piezoelektrická keramika smícháním přísad, slinováním při vysoké teplotě a náhodným shromažďováním pevných částic mezi částicemi. PZT piezo může být použit jako snímací prvek a hnací prvek a může být zabudován s jinými materiály pro vytvoření kompozitního materiálu, takže má širokou škálu aplikačních vyhlídek, jako je ovládání letadel na křídlech letadla a systémy kontroly vibrací. Aktivní kontrola vibrací a hluku, monitorování stavu konstrukce v zařízení atd.

Hlavní rysy aplikace PZT v inteligentních materiálových strukturách jsou:

① Lze použít jako ovladač i jako snímač;
② Při použití jako budič je jeho budicí výkon malý;
③ Rychlost odezvy je vyšší, což je 1000krát vyšší než u slitiny s tvarovou pamětí;
④ Velikost může být malá a tenká a může být instalována na povrch konstrukce nebo pohřbena v konstrukci;
⑤ Kombinace je flexibilní. Může být použit ve formě relativně velkých kusů, nebo může být použit v malých kusech.

Struktura PZT
Piezokeramika PZT je kontinuální pevný roztok Pbzro3 a PbTio3 a má perovskitovou strukturu ABO3. PZT, který byl nalezen na počátku 50. let 20. století, je důležitý piezoelektrický feroelektrický materiál s důležitou technickou aplikační hodnotou. Piezoelektrická keramika jsou krystalické dielektrické materiály, které nemají střed symetrie. Krystalické dielektrikum, které nemá střed symetrie, nemá žádný 432bodový skupinový krystal s extrémně nízkým inverzním piezoelektrickým efektem díky extrémně vysoké symetrii. Deformace symetrického dielektrika krystalu způsobená inverzním piezoelektrickým jevem. Působením elektrického pole se dielektrikum polarizuje. Protože mezi iontem na levé straně a kladným iontem nejvíce napravo (a dalšími (chemické vazby) není žádná iontová vazba), může mezi nimi během procesu polarizace dojít k velkému relativnímu posunutí, což ukazuje velký inverzní piezoelektrický efekt na makroměřítku. Vyjádřeno jako: S = dE, což je úměrné velikosti elektrického pole. To znamená, že pro každou další uloženou energii se skládá elektrická energie a piezoelektrické materiály. částí, jedna je deformační energie a druhá je elektromagnetická energie Podle moderní teorie strukturní dynamiky, když dojde k poškození a defektům v zařízení a konstrukci, jako jsou praskliny, uvolněné šrouby atd., změní se její tuhost a mechanické impedanční charakteristiky a změní se i vlastní frekvence a režim konstrukce, proto lze míru poškození udávat kvantitativně na základě změn mechanické impedance s konvenčními metodami samořídící a samosnímací charakteristiky piezoelektrických prvků, piezokeramika PZT může působit jako hnací prvek i jako snímací prvek pro vybuzení struktury pro získání dynamické odezvy struktury, čímž se vytvoří most mezi mechanickými charakteristikami a elektrickými informacemi a informace o mechanické dynamické impedanci se mohou projevit jednoduchou naměřenou elektrickou informací, když se na povrch piezoelektrického paprsku vyvine příčné elektrické napětí budí paprsek tak, aby generoval různé vibrace (když jsou horní a spodní PZT vystaveny stejnému napětí, způsobí podélné vibrace paprsku; při použití opačného napětí způsobí ohybové vibrace paprsku. Vibrace pak způsobí deformaci paprsku a deformační charakteristiky se mohou odrazit ve formě elektrických signálů prostřednictvím snímacích charakteristik piezoelektrického keramického plechu. Proto může dojít k odražení dynamického stavu piezoelektrického plechu na keramickém plechu. Frekvenčně závislá admitance (inverzní impedance) je získána z efektu piezoelektrické vazby a interakcí PZT se strukturou piezoelektrický válcový měnič je základní linií admitance jako funkce frekvence. Druhá položka obsahuje informace o impedanci samotného materiálu PZT a informace o impedanci vnější struktury. Vzhledem k tomu, že piezoelektrický systém byl určen po připojení piezoelektrické keramické desky k vnější struktuře, je impedance AZ samotného materiálu PZT konstantní a hodnota impedance vnější struktury je jediným parametrem, který ovlivňuje druhý člen, a tím řídí celý piezoelektrický systém. Změny v admitanci Y. Když jsou parametry a výkon PZT udržovány konstantní, strukturální impedance Z jednoznačně určuje hodnotu druhého členu. Jakákoli změna piezoelektrické sodíkové vodivosti odpovídá strukturálnímu poškození a defektům, takže hodnota piezoelektrické sodíkové vodivosti může být použita k poškození struktury.

Implementace PZT pro strukturální monitorování zdravotního stavu

Kvůli piezoelektrickému jevu a inverznímu piezoelektrickému efektu piezoelektrického prvku má piezoelektrický prvek dvojí funkci pohonu a snímání. Pomocí této funkce je možné dosáhnout online a v reálném čase sledování stavu struktury. Část materiálu PZT je drátem připojena ke zdroji, který generuje budicí signál. Napětí nebo náboj se používá k pohonu napájecího zdroje pro přivedení budícího signálu (napětí nebo náboje) do PZT. Protože materiál PZT má inverzní piezoelektrický efekt, to znamená, že se působením elektrického pole deformuje. Materiál PZT je zapuštěn (nebo nalepen) na základním materiálu, takže jeho vlastní deformace se přenese na základní materiál, přičemž základní materiál se bude deformovat nebo pohybovat společně. V tomto okamžiku je PZT ekvivalentní budiči a generuje deformaci přijetím budícího signálu. Zároveň některé Piezokeramické trubičky z materiálu PZT jsou umístěny na základním materiálu a nejsou připojeny k napájení. Při deformaci nebo pohybu základního materiálu se tato deformace nebo pohyb přenese na materiál PZT. Vlivem piezoelektrického jevu materiálu PZT vzniká uvnitř materiálu PZT elektrický náboj a velikost elektrického náboje se mění s velikostí deformace nebo pohybu. V tomto okamžiku je PZT ekvivalentní senzoru. Poté použijte měřicí zařízení k měření a sběru výstupního signálu tohoto snímače PZT v reálném čase a může odrážet deformaci nebo pohyb základního materiálu v reálném čase a online, aby bylo možné realizovat monitorování stavu konstrukce v reálném čase a online.

Porovnejte data shromážděná v reálném čase s vibračními daty, když je konstrukce normální, a zjistěte, zda se výstupní signál PZT změní (jako jsou praskliny nebo uvolněnost konstrukce atd., teoreticky to způsobí změnu výstupu PZT v konstrukci. Pokud se změní, má se za to, že konstrukce má poruchu. Když dojde k poruše, signál může být včas předán do regulátoru, aby se vypořádal se způsobem a dosáhlo se selhání konstrukce, on-line sledování poruchy, diagnostika v reálném čase.

PZT může působit jako hnací prvek i jako snímací prvek pro vybuzení konstrukce pro získání dynamické odezvy konstrukce. Princip pozitivního a inverzního piezoelektrického jevu se používá k analýze vztahu dynamické odezvy mezi piezoelektrickou keramickou deskou a vnější strukturou. Při změně vnější struktury se mění i odpovídající piezoelektrická impedance. Měřením změny admitance piezoelektrické keramiky lze předpovídat stav struktury v reálném čase. PZT je vhodný jak pro makropoškození, tak pro menší poškození a má do budoucna dobrou perspektivu rozvoje v oblasti monitorování zdravotního stavu staveb.