Anvendelse af piezoelektrisk keramik i strukturel sundhedsovervågning

PZT kan ikke kun bruges til at fremstille forskellige piezoelektriske produkter, men i de senere år er PZT gradvist anvendt til at opdage strukturelle skader. Ifølge de positive og omvendte piezoelektriske virkninger af piezoelektriske materialer kan PZT piezoelektriske keramik bruges som både drivende og følende elementer. PZT piezoelektrisk keramisk halvkugle kan klæbes på steder, hvor der sandsynligvis vil forekomme revner eller spændingskoncentrationer på komponenter. Den mekaniske impedans eller frekvensrespons har høj følsomhed over for skader, hvilket gør den til den vigtigste indikator for at studere skadesidentifikation.

I de senere år er flere og flere undersøgelser af piezoelektrisk impedansteknologi blevet brugt til strukturel helbredsdiagnose. I 1995 brugte Sun og andre med succes piezoelektrisk impedansteknologi til strukturel sundhedsdiagnose af monterede stilladser, hvilket blev anset for at være begyndelsen på anvendelsen af ​​piezoelektrisk impedansteknologi inden for strukturel sundhedsdiagnose. Fordelen ved piezoelektrisk impedansteknologi, at den er følsom over for små skader på strukturen, hvilket er befordrende for at detektere den indledende fejl i strukturen. Desuden er det piezoelektriske materiale PZT (bly zirconate titanate piezoelectric keramik) ofte brugt i piezoelektrisk impedansteknologi har en lille størrelse og en struktur Enkel og pålidelig. Derudover er PZT kun følsom over for ændringer i det lokale område omkring det, hvilket hjælper med at isolere den samlede massebelastning af strukturen, det ændrer sig i strukturel stivhed og grænseforhold og indvirkningen af ​​strukturelle skader nær PZT piezo på måleresultaterne. Derfor er denne teknik velegnet til at spore overvågningsforbindelser, der har strenge krav til strukturel integritet eller har stor indflydelse på strukturens levetid, og skader er ikke let at opdage. Denne artikel vil introducere de grundlæggende principper for piezoelektrisk impedansteknologi til strukturel helbredsdiagnose.

Introduktion til piezoelektriske materialer

Piezoelektrisk materiale er et specielt dielektrisk materiale med en piezoelektrisk effekt og en omvendt piezoelektrisk effekt. Den piezoelektriske effekt er en karakteristik af visse piezokrystaller opdaget af de franske brødre P.Curie og J.Curie i 1880. Når en mekanisk kraft (eller tryk frigives) påføres det piezoelektriske legeme i dets polarisationsretning, vil det piezoelektriske legeme generere et ladnings- og udladningsfænomen. Dette fænomen kaldes den positive piezoelektriske effekt, tværtimod påføres et piezoelektrisk legeme på det piezoelektriske legeme. Et elektrisk felt med samme (eller modsatte) polarisationsretning forårsager to effekter: den omvendte piezoelektriske effekt og den elektrostriktive effekt. Den omvendte piezoelektriske effekt, det vil sige, at dielektrikummet deformeres mekanisk under påvirkning af et eksternt elektrisk felt, og størrelsen af ​​belastningen er proportional med størrelsen af ​​det påførte elektriske felt, og retningen er relateret til retningen af ​​det elektriske felt. Den elektrostriktive effekt, det vil sige det dielektriske felt F, som forårsager belastning på grund af induceret polarisering. Deformationen er proportional med kvadratet af det elektriske felt og har intet at gøre med retningen af ​​det elektriske felt. Den omvendte piezoelektriske effekt og den elektrostriktive effekt er i det væsentlige resultaterne af polarisering af den dielektriske krystal under påvirkning af et eksternt elektrisk felt, som får krystalgitteret til at blive forvrænget og manifesterer sig som en mekanisk belastning på makroskala. Piezokeramik kaldes piezoelektrisk keramik ved at blande ingredienser, sintre ved høj temperatur og tilfældigt samle de faste partikler mellem partiklerne. PZT piezo kan bruges som et føleelement og et drivelement og kan indlejres med andre materialer for at danne et kompositmateriale, så det har en bred vifte af anvendelsesmuligheder, såsom flykontrol på flyvinger og vibrationskontrolsystemer. Aktiv kontrol af vibrationer og støj, strukturel sundhedsovervågning i udstyr mv.

Hovedtræk ved PZT-applikation i smarte materialestrukturer er:

① Kan bruges som både driver og sensor;
② Når den bruges som en driver, er dens excitationskraft lille;
③ Responshastigheden er hurtigere, hvilket er 1.000 gange den for formhukommelseslegeringen;
④ Størrelsen kan gøres lille og tynd og kan installeres på overfladen af ​​strukturen eller begraves i strukturen;
⑤ Kombinationen er fleksibel. Det kan bruges i form af relativt store stykker, eller det kan bruges i små stykker.

PZT struktur
PZT piezo keramik er en kontinuerlig fast opløsning af Pbzro3 og PbTio3 og har en ABO3 perovskit struktur. Fundet i begyndelsen af ​​1950'erne, PZT er et vigtigt piezoelektrisk ferroelektrisk materiale med vigtig teknisk anvendelsesværdi. Piezoelektrisk keramik er krystallinske dielektriske materialer, der ikke har et symmetricenter. Et krystallinsk dielektrikum, der ikke har et symmetricenter, har ingen 432-punkts gruppekrystal med ekstrem lav invers piezoelektrisk effekt på grund af den ekstremt høje symmetri. Deformationen af ​​krystallens symmetriske dielektrikum forårsaget af den omvendte piezoelektriske effekt. Under påvirkning af det elektriske felt er dielektrikumet polariseret. Fordi der ikke er nogen ionbinding mellem den yderste venstre side-ion og den yderste højre positive ion (og andre (kemiske bindinger), så under polariseringsprocessen kan der forekomme en stor relativ forskydning mellem dem, som viser en stor omvendt piezoelektrisk effekt på en makroskala. Udtrykt som: S = dE, som er proportional med størrelsen af det elektriske felt. Den energi, der er lagret i mediet, består af to dele, den ene er belastningsenergi, og den anden er elektromagnetisk energi, ifølge moderne strukturel dynamikteori, når der opstår skader og defekter i udstyret og strukturen, såsom revner, løse bolte, osv., vil dens stivhed og mekaniske impedans karakteristika ændres, og dens naturlige frekvens kan ændres kvantitativt baseret på ændringer i mekanisk impedans. Ændringen af mekanisk dynamisk impedans med frekvens er imidlertid vanskelig at måle med konventionelle metoder. Ved at udnytte de selvkørende og selvfølende egenskaber ved piezoelektriske elementer, kan PZT piezokeramik fungere som både et drivelement og et sansningselement for at opnå den dynamiske struktur. mellem mekaniske egenskaber og elektrisk information og mekaniske dynamiske impedansinformationer kan afspejles ved simpel målt elektrisk information. langsgående vibration af strålen; når den omvendte spænding påføres, vil de forårsage bøjningsvibrationer af strålen. Til gengæld forårsager vibrationen deformation af strålen, og deformationsegenskaberne kan afspejles i form af elektriske signaler gennem sansningsegenskaberne for den piezoelektriske keramiske plade, og derfor kan den dynamiske keramiske plades dynamik. afspejler strukturens skadestatus. Den frekvensafhængige admittans (invers impedans) er opnået fra den piezoelektriske koblingseffekt og interaktionen af PZT med den kapacitive admittans af en fri PZT piezoelektrisk cylindertransducer er basislinjen for adgangen som funktion af frekvensen. Det andet punkt indeholder impedansinformationen for selve PZT-materialet og impedansinformationen for den eksterne struktur. I betragtning af, at det piezoelektriske system er blevet bestemt, efter at det piezoelektriske keramiske ark er fastgjort til den ydre struktur, er impedansen AZ af selve PZT-materialet konstant, og impedansværdien af ​​den eksterne struktur er den eneste parameter, der påvirker det andet led, og kontrollerer derved hele det piezoelektriske system. Ændringer i admittans Y. Når parametrene og ydeevnen af ​​PZT holdes konstant, bestemmer den strukturelle impedans Z entydigt værdien af ​​det andet led. Enhver ændring i piezoelektrisk natriumledningsevne svarer til strukturelle skader og defekter, således at værdien af ​​piezoelektrisk natriumledningsevne kan bruges til strukturskader identificeres.

Implementering af PZT til strukturel sundhedsovervågning

På grund af den piezoelektriske effekt og den omvendte piezoelektriske effekt af det piezoelektriske element har det piezoelektriske element en dobbelt funktion med at drive og føle. Ved hjælp af denne funktion er det muligt at opnå online- og realtidssundhedsovervågning af strukturen. En del af PZT-materialet er forbundet til strømkilden, der genererer excitationssignalet gennem en ledning. Spændingen eller ladningen bruges til at drive strømforsyningen til at påføre et excitationssignal (spænding eller ladning) til PZT. Fordi PZT-materialet har den omvendte piezoelektriske effekt, det vil sige, at det deformeres under påvirkning af et elektrisk felt. PZT-materialet er indlejret (eller klistret) på basismaterialet, så dets egen deformation vil blive overført til basismaterialet, hvor basismaterialet deformeres eller bevæger sig sammen. På dette tidspunkt er PZT ækvivalent med en driver og genererer deformation ved at modtage excitationssignalet. Samtidig nogle PZT-materiale piezokeramiske rør er anbragt på basismaterialet og er ikke forbundet til strømforsyningen. Når basismaterialet deformeres eller bevæger sig, vil denne deformation eller bevægelse blive overført til PZT-materialet. På grund af den piezoelektriske effekt af PZT-materialet genereres en elektrisk ladning inde i PZT-materialet, og størrelsen af ​​den elektriske ladning ændres med størrelsen af ​​deformationen eller bevægelsen. På dette tidspunkt svarer PZT til en sensor. Brug derefter måleapparatet til at måle og indsamle outputsignalet fra denne PZT-sensor i realtid, og det kan afspejle deformationen eller bevægelsen af ​​basismaterialet i realtid og online, for at realisere real-time og online sundhedsovervågning af strukturen.

Sammenlign de data, der er indsamlet i realtid med vibrationsdataene, når strukturen er normal, og se om PZT-udgangssignalet ændrer sig (såsom revner eller løshed i strukturen osv., i teorien vil det få PZT-outputtet i strukturen til at ændre sig. Hvis det ændrer sig, anses det for at strukturen har en fejl. Når der opstår en fejl, kan signalet overføres i tid til styringen online for at opnå en fejl i tid til styringen. overvågning i realtid, fejldiagnose og fejlbehandling af strukturen.

PZT kan fungere som både et drivelement og et føleelement for at excitere strukturen for at opnå strukturens dynamiske respons. Princippet om positiv og omvendt piezoelektrisk effekt bruges til at analysere det dynamiske responsforhold mellem den piezoelektriske keramiske plade og den eksterne struktur. Når den ydre struktur ændres, ændres den tilsvarende piezoelektriske impedans også. Ved at måle admittansændringen af ​​den piezoelektriske keramik kan strukturens tilstand forudsiges i realtid. PZT er velegnet til både makroskader og mindre skader, og som har gode udviklingsmuligheder i den strukturelle sundhedsovervågning af bygninger i fremtiden.