کاربرد سرامیک های پیزوالکتریک در پایش سلامت سازه

PZT نه تنها می تواند برای ساخت محصولات مختلف پیزوالکتریک مورد استفاده قرار گیرد، بلکه در سال های اخیر PZT به تدریج برای تشخیص آسیب های ساختاری استفاده می شود. با توجه به اثرات پیزوالکتریک مثبت و معکوس مواد پیزوالکتریک، سرامیک پیزوالکتریک PZT می تواند به عنوان عناصر محرک و حسگر مورد استفاده قرار گیرد. PZT نیمکره سرامیکی پیزوالکتریک را می توان در مکان هایی چسباند که احتمال وجود ترک یا غلظت تنش روی اجزا وجود دارد. امپدانس مکانیکی یا پاسخ فرکانسی دارای حساسیت بالایی نسبت به آسیب است که آن را به شاخص اصلی برای مطالعه شناسایی آسیب تبدیل می کند.

در سال های اخیر، تحقیقات بیشتر و بیشتری در مورد فناوری امپدانس پیزوالکتریک در تشخیص سلامت سازه ها مورد استفاده قرار گرفته است. در سال 1995 سان و سایرین با موفقیت از فناوری امپدانس پیزوالکتریک برای تشخیص سلامت سازه داربست های مونتاژ شده استفاده کردند که آغازی بر کاربرد فناوری امپدانس پیزوالکتریک در زمینه تشخیص سلامت سازه تلقی شد. مزیت فناوری امپدانس پیزوالکتریک این است که به آسیب های جزئی به سازه حساس است که برای تشخیص خرابی اولیه سازه مفید است. علاوه بر این، مواد پیزوالکتریک PZT (سرامیک پیزوالکتریک تیتانات سرب زیرکونات) اغلب در فناوری امپدانس پیزوالکتریک استفاده می شود دارای اندازه کوچک و ساختار ساده و قابل اعتماد است. علاوه بر این، PZT تنها به تغییرات در ناحیه محلی اطراف خود حساس است، که به جداسازی بار جرم کلی سازه، تغییر در سختی سازه و شرایط مرزی، و تاثیر آسیب سازه نزدیک PZT پیزو بر نتایج اندازه‌گیری کمک می‌کند. بنابراین، این تکنیک برای ردیابی لینک‌های مانیتورینگی که الزامات سخت‌گیرانه‌ای در یکپارچگی سازه دارند و یا تأثیر زیادی بر عمر سازه دارند و آسیب‌هایی که به راحتی قابل تشخیص نیستند، مناسب است. این مقاله به معرفی اصول اولیه فناوری امپدانس پیزوالکتریک برای تشخیص سلامت سازه می پردازد.

مقدمه ای بر مواد پیزوالکتریک

مواد پیزوالکتریک یک ماده دی الکتریک ویژه با اثر پیزوالکتریک و اثر پیزوالکتریک معکوس است. اثر پیزوالکتریک مشخصه برخی از کریستال های پیزو است که توسط برادران فرانسوی P.Curie و J.Curie در سال 1880 کشف شد. هنگامی که نیروی مکانیکی (یا فشار آزاد می شود) به جسم پیزوالکتریک در جهت قطبش آن اعمال می شود، جسم پیزوالکتریک یک پدیده بار و تخلیه ایجاد می کند. این پدیده اثر پیزوالکتریک مثبت نامیده می شود، برعکس، یک جسم پیزوالکتریک روی بدنه پیزوالکتریک اعمال می شود. یک میدان الکتریکی با جهت قطبش یکسان (یا مخالف) دو اثر ایجاد می کند: اثر پیزوالکتریک معکوس و اثر الکتریکی. اثر پیزوالکتریک معکوس، یعنی دی الکتریک تحت تأثیر میدان الکتریکی خارجی به طور مکانیکی تغییر شکل می‌دهد و بزرگی کرنش متناسب با بزرگی میدان الکتریکی اعمال‌شده است و جهت مربوط به جهت میدان الکتریکی است. اثر الکترواستریکتیو، یعنی میدان دی الکتریک F، که باعث ایجاد کرنش به دلیل پلاریزاسیون القایی می شود. کرنش متناسب با مربع میدان الکتریکی است و ربطی به جهت میدان الکتریکی ندارد. اثر پیزوالکتریک معکوس و اثر الکترواستریکتیو اساساً نتایج پلاریزاسیون کریستال دی الکتریک تحت تأثیر میدان الکتریکی خارجی است که باعث اعوجاج شبکه کریستالی می شود و به عنوان یک کرنش مکانیکی در مقیاس ماکرو ظاهر می شود. پیزوسرامیک ها با مخلوط کردن مواد، تف جوشی در دمای بالا و جمع آوری تصادفی ذرات جامد بین ذرات، سرامیک های پیزوالکتریک نامیده می شوند. PZT piezo می تواند به عنوان یک عنصر حسگر و یک عنصر محرک استفاده شود و می تواند با مواد دیگر برای تشکیل یک ماده کامپوزیت تعبیه شود، بنابراین دارای طیف گسترده ای از چشم انداز کاربردی است، مانند کنترل هواپیما بر روی بال های هواپیما و سیستم های کنترل ارتعاش. کنترل فعال لرزش و نویز، نظارت بر سلامت سازه در تجهیزات و غیره.

ویژگی های اصلی کاربرد PZT در سازه های مصالح هوشمند عبارتند از:

① می تواند به عنوان راننده و سنسور استفاده شود.
② هنگامی که به عنوان یک درایور استفاده می شود، قدرت تحریک آن کم است.
③ سرعت پاسخ سریعتر است، که 1000 برابر آلیاژ حافظه شکل است.
④ اندازه را می توان کوچک و نازک ساخت و می توان آن را روی سطح سازه نصب کرد یا در ساختار دفن کرد.
⑤ ترکیب انعطاف پذیر است. می توان از آن به صورت قطعات نسبتا بزرگ استفاده کرد و یا می توان از آن در قطعات کوچک استفاده کرد.

ساختار PZT
پیزو سرامیک PZT محلول جامد پیوسته Pbzro3 و PbTio3 است و دارای ساختار پروسکایت ABO3 است. PZT که در اوایل دهه 1950 یافت شد، یک ماده فروالکتریک پیزوالکتریک مهم با ارزش کاربردی فنی مهم است. سرامیک های پیزوالکتریک مواد دی الکتریک کریستالی هستند که مرکز تقارن ندارند. دی الکتریک کریستالی که مرکز تقارن ندارد، کریستال گروه 432 نقطه ای با اثر پیزوالکتریک معکوس بسیار کم به دلیل تقارن بسیار بالا ندارد. تغییر شکل دی الکتریک متقارن کریستال ناشی از اثر پیزوالکتریک معکوس. تحت عمل میدان الکتریکی، دی الکتریک قطبی می شود. از آنجایی که هیچ پیوند یونی بین سمت چپ ترین یون و سمت راست ترین یون مثبت (و سایر (پیوندهای شیمیایی) وجود ندارد، بنابراین در طول فرآیند پلاریزاسیون، یک جابجایی نسبی بزرگ می تواند بین آنها رخ دهد که یک اثر پیزوالکتریک معکوس بزرگ را در مقیاس ماکرو نشان می دهد. انرژی ذخیره شده در محیط متشکل از دو بخش است، یکی انرژی کرنشی و دیگری انرژی الکترومغناطیسی، با توجه به تئوری دینامیک سازه ای مدرن، هنگامی که آسیب و نقص در تجهیزات و سازه رخ دهد، سفتی و ساختار امپدانس مکانیکی آن نیز تغییر می کند از نظر کمی بر اساس تغییرات امپدانس مکانیکی، اندازه گیری تغییر امپدانس دینامیکی با فرکانس با روش های معمولی دشوار است. و تغییرات مکانیکی امپدانس را می توان با اطلاعات الکتریکی اندازه گیری شده منعکس کرد. هنگامی که ولتاژ معکوس اعمال می شود، باعث ارتعاش خمشی پرتو می شود، و ویژگی های تغییر شکل می تواند به صورت سیگنال های الکتریکی از طریق ویژگی های حسگر ورق پیزوالکتریک منعکس شود پذیرش وابسته به فرکانس (امپدانس معکوس) از اثر جفت پیزوالکتریک و برهمکنش PZT با ساختار ورودی خازنی یک PZT به دست می آید مبدل سیلندر پیزوالکتریک خط پایه پذیرش به عنوان تابعی از فرکانس است. مورد دوم حاوی اطلاعات امپدانس خود ماده PZT و اطلاعات امپدانس ساختار خارجی است. با توجه به اینکه سیستم پیزوالکتریک پس از اتصال ورق سرامیکی پیزوالکتریک به ساختار خارجی تعیین شده است، امپدانس AZ خود ماده PZT ثابت است و مقدار امپدانس ساختار خارجی تنها پارامتری است که بر ترم دوم تأثیر می گذارد و در نتیجه تمام سیستم پیزوالکتریک را کنترل می کند. تغییرات در پذیرش Y. هنگامی که پارامترها و عملکرد PZT ثابت نگه داشته می شوند، امپدانس ساختاری Z به طور منحصر به فرد مقدار ترم دوم را تعیین می کند. هر گونه تغییر در هدایت سدیم پیزوالکتریک مربوط به آسیب و نقص ساختاری است، به طوری که مقدار رسانایی سدیم پیزوالکتریک را می توان برای آسیب به ساختار استفاده کرد.

اجرای PZT برای نظارت بر سلامت سازه

به دلیل اثر پیزوالکتریک و اثر پیزوالکتریک معکوس عنصر پیزوالکتریک، عنصر پیزوالکتریک دارای عملکرد دوگانه رانندگی و حس است. با استفاده از این قابلیت می توان به نظارت بر سلامت سازه به صورت آنلاین و بلادرنگ دست یافت. بخشی از مواد PZT به منبع تغذیه متصل است که سیگنال تحریک را از طریق یک سیم تولید می کند. ولتاژ یا شارژ برای هدایت منبع تغذیه برای اعمال سیگنال تحریک (ولتاژ یا شارژ) به PZT استفاده می شود. زیرا ماده PZT دارای اثر پیزوالکتریک معکوس است، یعنی تحت تأثیر میدان الکتریکی تغییر شکل می‌دهد. ماده PZT روی ماده پایه تعبیه شده (یا چسبانده شده است)، بنابراین تغییر شکل خود به ماده پایه منتقل می شود، با تغییر شکل یا حرکت مواد پایه با هم. در این زمان، PZT معادل یک درایور است و با دریافت سیگنال تحریک، تغییر شکل ایجاد می کند. در عین حال برخی لوله های پیزوسرامیک مواد PZT بر روی مواد پایه چیده شده اند و به منبع تغذیه متصل نیستند. هنگامی که ماده پایه تغییر شکل می دهد یا حرکت می کند، این تغییر شکل یا حرکت به ماده PZT منتقل می شود. به دلیل اثر پیزوالکتریک ماده PZT، بار الکتریکی در داخل ماده PZT ایجاد می شود و مقدار بار الکتریکی با اندازه تغییر شکل یا حرکت تغییر می کند. در این زمان، PZT معادل یک سنسور است. سپس از دستگاه اندازه‌گیری برای اندازه‌گیری و جمع‌آوری سیگنال خروجی این سنسور PZT در زمان واقعی استفاده کنید و می‌تواند تغییر شکل یا حرکت مواد پایه را در زمان واقعی و آنلاین منعکس کند تا نظارت بر سلامت آن‌لاین و بلادرنگ سازه را محقق کند.

داده‌های جمع‌آوری‌شده در زمان واقعی را با داده‌های ارتعاش زمانی که سازه نرمال است مقایسه کنید، و ببینید که آیا سیگنال خروجی PZT تغییر می‌کند (مانند ترک یا شلی سازه و غیره، در تئوری، باعث تغییر خروجی PZT در سازه می‌شود. اگر تغییر کند، در نظر گرفته می‌شود که سازه دارای خرابی است. وقتی خرابی رخ می‌دهد، سیگنال را می‌توان به کنترل کننده در زمان انتقال به سازه انتقال داد. آنلاین، پایش بلادرنگ، تشخیص خرابی و پردازش خرابی سازه.

PZT می تواند به عنوان یک عنصر محرک و یک عنصر حسگر برای تحریک سازه برای به دست آوردن پاسخ دینامیکی سازه عمل کند. از اصل اثر پیزوالکتریک مثبت و معکوس برای تجزیه و تحلیل رابطه پاسخ دینامیکی بین ورق سرامیکی پیزوالکتریک و ساختار خارجی استفاده می شود. هنگامی که ساختار خارجی تغییر می کند، امپدانس پیزوالکتریک مربوطه نیز تغییر می کند. با اندازه‌گیری تغییر پذیرش سرامیک‌های پیزوالکتریک، وضعیت سازه را می‌توان در زمان واقعی پیش‌بینی کرد. PZT هم برای آسیب های کلان و هم برای آسیب های جزئی مناسب است و چشم انداز توسعه خوبی در نظارت بر سلامت سازه ساختمان ها در آینده دارد.