Pietsosähköisen keramiikan käyttö rakenteiden terveydentilan seurannassa

PZT:tä ei voida käyttää vain erilaisten pietsosähköisten tuotteiden valmistukseen, vaan viime vuosina PZT:tä on käytetty vähitellen rakenteellisten vaurioiden havaitsemiseen. Pietsosähköisten materiaalien positiivisten ja käänteisten pietsosähköisten vaikutusten mukaan PZT-pietsosähköistä keramiikkaa voidaan käyttää sekä ohjaus- että anturielementteinä. PZT pietsosähköinen keraaminen puolipallo voidaan liimata paikkoihin, joissa komponenteissa todennäköisesti esiintyy halkeamia tai jännityspitoisuuksia. Mekaanisella impedanssilla tai taajuusvasteella on suuri herkkyys vaurioille, mikä tekee siitä pääindikaattorin vaurioiden tunnistamisen tutkimisessa.

Viime vuosina pietsosähköisen impedanssin teknologiaa koskevaa tutkimusta on käytetty yhä enemmän rakenteellisen terveysdiagnoosissa. Vuonna 1995 Sun ja muut käyttivät menestyksekkäästi pietsosähköistä impedanssiteknologiaa koottujen telineiden rakenteellisen terveysdiagnoosin tekemiseen, minkä katsottiin alkaneen pietsosähköisen impedanssiteknologian soveltamiselle rakenteellisen terveysdiagnoosin alalla. Pietsosähköisen impedanssitekniikan etuna on se, että se on herkkä pienille rakenteen vaurioille, mikä auttaa havaitsemaan rakenteen alkuvian. Lisäksi pietsosähköistä materiaalia PZT (lyijyzirkonaattititanaattipietsosähköinen keramiikka) käytetään usein pietsosähköisessä impedanssitekniikassa, sillä on pieni koko ja rakenne Yksinkertainen ja luotettava. Lisäksi PZT on herkkä vain sitä ympäröivällä alueella tapahtuville muutoksille, mikä auttaa eristämään rakenteen kokonaismassakuormituksen, sen muutokset rakenteellisessa jäykkyydessä ja reunaolosuhteissa sekä PZT-pietsoa lähellä olevien rakennevaurioiden vaikutusta mittaustuloksiin. Siksi tämä tekniikka soveltuu seuraamaan valvontalinkkejä, joilla on tiukat vaatimukset rakenteelliselle eheydelle tai joilla on suuri vaikutus rakenteen käyttöikään ja vaurioita ei ole helppo havaita. Tämä artikkeli esittelee pietsosähköisen impedanssitekniikan perusperiaatteet rakenteellisen terveysdiagnoosin kannalta.

Johdatus pietsosähköisiin materiaaleihin

Pietsosähköinen materiaali on erityinen dielektrinen materiaali, jolla on pietsosähköinen vaikutus ja käänteinen pietsosähköinen vaikutus. Pietsosähköinen vaikutus on ominaisuus tietyille pietsokideille, jotka ranskalaiset veljekset P. Curie ja J. Curie löysivät vuonna 1880. Kun mekaaninen voima (tai paine vapautetaan) kohdistetaan pietsosähköiseen kappaleeseen sen polarisaatiosuunnassa, pietsosähköinen kappale synnyttää varaus- ja purkausilmiön. Tätä ilmiötä kutsutaan positiiviseksi pietsosähköiseksi vaikutukseksi, päinvastoin, pietsosähköinen kappale levitetään pietsosähköiseen kappaleeseen. Sähkökenttä, jolla on sama (tai vastakkainen) polarisaatiosuunta, aiheuttaa kaksi vaikutusta: käänteisen pietsosähköisen vaikutuksen ja sähköstriktiivisen vaikutuksen. Käänteinen pietsosähköinen vaikutus, eli dielektrinen muoto muuttuu mekaanisesti ulkoisen sähkökentän vaikutuksesta, ja jännityksen suuruus on verrannollinen käytetyn sähkökentän suuruuteen ja suunta on suhteessa sähkökentän suuntaan. Elektrostriktiivinen vaikutus, eli dielektrinen kenttä F, joka aiheuttaa jännityksen indusoidun polarisaation vuoksi. Jännitys on verrannollinen sähkökentän neliöön, eikä sillä ole mitään tekemistä sähkökentän suunnan kanssa. Käänteinen pietsosähköinen vaikutus ja sähköstriktiivinen vaikutus ovat olennaisesti seurausta dielektrisen kiteen polarisaatiosta ulkoisen sähkökentän vaikutuksesta, mikä aiheuttaa kidehilan vääristymistä ja ilmenee makromittakaavassa mekaanisena jännityksenä. Pietsosähköistä keramiikkaa kutsutaan pietsosähköiseksi keramiikaksi sekoittamalla ainesosia, sintraamalla korkeassa lämpötilassa ja keräämällä satunnaisesti kiinteät hiukkaset hiukkasten väliin. PZT-piezoa voidaan käyttää anturielementtinä ja käyttöelementtinä, ja se voidaan upottaa muihin materiaaleihin komposiittimateriaalin muodostamiseksi, joten sillä on laaja valikoima sovellusmahdollisuuksia, kuten lentokoneiden siipien ohjaus ja tärinänhallintajärjestelmät. Aktiivinen tärinän ja melun hallinta, laitteiden rakenteellisen kunnon seuranta jne.

PZT-sovelluksen pääominaisuudet älykkäissä materiaalirakenteissa ovat:

① Voidaan käyttää sekä ohjaimena että anturina;
② Kun sitä käytetään ohjaimena, sen heräteteho on pieni;
③ Vastausnopeus on nopeampi, mikä on 1000 kertaa muotomuistiseoksesta;
④ Koko voidaan tehdä pieneksi ja ohueksi, ja se voidaan asentaa rakenteen pintaan tai haudata rakenteeseen;
⑤ Yhdistelmä on joustava. Sitä voidaan käyttää suhteellisen suurina paloina tai sitä voidaan käyttää pieninä paloina.

PZT-rakenne
PZT pietsokeramiikka on jatkuva kiinteä Pbzro3:n ja PbTio3:n liuos ja siinä on ABO3-perovskiittirakenne. 1950-luvun alussa löydetty PZT on tärkeä pietsosähköinen ferrosähköinen materiaali, jolla on tärkeä tekninen sovellusarvo. Pietsosähköinen keramiikka ovat kiteisiä dielektrisiä materiaaleja, joilla ei ole symmetriakeskusta. Kiteisellä eristeellä, jolla ei ole symmetriakeskusta, ei ole 432 pisteen ryhmäkidettä, jolla on erittäin pieni käänteinen pietsosähköinen vaikutus erittäin korkean symmetrian vuoksi. Käänteisen pietsosähköisen vaikutuksen aiheuttama kiteen symmetrisen eristeen muodonmuutos. Sähkökentän vaikutuksesta eriste polarisoituu. Koska vasemmanpuoleisimman puolen ionin ja oikeanpuoleisimman positiivisen ionin (ja muiden (kemiallisten sidosten)) välillä ei ole ionisidosta, polarisaatioprosessin aikana niiden välillä voi tapahtua suuri suhteellinen siirtymä, mikä osoittaa suurta käänteistä pietsosähköistä vaikutusta makromittakaavassa. Ilmaistaan: S = dE, joka on verrannollinen sähkökentän, pietsosähköisen kentän mekaanisten materiaalien suuruuteen. Väliaineeseen varastoitunut energia koostuu kahdesta osasta, joista toinen on jännitysenergiaa ja toinen on sähkömagneettista energiaa. Nykyaikaisen rakennedynamiikan teorian mukaan laitteistossa ja rakenteessa esiintyy vaurioita ja vikoja, kuten halkeamia, löystyviä pultteja jne Mekaanisen dynaamisen impedanssin muutosta taajuudella on kuitenkin vaikea mitata tavanomaisilla menetelmillä. Pietsosähköisten elementtien itseohjautuvia ja itsetuntoisia ominaisuuksia hyödyntäen PZT-pietsokeramiikka voi toimia sekä ohjauselementtinä että anturielementtinä rakenteen dynaamisen tiedon saamiseksi rakenteen muutoksen ja impedanssin välillä heijastuu yksinkertaisella mitatulla sähköisellä tiedolla Kun tietty ulkoinen jännite kohdistetaan pietsosähköisen keraamisen levyn pintaan, säteen pintaan syntyy sivusuuntainen pintavoima. Nämä pintavoimat saavat säteen aikaan eri värähtelyjä (kun ylempään ja alempaan PZT:iin kohdistuu sama jännite, ne aiheuttavat värähtelyn ollessa käänteinen. Värähtely puolestaan aiheuttaa säteen muodonmuutoksia, ja muodonmuutosominaisuudet voivat heijastua sähköisten signaalien muodossa pietsosähköisen keraamisen levyn tunnistusominaisuuksien kautta. Siksi rakenteeseen liimatun pietsosähköisen keraamisen levyn dynaamiset sisäänpääsyominaisuudet voivat heijastaa rakenteen vauriotilaa. PZT rakenteella Vapaan PZT:n kapasitiivinen sisäänpääsy pietsosähköinen sylinterianturi on sisäänpääsyn perusviiva taajuuden funktiona. Toinen kohta sisältää itse PZT-materiaalin impedanssitiedot ja ulkoisen rakenteen impedanssitiedot. Ottaen huomioon, että pietsosähköinen järjestelmä on määritetty sen jälkeen, kun pietsosähköinen keraaminen levy on kiinnitetty ulkoiseen rakenteeseen, itse PZT-materiaalin impedanssi AZ on vakio, ja ulkoisen rakenteen impedanssiarvo on ainoa parametri, joka vaikuttaa toiseen termiin, mikä ohjaa koko pietsosähköistä järjestelmää. Muutokset sisäänpääsyssä Y. Kun PZT:n parametrit ja suorituskyky pidetään vakiona, rakenteellinen impedanssi Z määrittää yksiselitteisesti toisen termin arvon. Pietsosähköisen natriumin johtavuuden muutos vastaa rakenteellisia vaurioita ja vikoja, joten pietsosähköisen natriumin johtavuuden arvoa voidaan käyttää rakennevaurion luomiseen.

PZT:n käyttöönotto rakenteellisen terveydentilan seurannassa

Pietsosähköisen elementin pietsosähköisestä vaikutuksesta ja käänteisestä pietsosähköisestä vaikutuksesta johtuen pietsosähköisellä elementillä on kaksoistoiminto: ohjaus ja tunnistus. Tämän ominaisuuden avulla on mahdollista saavuttaa rakenteen online- ja reaaliaikainen terveydentilan seuranta. Osa PZT-materiaalista on kytketty virtalähteeseen, joka tuottaa virityssignaalin johdon kautta. Jännitettä tai varausta käytetään virtalähteen ohjaamiseen virityssignaalin (jännitteen tai varauksen) ohjaamiseksi PZT:hen. Koska PZT-materiaalilla on käänteinen pietsosähköinen vaikutus, eli se deformoituu sähkökentän vaikutuksesta. PZT-materiaali on upotettu (tai liimattu) pohjamateriaaliin, joten sen oma muodonmuutos välittyy perusmateriaaliin, jolloin perusmateriaali muotoutuu tai liikkuu yhdessä. Tällä hetkellä PZT vastaa ohjainta ja tuottaa muodonmuutoksia vastaanottamalla herätesignaalin. Samaan aikaan jotkut PZT-materiaalista valmistetut pietsokeraamiset putket on järjestetty pohjamateriaalin päälle, eikä niitä ole kytketty virtalähteeseen. Kun perusmateriaali muuttaa muotoaan tai liikkuu, tämä muodonmuutos tai liike välittyy PZT-materiaaliin. PZT-materiaalin pietsosähköisestä vaikutuksesta johtuen PZT-materiaalin sisällä syntyy sähkövaraus ja sähkövarauksen suuruus muuttuu muodonmuutoksen tai liikkeen koon mukaan. Tällä hetkellä PZT vastaa anturia. Käytä sitten mittauslaitetta tämän PZT-anturin lähtösignaalin mittaamiseen ja keräämiseen reaaliajassa, ja se voi heijastaa perusmateriaalin muodonmuutosta tai liikettä reaaliajassa ja verkossa, jotta voidaan toteuttaa rakenteen reaaliaikainen ja online-kunnon seuranta.

Vertaa reaaliaikaisesti kerättyä tietoa värähtelytietoihin, kun rakenne on normaali, ja katso muuttuuko PZT-lähtösignaali (esim. rakenteen halkeamia tai löysyyttä jne. teoriassa se aiheuttaa rakenteen PZT-lähdön muuttumisen. Jos se muuttuu, katsotaan, että rakenteessa on vika. Vian sattuessa signaali voidaan välittää ohjaimelle reaaliajassa rakenteen kanssa virheellisesti, virheellisesti toimimaan rakenteen diagnoosi ja vikakäsittely.

PZT voi toimia sekä ohjauselementtinä että anturielementtinä rakenteen virittämiseksi rakenteen dynaamisen vasteen saamiseksi. Positiivisen ja käänteisen pietsosähköisen vaikutuksen periaatetta käytetään analysoimaan pietsosähköisen keraamisen levyn ja ulkoisen rakenteen välistä dynaamista vastesuhdetta. Kun ulkoinen rakenne muuttuu, myös vastaava pietsosähköinen impedanssi muuttuu. Pietsosähköisen keramiikan sisäänpääsyn muutosta mittaamalla rakenteen tila voidaan ennustaa reaaliajassa. PZT soveltuu sekä makrovaurioille että pienille vaurioille ja jolla on hyvät kehitysnäkymät rakennusten rakenteellisen terveydentilan seurannassa tulevaisuudessa.