संरचनात्मक स्वास्थ्य निगरानी में पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक का अनुप्रयोग

पीजेडटी का उपयोग न केवल विभिन्न पीजोइलेक्ट्रिक उत्पादों को बनाने के लिए किया जा सकता है, बल्कि हाल के वर्षों में पीजेडटी को धीरे-धीरे संरचनात्मक क्षति का पता लगाने के लिए भी लागू किया जा रहा है। पीजोइलेक्ट्रिक सामग्रियों के सकारात्मक और व्युत्क्रम पीजोइलेक्ट्रिक प्रभावों के अनुसार, पीजेडटी पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक का उपयोग ड्राइविंग और सेंसिंग तत्वों दोनों के रूप में किया जा सकता है। पीजेडटी पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक गोलार्ध को उन स्थानों पर चिपकाया जा सकता है जहां घटकों पर दरारें या तनाव सांद्रता होने की संभावना है। यांत्रिक प्रतिबाधा या आवृत्ति प्रतिक्रिया में क्षति के प्रति उच्च संवेदनशीलता होती है, जो इसे क्षति की पहचान का अध्ययन करने के लिए मुख्य संकेतक बनाती है।

हाल के वर्षों में, संरचनात्मक स्वास्थ्य निदान में पीज़ोइलेक्ट्रिक प्रतिबाधा तकनीक पर अधिक से अधिक शोध का उपयोग किया गया है। 1995 में, सन और अन्य ने इकट्ठे मचानों के संरचनात्मक स्वास्थ्य निदान के लिए पीजोइलेक्ट्रिक प्रतिबाधा तकनीक का सफलतापूर्वक उपयोग किया, जिसे संरचनात्मक स्वास्थ्य निदान के क्षेत्र में पीजोइलेक्ट्रिक प्रतिबाधा प्रौद्योगिकी के अनुप्रयोग की शुरुआत माना जाता था। पीज़ोइलेक्ट्रिक प्रतिबाधा तकनीक का लाभ यह है कि यह संरचना को होने वाली छोटी क्षति के प्रति संवेदनशील है, जो संरचना की प्रारंभिक विफलता का पता लगाने के लिए अनुकूल है। इसके अलावा, पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री पीजेडटी (लीड जिरकोनेट टाइटेनेट पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक) का उपयोग अक्सर पीजोइलेक्ट्रिक प्रतिबाधा तकनीक में किया जाता है, इसका आकार छोटा और संरचना सरल और विश्वसनीय होती है। इसके अलावा, पीजेडटी केवल इसके आस-पास के स्थानीय क्षेत्र में बदलाव के प्रति संवेदनशील है, जो संरचना के समग्र द्रव्यमान लोडिंग को अलग करने में मदद करता है, यह संरचनात्मक कठोरता और सीमा स्थितियों में परिवर्तन करता है, और माप परिणामों पर पीजेडटी पीजो के पास संरचनात्मक क्षति का प्रभाव पड़ता है। इसलिए, यह तकनीक उन निगरानी लिंक को ट्रैक करने के लिए उपयुक्त है जिनकी संरचनात्मक अखंडता पर सख्त आवश्यकताएं हैं या संरचना के जीवन पर बहुत अधिक प्रभाव पड़ता है और क्षति का पता लगाना आसान नहीं है। यह लेख संरचनात्मक स्वास्थ्य निदान के लिए पीजोइलेक्ट्रिक प्रतिबाधा प्रौद्योगिकी के बुनियादी सिद्धांतों का परिचय देगा।

पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री का परिचय

पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव और व्युत्क्रम पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव वाला एक विशेष ढांकता हुआ पदार्थ है। पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव 1880 में फ्रांसीसी भाइयों पी.क्यूरी और जे.क्यूरी द्वारा खोजे गए कुछ पीजो क्रिस्टल की एक विशेषता है। जब एक यांत्रिक बल (या दबाव जारी किया जाता है) पीजोइलेक्ट्रिक बॉडी पर उसके ध्रुवीकरण दिशा में लगाया जाता है, तो पीजोइलेक्ट्रिक बॉडी एक चार्ज और डिस्चार्ज घटना उत्पन्न करेगी। इस घटना को सकारात्मक पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव कहा जाता है, इसके विपरीत, एक पीजोइलेक्ट्रिक बॉडी को पीजोइलेक्ट्रिक बॉडी पर लागू किया जाता है। समान (या विपरीत) ध्रुवीकरण दिशा वाला एक विद्युत क्षेत्र दो प्रभावों का कारण बनता है: उलटा पीज़ोइलेक्ट्रिक प्रभाव और इलेक्ट्रोस्ट्रिक्टिव प्रभाव। रिवर्स पीज़ोइलेक्ट्रिक प्रभाव, यानी, बाहरी विद्युत क्षेत्र की कार्रवाई के तहत ढांकता हुआ यांत्रिक रूप से विकृत होता है, और तनाव का परिमाण लागू विद्युत क्षेत्र के परिमाण के समानुपाती होता है, और दिशा विद्युत क्षेत्र की दिशा से संबंधित होती है। इलेक्ट्रोस्ट्रिक्टिव प्रभाव, यानी ढांकता हुआ क्षेत्र एफ, जो प्रेरित ध्रुवीकरण के कारण तनाव का कारण बनता है। तनाव विद्युत क्षेत्र के वर्ग के समानुपाती होता है और इसका विद्युत क्षेत्र की दिशा से कोई लेना-देना नहीं होता है। व्युत्क्रम पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव और इलेक्ट्रोस्ट्रिक्टिव प्रभाव अनिवार्य रूप से बाहरी विद्युत क्षेत्र की कार्रवाई के तहत ढांकता हुआ क्रिस्टल के ध्रुवीकरण का परिणाम है, जो क्रिस्टल जाली को विकृत कर देता है और मैक्रो स्केल पर यांत्रिक तनाव के रूप में प्रकट होता है। सामग्री को मिलाकर, उच्च तापमान पर सिंटरिंग करके और कणों के बीच ठोस कणों को बेतरतीब ढंग से इकट्ठा करके पीज़ोसेरामिक्स को पीज़ोइलेक्ट्रिक सिरेमिक कहा जाता है। पीजेडटी पीजो को एक सेंसिंग तत्व और एक ड्राइविंग तत्व के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है, और एक समग्र सामग्री बनाने के लिए अन्य सामग्रियों के साथ एम्बेड किया जा सकता है, इसलिए इसमें आवेदन संभावनाओं की एक विस्तृत श्रृंखला है, जैसे विमान पंखों पर विमान नियंत्रण और कंपन नियंत्रण प्रणाली। कंपन और शोर का सक्रिय नियंत्रण, उपकरणों में संरचनात्मक स्वास्थ्य निगरानी आदि।

स्मार्ट सामग्री संरचनाओं में PZT अनुप्रयोग की मुख्य विशेषताएं हैं:

① ड्राइवर और सेंसर दोनों के रूप में उपयोग किया जा सकता है;
② जब चालक के रूप में उपयोग किया जाता है, तो इसकी उत्तेजना शक्ति छोटी होती है;
③ प्रतिक्रिया की गति तेज है, जो आकार मेमोरी मिश्र धातु की तुलना में 1,000 गुना है;
④ आकार छोटा और पतला बनाया जा सकता है, और संरचना की सतह पर स्थापित किया जा सकता है या संरचना में दफन किया जा सकता है;
⑤ संयोजन लचीला है. इसका उपयोग अपेक्षाकृत बड़े टुकड़ों के रूप में किया जा सकता है, या इसे छोटे टुकड़ों में भी किया जा सकता है।

PZT संरचना
PZT पीजो सिरेमिक Pbzro3 और PbTio3 का एक सतत ठोस समाधान है और इसमें ABO3 पेरोव्स्काइट संरचना है। 1950 के दशक की शुरुआत में पाया गया, PZT महत्वपूर्ण तकनीकी अनुप्रयोग मूल्य वाला एक महत्वपूर्ण पीज़ोइलेक्ट्रिक फेरोइलेक्ट्रिक सामग्री है। पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक क्रिस्टलीय ढांकता हुआ पदार्थ हैं जिनमें समरूपता का केंद्र नहीं होता है। एक क्रिस्टलीय ढांकता हुआ जिसमें समरूपता का केंद्र नहीं होता है, अत्यधिक उच्च समरूपता के कारण अत्यंत कम व्युत्क्रम पीज़ोइलेक्ट्रिक प्रभाव वाला कोई 432-बिंदु समूह क्रिस्टल नहीं होता है। व्युत्क्रम पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव के कारण क्रिस्टल के सममित ढांकता हुआ का विरूपण। विद्युत क्षेत्र की क्रिया के तहत, ढांकता हुआ ध्रुवीकृत होता है। क्योंकि सबसे बाईं ओर के आयन और सबसे दाहिनी ओर के सकारात्मक आयन (और अन्य (रासायनिक बंधन)) के बीच कोई आयनिक बंधन नहीं है, इसलिए ध्रुवीकरण प्रक्रिया के दौरान, उनके बीच एक बड़ा सापेक्ष विस्थापन हो सकता है, जो मैक्रो स्केल पर एक बड़े व्युत्क्रम पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव को दर्शाता है। के रूप में व्यक्त किया गया है: एस = डीई, जो विद्युत क्षेत्र के परिमाण के लिए आनुपातिक है। यानी, पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री के लिए, विद्युत और यांत्रिक मात्राएं एक दूसरे से जुड़ी होती हैं। माध्यम में संग्रहीत ऊर्जा में दो भाग होते हैं, एक तनाव ऊर्जा है और दूसरा विद्युतचुंबकीय ऊर्जा है। आधुनिक संरचनात्मक गतिशीलता सिद्धांत के अनुसार, जब उपकरण और संरचना में क्षति और दोष होते हैं, जैसे दरारें, ढीले बोल्ट इत्यादि, तो इसकी कठोरता और यांत्रिक प्रतिबाधा विशेषताएं बदल जाएंगी, और संरचना की प्राकृतिक आवृत्ति और मोड भी बदल जाएगा, इसलिए यांत्रिक प्रतिबाधा में परिवर्तन के आधार पर क्षति की डिग्री मात्रात्मक रूप से दी जा सकती है, हालांकि, पारंपरिक तरीकों का उपयोग करके आवृत्ति के साथ यांत्रिक गतिशील प्रतिबाधा में परिवर्तन को मापना मुश्किल है पीजोइलेक्ट्रिक तत्वों की स्व-संवेदन विशेषताएं, पीजेडटी पीजो सिरेमिक संरचना की गतिशील प्रतिक्रिया प्राप्त करने के लिए संरचना को उत्तेजित करने के लिए एक ड्राइविंग तत्व और एक संवेदी तत्व दोनों के रूप में कार्य कर सकता है, जिससे यांत्रिक विशेषताओं और विद्युत जानकारी के बीच एक पुल स्थापित हो सकता है, और यांत्रिक गतिशील प्रतिबाधा जानकारी को सरल मापा विद्युत जानकारी द्वारा प्रतिबिंबित किया जा सकता है, जब पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक शीट की सतह पर एक पार्श्व सतह बल उत्पन्न होता है, तो ये सतह बल अलग-अलग उत्पन्न करने के लिए बीम को चलाएंगे कंपन (जब ऊपरी और निचले पीजेडटी को एक ही वोल्टेज के अधीन किया जाता है, तो वे बीम के अनुदैर्ध्य कंपन का कारण बनेंगे; जब रिवर्स वोल्टेज लगाया जाता है, तो वे बीम के झुकने वाले कंपन का कारण बनेंगे। बदले में, कंपन बीम के विरूपण का कारण बनता है, और विरूपण विशेषताओं को पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक शीट की संवेदन विशेषताओं के माध्यम से विद्युत संकेतों के रूप में प्रतिबिंबित किया जा सकता है। इसलिए, संरचना पर चिपकाए गए पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक शीट की गतिशील प्रवेश विशेषताएं नुकसान की स्थिति को प्रतिबिंबित कर सकती हैं। संरचना। आवृत्ति-निर्भर प्रवेश (व्युत्क्रम प्रतिबाधा) पीजोइलेक्ट्रिक युग्मन प्रभाव और संरचना के साथ पीजेडटी की कैपेसिटिव प्रवेश से प्राप्त होता है पीजोइलेक्ट्रिक सिलेंडर ट्रांसड्यूसर आवृत्ति के कार्य के रूप में प्रवेश की आधार रेखा है। दूसरे आइटम में PZT सामग्री की प्रतिबाधा जानकारी और बाहरी संरचना की प्रतिबाधा जानकारी शामिल है। यह ध्यान में रखते हुए कि पीजोइलेक्ट्रिक प्रणाली का निर्धारण पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक शीट के बाहरी संरचना से जुड़ने के बाद किया गया है, पीजेडटी सामग्री का प्रतिबाधा AZ स्वयं स्थिर है, और बाहरी संरचना का प्रतिबाधा मूल्य एकमात्र पैरामीटर है जो दूसरे कार्यकाल को प्रभावित करता है, जिससे सभी पीजोइलेक्ट्रिक प्रणाली को नियंत्रित किया जाता है। प्रवेश Y में परिवर्तन। जब PZT के मापदंडों और प्रदर्शन को स्थिर रखा जाता है, तो संरचनात्मक प्रतिबाधा Z विशिष्ट रूप से दूसरे पद का मान निर्धारित करता है। पीजोइलेक्ट्रिक सोडियम चालकता में कोई भी परिवर्तन संरचनात्मक क्षति और दोषों से मेल खाता है, ताकि संरचना क्षति के लिए पीजोइलेक्ट्रिक सोडियम चालकता के मूल्य की पहचान की जा सके।

संरचनात्मक स्वास्थ्य निगरानी के लिए पीजेडटी का कार्यान्वयन

पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव और पीजोइलेक्ट्रिक तत्व के व्युत्क्रम पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव के कारण, पीजोइलेक्ट्रिक तत्व में ड्राइविंग और सेंसिंग का दोहरा कार्य होता है। इस सुविधा का उपयोग करके, संरचना की ऑनलाइन और वास्तविक समय स्वास्थ्य निगरानी प्राप्त करना संभव है। पीजेडटी सामग्री का एक हिस्सा बिजली स्रोत से जुड़ा है जो एक तार के माध्यम से उत्तेजना संकेत उत्पन्न करता है। PZT पर उत्तेजना संकेत (वोल्टेज या चार्ज) लागू करने के लिए बिजली की आपूर्ति को चलाने के लिए वोल्टेज या चार्ज का उपयोग किया जाता है। क्योंकि PZT सामग्री में व्युत्क्रम पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव होता है, अर्थात यह विद्युत क्षेत्र की क्रिया के तहत विकृत हो जाएगा। पीजेडटी सामग्री को आधार सामग्री पर एम्बेडेड (या चिपकाया गया) किया जाता है, इसलिए आधार सामग्री के विकृत होने या एक साथ चलने के साथ, इसकी स्वयं की विकृति आधार सामग्री में संचारित हो जाएगी। इस समय, PZT एक ड्राइवर के बराबर है और उत्तेजना संकेत प्राप्त करके विरूपण उत्पन्न करता है। उसी समय, कुछ पीजेडटी सामग्री पीजोसेरेमिक ट्यूब आधार सामग्री पर व्यवस्थित होती हैं और बिजली आपूर्ति से जुड़ी नहीं होती हैं। जब आधार सामग्री विकृत या गतिमान होती है, तो यह विकृति या गति PZT सामग्री में संचारित हो जाएगी। PZT सामग्री के पीज़ोइलेक्ट्रिक प्रभाव के कारण, PZT सामग्री के अंदर एक विद्युत आवेश उत्पन्न होता है, और विद्युत आवेश का परिमाण विरूपण या गति के आकार के साथ बदलता है। इस समय, PZT एक सेंसर के बराबर है। फिर वास्तविक समय में इस पीजेडटी सेंसर के आउटपुट सिग्नल को मापने और एकत्र करने के लिए मापने वाले उपकरण का उपयोग करें, और यह वास्तविक समय और ऑनलाइन आधार सामग्री के विरूपण या आंदोलन को प्रतिबिंबित कर सकता है, ताकि संरचना की वास्तविक समय और ऑनलाइन स्वास्थ्य निगरानी का एहसास हो सके।

संरचना सामान्य होने पर कंपन डेटा के साथ वास्तविक समय में एकत्र किए गए डेटा की तुलना करें, और देखें कि क्या PZT आउटपुट सिग्नल बदलता है (जैसे कि संरचना में दरारें या ढीलापन, आदि), सिद्धांत रूप में, यह संरचना में PZT आउटपुट को बदलने का कारण बनेगा।

पीजेडटी संरचना की गतिशील प्रतिक्रिया प्राप्त करने के लिए संरचना को उत्तेजित करने के लिए एक ड्राइविंग तत्व और एक संवेदन तत्व दोनों के रूप में कार्य कर सकता है। सकारात्मक और व्युत्क्रम पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव के सिद्धांत का उपयोग पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक शीट और बाहरी संरचना के बीच गतिशील प्रतिक्रिया संबंध का विश्लेषण करने के लिए किया जाता है। जब बाहरी संरचना बदलती है, तो संबंधित पीज़ोइलेक्ट्रिक प्रतिबाधा भी बदल जाती है। पीज़ोइलेक्ट्रिक सिरेमिक के प्रवेश परिवर्तन को मापकर, वास्तविक समय में संरचना की स्थिति का अनुमान लगाया जा सकता है। पीजेडटी मैक्रो क्षति और मामूली क्षति दोनों के लिए उपयुक्त है, और भविष्य में इमारतों की संरचनात्मक स्वास्थ्य निगरानी में इसकी अच्छी विकास संभावना है।