Primjena piezoelektrične keramike u nadzoru zdravlja konstrukcija

PZT se ne može koristiti samo za izradu raznih piezoelektričnih proizvoda, već se posljednjih godina PZT postupno primjenjuje za otkrivanje strukturnih oštećenja. Prema pozitivnim i inverznim piezoelektričnim učincima piezoelektričnih materijala, PZT piezoelektrična keramika može se koristiti i kao pokretački i kao senzorski element. PZT piezoelektrična keramička hemisfera može se zalijepiti na mjestima gdje postoji vjerojatnost pojave pukotina ili koncentracije naprezanja na komponentama. Mehanička impedancija ili frekvencijski odziv ima visoku osjetljivost na oštećenje, što ga čini glavnim pokazateljem za proučavanje identifikacije oštećenja.

Posljednjih godina, sve više i više istraživanja o tehnologiji piezoelektrične impedancije koristi se u strukturnoj zdravstvenoj dijagnostici. Godine 1995. Sun i drugi uspješno su upotrijebili tehnologiju piezoelektrične impedancije za strukturnu dijagnostiku zdravlja sastavljenih skela, što se smatra početkom primjene tehnologije piezoelektrične impedancije u području strukturalne dijagnostike zdravlja. Prednost tehnologije piezoelektrične impedancije je da je osjetljiva na mala oštećenja strukture, što je pogodno za otkrivanje početnog kvara strukture. Štoviše, piezoelektrični materijal PZT (olovo cirkonat titanat piezoelektrična keramika) često se koristi u tehnologiji piezoelektrične impedancije ima malu veličinu i strukturu jednostavnu i pouzdanu. Osim toga, PZT je osjetljiv samo na promjene u lokalnom području oko njega, što pomaže u izolaciji ukupnog masenog opterećenja konstrukcije, promjena u strukturnoj krutosti i graničnim uvjetima, te utjecaj strukturnog oštećenja u blizini PZT piezo na rezultate mjerenja. Stoga je ova tehnika prikladna za praćenje veza za praćenje koje imaju stroge zahtjeve u pogledu strukturalnog integriteta ili imaju veliki utjecaj na životni vijek konstrukcije, a oštećenja nije lako otkriti. Ovaj će članak predstaviti osnovna načela tehnologije piezoelektrične impedancije za dijagnostiku zdravlja konstrukcija.

Uvod u piezoelektrične materijale

Piezoelektrični materijal je poseban dielektrični materijal s piezoelektričnim učinkom i inverznim piezoelektričnim učinkom. Piezoelektrični učinak je karakteristika određenih piezo kristala koje su otkrila francuska braća P.Curie i J.Curie 1880. Kada se mehanička sila (ili pritisak oslobodi) primijeni na piezoelektrično tijelo u smjeru njegove polarizacije, piezoelektrično tijelo će generirati fenomen naboja i pražnjenja. Ovaj fenomen se naziva pozitivnim piezoelektričnim efektom, naprotiv, piezoelektrično tijelo se nanosi na piezoelektrično tijelo. Električno polje s istim (ili suprotnim) smjerom polarizacije uzrokuje dva učinka: inverzni piezoelektrični učinak i elektrostrikcijski učinak. Obrnuti piezoelektrični efekt, odnosno dielektrik se mehanički deformira pod djelovanjem vanjskog električnog polja, a veličina deformacije proporcionalna je veličini primijenjenog električnog polja, a smjer je povezan sa smjerom električnog polja. Elektrostrikcijski učinak, odnosno dielektrično polje F, koje uzrokuje naprezanje zbog inducirane polarizacije. Deformacija je proporcionalna kvadratu električnog polja i nema nikakve veze sa smjerom električnog polja. Inverzni piezoelektrični učinak i elektrostrikcijski učinak u biti su rezultati polarizacije dielektričnog kristala pod djelovanjem vanjskog električnog polja, što uzrokuje iskrivljenje kristalne rešetke i manifestira se kao mehaničko naprezanje na makro skali. Piezokeramika se naziva piezoelektrična keramika miješanjem sastojaka, sinteriranjem na visokoj temperaturi i nasumičnim skupljanjem čvrstih čestica između čestica. PZT piezo može se koristiti kao senzorski element i pokretački element, a može se ugraditi s drugim materijalima kako bi se formirao kompozitni materijal, tako da ima širok raspon mogućnosti primjene, kao što je upravljanje zrakoplovom na krilima zrakoplova i sustavi kontrole vibracija. Aktivna kontrola vibracija i buke, nadzor stanja konstrukcija u opremi itd.

Glavne značajke primjene PZT-a u pametnim materijalnim strukturama su:

① Može se koristiti i kao pokretač i kao senzor;
② Kada se koristi kao pokretač, njegova snaga pobude je mala;
③ Brzina odziva je brža, što je 1000 puta više od legure s pamćenjem oblika;
④ Veličina može biti mala i tanka, i može se postaviti na površinu strukture ili zakopati u strukturu;
⑤ Kombinacija je fleksibilna. Može se koristiti u obliku relativno velikih komada, ili se može koristiti u malim komadima.

PZT struktura
PZT piezo keramika je kontinuirana čvrsta otopina Pbzro3 i PbTio3 i ima strukturu perovskita ABO3. Pronađen ranih 1950-ih, PZT je važan piezoelektrični feroelektrični materijal s važnom tehničkom primjenom. Piezoelektrična keramika je kristalni dielektrični materijal koji nema središte simetrije. Kristalni dielektrik koji nema centar simetrije nema kristal grupe od 432 točke s ekstremno niskim inverznim piezoelektričnim učinkom zbog ekstremno visoke simetrije. Deformacija simetričnog dielektrika kristala uzrokovana inverznim piezoelektričnim efektom. Pod djelovanjem električnog polja dielektrik se polarizira. Budući da ne postoji ionska veza između krajnje lijevog bočnog iona i krajnje desnog pozitivnog iona (i drugih (kemijskih veza), tako da tijekom procesa polarizacije može doći do velikog relativnog pomaka između njih, što pokazuje veliki inverzni piezoelektrični učinak na makro skali. Izraženo kao: S = dE, što je proporcionalno veličini električnog polja. To jest, za piezoelektrične materijale, električne i mehaničke veličine su Energija pohranjena u mediju sastoji se od dva dijela, jedan je energija deformacije, a drugi je elektromagnetska energija, kada se pojave oštećenja i nedostaci u opremi i konstrukciji, njihova krutost i mehanička impedancija će se također promijeniti. Stoga se stupanj oštećenja može odrediti kvantitativno promjene mehaničke impedancije. Međutim, promjenu mehaničke dinamičke impedancije teško je izmjeriti konvencionalnim metodama. Koristeći samopogonske i samoosjetljive karakteristike piezoelektričnih elemenata, PZT piezokeramika može djelovati i kao pokretački element i kao osjetni element za pobuđivanje strukture da bi se dobila dinamička reakcija strukture, čime se uspostavlja most između mehaničkih karakteristika i električnih informacija, a promjene mehaničke impedancije mogu reflektiraju se jednostavnim izmjerenim električnim informacijama. Kada se na površinu piezoelektričnog keramičkog lista primijeni određeni vanjski napon, na površini grede generira se bočna površinska sila koja generira različite vibracije grede (kada su gornji i donji PZT izloženi istom naponu, uzrokovat će uzdužnu vibraciju grede; kada se primijeni obrnuti napon, uzrokovat će vibracije savijanja). S druge strane, vibracije uzrokuju deformaciju grede, a karakteristike deformacije se mogu odraziti u obliku električnih signala kroz karakteristike piezoelektrične keramike. Stoga, karakteristike dinamičke admitancije piezoelektrične keramičke ploče mogu odražavati stanje oštećenja strukture piezoelektrični spojni učinak i interakcija PZT sa strukturom kapacitivne admitancije piezoelektrični cilindarski pretvarač je osnovna vrijednost admitancije kao funkcije frekvencije. Druga stavka sadrži informacije o impedanciji samog PZT materijala i informacije o impedanciji vanjske strukture. Uzimajući u obzir da je piezoelektrični sustav određen nakon što je piezoelektrični keramički list pričvršćen na vanjsku strukturu, impedancija AZ samog PZT materijala je konstantna, a vrijednost impedancije vanjske strukture je jedini parametar koji utječe na drugi član, čime se kontrolira cijeli piezoelektrični sustav. Promjene admitancije Y. Kada se parametri i performanse PZT održavaju konstantnima, strukturna impedancija Z jedinstveno određuje vrijednost drugog člana. Svaka promjena u vodljivosti piezoelektričnog natrija odgovara strukturnom oštećenju i defektima, tako da se vrijednost vodljivosti piezoelektričnog natrija može koristiti za identificiranje oštećenja strukture.

Implementacija PZT za strukturno praćenje zdravlja

Zbog piezoelektričnog učinka i obrnutog piezoelektričnog učinka piezoelektričnog elementa, piezoelektrični element ima dvostruku funkciju pokretanja i senzora. Koristeći ovu značajku, moguće je postići online i stvarno-vremensko praćenje zdravlja strukture. Dio PZT materijala je žicom spojen na izvor energije koji generira pobudni signal. Napon ili naboj koristi se za pokretanje napajanja za primjenu pobudnog signala (napona ili naboja) na PZT. Budući da PZT materijal ima obrnuti piezoelektrični učinak, to jest deformirati će se pod djelovanjem električnog polja. PZT materijal je ugrađen (ili zalijepljen) na osnovni materijal, tako da će se vlastita deformacija prenijeti na osnovni materijal, pri čemu će se osnovni materijal deformirati ili pomicati zajedno. U ovom trenutku, PZT je ekvivalent pokretaču i stvara deformaciju primanjem pobudnog signala. Istovremeno, neki PZT materijal piezokeramičke cijevi su raspoređene na osnovnom materijalu i nisu spojene na napajanje. Kada se osnovni materijal deformira ili pomiče, ta se deformacija ili pomicanje prenosi na PZT materijal. Zbog piezoelektričnog učinka PZT materijala, unutar PZT materijala stvara se električni naboj, a veličina električnog naboja mijenja se s veličinom deformacije ili pomaka. U ovom trenutku, PZT je ekvivalentan senzoru. Zatim upotrijebite mjerni uređaj za mjerenje i prikupljanje izlaznog signala ovog PZT senzora u stvarnom vremenu, a on može odražavati deformaciju ili pomicanje osnovnog materijala u stvarnom vremenu i na mreži, kako bi se ostvarilo praćenje zdravlja strukture u stvarnom vremenu i na mreži.

Usporedite podatke prikupljene u stvarnom vremenu s podacima o vibracijama kada je struktura normalna i pogledajte mijenja li se PZT izlazni signal (kao što su pukotine ili labavost strukture, itd., u teoriji, to će uzrokovati promjenu PZT izlaza u strukturi. Ako se promijeni, smatra se da struktura ima kvar. Kada dođe do kvara, signal se može prenijeti na kontroler na vrijeme da se na vrijeme pozabavi kvarom strukture kako bi se postiglo na mreži, praćenje u stvarnom vremenu, dijagnoza kvarova i obrada kvarova strukture.

PZT može djelovati i kao pogonski element i kao osjetni element za pobuđivanje strukture kako bi se dobio dinamički odgovor strukture. Načelo pozitivnog i inverznog piezoelektričnog učinka koristi se za analizu dinamičkog odnosa odziva između piezoelektrične keramičke ploče i vanjske strukture. Kada se vanjska struktura promijeni, odgovarajuća piezoelektrična impedancija se također mijenja. Mjerenjem promjene admitancije piezoelektrične keramike, stanje strukture može se predvidjeti u stvarnom vremenu. PZT je prikladan i za makro oštećenja i za manja oštećenja, i ima dobre izglede za razvoj u strukturnom zdravstvenom nadzoru zgrada u budućnosti.