Penerapan keramik piezoelektrik dalam pemantauan kesehatan struktural

PZT tidak hanya dapat digunakan untuk membuat berbagai produk piezoelektrik, namun dalam beberapa tahun terakhir PZT secara bertahap diterapkan untuk mendeteksi kerusakan struktural. Menurut efek piezoelektrik positif dan terbalik dari bahan piezoelektrik, keramik piezoelektrik PZT dapat digunakan sebagai elemen penggerak dan penginderaan. PZT Belahan keramik piezoelektrik dapat ditempel di tempat yang kemungkinan besar terjadi retakan atau konsentrasi tegangan pada komponen. Impedansi mekanis atau respon frekuensi memiliki sensitivitas yang tinggi terhadap kerusakan sehingga menjadi indikator utama untuk mempelajari identifikasi kerusakan.

Dalam beberapa tahun terakhir, semakin banyak penelitian tentang teknologi impedansi piezoelektrik telah digunakan dalam diagnosis kesehatan struktural. Pada tahun 1995, Sun dan lainnya berhasil menggunakan teknologi impedansi piezoelektrik untuk diagnosis kesehatan struktural perancah rakitan, yang dianggap sebagai awal penerapan teknologi impedansi piezoelektrik di bidang diagnosis kesehatan struktural. Keuntungan dari teknologi impedansi piezoelektrik adalah sensitif terhadap kerusakan kecil pada struktur, sehingga kondusif untuk mendeteksi kegagalan awal struktur. Selain itu, bahan piezoelektrik PZT (keramik piezoelektrik timbal zirkonat titanat) yang sering digunakan dalam teknologi impedansi piezoelektrik memiliki ukuran kecil dan struktur sederhana dan dapat diandalkan. Selain itu, PZT hanya sensitif terhadap perubahan area lokal di sekitarnya, yang membantu mengisolasi pembebanan massa keseluruhan struktur, perubahan kekakuan struktur dan kondisi batas, serta dampak kerusakan struktural di dekat piezo PZT pada hasil pengukuran. Oleh karena itu, teknik ini cocok untuk melacak tautan pemantauan yang memiliki persyaratan ketat pada integritas struktural atau memiliki dampak besar pada umur struktur dan kerusakannya tidak mudah dideteksi. Artikel ini akan memperkenalkan prinsip dasar teknologi impedansi piezoelektrik untuk diagnosis kesehatan struktural.

Pengantar Bahan Piezoelektrik

Bahan piezoelektrik merupakan bahan dielektrik khusus dengan efek piezoelektrik dan efek piezoelektrik terbalik. Efek piezoelektrik adalah karakteristik kristal piezo tertentu yang ditemukan oleh saudara Perancis P.Curie dan J.Curie pada tahun 1880. Ketika gaya mekanik (atau tekanan dilepaskan) diterapkan pada benda piezoelektrik dalam arah polarisasinya, benda piezoelektrik akan menghasilkan fenomena pengisian dan pengosongan. Fenomena ini disebut efek piezoelektrik positif, sebaliknya benda piezoelektrik diterapkan pada benda piezoelektrik. Medan listrik dengan arah polarisasi yang sama (atau berlawanan) menimbulkan dua efek: efek piezoelektrik terbalik dan efek elektrostriktif. Efek piezoelektrik terbalik, yaitu dielektrik berubah bentuk secara mekanis di bawah aksi medan listrik eksternal, dan besarnya regangan sebanding dengan besarnya medan listrik yang diterapkan, dan arahnya berhubungan dengan arah medan listrik. Efek elektrostriktif, yaitu medan dielektrik F, yang menyebabkan regangan akibat polarisasi terinduksi. Regangan sebanding dengan kuadrat medan listrik dan tidak ada hubungannya dengan arah medan listrik. Efek piezoelektrik terbalik dan efek elektrostriktif pada dasarnya adalah hasil polarisasi kristal dielektrik di bawah pengaruh medan listrik eksternal, yang menyebabkan kisi kristal terdistorsi dan bermanifestasi sebagai regangan mekanis pada skala makro. Piezoceramic disebut keramik piezoelektrik dengan mencampurkan bahan-bahan, menyinter pada suhu tinggi, dan mengumpulkan partikel padat di antara partikel secara acak. PZT piezo dapat digunakan sebagai elemen penginderaan dan elemen penggerak, serta dapat ditanamkan dengan material lain untuk membentuk material komposit, sehingga memiliki prospek penerapan yang luas, seperti kendali pesawat pada sayap pesawat dan sistem kendali getaran. Kontrol aktif terhadap getaran dan kebisingan, pemantauan kesehatan struktural pada peralatan, dll.

Fitur utama aplikasi PZT dalam struktur material pintar adalah:

① Dapat digunakan sebagai penggerak dan sensor;
② Saat digunakan sebagai penggerak, daya eksitasinya kecil;
③ Kecepatan responsnya lebih cepat, yaitu 1.000 kali lipat dari paduan memori bentuk;
④ Ukurannya dapat dibuat kecil dan tipis, dan dapat dipasang pada permukaan struktur atau dikubur di dalam struktur;
⑤ Kombinasinya fleksibel. Dapat digunakan dalam bentuk potongan yang relatif besar, atau dapat juga digunakan dalam bentuk potongan kecil.

Struktur PZT
Keramik piezo PZT merupakan larutan padat kontinyu Pbzro3 dan PbTio3 serta memiliki struktur perovskit ABO3. Ditemukan pada awal 1950an, PZT merupakan bahan feroelektrik piezoelektrik penting dengan nilai aplikasi teknis yang penting. Keramik piezoelektrik merupakan bahan dielektrik kristal yang tidak memiliki pusat simetri. Dielektrik kristal yang tidak memiliki pusat simetri tidak memiliki kristal kelompok 432 titik dengan efek piezoelektrik terbalik yang sangat rendah karena simetri yang sangat tinggi. Deformasi dielektrik simetris kristal disebabkan oleh efek piezoelektrik terbalik. Di bawah pengaruh medan listrik, dielektrik terpolarisasi. Karena tidak ada ikatan ionik antara ion sisi paling kiri dan ion positif paling kanan (dan (ikatan kimia) lainnya), maka selama proses polarisasi dapat terjadi perpindahan relatif yang besar di antara keduanya, yang menunjukkan efek piezoelektrik terbalik yang besar pada skala makro. Dinyatakan sebagai: S = dE, yang sebanding dengan besarnya medan listrik Artinya, untuk bahan piezoelektrik, besaran listrik dan mekanik digabungkan satu sama lain. Energi yang tersimpan dalam medium terdiri dari dua bagian, yang satu adalah energi regangan dan yang lainnya adalah elektromagnetik energi.Menurut teori dinamika struktur modern, ketika kerusakan dan cacat terjadi pada peralatan dan struktur, seperti retak, baut lepas, dll., karakteristik kekakuan dan impedansi mekanisnya akan berubah, dan frekuensi alami serta mode struktur juga akan berubah. Oleh karena itu, tingkat kerusakan dapat diberikan secara kuantitatif berdasarkan perubahan impedansi mekanik dengan frekuensi sulit diukur dengan metode konvensional. Keramik piezo PZT dapat bertindak sebagai elemen penggerak dan elemen penginderaan untuk menggairahkan struktur untuk mendapatkan respon dinamis dari struktur, sehingga membangun jembatan antara karakteristik mekanik dan informasi listrik, dan informasi impedansi dinamis mekanis. Perubahan dapat direfleksikan dengan informasi listrik terukur sederhana. Ketika tegangan eksternal tertentu diterapkan pada permukaan lembaran keramik piezoelektrik, gaya permukaan lateral dihasilkan pada permukaan balok dikenai tegangan yang sama, akan menyebabkan getaran memanjang pada balok; bila tegangan balik diterapkan, akan menyebabkan getaran lentur pada balok. Pada gilirannya, getaran menyebabkan deformasi balok, dan karakteristik deformasi dapat tercermin dalam bentuk sinyal listrik melalui karakteristik penginderaan lembaran keramik piezoelektrik. Oleh karena itu, karakteristik masuk dinamis dari lembaran keramik piezoelektrik yang ditempel pada struktur dapat mencerminkan status kerusakan struktur. Penerimaan yang bergantung pada frekuensi (impedansi terbalik) diperoleh dari kopling piezoelektrik efek dan interaksi PZT dengan struktur. Penerimaan kapasitif dari PZT bebas transduser silinder piezoelektrik adalah garis dasar penerimaan sebagai fungsi frekuensi. Item kedua berisi informasi impedansi bahan PZT itu sendiri dan informasi impedansi struktur luar. Mengingat sistem piezoelektrik ditentukan setelah lembaran keramik piezoelektrik dipasang pada struktur luar, maka impedansi AZ bahan PZT itu sendiri adalah konstan, dan nilai impedansi struktur luar merupakan satu-satunya parameter yang mempengaruhi suku kedua, sehingga mengendalikan seluruh sistem piezoelektrik. Perubahan masuk Y. Ketika parameter dan kinerja PZT dijaga konstan, impedansi struktural Z secara unik menentukan nilai suku kedua. Setiap perubahan konduktivitas natrium piezoelektrik berhubungan dengan kerusakan dan cacat struktural, sehingga nilai konduktivitas natrium piezoelektrik dapat digunakan untuk menentukan kerusakan struktur.

Implementasi PZT untuk pemantauan kesehatan struktural

Karena efek piezoelektrik dan efek piezoelektrik terbalik dari elemen piezoelektrik, elemen piezoelektrik memiliki fungsi ganda yaitu penggerak dan penginderaan. Dengan menggunakan fitur ini, pemantauan kesehatan struktur dapat dilakukan secara online dan real-time. Sebagian material PZT dihubungkan ke sumber listrik yang menghasilkan sinyal eksitasi melalui kabel. Tegangan atau muatan digunakan untuk menggerakkan catu daya untuk menerapkan sinyal eksitasi (tegangan atau muatan) ke PZT. Karena bahan PZT mempunyai efek piezoelektrik terbalik, yaitu akan berubah bentuk akibat pengaruh medan listrik. Material PZT ditempelkan (atau ditempel) pada material dasar, sehingga deformasinya sendiri akan diteruskan ke material dasar, dengan material dasar tersebut mengalami deformasi atau bergerak bersamaan. Pada saat ini, PZT setara dengan driver dan menghasilkan deformasi dengan menerima sinyal eksitasi. Pada saat yang sama, beberapa Tabung piezoceramic bahan PZT disusun pada bahan dasar dan tidak dihubungkan dengan catu daya. Ketika material dasar mengalami deformasi atau pergerakan, maka deformasi atau pergerakan tersebut akan diteruskan ke material PZT. Karena efek piezoelektrik bahan PZT, muatan listrik dihasilkan di dalam bahan PZT, dan besarnya muatan listrik berubah seiring dengan besarnya deformasi atau pergerakan. Saat ini, PZT setara dengan sensor. Kemudian gunakan alat ukur tersebut untuk mengukur dan mengumpulkan sinyal keluaran sensor PZT ini secara real time, dan dapat mencerminkan deformasi atau pergerakan material dasar secara real time dan online, sehingga mewujudkan pemantauan kesehatan struktur secara real-time dan online.

Bandingkan data yang dikumpulkan secara real time dengan data getaran ketika struktur normal, dan lihat apakah sinyal keluaran PZT berubah (seperti retak atau kelonggaran struktur, dll., secara teori akan menyebabkan keluaran PZT pada struktur berubah. Jika berubah, struktur dianggap mengalami kegagalan. Ketika terjadi kegagalan, sinyal dapat dikirim ke pengontrol tepat waktu untuk menangani kegagalan struktur pada waktu yang tepat untuk mencapai pemantauan online, real-time, diagnosis kegagalan, dan pemrosesan kegagalan struktur.

PZT dapat bertindak sebagai elemen penggerak dan elemen penginderaan untuk menggairahkan struktur guna memperoleh respons dinamis struktur. Prinsip efek piezoelektrik positif dan terbalik digunakan untuk menganalisis hubungan respon dinamis antara lembaran keramik piezoelektrik dan struktur luar. Ketika struktur luar berubah, impedansi piezoelektrik yang sesuai juga berubah. Dengan mengukur perubahan masuknya keramik piezoelektrik, keadaan struktur dapat diprediksi secara real time. PZT cocok untuk kerusakan makro dan kerusakan ringan, serta memiliki prospek pengembangan yang baik dalam pemantauan kesehatan struktural bangunan di masa depan.