Applicazione della ceramica piezoelettrica nel monitoraggio della salute strutturale

PZT non può essere utilizzato solo per realizzare vari prodotti piezoelettrici, ma negli ultimi anni PZT viene gradualmente applicato al rilevamento di danni strutturali. In base agli effetti piezoelettrici positivi e inversi dei materiali piezoelettrici, le ceramiche piezoelettriche PZT possono essere utilizzate sia come elementi di guida che di rilevamento. PZT La semisfera in ceramica piezoelettrica può essere incollata in luoghi in cui è probabile che si verifichino crepe o concentrazioni di stress sui componenti. L'impedenza meccanica o la risposta in frequenza ha un'elevata sensibilità al danno, il che la rende l'indicatore principale per studiare l'identificazione del danno.

Negli ultimi anni, sempre più ricerche sulla tecnologia dell’impedenza piezoelettrica sono state utilizzate nella diagnosi della salute strutturale. Nel 1995, Sun e altri hanno utilizzato con successo la tecnologia dell'impedenza piezoelettrica per la diagnosi della salute strutturale di impalcature assemblate, considerata l'inizio dell'applicazione della tecnologia dell'impedenza piezoelettrica nel campo della diagnosi della salute strutturale. Il vantaggio della tecnologia dell'impedenza piezoelettrica è che è sensibile ai piccoli danni alla struttura, il che favorisce il rilevamento del cedimento iniziale della struttura. Inoltre, il materiale piezoelettrico PZT (ceramica piezoelettrica di piombo zirconato titanato) viene spesso utilizzato nella tecnologia dell'impedenza piezoelettrica, ha dimensioni ridotte e una struttura semplice e affidabile. Inoltre, il PZT è sensibile solo ai cambiamenti nell'area circostante, il che aiuta a isolare il carico di massa complessivo della struttura, i cambiamenti nella rigidità strutturale e nelle condizioni al contorno e l'impatto del danno strutturale vicino al piezo PZT sui risultati della misurazione. Pertanto, questa tecnica è adatta per monitorare i collegamenti di monitoraggio che hanno requisiti rigorosi sull'integrità strutturale o che hanno un grande impatto sulla vita della struttura e i danni non sono facili da rilevare. Questo articolo introdurrà i principi di base della tecnologia dell'impedenza piezoelettrica per la diagnosi della salute strutturale.

Introduzione ai materiali piezoelettrici

Il materiale piezoelettrico è un materiale dielettrico speciale con un effetto piezoelettrico e un effetto piezoelettrico inverso. L'effetto piezoelettrico è una caratteristica di alcuni cristalli piezoelettrici scoperti dai fratelli francesi P.Curie e J.Curie nel 1880. Quando una forza meccanica (o pressione viene rilasciata) viene applicata al corpo piezoelettrico nella sua direzione di polarizzazione, il corpo piezoelettrico genererà un fenomeno di carica e scarica. Questo fenomeno è chiamato effetto piezoelettrico positivo, al contrario, un corpo piezoelettrico viene applicato al corpo piezoelettrico. Un campo elettrico con la stessa (o opposta) direzione di polarizzazione provoca due effetti: l'effetto piezoelettrico inverso e l'effetto elettrostrittivo. L'effetto piezoelettrico inverso, ovvero il dielettrico viene deformato meccanicamente sotto l'azione di un campo elettrico esterno e l'entità della deformazione è proporzionale all'entità del campo elettrico applicato e la direzione è correlata alla direzione del campo elettrico. L'effetto elettrostrittivo, cioè il campo dielettrico F, che provoca deformazioni dovute alla polarizzazione indotta. La deformazione è proporzionale al quadrato del campo elettrico e non ha nulla a che fare con la direzione del campo elettrico. L'effetto piezoelettrico inverso e l'effetto elettrostrittivo sono essenzialmente il risultato della polarizzazione del cristallo dielettrico sotto l'azione di un campo elettrico esterno, che provoca una distorsione del reticolo cristallino e si manifesta come tensione meccanica su scala macro. Le piezoceramiche sono chiamate ceramiche piezoelettriche mescolando ingredienti, sinterizzando ad alta temperatura e raccogliendo casualmente le particelle solide tra le particelle. Il piezoelettrico PZT può essere utilizzato come elemento di rilevamento ed elemento di guida e può essere incorporato con altri materiali per formare un materiale composito, quindi ha un'ampia gamma di prospettive applicative, come il controllo degli aerei sulle ali degli aerei e i sistemi di controllo delle vibrazioni. Controllo attivo delle vibrazioni e del rumore, monitoraggio della salute strutturale delle apparecchiature, ecc.

Le caratteristiche principali dell'applicazione PZT nelle strutture dei materiali intelligenti sono:

① Può essere utilizzato sia come driver che come sensore;
② Se utilizzato come driver, la sua potenza di eccitazione è ridotta;
③ La velocità di risposta è più veloce, ovvero 1.000 volte quella della lega a memoria di forma;
④ La dimensione può essere piccola e sottile e può essere installata sulla superficie della struttura o interrata nella struttura;
⑤ La combinazione è flessibile. Può essere utilizzato sotto forma di pezzi relativamente grandi oppure può essere utilizzato in pezzi piccoli.

Struttura PZT
La ceramica piezoelettrica PZT è una soluzione solida continua di Pbzro3 e PbTio3 e ha una struttura di perovskite ABO3. Trovato all'inizio degli anni '50, il PZT è un importante materiale ferroelettrico piezoelettrico con un importante valore applicativo tecnico. Le ceramiche piezoelettriche sono materiali dielettrici cristallini che non hanno un centro di simmetria. Un dielettrico cristallino che non ha un centro di simmetria non ha un gruppo cristallino di 432 punti con effetto piezoelettrico inverso estremamente basso a causa della simmetria estremamente elevata. La deformazione del dielettrico simmetrico del cristallo causata dall'effetto piezoelettrico inverso. Sotto l'azione del campo elettrico, il dielettrico è polarizzato. Poiché non esiste un legame ionico tra lo ione del lato più a sinistra e lo ione positivo più a destra (e altri (legami chimici), durante il processo di polarizzazione può verificarsi un grande spostamento relativo tra di loro, il che mostra un grande effetto piezoelettrico inverso su scala macro. Espresso come: S = dE, che è proporzionale all'entità del campo elettrico. Cioè, per i materiali piezoelettrici, le quantità elettriche e meccaniche sono accoppiate tra loro. L'energia immagazzinata nel mezzo è composta da due parti, una è energia di deformazione e l'altra è Secondo la moderna teoria della dinamica strutturale, quando si verificano danni e difetti nell'apparecchiatura e nella struttura, come crepe, bulloni allentati, ecc., le sue caratteristiche di rigidità e impedenza meccanica cambieranno e cambieranno anche la frequenza naturale e la modalità della struttura. Pertanto, il grado di danno può essere dato quantitativamente in base ai cambiamenti nell'impedenza meccanica. Tuttavia, il cambiamento dell'impedenza dinamica meccanica con la frequenza è difficile da misurare con i metodi convenzionali. La ceramica piezoelettrica PZT può agire sia come elemento di guida che come elemento di rilevamento per eccitare la struttura per ottenere la risposta dinamica della struttura, stabilendo così un ponte tra le caratteristiche meccaniche e le informazioni elettriche e le informazioni sull'impedenza dinamica meccanica possono essere riflesse da semplici informazioni elettriche misurate. Quando una determinata tensione esterna viene applicata alla superficie del foglio di ceramica piezoelettrica, una forza superficiale laterale viene generata sulla superficie del raggio alla stessa tensione, causeranno la vibrazione longitudinale del fascio; quando viene applicata la tensione inversa, causeranno la vibrazione di flessione del fascio. A loro volta, la vibrazione provoca la deformazione del fascio e le caratteristiche di deformazione possono essere riflesse sotto forma di segnali elettrici attraverso le caratteristiche di rilevamento del foglio di ceramica piezoelettrico. Pertanto, le caratteristiche di ammettenza dinamica del foglio di ceramica piezoelettrico incollato sulla struttura possono riflettere lo stato di danneggiamento della struttura effetto di accoppiamento e interazione del PZT con la struttura. Ammettenza capacitiva di un PZT libero il trasduttore cilindrico piezoelettrico è la linea di base dell'ammettenza in funzione della frequenza. La seconda voce contiene le informazioni sull'impedenza del materiale PZT stesso e le informazioni sull'impedenza della struttura esterna. Considerando che il sistema piezoelettrico è stato determinato dopo che il foglio ceramico piezoelettrico è stato fissato alla struttura esterna, l'impedenza AZ del materiale PZT stesso è costante e il valore dell'impedenza della struttura esterna è l'unico parametro che influenza il secondo termine, controllando così l'intero sistema piezoelettrico. Variazioni dell'ammettenza Y. Quando i parametri e le prestazioni del PZT sono mantenuti costanti, l'impedenza strutturale Z determina in modo univoco il valore del secondo termine. Qualsiasi cambiamento nella conduttività piezoelettrica del sodio corrisponde a danni e difetti strutturali, in modo che il valore della conduttività piezoelettrica del sodio possa essere utilizzato per identificare il danno strutturale.

Implementazione del PZT per il monitoraggio dello stato di salute strutturale

A causa dell'effetto piezoelettrico e dell'effetto piezoelettrico inverso dell'elemento piezoelettrico, l'elemento piezoelettrico ha una duplice funzione di azionamento e rilevamento. Utilizzando questa funzionalità è possibile effettuare il monitoraggio online ed in tempo reale dello stato di salute della struttura. Parte del materiale PZT è collegata alla fonte di alimentazione che genera il segnale di eccitazione attraverso un filo. La tensione o la carica viene utilizzata per pilotare l'alimentatore per applicare un segnale di eccitazione (tensione o carica) al PZT. Poiché il materiale PZT ha l'effetto piezoelettrico inverso, ovvero si deformerà sotto l'azione di un campo elettrico. Il materiale PZT è incorporato (o incollato) sul materiale di base, quindi la sua stessa deformazione verrà trasmessa al materiale di base, con il materiale di base che si deforma o si muove insieme. In questo momento il PZT equivale ad un driver e genera deformazione ricevendo il segnale di eccitazione. Allo stesso tempo, alcuni I tubi piezoceramici in materiale PZT sono disposti sul materiale di base e non sono collegati all'alimentazione. Quando il materiale di base si deforma o si muove, questa deformazione o movimento verrà trasmesso al materiale PZT. A causa dell'effetto piezoelettrico del materiale PZT, all'interno del materiale PZT viene generata una carica elettrica e l'entità della carica elettrica cambia con la dimensione della deformazione o del movimento. In questo momento il PZT equivale ad un sensore. Quindi utilizzare il dispositivo di misurazione per misurare e raccogliere il segnale di uscita di questo sensore PZT in tempo reale e può riflettere la deformazione o il movimento del materiale di base in tempo reale e online, in modo da realizzare il monitoraggio della salute in tempo reale e online della struttura.

Confrontare i dati raccolti in tempo reale con i dati di vibrazione quando la struttura è normale e vedere se il segnale di uscita PZT cambia (come crepe o allentamento della struttura, ecc., In teoria, causerà la modifica dell'uscita PZT nella struttura. Se cambia, si considera che la struttura abbia un guasto. Quando si verifica un guasto, il segnale può essere trasmesso al controller in tempo per gestire il guasto della struttura in modo tempestivo per ottenere monitoraggio online in tempo reale, diagnosi di guasto ed elaborazione del guasto della struttura.

PZT può agire sia come elemento di guida che come elemento di rilevamento per eccitare la struttura per ottenere la risposta dinamica della struttura. Il principio dell'effetto piezoelettrico positivo e inverso viene utilizzato per analizzare la relazione di risposta dinamica tra il foglio ceramico piezoelettrico e la struttura esterna. Quando cambia la struttura esterna, cambia anche la corrispondente impedenza piezoelettrica. Misurando la variazione di ammettenza delle ceramiche piezoelettriche, è possibile prevedere lo stato della struttura in tempo reale. Il PZT è adatto sia per danni macro che per danni minori e ha buone prospettive di sviluppo nel futuro monitoraggio della salute strutturale degli edifici.