構造健全性モニタリングにおける圧電セラミックスの応用

PZT はさまざまな圧電製品の製造に使用できるだけでなく、近年では構造損傷検出にも徐々に応用されています。圧電材料の正および逆の圧電効果に従って、PZT 圧電セラミックは駆動素子と検出素子の両方として使用できます。 PZT 圧電セラミックス半球は、 部品のクラックや応力集中が発生しやすい箇所に貼り付けることができます。機械的インピーダンスまたは周波数応答は損傷に対する感度が高いため、損傷の特定を研究するための主な指標となっています。

近年、圧電インピーダンス技術に関する研究が構造的健康診断に使用されることが増えています。 1995 年に、Sun らは組み立てられた足場の構造健全性診断に圧電インピーダンス技術を使用することに成功しました。これが構造健全性診断分野における圧電インピーダンス技術の応用の始まりと考えられています。圧電インピーダンス技術の利点は、構造への小さな損傷に敏感であるため、構造の初期故障の検出に役立ちます。また、圧電インピーダンス技術でよく使われる圧電材料であるPZT（チタン酸ジルコン酸鉛圧電セラミックス）は、サイズが小さく、構造がシンプルで信頼性が高いです。さらに、PZT は周囲の局所領域の変化のみに敏感であるため、構造全体の質量負荷を分離するのに役立ち、構造剛性と境界条件が変化し、PZT ピエゾ付近の構造損傷が測定結果に与える影響を軽減します。したがって、この技術は、構造の完全性に対する厳しい要件がある、または構造の寿命に大きな影響を及ぼし、損傷を検出するのが容易ではない監視リンクの追跡に適しています。この記事では、構造健全性診断のための圧電インピーダンス技術の基本原理を紹介します。

圧電材料の紹介

圧電材料は、圧電効果と逆圧電効果を持つ特殊な誘電体材料です。圧電効果は、1880 年にフランスの P.キュリー兄弟と J.キュリー兄弟によって発見された特定の圧電結晶の特性です。分極方向に機械的な力 (または圧力が解放される) が圧電体に加えられると、圧電体は充放電現象を発生します。この現象を正の圧電効果と呼び、逆に圧電体に圧電体を適用します。同じ（または反対の）分極方向の電界は、逆圧電効果と電歪効果という 2 つの効果を引き起こします。逆圧電効果、つまり誘電体は外部電場の作用下で機械的に変形し、歪みの大きさは印加電場の大きさに比例し、方向は電場の方向に関係します。電歪効果、つまり誘電場 F は、誘導分極による歪みを引き起こします。ひずみは電場の二乗に比例し、電場の方向とは関係がありません。逆圧電効果と電歪効果は本質的に、外部電場の作用下での誘電体結晶の分極の結果であり、これにより結晶格子が歪み、マクロスケールでの機械的歪みとして現れます。圧電セラミックスは、原料を混合し、高温で焼結し、粒子間の固体粒子をランダムに集めたもので、圧電セラミックスと呼ばれます。 PZTピエゾはセンシング素子や駆動素子として使用でき、他の材料と埋め込んで複合材料を形成することもできるため、航空機翼の航空機制御や振動制御システムなど幅広い応用が期待されています。振動や騒音のアクティブ制御、設備の構造健全性監視など。

スマートマテリアル構造における PZT アプリケーションの主な特徴は次のとおりです。

① ドライバーとしてもセンサーとしても使用可能。
② ドライバーとして使用する場合、励磁パワーが小さいため、
③応答速度が形状記憶合金の1000倍と速い。
④ 小型・薄型化が可能であり、構造物表面への設置や構造物への埋設が可能である。
⑤組み合わせが柔軟です。比較的大きなピースの形で使用することも、小さなピースの形で使用することもできます。

PZT 構造
PZT ピエゾセラミックは、Pbzro3 と PbTio3 の連続固溶体であり、ABO3 ペロブスカイト構造を持っています。 1950 年代初頭に発見された PZT は、重要な技術的応用価値を持つ重要な圧電性強誘電体材料です。圧電セラミックは、対称中心を持たない結晶性誘電体材料です。対称中心を持たない結晶性誘電体には、対称性が極めて高いため、逆圧電効果が極めて低い432点群結晶は存在しません。逆圧電効果によって引き起こされる結晶の対称誘電体の変形。電場の作用により、誘電体は分極します。最も左側のイオンと最も右側の正イオンの間にはイオン結合 (およびその他 (化学結合) がないため、分極プロセス中にそれらの間に大きな相対変位が発生する可能性があり、マクロスケールで大きな逆圧電効果を示します。 S = dE で表され、これは電場の大きさに比例します。つまり、圧電材料の場合、電気量と機械量は相互に結合します。媒体に蓄えられるエネルギーは 2 つの部分で構成されます。現代の構造力学理論によれば、亀裂やボルトの緩みなど、機器や構造物に損傷や欠陥が生じると、その剛性や機械的インピーダンスの特性が変化し、機械的インピーダンスの変化に基づいて損傷の程度を定量的に把握することができます。圧電素子の自己感知特性を利用して、PZT 圧電セラミックは構造を励起して動的応答を取得するための駆動素子と感知素子の両方として機能し、それによって機械的特性と電気的情報の間の橋渡しを確立できます。また、機械的動的インピーダンス情報は、圧電セラミックシートの表面に一定の外部電圧が印加されると、ビームの表面に横方向の表面力が生成されます。ビームに異なる振動を発生させます（上下のPZTに同じ電圧を印加するとビームの縦振動、逆電圧を印加するとビームの曲げ振動が発生します。その振動によりビームが変形し、その変形特性が圧電セラミックシートのセンシング特性を通じて電気信号として反映されます。そのため、構造物に貼り付けられた圧電セラミックシートの動的アドミッタンス特性は、構造物の状態を反映することができます。構造の損傷状態 周波数依存のアドミッタンス (逆インピーダンス) は、圧電結合効果と PZT と構造の相互作用から得られます。 圧電シリンダートランスデューサー は、周波数の関数としてのアドミッタンスのベースラインです。 2 番目の項目には、PZT 材料自体のインピーダンス情報と外部構造のインピーダンス情報が含まれます。圧電セラミックシートが外部構造に取り付けられた後に圧電システムが決定されることを考慮すると、PZT 材料自体のインピーダンス AZ は一定であり、外部構造のインピーダンス値が第 2 項に影響を与える唯一のパラメーターであり、それによって圧電システム全体が制御されます。アドミッタンス Y の変化。PZT のパラメーターと性能が一定に保たれる場合、構造インピーダンス Z は第 2 項の値を一意に決定します。圧電ナトリウムの導電率の変化は構造の損傷および欠陥に対応するため、圧電ナトリウムの導電率の値を構造の損傷に使用して特定することができます。

構造健全性モニタリングのための PZT の実装

圧電素子の圧電効果と逆圧電効果により、圧電素子は駆動と感知という二重の機能を備えています。この機能を使用すると、オンラインでリアルタイムの構造の健全性監視を実現できます。 PZT 材料の一部は、ワイヤーを介して励起信号を生成する電源に接続されます。電圧または電荷は、電源を駆動して励起信号 (電圧または電荷) を PZT に印加するために使用されます。 PZT 材料には逆圧電効果があるため、つまり、電界の作用下で変形します。 PZT材料は基材に埋め込まれ（または貼り付けられ）ているため、PZT材料自体の変形が基材に伝わり、基材も一緒に変形したり移動したりします。このとき、PZTはドライバーに相当し、励磁信号を受けて変形を生じます。同時に、いくつかの PZT材料の圧電セラミック管は 基材上に配置されており、電源には接続されていません。基材が変形したり移動したりすると、その変形や移動がPZT材料に伝わります。 PZT材料の圧電効果によりPZT材料の内部に電荷が発生し、その電荷の大きさは変形や移動の大きさに応じて変化します。このとき、ＰＺＴがセンサーに相当する。次に、測定装置を使用してこの PZT センサーの出力信号をリアルタイムで測定および収集し、基材の変形や動きをリアルタイムかつオンラインで反映して、構造物のリアルタイムおよびオンライン健全性モニタリングを実現します。

リアルタイムに収集したデータと構造物正常時の振動データを比較し、PZT出力信号の変化（構造物の亀裂や緩みなど）がないかを確認します。理論的には構造物のPZT出力が変化します。変化した場合は、構造物に故障があると考えられます。故障発生時には、信号をコントローラーに送信して構造物の故障にタイムリーに対処し、オンラインでのリアルタイム監視、故障診断、故障処理を実現します。

PZT は、構造を励起して構造の動的応答を取得するための駆動素子と感知素子の両方として機能します。正および逆圧電効果の原理を使用して、圧電セラミックシートと外部構造の間の動的応答関係を解析します。外部構造が変化すると、対応する圧電インピーダンスも変化します。圧電セラミックスのアドミッタンス変化を測定することで、構造の状態をリアルタイムに予測できます。 PZT はマクロ損傷と軽微な損傷の両方に適しており、将来的には建物の構造健全性モニタリングにおいて良好な発展が見込まれます。