Aplikasi seramik piezoelektrik dalam pemantauan kesihatan struktur

PZT bukan sahaja boleh digunakan untuk membuat pelbagai produk piezoelektrik, tetapi dalam beberapa tahun kebelakangan ini PZT digunakan secara beransur-ansur untuk pengesanan kerosakan struktur. Mengikut kesan piezoelektrik positif dan songsang bahan piezoelektrik, seramik piezoelektrik PZT boleh digunakan sebagai elemen pemacu dan penderiaan. PZT hemisfera seramik piezoelektrik boleh ditampal di tempat yang retak atau kepekatan tegasan mungkin berlaku pada komponen. Impedans mekanikal atau tindak balas frekuensi mempunyai kepekaan yang tinggi terhadap kerosakan, yang menjadikannya penunjuk utama untuk mengkaji pengenalan kerosakan.

Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, semakin banyak penyelidikan mengenai teknologi impedans piezoelektrik telah digunakan dalam diagnosis kesihatan struktur. Pada tahun 1995, Sun dan yang lain berjaya menggunakan teknologi impedans piezoelektrik untuk diagnosis kesihatan struktur perancah yang dipasang, yang dianggap sebagai permulaan aplikasi teknologi impedans piezoelektrik dalam bidang diagnosis kesihatan struktur. Kelebihan teknologi impedans piezoelektrik bahawa ia sensitif kepada kerosakan kecil pada struktur, yang kondusif untuk mengesan kegagalan awal struktur. Selain itu, bahan piezoelektrik PZT (seramik piezoelektrik zirkonat titanat plumbum) sering digunakan dalam teknologi impedans piezoelektrik mempunyai saiz yang kecil dan struktur yang Mudah dan boleh dipercayai. Di samping itu, PZT hanya sensitif kepada perubahan di kawasan setempat di sekelilingnya, yang membantu mengasingkan beban jisim keseluruhan struktur, ia berubah dalam kekakuan struktur dan keadaan sempadan, dan kesan kerosakan struktur berhampiran piezo PZT pada hasil pengukuran. Oleh itu, teknik ini sesuai untuk menjejak pautan pemantauan yang mempunyai keperluan ketat terhadap integriti struktur atau mempunyai kesan yang besar terhadap hayat struktur dan kerosakan tidak mudah dikesan . Artikel ini akan memperkenalkan prinsip asas teknologi impedans piezoelektrik untuk diagnosis kesihatan struktur.

Pengenalan kepada Bahan Piezoelektrik

Bahan piezoelektrik ialah bahan dielektrik khas dengan kesan piezoelektrik dan kesan piezoelektrik songsang. Kesan piezoelektrik adalah ciri kristal piezoelektrik tertentu yang ditemui oleh saudara Perancis P.Curie dan J.Curie pada tahun 1880. Apabila daya mekanikal (atau tekanan dilepaskan) dikenakan pada badan piezoelektrik dalam arah polarisasinya, jasad piezoelektrik akan menghasilkan fenomena cas dan nyahcas. Fenomena ini dipanggil kesan piezoelektrik positif, sebaliknya, badan piezoelektrik digunakan pada badan piezoelektrik. Medan elektrik dengan arah polarisasi yang sama (atau bertentangan) menyebabkan dua kesan: kesan piezoelektrik songsang dan kesan elektrostriktif. Kesan piezoelektrik terbalik, iaitu, dielektrik berubah bentuk secara mekanikal di bawah tindakan medan elektrik luaran, dan magnitud terikan adalah berkadar dengan magnitud medan elektrik yang digunakan, dan arahnya berkaitan dengan arah medan elektrik. Kesan elektrostriktif, iaitu medan dielektrik F, yang menyebabkan ketegangan akibat polarisasi teraruh. Tegangan adalah berkadar dengan kuasa dua medan elektrik dan tiada kaitan dengan arah medan elektrik. Kesan piezoelektrik songsang dan kesan elektrostriktif pada dasarnya adalah hasil polarisasi kristal dielektrik di bawah tindakan medan elektrik luaran, yang menyebabkan kekisi kristal diherotkan dan nyata sebagai terikan mekanikal pada skala makro. Piezoceramics dipanggil seramik piezoelektrik dengan mencampurkan bahan, pensinteran pada suhu tinggi, dan secara rawak mengumpulkan zarah pepejal di antara zarah. PZT piezo boleh digunakan sebagai elemen penderiaan dan elemen pemacu, dan boleh dibenamkan dengan bahan lain untuk membentuk bahan komposit, jadi ia mempunyai pelbagai prospek aplikasi, seperti kawalan pesawat pada sayap pesawat dan sistem kawalan getaran. Kawalan aktif getaran dan bunyi, pemantauan kesihatan struktur dalam peralatan, dsb.

Ciri-ciri utama aplikasi PZT dalam struktur bahan pintar ialah:

① Boleh digunakan sebagai pemandu dan sensor;
② Apabila digunakan sebagai pemandu, kuasa pengujaannya kecil;
③ Kelajuan tindak balas adalah lebih pantas, iaitu 1,000 kali ganda daripada aloi memori bentuk;
④ Saiz boleh dibuat kecil dan nipis, dan boleh dipasang pada permukaan struktur atau dikebumikan di dalam struktur;
⑤ Gabungan adalah fleksibel. Ia boleh digunakan dalam bentuk kepingan yang agak besar, atau ia boleh digunakan dalam kepingan kecil.

Struktur PZT
Seramik piezo PZT ialah larutan pepejal berterusan Pbzro3 dan PbTio3 dan mempunyai struktur perovskit ABO3. Ditemui pada awal 1950-an, PZT ialah bahan feroelektrik piezoelektrik yang penting dengan nilai aplikasi teknikal yang penting. Seramik piezoelektrik ialah bahan dielektrik kristal yang tidak mempunyai pusat simetri. Dielektrik kristal yang tidak mempunyai pusat simetri tidak mempunyai kristal kumpulan 432 mata dengan kesan piezoelektrik songsang yang sangat rendah disebabkan oleh simetri yang sangat tinggi. Ubah bentuk dielektrik simetri hablur yang disebabkan oleh kesan piezoelektrik songsang. Di bawah tindakan medan elektrik, dielektrik terkutub. Oleh kerana tiada ikatan ionik antara ion sisi paling kiri dan ion positif paling kanan (dan lain-lain (ikatan kimia), jadi semasa proses polarisasi, anjakan relatif yang besar boleh berlaku di antara mereka, yang menunjukkan kesan piezoelektrik songsang yang besar pada skala makro. Dinyatakan sebagai: S = dE, yang berkadar dengan magnitud medan elektrik. Iaitu, bagi setiap bahan elektrik, bahan piezoelektrik, dan tenaga elektrik. yang disimpan dalam medium terdiri daripada dua bahagian, satu adalah tenaga terikan dan satu lagi adalah tenaga elektromagnet Menurut teori dinamik struktur moden, apabila kerosakan dan kecacatan berlaku pada peralatan dan struktur, seperti retak, bolt longgar, dan lain-lain, ciri-ciri ketegaran dan impedans mekanikalnya akan berubah, dan kekerapan semula jadi dan mod struktur juga boleh berubah mengikut tahap perubahan impedans dinamik mekanikal dengan kekerapan adalah sukar untuk diukur dengan kaedah konvensional Menggunakan ciri pemacu kendiri dan penderiaan sendiri bagi elemen piezoelektrik, seramik piezo PZT boleh bertindak sebagai elemen pemacu dan elemen penderiaan untuk merangsang struktur untuk mendapatkan tindak balas dinamik struktur, dengan itu mewujudkan jambatan antara ciri mekanikal dan maklumat elektrik, dan maklumat elektrik yang terhalang digunakan pada permukaan kepingan seramik piezoelektrik, daya permukaan sisi dijana pada permukaan rasuk ini akan memacu rasuk untuk menghasilkan getaran yang berbeza (apabila PZT atas dan bawah tertakluk kepada voltan yang sama, ia akan menyebabkan getaran membujur rasuk; apabila voltan terbalik digunakan, ia akan menyebabkan bending. rasuk, dan ciri-ciri ubah bentuk boleh dicerminkan dalam bentuk isyarat elektrik melalui ciri-ciri penderiaan kepingan seramik piezoelektrik Oleh itu, ciri kemasukan dinamik kepingan seramik piezoelektrik yang ditampal pada struktur boleh mencerminkan status kerosakan struktur Kemasukan bergantung kepada frekuensi (impedans songsang) daripada kesan kemuatan P PZT percuma transduser silinder piezoelektrik ialah garis dasar kemasukan sebagai fungsi frekuensi. Item kedua mengandungi maklumat impedans bahan PZT itu sendiri dan maklumat impedans struktur luaran. Memandangkan sistem piezoelektrik telah ditentukan selepas lembaran seramik piezoelektrik dilekatkan pada struktur luaran, impedans AZ bahan PZT itu sendiri adalah malar, dan nilai impedans struktur luaran adalah satu-satunya parameter yang mempengaruhi istilah kedua, dengan itu mengawal semua sistem piezoelektrik. Perubahan dalam kemasukan Y. Apabila parameter dan prestasi PZT dikekalkan tetap, impedans struktur Z secara unik menentukan nilai sebutan kedua. Sebarang perubahan dalam kekonduksian natrium piezoelektrik sepadan dengan kerosakan dan kecacatan struktur, supaya nilai kekonduksian natrium piezoelektrik boleh digunakan untuk kerosakan struktur dikenal pasti.

Pelaksanaan PZT untuk pemantauan kesihatan struktur

Kerana kesan piezoelektrik dan kesan piezoelektrik songsang unsur piezoelektrik, unsur piezoelektrik mempunyai fungsi dwi pemanduan dan penderiaan. Menggunakan ciri ini, adalah mungkin untuk mencapai pemantauan kesihatan dalam talian dan masa nyata terhadap struktur. Sebahagian daripada bahan PZT disambungkan kepada sumber kuasa yang menjana isyarat pengujaan melalui wayar. Voltan atau cas digunakan untuk memacu bekalan kuasa untuk menggunakan isyarat pengujaan (voltan atau cas) ke PZT. Kerana bahan PZT mempunyai kesan piezoelektrik songsang, iaitu, ia akan berubah bentuk di bawah tindakan medan elektrik. Bahan PZT dibenamkan (atau ditampal) pada bahan asas, jadi ubah bentuknya sendiri akan dihantar ke bahan asas, dengan bahan asas berubah bentuk atau bergerak bersama. Pada masa ini, PZT adalah bersamaan dengan pemacu dan menghasilkan ubah bentuk dengan menerima isyarat pengujaan. Pada masa yang sama, beberapa Tiub piezoceramic bahan PZT disusun pada bahan asas dan tidak disambungkan kepada bekalan kuasa. Apabila bahan asas berubah bentuk atau bergerak, ubah bentuk atau pergerakan ini akan dihantar ke bahan PZT. Disebabkan oleh kesan piezoelektrik bahan PZT, cas elektrik dijana di dalam bahan PZT, dan magnitud cas elektrik berubah mengikut saiz ubah bentuk atau pergerakan. Pada masa ini, PZT adalah bersamaan dengan penderia. Kemudian gunakan peranti pengukur untuk mengukur dan mengumpul isyarat keluaran sensor PZT ini dalam masa nyata, dan ia boleh mencerminkan ubah bentuk atau pergerakan bahan asas dalam masa nyata dan dalam talian, untuk merealisasikan pemantauan kesihatan masa nyata dan dalam talian struktur.

Bandingkan data yang dikumpul dalam masa nyata dengan data getaran apabila struktur adalah normal, dan lihat jika isyarat keluaran PZT berubah (seperti retak atau kelonggaran struktur, dsb., secara teori, ia akan menyebabkan keluaran PZT dalam struktur berubah. Jika ia berubah, ia dianggap bahawa struktur mengalami kegagalan. Apabila kegagalan berlaku, isyarat boleh dihantar ke masa, kegagalan pengawalan dalam masa yang sebenar untuk menangani kegagalan dalam talian dalam masa, pengawalan sebenar untuk mencapai masa yang ditetapkan. diagnosis kegagalan dan pemprosesan kegagalan struktur.

PZT boleh bertindak sebagai elemen pemacu dan elemen penderiaan untuk merangsang struktur untuk mendapatkan tindak balas dinamik struktur. Prinsip kesan piezoelektrik positif dan songsang digunakan untuk menganalisis hubungan tindak balas dinamik antara kepingan seramik piezoelektrik dan struktur luaran. Apabila struktur luaran berubah, impedans piezoelektrik yang sepadan juga berubah. Dengan mengukur perubahan kemasukan seramik piezoelektrik, keadaan struktur boleh diramalkan dalam masa nyata. PZT sesuai untuk kedua-dua kerosakan makro dan kerosakan kecil, dan yang mempunyai prospek pembangunan yang baik dalam pemantauan kesihatan struktur bangunan pada masa hadapan.