Toepassing van piëzo-elektrische keramiek bij structurele gezondheidsmonitoring

PZT kan niet alleen worden gebruikt voor het maken van diverse piëzo-elektrische producten, maar de laatste jaren wordt PZT geleidelijk ook toegepast bij het opsporen van structurele schade. Volgens de positieve en omgekeerde piëzo-elektrische effecten van piëzo-elektrische materialen, kan PZT-piëzo-elektrische keramiek worden gebruikt als zowel aandrijf- als detectie-elementen. PZT piëzo-elektrische keramische halve bol kan worden geplakt op plaatsen waar scheuren of spanningsconcentraties op componenten kunnen optreden. De mechanische impedantie of frequentierespons heeft een hoge gevoeligheid voor schade, waardoor het de belangrijkste indicator is voor het bestuderen van schade-identificatie.

De afgelopen jaren zijn steeds meer onderzoeken naar piëzo-elektrische impedantietechnologie gebruikt bij structurele gezondheidsdiagnostiek. In 1995 gebruikten Sun en anderen met succes piëzo-elektrische impedantietechnologie voor structurele gezondheidsdiagnose van geassembleerde steigers, wat werd beschouwd als het begin van de toepassing van piëzo-elektrische impedantietechnologie op het gebied van structurele gezondheidsdiagnose. Het voordeel van piëzo-elektrische impedantietechnologie is dat deze gevoelig is voor kleine beschadigingen aan de structuur, wat bevorderlijk is voor het detecteren van het initiële falen van de structuur. Bovendien wordt het piëzo-elektrische materiaal PZT (loodzirkonaattitanaat piëzo-elektrische keramiek) vaak gebruikt in piëzo-elektrische impedantietechnologie, heeft het een klein formaat en een eenvoudige en betrouwbare structuur. Bovendien is PZT alleen gevoelig voor veranderingen in het lokale gebied eromheen, wat helpt om de algehele massabelasting van de constructie te isoleren, het verandert in structurele stijfheid en randvoorwaarden, en de impact van structurele schade nabij PZT-piëzo op de meetresultaten. Daarom is deze techniek geschikt voor het volgen van monitoringverbindingen die strenge eisen stellen aan de structurele integriteit of een grote impact hebben op de levensduur van de constructie en waarbij schade niet eenvoudig te detecteren is. Dit artikel introduceert de basisprincipes van piëzo-elektrische impedantietechnologie voor structurele gezondheidsdiagnose.

Inleiding tot piëzo-elektrische materialen

Piëzo-elektrisch materiaal is een speciaal diëlektrisch materiaal met een piëzo-elektrisch effect en een omgekeerd piëzo-elektrisch effect. Het piëzo-elektrische effect is een kenmerk van bepaalde piëzo-kristallen die in 1880 door de Franse broers P.Curie en J.Curie zijn ontdekt. ​​Wanneer een mechanische kracht (of druk wordt opgeheven) wordt uitgeoefend op het piëzo-elektrische lichaam in zijn polarisatierichting, zal het piëzo-elektrische lichaam een ​​laad- en ontladingsverschijnsel genereren. Dit fenomeen wordt het positieve piëzo-elektrische effect genoemd,integendeel, er wordt een piëzo-elektrisch lichaam op het piëzo-elektrische lichaam toegepast. Een elektrisch veld met dezelfde (of tegengestelde) polarisatierichting veroorzaakt twee effecten: het omgekeerde piëzo-elektrische effect en het elektrostrictieve effect. Het omgekeerde piëzo-elektrische effect, dat wil zeggen dat het diëlektricum mechanisch wordt vervormd onder invloed van een extern elektrisch veld, en de grootte van de spanning is evenredig met de grootte van het aangelegde elektrische veld, en de richting is gerelateerd aan de richting van het elektrische veld. Het elektrostrictieve effect, dat wil zeggen het diëlektrische veld F, dat spanning veroorzaakt als gevolg van geïnduceerde polarisatie. De spanning is evenredig met het kwadraat van het elektrische veld en heeft niets te maken met de richting van het elektrische veld. Het omgekeerde piëzo-elektrische effect en het elektrostrictieve effect zijn in wezen het resultaat van polarisatie van het diëlektrische kristal onder invloed van een extern elektrisch veld, waardoor het kristalrooster wordt vervormd en zich manifesteert als een mechanische spanning op macroschaal. Piëzokeramiek wordt piëzo-elektrische keramiek genoemd door ingrediënten te mengen, bij hoge temperatuur te sinteren en de vaste deeltjes willekeurig tussen de deeltjes te verzamelen. PZT-piëzo kan worden gebruikt als sensorelement en aandrijfelement, en kan worden ingebed met andere materialen om een ​​composietmateriaal te vormen, waardoor het een breed scala aan toepassingsmogelijkheden heeft, zoals vliegtuigbesturing op vliegtuigvleugels en trillingscontrolesystemen. Actieve controle van trillingen en geluid, structurele gezondheidsmonitoring in apparatuur, enz.

De belangrijkste kenmerken van PZT-toepassing in slimme materiaalstructuren zijn:

① Kan zowel als driver als als sensor worden gebruikt;
② Bij gebruik als driver is het excitatievermogen klein;
③ De reactiesnelheid is sneller, namelijk 1000 keer die van de vormgeheugenlegering;
④ De maat kan klein en dun worden gemaakt en kan op het oppervlak van de constructie worden geïnstalleerd of in de constructie worden begraven;
⑤ De combinatie is flexibel. Het kan worden gebruikt in de vorm van relatief grote stukken, maar het kan ook in kleine stukjes worden gebruikt.

PZT-structuur
PZT-piëzo-keramiek is een continue vaste oplossing van Pbzro3 en PbTio3 en heeft een ABO3-perovskietstructuur. PZT, ontdekt in het begin van de jaren vijftig, is een belangrijk piëzo-elektrisch ferro-elektrisch materiaal met een belangrijke technische toepassingswaarde. Piëzo-elektrische keramiek is kristallijne diëlektrische materialen die geen symmetriecentrum hebben. Een kristallijn diëlektricum dat geen symmetriecentrum heeft, heeft geen 432-punts groepskristal met een extreem laag invers piëzo-elektrisch effect vanwege de extreem hoge symmetrie. De vervorming van het symmetrische diëlektricum van het kristal veroorzaakt door het omgekeerde piëzo-elektrische effect. Onder invloed van het elektrische veld wordt het diëlektricum gepolariseerd. Omdat er geen ionische binding bestaat tussen het ion aan de meest linkse kant en het meest rechtse positieve ion (en andere (chemische bindingen), kan er tijdens het polarisatieproces een grote relatieve verplaatsing tussen hen optreden, wat een groot omgekeerd piëzo-elektrisch effect op macroschaal laat zien. Uitgedrukt als: S = dE, wat evenredig is met de grootte van het elektrische veld. Dat wil zeggen dat voor piëzo-elektrische materialen elektrische en mechanische grootheden aan elkaar zijn gekoppeld. De energie die in het medium is opgeslagen, bestaat uit twee delen, het ene is spanningsenergie en het andere is elektromagnetische energie. Volgens de moderne theorie van de structurele dynamiek zullen, wanneer er schade en defecten optreden in de apparatuur en de structuur, zoals scheuren, losse bouten, enz., de stijfheid en de mechanische impedantie-eigenschappen ervan veranderen, en zullen de natuurlijke frequentie en de modus van de structuur ook veranderen. Daarom kan de mate van schade kwantitatief worden bepaald op basis van veranderingen in de mechanische impedantie. De verandering van de mechanische dynamische impedantie met de frequentie is echter moeilijk te meten met conventionele methoden piëzo-elektrische elementen, PZT-piëzo-keramiek kan fungeren als zowel een aandrijfelement als een sensorelement om de structuur te prikkelen om de dynamische respons van de structuur te verkrijgen, waardoor een brug wordt gelegd tussen mechanische kenmerken en elektrische informatie, en mechanische dynamische impedantie-informatie. Veranderingen kunnen worden gereflecteerd door eenvoudige gemeten elektrische informatie de bovenste en onderste PZT's worden onderworpen aan dezelfde spanning, ze zullen longitudinale trillingen van de balk veroorzaken; wanneer de sperspanning wordt toegepast, zullen ze buigtrilling van de balk veroorzaken. Op zijn beurt veroorzaakt de trilling vervorming van de balk, en de vervormingskarakteristieken kunnen worden gereflecteerd in de vorm van elektrische signalen door de detectiekarakteristieken van de piëzo-elektrische keramische plaat. Daarom kunnen de dynamische toelatingskarakteristieken van de piëzo-elektrische keramische plaat die op de structuur is geplakt de schadestatus van de structuur weerspiegelen toegang (inverse impedantie) wordt verkregen uit het piëzo-elektrische koppelingseffect en de interactie van PZT met de structuur. De capacitieve toegang van een vrije PZT piëzo-elektrische cilindertransducer is de basislijn van de toegang als functie van de frequentie. Het tweede item bevat de impedantie-informatie van het PZT-materiaal zelf en de impedantie-informatie van de externe structuur. Gezien het feit dat het piëzo-elektrische systeem is bepaald nadat de piëzo-elektrische keramische plaat aan de externe structuur is bevestigd, is de impedantie AZ van het PZT-materiaal zelf constant, en is de impedantiewaarde van de externe structuur de enige parameter die de tweede term beïnvloedt, waardoor het hele piëzo-elektrische systeem wordt bestuurd. Veranderingen in toegang Y. Wanneer de parameters en prestaties van PZT constant worden gehouden, bepaalt de structurele impedantie Z op unieke wijze de waarde van de tweede term. Elke verandering in de piëzo-elektrische natriumgeleiding komt overeen met structurele schade en defecten, zodat de waarde van de piëzo-elektrische natriumgeleiding kan worden gebruikt om structuurschade te identificeren.

Implementatie van PZT voor structurele gezondheidsmonitoring

Vanwege het piëzo-elektrische effect en het omgekeerde piëzo-elektrische effect van het piëzo-elektrische element heeft het piëzo-elektrische element een dubbele functie: aandrijven en waarnemen. Met behulp van deze functie is het mogelijk om online en realtime gezondheidsmonitoring van de structuur te realiseren. Een deel van het PZT-materiaal is via een draad verbonden met de stroombron die het excitatiesignaal genereert. De spanning of lading wordt gebruikt om de voeding aan te sturen om een ​​excitatiesignaal (spanning of lading) aan de PZT toe te passen. Omdat het PZT-materiaal het omgekeerde piëzo-elektrische effect heeft, dat wil zeggen dat het zal vervormen onder invloed van een elektrisch veld. Het PZT-materiaal wordt ingebed (of geplakt) op het basismateriaal, zodat de eigen vervorming wordt doorgegeven aan het basismateriaal, waarbij het basismateriaal vervormt of samen beweegt. Op dit moment is de PZT equivalent aan een driver en genereert hij vervorming door het ontvangen van het excitatiesignaal. Tegelijkertijd sommige PZT-materiaal piëzokeramische buizen zijn op het basismateriaal aangebracht en zijn niet aangesloten op de voeding. Wanneer het basismateriaal vervormt of beweegt, wordt deze vervorming of beweging doorgegeven aan het PZT-materiaal. Vanwege het piëzo-elektrische effect van het PZT-materiaal wordt er een elektrische lading gegenereerd in het PZT-materiaal, en de grootte van de elektrische lading verandert met de grootte van de vervorming of beweging. Op dit moment is de PZT gelijk aan een sensor. Gebruik vervolgens het meetapparaat om het uitgangssignaal van deze PZT-sensor in realtime te meten en te verzamelen, en het kan de vervorming of beweging van het basismateriaal in realtime en online weerspiegelen, om de realtime en online gezondheidsmonitoring van de structuur te realiseren.

Vergelijk de in realtime verzamelde gegevens met de trillingsgegevens wanneer de structuur normaal is, en kijk of het PZT-uitvoersignaal verandert (zoals scheuren of losheid van de structuur, enz.). In theorie zal dit ervoor zorgen dat de PZT-uitvoer in de structuur verandert. Als deze verandert, wordt ervan uitgegaan dat de structuur een fout heeft. Wanneer er een fout optreedt, kan het signaal op tijd naar de controller worden verzonden om de structuurfout tijdig aan te pakken om online, realtime monitoring, foutdiagnose en foutverwerking van de structuur te bereiken.

PZT kan fungeren als zowel een aandrijfelement als een sensorelement om de constructie te prikkelen om de dynamische respons van de constructie te verkrijgen. Het principe van positief en omgekeerd piëzo-elektrisch effect wordt gebruikt om de dynamische responsrelatie tussen de piëzo-elektrische keramische plaat en de externe structuur te analyseren. Wanneer de externe structuur verandert, verandert ook de overeenkomstige piëzo-elektrische impedantie. Door de toelatingsverandering van het piëzo-elektrische keramiek te meten, kan de toestand van de structuur in realtime worden voorspeld. PZT is geschikt voor zowel macroschade als kleine schade, en heeft goede ontwikkelingsperspectieven bij de structurele gezondheidsmonitoring van gebouwen in de toekomst.