Anvendelse av piezoelektrisk keramikk i strukturell helseovervåking

PZT kan ikke bare brukes til å lage ulike piezoelektriske produkter, men de siste årene har PZT gradvis blitt brukt til å oppdage strukturelle skader. I henhold til de positive og omvendte piezoelektriske effektene av piezoelektriske materialer, kan PZT piezoelektrisk keramikk brukes som både drivende og følende elementer. PZT piezoelektrisk keramisk halvkule kan limes på steder hvor det er sannsynlig at det oppstår sprekker eller spenningskonsentrasjoner på komponenter. Den mekaniske impedansen eller frekvensresponsen har høy følsomhet for skade, noe som gjør den til hovedindikatoren for å studere skadeidentifikasjon.

De siste årene har flere og flere undersøkelser på piezoelektrisk impedansteknologi blitt brukt i strukturell helsediagnose. I 1995 brukte Sun og andre med suksess piezoelektrisk impedansteknologi for strukturell helsediagnose av sammensatte stillaser, som ble ansett for å være begynnelsen på anvendelsen av piezoelektrisk impedansteknologi innen strukturell helsediagnose. Fordelen med piezoelektrisk impedansteknologi er at den er følsom for små skader på strukturen, noe som bidrar til å oppdage den første feilen i strukturen. Dessuten er det piezoelektriske materialet PZT (bly zirconate titanate piezoelectric keramikk) ofte brukt i piezoelektrisk impedansteknologi har en liten størrelse og en struktur Enkel og pålitelig. I tillegg er PZT bare følsom for endringer i det lokale området rundt det, noe som bidrar til å isolere den totale massebelastningen av strukturen, den endrer strukturell stivhet og grenseforhold, og virkningen av strukturelle skader nær PZT piezo på måleresultatene. Derfor er denne teknikken egnet for sporing av overvåkingskoblinger som har strenge krav til strukturell integritet eller har stor innvirkning på levetiden til strukturen og skader er ikke lett å oppdage. Denne artikkelen vil introdusere de grunnleggende prinsippene for piezoelektrisk impedansteknologi for strukturell helsediagnose.

Introduksjon til piezoelektriske materialer

Piezoelektrisk materiale er et spesielt dielektrisk materiale med en piezoelektrisk effekt og en omvendt piezoelektrisk effekt. Den piezoelektriske effekten er et kjennetegn ved visse piezokrystaller oppdaget av de franske brødrene P.Curie og J.Curie i 1880. Når en mekanisk kraft (eller trykk frigjøres) påføres det piezoelektriske legemet i polarisasjonsretningen, vil det piezoelektriske legemet generere et ladnings- og utladningsfenomen. Dette fenomenet kalles den positive piezoelektriske effekten, tvert imot, et piezoelektrisk legeme påføres det piezoelektriske legeme. Et elektrisk felt med samme (eller motsatt) polarisasjonsretning forårsaker to effekter: den inverse piezoelektriske effekten og den elektrostriktive effekten. Den omvendte piezoelektriske effekten, det vil si at dielektrikumet deformeres mekanisk under påvirkning av et eksternt elektrisk felt, og størrelsen på belastningen er proporsjonal med størrelsen på det påførte elektriske feltet, og retningen er relatert til retningen til det elektriske feltet. Den elektrostriktive effekten, det vil si det dielektriske feltet F, som forårsaker belastning på grunn av indusert polarisering. Tøyningen er proporsjonal med kvadratet av det elektriske feltet og har ingenting med retningen til det elektriske feltet å gjøre. Den omvendte piezoelektriske effekten og den elektrostriktive effekten er i hovedsak resultatet av polarisering av den dielektriske krystallen under påvirkning av et eksternt elektrisk felt, noe som forårsaker at krystallgitteret forvrenges og manifesterer seg som en mekanisk belastning på makroskala. Piezokeramikk kalles piezoelektrisk keramikk ved å blande ingredienser, sintring ved høy temperatur og tilfeldig samle de faste partiklene mellom partiklene. PZT piezo kan brukes som et sensorelement og et drivelement, og kan bygges inn med andre materialer for å danne et komposittmateriale, så det har et bredt spekter av bruksmuligheter, som flykontroll på flyvinger og vibrasjonskontrollsystemer. Aktiv kontroll av vibrasjoner og støy, strukturell helseovervåking i utstyr mv.

Hovedtrekkene til PZT-applikasjon i smarte materialstrukturer er:

① Kan brukes som både driver og sensor;
② Når den brukes som en driver, er eksitasjonskraften liten;
③ Responshastigheten er raskere, som er 1000 ganger den for formminnelegeringen;
④ Størrelsen kan gjøres liten og tynn, og kan installeres på overflaten av strukturen eller begraves i strukturen;
⑤ Kombinasjonen er fleksibel. Den kan brukes i form av relativt store stykker, eller den kan brukes i små stykker.

PZT struktur
PZT piezokeramikk er en kontinuerlig fast løsning av Pbzro3 og PbTio3 og har en ABO3 perovskittstruktur. PZT ble funnet på begynnelsen av 1950-tallet, og er et viktig piezoelektrisk ferroelektrisk materiale med viktig teknisk bruksverdi. Piezoelektrisk keramikk er krystallinske dielektriske materialer som ikke har et symmetrisenter. Et krystallinsk dielektrikum som ikke har et symmetrisenter har ingen 432-punkts gruppekrystall med ekstremt lav invers piezoelektrisk effekt på grunn av den ekstremt høye symmetrien. Deformasjonen av det symmetriske dielektrikumet til krystallen forårsaket av den inverse piezoelektriske effekten. Under påvirkning av det elektriske feltet blir dielektrikumet polarisert. Fordi det ikke er noen ionisk binding mellom sideionet ytterst til venstre og det positive ionet lengst til høyre (og andre (kjemiske bindinger), så under polarisasjonsprosessen kan det oppstå en stor relativ forskyvning mellom dem, som viser en stor invers piezoelektrisk effekt på en makroskala. Uttrykt som: S = dE, som er proporsjonal med størrelsen på det elektriske feltet. Det vil si, mekaniske og piezoelektriske materialer er for elektrisk felt. energien som er lagret i mediet består av to deler, den ene er tøyningsenergi og den andre er elektromagnetisk energi I følge moderne strukturell dynamikkteori, når skader og defekter oppstår i utstyret og strukturen, som sprekker, løse bolter, etc., vil dens stivhet og mekaniske impedansegenskaper endres, og derfor vil også modusen av skaden endres kvantitativt basert på endringer i mekanisk impedans Men endringen av mekanisk dynamisk impedans med frekvens er vanskelig å måle med konvensjonelle metoder. Ved å utnytte de selvkjørende og selvfølende egenskapene til piezoelektriske elementer, kan PZT piezokeramikk fungere som både et drivelement og en dynamisk struktur for å etablere en struktur. mellom mekaniske egenskaper og elektrisk informasjon, og mekanisk dynamisk impedansinformasjon kan reflekteres av enkel målt elektrisk informasjon. langsgående vibrasjon av strålen; når den omvendte spenningen påføres, vil de forårsake bøyningsvibrasjon av strålen. I sin tur forårsaker vibrasjonen deformasjon av strålen, og deformasjonskarakteristikkene kan reflekteres i form av elektriske signaler gjennom sensingskarakteristikkene til den piezoelektriske keramiske arket. reflekterer skadestatusen til strukturen. Den frekvensavhengige admittansen (invers impedans) oppnås fra den piezoelektriske koblingseffekten og samspillet mellom PZT og den kapasitive admittansen til en fri PZT piezoelektrisk sylinderomformer er grunnlinjen for admittansen som en funksjon av frekvensen. Det andre elementet inneholder impedansinformasjonen til selve PZT-materialet og impedansinformasjonen til den eksterne strukturen. Tatt i betraktning at det piezoelektriske systemet har blitt bestemt etter at det piezoelektriske keramiske arket er festet til den ytre strukturen, er impedansen AZ til selve PZT-materialet konstant, og impedansverdien til den eksterne strukturen er den eneste parameteren som påvirker det andre leddet, og kontrollerer dermed hele det piezoelektriske systemet. Endringer i admittans Y. Når parametrene og ytelsen til PZT holdes konstant, bestemmer den strukturelle impedansen Z på en unik måte verdien av det andre leddet. Enhver endring i piezoelektrisk natriumledningsevne tilsvarer strukturelle skader og defekter, slik at verdien av piezoelektrisk natriumledningsevne kan brukes til å strukturskade identifiseres.

Implementering av PZT for strukturell helseovervåking

På grunn av den piezoelektriske effekten og den omvendte piezoelektriske effekten til det piezoelektriske elementet, har det piezoelektriske elementet en dobbel funksjon av driving og sensing. Ved å bruke denne funksjonen er det mulig å oppnå online og sanntids helseovervåking av strukturen. En del av PZT-materialet er koblet til strømkilden som genererer eksitasjonssignalet gjennom en ledning. Spenningen eller ladningen brukes til å drive strømforsyningen til å påføre et eksitasjonssignal (spenning eller ladning) til PZT. Fordi PZT-materialet har den omvendte piezoelektriske effekten, det vil si at det vil deformeres under påvirkning av et elektrisk felt. PZT-materialet er innebygd (eller limt inn) på basismaterialet, slik at dets egen deformasjon vil bli overført til basismaterialet, med basismaterialet deformeres eller beveger seg sammen. På dette tidspunktet er PZT ekvivalent med en driver og genererer deformasjon ved å motta eksitasjonssignalet. Samtidig noen PZT-materiale piezokeramiske rør er anordnet på grunnmaterialet og er ikke koblet til strømforsyningen. Når grunnmaterialet deformeres eller beveger seg, vil denne deformasjonen eller bevegelsen overføres til PZT-materialet. På grunn av den piezoelektriske effekten av PZT-materialet, genereres en elektrisk ladning inne i PZT-materialet, og størrelsen på den elektriske ladningen endres med størrelsen på deformasjonen eller bevegelsen. På dette tidspunktet tilsvarer PZT en sensor. Bruk deretter måleenheten til å måle og samle utgangssignalet til denne PZT-sensoren i sanntid, og den kan reflektere deformasjonen eller bevegelsen av basismaterialet i sanntid og online, for å realisere sanntids- og online helseovervåking av strukturen.

Sammenlign dataene som er samlet inn i sanntid med vibrasjonsdataene når strukturen er normal, og se om PZT-utgangssignalet endrer seg (som sprekker eller løshet i strukturen, etc., i teorien vil det føre til at PZT-utgangen i strukturen endres. Hvis den endres, anses det som strukturen har en feil. Når en feil oppstår, kan signalet overføres i tide til en styringsenhet for å oppnå svikt på en online måte. sanntidsovervåking, feildiagnose og feilbehandling av strukturen.

PZT kan fungere som både et drivelement og et føleelement for å begeistre strukturen for å oppnå den dynamiske responsen til strukturen. Prinsippet om positiv og invers piezoelektrisk effekt brukes til å analysere det dynamiske responsforholdet mellom det piezoelektriske keramiske arket og den ytre strukturen. Når den ytre strukturen endres, endres også den tilsvarende piezoelektriske impedansen. Ved å måle admittansendringen til den piezoelektriske keramikken, kan tilstanden til strukturen forutsies i sanntid. PZT egner seg både for makroskader og mindre skader, og som har gode utviklingsutsikter innen strukturell helseovervåking av bygninger i fremtiden.