Zastosowanie ceramiki piezoelektrycznej w monitorowaniu stanu konstrukcji

PZT można wykorzystać nie tylko do wytwarzania różnych produktów piezoelektrycznych, ale w ostatnich latach PZT jest stopniowo stosowany do wykrywania uszkodzeń konstrukcji. Ze względu na dodatnie i odwrotne działanie piezoelektryczne materiałów piezoelektrycznych, ceramika piezoelektryczna PZT może być stosowana zarówno jako elementy napędowe, jak i czujnikowe. PZT piezoelektryczną półkulę ceramiczną można wkleić w miejscach, w których prawdopodobne jest wystąpienie pęknięć lub koncentracji naprężeń na elementach. Impedancja mechaniczna lub charakterystyka częstotliwościowa charakteryzuje się dużą wrażliwością na uszkodzenia, co czyni ją głównym wskaźnikiem do badania identyfikacji uszkodzeń.

W ostatnich latach coraz więcej badań nad technologią impedancji piezoelektrycznej wykorzystuje się w diagnostyce stanu strukturalnego. W 1995 roku firma Sun i inni z powodzeniem zastosowali technologię impedancji piezoelektrycznej do diagnostyki stanu konstrukcji zmontowanych rusztowań, co uznano za początek zastosowania technologii impedancji piezoelektrycznej w diagnostyce stanu konstrukcji. Zaletą technologii impedancji piezoelektrycznej jest to, że jest ona wrażliwa na niewielkie uszkodzenia konstrukcji, co sprzyja wykryciu początkowej awarii konstrukcji. Co więcej, materiał piezoelektryczny PZT (ceramika piezoelektryczna z cyrkonianem ołowiu i tytanianem ołowiu) często jest stosowany w technologii impedancji piezoelektrycznej, ma niewielkie rozmiary i budowę prostą i niezawodną. Ponadto PZT jest wrażliwy jedynie na zmiany w lokalnym obszarze wokół niego, co pozwala wyizolować całkowite obciążenie masowe konstrukcji, zmiany sztywności konstrukcji i warunków brzegowych oraz wpływ uszkodzeń konstrukcji w pobliżu piezoelektrycznego PZT na wyniki pomiarów. Dlatego technika ta nadaje się do śledzenia łączy monitorujących, które mają rygorystyczne wymagania dotyczące integralności strukturalnej lub mają duży wpływ na żywotność konstrukcji, a uszkodzenia nie są łatwe do wykrycia. W tym artykule zostaną przedstawione podstawowe zasady technologii impedancji piezoelektrycznej do diagnostyki stanu konstrukcji.

Wprowadzenie do materiałów piezoelektrycznych

Materiał piezoelektryczny to specjalny materiał dielektryczny o efekcie piezoelektrycznym i odwrotnym efekcie piezoelektrycznym. Efekt piezoelektryczny jest cechą charakterystyczną niektórych kryształów piezoelektrycznych odkrytych przez francuskich braci P.Curie i J.Curie w 1880 roku. Kiedy do korpusu piezoelektrycznego zostanie przyłożona siła mechaniczna (lub ciśnienie) w kierunku jego polaryzacji, ciało piezoelektryczne wygeneruje zjawisko ładowania i rozładowywania. Zjawisko to nazywa się dodatnim efektem piezoelektrycznym, wręcz przeciwnie, na korpus piezoelektryczny nakłada się korpus piezoelektryczny. Pole elektryczne o tym samym (lub przeciwnym) kierunku polaryzacji powoduje dwa efekty: odwrotny efekt piezoelektryczny i efekt elektrostrykcyjny. Odwrotny efekt piezoelektryczny, to znaczy dielektryk odkształca się mechanicznie pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego, a wielkość odkształcenia jest proporcjonalna do wielkości przyłożonego pola elektrycznego, a kierunek jest powiązany z kierunkiem pola elektrycznego. Efekt elektrostrykcyjny, czyli pole dielektryczne F, które powoduje odkształcenie w wyniku indukowanej polaryzacji. Odkształcenie jest proporcjonalne do kwadratu pola elektrycznego i nie ma nic wspólnego z kierunkiem pola elektrycznego. Odwrotny efekt piezoelektryczny i efekt elektrostrykcyjny są w istocie wynikiem polaryzacji kryształu dielektrycznego pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego, co powoduje zniekształcenie sieci krystalicznej i objawia się mechanicznym odkształceniem w skali makro. Piezoceramiki nazywane są ceramiką piezoelektryczną, polegającą na mieszaniu składników, spiekaniu w wysokiej temperaturze i losowym gromadzeniu cząstek stałych pomiędzy cząstkami. Piezo PZT może służyć jako element czujnikowy i element napędowy, a także może być osadzany z innymi materiałami, tworząc materiał kompozytowy, dzięki czemu ma szerokie perspektywy zastosowań, takie jak sterowanie samolotami na skrzydłach samolotów czy systemy kontroli drgań. Aktywna kontrola wibracji i hałasu, monitorowanie stanu konstrukcji sprzętu itp.

Główne cechy zastosowania PZT w inteligentnych konstrukcjach materiałowych to:

① Może być używany zarówno jako sterownik, jak i czujnik;
② Gdy jest używany jako sterownik, jego moc wzbudzenia jest niewielka;
③ Szybkość reakcji jest większa, czyli 1000 razy większa niż w przypadku stopu z pamięcią kształtu;
④ Rozmiar może być mały i cienki i można go zainstalować na powierzchni konstrukcji lub zakopać w konstrukcji;
⑤ Kombinacja jest elastyczna. Można go stosować w postaci stosunkowo dużych kawałków lub można go stosować w małych kawałkach.

Struktura PZT
Ceramika piezoelektryczna PZT jest ciągłym, stałym roztworem Pbzro3 i PbTio3 i ma strukturę perowskitu ABO3. Odkryty na początku lat pięćdziesiątych XX wieku PZT jest ważnym piezoelektrycznym materiałem ferroelektrycznym o ważnych technicznych walorach aplikacyjnych. Ceramika piezoelektryczna to krystaliczne materiały dielektryczne, które nie mają środka symetrii. Krystaliczny dielektryk, który nie ma środka symetrii, nie ma 432-punktowego kryształu grupowego o wyjątkowo niskim odwrotnym efekcie piezoelektrycznym ze względu na wyjątkowo wysoką symetrię. Odkształcenie symetrycznego dielektryka kryształu spowodowane odwrotnym efektem piezoelektrycznym. Pod wpływem pola elektrycznego dielektryk ulega polaryzacji. Ponieważ pomiędzy jonem skrajnie lewym a jonem dodatnim położonym najbardziej na prawo (i innymi (wiązaniami chemicznymi) nie ma wiązania jonowego, w trakcie procesu polaryzacji może nastąpić między nimi duże przemieszczenie względne, co w skali makro wykazuje duży odwrotny efekt piezoelektryczny. Wyraża się to wzorem: S = dE, co jest proporcjonalne do wielkości pola elektrycznego. Oznacza to, że w przypadku materiałów piezoelektrycznych wielkości elektryczne i mechaniczne są ze sobą sprzężone. Energia zmagazynowana w ośrodku składa się z dwóch części, jedna to energia odkształcenia i druga to energia elektromagnetyczna, zgodnie z nowoczesną teorią dynamiki strukturalnej, gdy w sprzęcie i konstrukcji wystąpią uszkodzenia i defekty, takie jak pęknięcia, luźne śruby itp., zmieni się jej sztywność i charakterystyka impedancji mechanicznej, a także zmieni się częstotliwość drgań własnych i tryb konstrukcji. Dlatego też stopień uszkodzenia można określić ilościowo na podstawie zmian impedancji mechanicznej. Jednakże zmianę mechanicznej impedancji dynamicznej wraz z częstotliwością trudno jest zmierzyć za pomocą konwencjonalnych metod elementów, ceramika piezoelektryczna PZT może działać zarówno jako element napędowy, jak i element czujnikowy, pobudzający konstrukcję w celu uzyskania dynamicznej odpowiedzi konstrukcji, ustanawiając w ten sposób pomost pomiędzy charakterystyką mechaniczną a informacjami elektrycznymi oraz informacjami o mechanicznej impedancji dynamicznej. Zmiany można odzwierciedlić za pomocą prostych zmierzonych informacji elektrycznych PZT są poddawane działaniu tego samego napięcia, powodują drgania wzdłużne belki, po przyłożeniu napięcia wstecznego powodują drgania zginające belki, z kolei wibracje powodują odkształcenie belki, a charakterystyka odkształcenia może zostać odzwierciedlona w postaci sygnałów elektrycznych poprzez charakterystykę wykrywania piezoelektrycznego arkusza ceramicznego. Dlatego charakterystyka impedancji dynamicznej piezoelektrycznego arkusza ceramicznego naklejonego na konstrukcję może odzwierciedlać stan uszkodzenia konstrukcji Akceptancja (impedancja odwrotna) jest uzyskiwana z efektu sprzężenia piezoelektrycznego i oddziaływania PZT z konstrukcją. Dopuszczalność pojemnościowa wolnego PZT Piezoelektryczny przetwornik cylindryczny jest podstawą dopuszczenia w funkcji częstotliwości. Druga pozycja zawiera informację o impedancji samego materiału PZT oraz informację o impedancji struktury zewnętrznej. Biorąc pod uwagę, że układ piezoelektryczny został wyznaczony po przymocowaniu piezoelektrycznej płyty ceramicznej do konstrukcji zewnętrznej, impedancja AZ samego materiału PZT jest stała, a wartość impedancji konstrukcji zewnętrznej jest jedynym parametrem wpływającym na drugi człon, kontrolując w ten sposób cały układ piezoelektryczny. Zmiany dopuszczalności Y. Gdy parametry i wydajność PZT są utrzymywane na stałym poziomie, impedancja strukturalna Z jednoznacznie określa wartość drugiego członu. Jakakolwiek zmiana w przewodności piezoelektrycznej sodu odpowiada uszkodzeniom i defektom strukturalnym, dzięki czemu wartość piezoelektrycznej przewodności sodu można wykorzystać do zidentyfikowania uszkodzeń konstrukcji.

Wdrożenie PZT do monitorowania stanu konstrukcji

Ze względu na efekt piezoelektryczny i odwrotny efekt piezoelektryczny elementu piezoelektrycznego, element piezoelektryczny ma podwójną funkcję napędzania i wykrywania. Dzięki tej funkcji możliwe jest monitorowanie stanu konstrukcji w trybie online i w czasie rzeczywistym. Część materiału PZT połączona jest przewodem ze źródłem prądu generującym sygnał wzbudzenia. Napięcie lub ładunek służy do napędzania zasilacza w celu podania sygnału wzbudzenia (napięcia lub ładunku) do PZT. Ponieważ materiał PZT ma odwrotny efekt piezoelektryczny, to znaczy odkształca się pod wpływem pola elektrycznego. Materiał PZT jest osadzany (lub wklejany) na materiale bazowym, w związku z czym jego własne odkształcenie zostanie przeniesione na materiał bazowy, przy czym materiał bazowy będzie się odkształcał lub poruszał razem. W tym momencie PZT pełni funkcję sterownika i generuje odkształcenie odbierając sygnał wzbudzenia. Jednocześnie niektórzy Rurki piezoceramiczne z materiału PZT są ułożone na materiale bazowym i nie są podłączone do źródła zasilania. Kiedy materiał podstawowy odkształca się lub porusza, to odkształcenie lub ruch zostaną przeniesione na materiał PZT. Ze względu na efekt piezoelektryczny materiału PZT, wewnątrz materiału PZT generowany jest ładunek elektryczny, którego wielkość zmienia się wraz z wielkością odkształcenia lub ruchu. W tym momencie PZT jest odpowiednikiem czujnika. Następnie użyj urządzenia pomiarowego, aby zmierzyć i zebrać sygnał wyjściowy tego czujnika PZT w czasie rzeczywistym, który może odzwierciedlać odkształcenie lub ruch materiału podstawowego w czasie rzeczywistym i online, aby zrealizować monitorowanie stanu konstrukcji w czasie rzeczywistym i online.

Porównaj dane zebrane w czasie rzeczywistym z danymi dotyczącymi drgań, gdy konstrukcja jest w stanie normalnym i sprawdź, czy sygnał wyjściowy PZT ulega zmianom (takim jak pęknięcia lub luzy konstrukcji itp., teoretycznie spowoduje to zmianę sygnału wyjściowego PZT w konstrukcji. Jeśli ulegnie zmianie, uznaje się, że konstrukcja uległa awarii. W przypadku wystąpienia awarii sygnał może zostać przesłany do sterownika na czas, aby uporać się z awarią konstrukcji w odpowiednim czasie, aby uzyskać monitorowanie online w czasie rzeczywistym, diagnozowanie awarii i przetwarzanie awarii konstrukcji.

PZT może działać zarówno jako element napędowy, jak i element czujnikowy, wzbudzający konstrukcję w celu uzyskania dynamicznej odpowiedzi konstrukcji. Zasada dodatniego i odwrotnego efektu piezoelektrycznego służy do analizy zależności odpowiedzi dynamicznej pomiędzy piezoelektrycznym arkuszem ceramicznym a konstrukcją zewnętrzną. Kiedy zmienia się struktura zewnętrzna, zmienia się również odpowiednia impedancja piezoelektryczna. Mierząc zmianę addycji ceramiki piezoelektrycznej, można przewidzieć stan konstrukcji w czasie rzeczywistym. PZT nadaje się zarówno do makro uszkodzeń, jak i drobnych uszkodzeń i ma dobre perspektywy rozwoju w zakresie monitorowania stanu konstrukcji budynków w przyszłości.