Aplicarea ceramicii piezoelectrice în monitorizarea sănătății structurale

PZT poate fi folosit nu numai pentru a face diverse produse piezoelectrice, dar în ultimii ani PZT este aplicat treptat pentru detectarea daunelor structurale. În conformitate cu efectele piezoelectrice pozitive și inverse ale materialelor piezoelectrice, ceramica piezoelectrică PZT poate fi utilizată atât ca elemente de antrenare, cât și ca elemente de detectare. PZT Emisfera ceramică piezoelectrică poate fi lipită în locuri unde este posibil să apară fisuri sau concentrații de tensiuni pe componente. Impedanța mecanică sau răspunsul în frecvență are o sensibilitate ridicată la daune, ceea ce îl face principalul indicator pentru studierea identificării daunelor.

În ultimii ani, din ce în ce mai multe cercetări privind tehnologia impedanței piezoelectrice au fost utilizate în diagnosticarea sănătății structurale. În 1995, Sun și alții au folosit cu succes tehnologia de impedanță piezoelectrică pentru diagnosticarea sănătății structurale a schelelor asamblate, ceea ce a fost considerat a fi începutul aplicării tehnologiei de impedanță piezoelectrică în domeniul diagnosticului de sănătate structurală. Avantajul tehnologiei de impedanță piezoelectrică este sensibil la deteriorări mici ale structurii, ceea ce ajută la detectarea defecțiunii inițiale a structurii. Mai mult, materialul piezoelectric PZT (ceramica piezoelectrică cu zirconat de plumb) este adesea folosit în tehnologia de impedanță piezoelectrică are o dimensiune mică și o structură Simplă și fiabilă. În plus, PZT este sensibil doar la schimbările din zona locală din jurul său, ceea ce ajută la izolarea sarcinii totale a structurii, se modifică în rigiditatea structurală și condițiile de limită și impactul daunelor structurale din apropierea piezo PZT asupra rezultatelor măsurătorii. Prin urmare, această tehnică este potrivită pentru urmărirea legăturilor de monitorizare care au cerințe stricte privind integritatea structurală sau au un impact mare asupra duratei de viață a structurii, iar deteriorarea nu este ușor de detectat. Acest articol va introduce principiile de bază ale tehnologiei impedanței piezoelectrice pentru diagnosticarea sănătății structurale.

Introducere în materialele piezoelectrice

Materialul piezoelectric este un material dielectric special cu efect piezoelectric și efect piezoelectric invers. Efectul piezoelectric este o caracteristică a anumitor cristale piezoelectrice descoperite de frații francezi P.Curie și J.Curie în 1880. Când se aplică o forță mecanică (sau presiune) corpului piezoelectric în direcția de polarizare, corpul piezoelectric va genera un fenomen de încărcare și descărcare. Acest fenomen se numește efect piezoelectric pozitiv, dimpotrivă, un corp piezoelectric este aplicat corpului piezoelectric. Un câmp electric cu aceeași direcție de polarizare (sau opusă) provoacă două efecte: efectul piezoelectric invers și efectul electrostrictiv. Efectul piezoelectric invers, adică dielectricul este deformat mecanic sub acțiunea unui câmp electric extern, iar mărimea deformarii este proporțională cu mărimea câmpului electric aplicat, iar direcția este legată de direcția câmpului electric. Efectul electrostrictiv, adică câmpul dielectric F, care provoacă deformare din cauza polarizării induse. Deformarea este proporțională cu pătratul câmpului electric și nu are nimic de-a face cu direcția câmpului electric. Efectul piezoelectric invers și efectul electrostrictiv sunt în esență rezultatele polarizării cristalului dielectric sub acțiunea unui câmp electric extern, care determină distorsionarea rețelei cristaline și se manifestă ca o deformare mecanică la scară macro. Piezoceramica se numește ceramică piezoelectrică prin amestecarea ingredientelor, sinterizarea la temperatură ridicată și adunarea aleatorie a particulelor solide între particule. Piezo PZT poate fi folosit ca element de detectare și element de conducere și poate fi încorporat cu alte materiale pentru a forma un material compozit, astfel încât are o gamă largă de perspective de aplicare, cum ar fi controlul aeronavelor pe aripile aeronavei și sistemele de control al vibrațiilor. Controlul activ al vibrațiilor și zgomotului, monitorizarea sănătății structurale în echipamente etc.

Principalele caracteristici ale aplicației PZT în structurile materiale inteligente sunt:

① Poate fi folosit atât ca șofer, cât și ca senzor;
② Când este utilizat ca driver, puterea sa de excitare este mică;
③ Viteza de răspuns este mai rapidă, care este de 1.000 de ori mai mare decât cea a aliajului cu memorie de formă;
④ Dimensiunea poate fi făcută mică și subțire și poate fi instalată pe suprafața structurii sau îngropată în structură;
⑤ Combinația este flexibilă. Poate fi folosit sub formă de bucăți relativ mari, sau poate fi folosit în bucăți mici.

Structura PZT
Piezoceramica PZT este o soluție solidă continuă de Pbzro3 și PbTio3 și are o structură de perovskit ABO3. Găsit la începutul anilor 1950, PZT este un material feroelectric piezoelectric important cu o valoare de aplicare tehnică importantă. Ceramica piezoelectrică este materiale dielectrice cristaline care nu au un centru de simetrie. Un dielectric cristalin care nu are un centru de simetrie nu are un grup de cristal de 432 de puncte cu efect piezoelectric invers extrem de scăzut datorită simetriei extrem de ridicate. Deformarea dielectricului simetric al cristalului cauzată de efectul piezoelectric invers. Sub acțiunea câmpului electric, dielectricul este polarizat. Deoarece nu există nicio legătură ionică între ionul din partea stângă și ionul pozitiv din dreapta (și altele (legături chimice), astfel încât în timpul procesului de polarizare, poate apărea o deplasare relativă mare între ele, ceea ce arată un efect piezoelectric invers mare la scară macro. Exprimat ca: S = dE, care este proporțional cu magnitudinea câmpului electric. Adică, pentru materialele piezoelectrice sunt cuplate cu alte cantități mecanice și electrice. în mediu este format din două părți, una este energia de deformare, iar cealaltă este energia electromagnetică, conform teoriei moderne a dinamicii structurale, atunci când apar deteriorări și defecte în echipament și structură, cum ar fi fisuri, șuruburi slăbite, etc., rigiditatea și caracteristicile de impedanță mecanică se vor schimba, iar frecvența naturală și modul de structură se vor schimba, de asemenea, în funcție de modificarea cantitativă a impactului de impedanță dinamică mecanică cu frecvență este dificil de măsurat cu metode convenționale Utilizând caracteristicile de auto-conducere și auto-detecție ale elementelor piezoelectrice, ceramica piezoelectrică PZT poate acționa atât ca element de antrenare, cât și ca element de detectare pentru a excita structura pentru a obține răspunsul dinamic al structurii, stabilind astfel o punte între caracteristicile mecanice și informația electrică reflectată simplă Când o anumită tensiune externă este aplicată pe suprafața tablei ceramice piezoelectrice, se generează o forță de suprafață laterală pe suprafața fasciculului. Aceste forțe de suprafață vor conduce fasciculul pentru a genera vibrații diferite (când PZT-urile superioare și inferioare sunt supuse la aceeași tensiune, vor provoca vibrații longitudinale a fasciculului; atunci când este aplicată tensiunea inversă, vor provoca vibrația. fasciculul, iar caracteristicile de deformare pot fi reflectate sub formă de semnale electrice prin caracteristicile de detectare ale foii ceramice piezoelectrice. Prin urmare, caracteristicile de admitere dinamice ale foii ceramice piezoelectrice lipite pe structură pot reflecta starea de deteriorare a structurii PZT traductorul cilindru piezoelectric este linia de bază a admitanței în funcție de frecvență. Al doilea articol conține informațiile despre impedanța materialului PZT în sine și informațiile despre impedanța structurii externe. Având în vedere că sistemul piezoelectric a fost determinat după ce placa ceramică piezoelectrică este atașată la structura exterioară, impedanța AZ a materialului PZT în sine este constantă, iar valoarea impedanței structurii externe este singurul parametru care afectează al doilea termen, controlând astfel întregul sistem piezoelectric. Modificări ale admitanței Y. Când parametrii și performanța PZT sunt menținute constante, impedanța structurală Z determină în mod unic valoarea celui de-al doilea termen. Orice modificare a conductivității sodiului piezoelectric corespunde deteriorării structurale și defectelor, astfel încât valoarea conductibilității sodiului piezoelectric poate fi utilizată pentru a identifica deteriorarea structurii.

Implementarea PZT pentru monitorizarea structurala a sanatatii

Datorită efectului piezoelectric și efectului piezoelectric invers al elementului piezoelectric, elementul piezoelectric are o funcție dublă de conducere și detecție. Folosind această caracteristică, este posibil să se realizeze monitorizarea sănătății online și în timp real a structurii. O parte din materialul PZT este conectată la sursa de alimentare care generează semnalul de excitație printr-un fir. Tensiunea sau încărcarea este utilizată pentru a conduce sursa de alimentare pentru a aplica un semnal de excitare (tensiune sau încărcare) la PZT. Deoarece materialul PZT are efectul piezoelectric invers, adică se va deforma sub acțiunea unui câmp electric. Materialul PZT este încorporat (sau lipit) pe materialul de bază, astfel încât propria sa deformare va fi transmisă materialului de bază, materialul de bază deformându-se sau deplasându-se împreună. În acest moment, PZT este echivalent cu un driver și generează deformare prin primirea semnalului de excitație. În același timp, unii Tuburile piezoceramice din material PZT sunt dispuse pe materialul de bază și nu sunt conectate la sursa de alimentare. Când materialul de bază se deformează sau se mișcă, această deformare sau mișcare va fi transmisă materialului PZT. Datorită efectului piezoelectric al materialului PZT, în interiorul materialului PZT este generată o sarcină electrică, iar mărimea sarcinii electrice se modifică odată cu mărimea deformării sau a mișcării. În acest moment, PZT este echivalent cu un senzor. Apoi utilizați dispozitivul de măsurare pentru a măsura și colecta semnalul de ieșire al acestui senzor PZT în timp real și poate reflecta deformarea sau mișcarea materialului de bază în timp real și online, astfel încât să realizeze monitorizarea sănătății în timp real și online a structurii.

Comparați datele colectate în timp real cu datele de vibrație atunci când structura este normală și vedeți dacă semnalul de ieșire PZT se modifică (cum ar fi fisuri sau slăbirea structurii etc., în teorie, aceasta va duce la schimbarea ieșirii PZT în structură. Dacă se modifică, se consideră că structura are o defecțiune. Când are loc o defecțiune, semnalul poate fi transmis către un controler online în timp util, pentru a ajunge la un controler online în timp util. monitorizarea în timp real, diagnosticarea defecțiunilor și procesarea defecțiunilor structurii.

PZT poate acționa atât ca element de antrenare, cât și ca element de detectare pentru a excita structura pentru a obține răspunsul dinamic al structurii. Principiul efectului piezoelectric pozitiv și invers este utilizat pentru a analiza relația de răspuns dinamic dintre placa ceramică piezoelectrică și structura externă. Când structura externă se modifică, se modifică și impedanța piezoelectrică corespunzătoare. Măsurând modificarea de admitere a ceramicii piezoelectrice, starea structurii poate fi prezisă în timp real. PZT este potrivit atât pentru daune macro, cât și pentru daune minore, și care are o bună perspectivă de dezvoltare în monitorizarea sănătății structurale a clădirilor în viitor.