Tillämpning av piezoelektrisk keramik i strukturell hälsoövervakning

PZT kan inte bara användas för att tillverka olika piezoelektriska produkter, utan på senare år har PZT gradvis tillämpats för att upptäcka strukturella skador. Enligt de positiva och omvända piezoelektriska effekterna av piezoelektriska material, kan PZT piezoelektrisk keramik användas som både drivande och avkännande element. PZT piezoelektrisk keramisk halvklot kan klistras på platser där sprickor eller spänningskoncentrationer sannolikt uppstår på komponenter. Den mekaniska impedansen eller frekvenssvaret har hög känslighet för skador, vilket gör den till den främsta indikatorn för att studera skadeidentifiering.

Under de senaste åren har mer och mer forskning om piezoelektrisk impedansteknologi använts i strukturell hälsodiagnos. 1995 använde Sun och andra framgångsrikt piezoelektrisk impedansteknologi för strukturell hälsodiagnos av monterade ställningar, vilket ansågs vara början på tillämpningen av piezoelektrisk impedansteknologi inom området för strukturell hälsodiagnos. Fördelen med piezoelektrisk impedansteknologi är att den är känslig för små skador på strukturen, vilket bidrar till att upptäcka det initiala felet i strukturen. Dessutom används det piezoelektriska materialet PZT (bly zirconate titanate piezoelectric keramik) ofta i piezoelektrisk impedansteknologi har en liten storlek och en struktur Enkel och pålitlig. Dessutom är PZT endast känsligt för förändringar i det lokala området runt det, vilket hjälper till att isolera den totala massbelastningen av strukturen, det förändras i strukturell styvhet och gränsförhållanden, och påverkan av strukturella skador nära PZT piezo på mätresultaten. Därför är denna teknik lämplig för att spåra övervakningslänkar som har strikta krav på strukturell integritet eller har stor inverkan på strukturens livslängd och skador är inte lätta att upptäcka. Denna artikel kommer att introducera de grundläggande principerna för piezoelektrisk impedansteknologi för strukturell hälsodiagnos.

Introduktion till piezoelektriska material

Piezoelektriskt material är ett speciellt dielektriskt material med en piezoelektrisk effekt och en omvänd piezoelektrisk effekt. Den piezoelektriska effekten är en egenskap hos vissa piezokristaller som upptäcktes av de franska bröderna P.Curie och J.Curie 1880. När en mekanisk kraft (eller tryck släpps) appliceras på den piezoelektriska kroppen i dess polarisationsriktning, kommer den piezoelektriska kroppen att generera ett laddnings- och urladdningsfenomen. Detta fenomen kallas den positiva piezoelektriska effekten, tvärtom appliceras en piezoelektrisk kropp på den piezoelektriska kroppen. Ett elektriskt fält med samma (eller motsatta) polarisationsriktning orsakar två effekter: den omvända piezoelektriska effekten och den elektrostriktiva effekten. Den omvända piezoelektriska effekten, det vill säga dielektrikumet deformeras mekaniskt under inverkan av ett externt elektriskt fält, och storleken på spänningen är proportionell mot storleken på det applicerade elektriska fältet, och riktningen är relaterad till det elektriska fältets riktning. Den elektrostriktiva effekten, det vill säga det dielektriska fältet F, som orsakar spänning på grund av inducerad polarisation. Töjningen är proportionell mot kvadraten på det elektriska fältet och har ingenting att göra med det elektriska fältets riktning. Den omvända piezoelektriska effekten och den elektrostriktiva effekten är i huvudsak resultatet av polarisering av den dielektriska kristallen under inverkan av ett externt elektriskt fält, vilket gör att kristallgittret förvrängs och manifesterar sig som en mekanisk påkänning i makroskala. Piezokeramik kallas piezoelektrisk keramik genom att blanda ingredienser, sintra vid hög temperatur och slumpmässigt samla de fasta partiklarna mellan partiklarna. PZT piezo kan användas som ett avkänningselement och ett drivelement, och kan bäddas in med andra material för att bilda ett kompositmaterial, så det har ett brett utbud av applikationsmöjligheter, såsom flygplanskontroll på flygplansvingar och vibrationskontrollsystem. Aktiv kontroll av vibrationer och buller, strukturell hälsoövervakning i utrustning m.m.

Huvuddragen för PZT-applikation i smarta materialstrukturer är:

① Kan användas som både förare och sensor;
② När den används som förare är dess exciteringskraft liten;
③ Svarshastigheten är snabbare, vilket är 1 000 gånger högre än formminneslegeringen;
④ Storleken kan göras liten och tunn och kan installeras på strukturens yta eller begravas i strukturen;
⑤ Kombinationen är flexibel. Det kan användas i form av relativt stora bitar, eller det kan användas i små bitar.

PZT-struktur
PZT piezokeramik är en kontinuerlig fast lösning av Pbzro3 och PbTio3 och har en ABO3-perovskitstruktur. PZT hittades i början av 1950-talet och är ett viktigt piezoelektriskt ferroelektriskt material med viktigt tekniskt tillämpningsvärde. Piezoelektrisk keramik är kristallina dielektriska material som inte har ett symmetricentrum. Ett kristallint dielektrikum som inte har ett symmetricentrum har ingen 432-punkts gruppkristall med extremt låg invers piezoelektrisk effekt på grund av den extremt höga symmetrin. Deformationen av kristallens symmetriska dielektrikum orsakad av den omvända piezoelektriska effekten. Under inverkan av det elektriska fältet polariseras dielektrikumet. Eftersom det inte finns någon jonbindning mellan jonen längst till vänster och den positiva jonen längst till höger (och andra (kemiska bindningar), så under polariseringsprocessen kan en stor relativ förskjutning uppstå mellan dem, vilket visar en stor invers piezoelektrisk effekt på en makroskala. Uttryckt som: S = dE, vilket är proportionellt mot storleken på det elektriska fältet. Den energi som lagras i mediet består av två delar, den ena är töjningsenergi och den andra är elektromagnetisk energi, enligt modern strukturell dynamikteori, när skador och defekter uppstår i utrustningen och strukturen, såsom sprickor, lösa bultar, etc., kommer dess styvhet och mekaniska impedansegenskaper att förändras, och därför kommer den naturliga frekvensen att förändras kvantitativt baserat på förändringar i mekanisk impedans Men förändringen av mekanisk dynamisk impedans med frekvens är svår att mäta med konventionella metoder. Genom att använda de självkörande och självavkännande egenskaperna hos piezoelektriska element, kan PZT piezokeramer fungera som både ett drivande element och en dynamisk struktur för att erhålla den avkännande strukturen. mellan mekaniska egenskaper och elektrisk information, och mekanisk dynamisk impedansinformation. Förändringar kan reflekteras av enkel uppmätt elektrisk information När en viss extern spänning appliceras på ytan av den piezoelektriska keramiska plåten, genereras en lateral ytkraft på strålens yta. longitudinell vibration av balken; när den omvända spänningen appliceras, kommer de att orsaka böjningsvibrationer av balken. I sin tur orsakar vibrationen deformation av balken, och deformationsegenskaperna kan reflekteras i form av elektriska signaler genom avkänningsegenskaperna hos den piezoelektriska keramiska plåten, och därför kan den dynamiska keramiska plåtens dynamik. reflektera strukturens skadestatus. Den frekvensberoende admittansen (invers impedans) erhålls från den piezoelektriska kopplingseffekten och interaktionen av PZT med strukturen piezoelektrisk cylindergivare är baslinjen för admittansen som en funktion av frekvensen. Den andra posten innehåller impedansinformationen för själva PZT-materialet och impedansinformationen för den externa strukturen. Med tanke på att det piezoelektriska systemet har bestämts efter att det piezoelektriska keramiska arket är fäst vid den externa strukturen, är impedansen AZ för själva PZT-materialet konstant, och impedansvärdet för den externa strukturen är den enda parametern som påverkar den andra termen, och kontrollerar därmed hela det piezoelektriska systemet. Ändringar i admittans Y. När parametrarna och prestanda för PZT hålls konstanta, bestämmer den strukturella impedansen Z unikt värdet på den andra termen. Varje förändring i piezoelektrisk natriumledningsförmåga motsvarar strukturella skador och defekter, så att värdet av piezoelektrisk natriumledningsförmåga kan användas för att strukturskada identifieras.

Implementering av PZT för strukturell hälsoövervakning

På grund av den piezoelektriska effekten och den omvända piezoelektriska effekten av det piezoelektriska elementet har det piezoelektriska elementet en dubbel funktion av drivning och avkänning. Med den här funktionen är det möjligt att uppnå hälsoövervakning online och i realtid av strukturen. En del av PZT-materialet är anslutet till strömkällan som genererar excitationssignalen genom en tråd. Spänningen eller laddningen används för att driva strömförsörjningen för att applicera en exciteringssignal (spänning eller laddning) till PZT. Eftersom PZT-materialet har den omvända piezoelektriska effekten, det vill säga att det deformeras under inverkan av ett elektriskt fält. PZT-materialet är inbäddat (eller klistrat) på basmaterialet, så dess egen deformation kommer att överföras till basmaterialet, med basmaterialet deformeras eller rör sig tillsammans. Vid denna tidpunkt är PZT ekvivalent med en drivenhet och genererar deformation genom att ta emot exciteringssignalen. Samtidigt några PZT-material piezokeramiska rör är anordnade på basmaterialet och är inte anslutna till strömförsörjningen. När basmaterialet deformeras eller rör sig, kommer denna deformation eller rörelse att överföras till PZT-materialet. På grund av den piezoelektriska effekten av PZT-materialet genereras en elektrisk laddning inuti PZT-materialet, och storleken på den elektriska laddningen ändras med storleken på deformationen eller rörelsen. Vid denna tidpunkt är PZT ekvivalent med en sensor. Använd sedan mätanordningen för att mäta och samla utsignalen från denna PZT-sensor i realtid, och den kan återspegla deformationen eller rörelsen av basmaterialet i realtid och online, för att realisera realtids- och onlinehälsoövervakningen av strukturen.

Jämför data som samlats in i realtid med vibrationsdata när strukturen är normal och se om PZT-utgångssignalen ändras (såsom sprickor eller löshet i strukturen etc., i teorin kommer det att göra att PZT-utgången i strukturen ändras. Om den ändras anses det att strukturen har ett fel. När ett fel inträffar kan signalen överföras i tid till regulatorn för att utföra fel i tid till regulatorn i tid för att utföra fel. realtidsövervakning, feldiagnos och felbehandling av strukturen.

PZT kan fungera som både ett drivande element och ett avkänningselement för att excitera strukturen för att erhålla strukturens dynamiska respons. Principen om positiv och omvänd piezoelektrisk effekt används för att analysera det dynamiska svarsförhållandet mellan det piezoelektriska keramiska arket och den yttre strukturen. När den yttre strukturen ändras ändras också motsvarande piezoelektriska impedans. Genom att mäta admittansförändringen för den piezoelektriska keramen kan strukturens tillstånd förutsägas i realtid. PZT lämpar sig för både makroskador och mindre skador och som har goda utvecklingsmöjligheter inom den strukturella hälsoövervakningen av byggnader i framtiden.