Застосування п'єзоелектричної кераміки в моніторингу стану конструкцій

PZT можна використовувати не тільки для виготовлення різноманітних п’єзоелектричних виробів, але останнім часом PZT поступово застосовують для виявлення структурних пошкоджень. Відповідно до позитивних і зворотних п’єзоелектричних ефектів п’єзоелектричних матеріалів, п’єзоелектрична кераміка PZT може бути використана як керуючий, так і чутливий елементи. PZT п'єзоелектричну керамічну напівсферу можна наклеїти в місцях, де на компонентах можуть виникнути тріщини або концентрація напруги. Механічний імпеданс або частотна характеристика має високу чутливість до пошкодження, що робить його основним показником для вивчення ідентифікації пошкоджень.

В останні роки все більше і більше досліджень технології п’єзоелектричного опору використовуються для діагностики здоров’я конструкцій. У 1995 році Sun та інші успішно використали технологію п’єзоелектричного імпедансу для структурної діагностики працездатності зібраних риштувань, що вважалося початком застосування технології п’єзоелектричного імпедансу в області структурної діагностики працездатності. Перевага технології п’єзоелектричного опору в тому, що вона чутлива до невеликих пошкоджень конструкції, що сприяє виявленню початкової несправності конструкції. Крім того, п’єзоелектричний матеріал PZT (п’єзоелектрична кераміка з титанату свинцю) часто використовується в технології п’єзоелектричного опору, має невеликий розмір і просту та надійну структуру. Крім того, PZT чутливий лише до змін у локальній зоні навколо нього, що допомагає виділити загальне масове навантаження на конструкцію, зміни в структурній жорсткості та граничних умовах, а також вплив структурного пошкодження поблизу п’єзо PZT на результати вимірювань. Таким чином, ця техніка підходить для відстеження зв’язків моніторингу, які мають суворі вимоги до структурної цілісності або мають великий вплив на термін служби конструкції, а пошкодження нелегко виявити. У цій статті будуть представлені основні принципи технології п’єзоелектричного опору для діагностики здоров’я конструкцій.

Введення в п'єзоелектричні матеріали

П'єзоелектричний матеріал - це спеціальний діелектричний матеріал з п'єзоелектричним ефектом і зворотним п'єзоелектричним ефектом. П’єзоелектричний ефект є характеристикою певних п’єзокристалів, відкритих французькими братами П.Кюрі та Ж.Кюрі в 1880 році. Коли до п’єзоелектричного тіла прикладається механічна сила (або тиск) у напрямку його поляризації, п’єзоелектричне тіло генеруватиме явище заряду та розряду. Це явище називається позитивним п'єзоелектричним ефектом, навпаки, п'єзоелектричне тіло прикладається до п'єзоелектричного тіла. Електричне поле з однаковим (або протилежним) напрямком поляризації викликає два ефекти: зворотний п’єзоелектричний ефект і електрострикційний ефект. Зворотний п'єзоефект, тобто діелектрик механічно деформується під дією зовнішнього електричного поля, причому величина деформації пропорційна величині прикладеного електричного поля, а напрямок пов'язаний з напрямком електричного поля. Електрострикційний ефект, тобто діелектричне поле F, яке викликає деформацію внаслідок індукованої поляризації. Деформація пропорційна квадрату електричного поля і не має нічого спільного з напрямком електричного поля. Зворотний п'єзоефект і електрострикційний ефект по суті є результатами поляризації діелектричного кристала під дією зовнішнього електричного поля, що викликає спотворення кристалічної решітки і проявляється у вигляді механічної деформації в макромасштабі. П’єзокераміка називається п’єзоелектричною керамікою шляхом змішування інгредієнтів, спікання при високій температурі та випадкового збору твердих частинок між частинками. П'єзо PZT можна використовувати як чутливий елемент і рушійний елемент, і його можна вставляти в інші матеріали, щоб утворити композитний матеріал, тому він має широкий спектр перспектив застосування, наприклад управління літаком на крилах літака та системи контролю вібрації. Активний контроль вібрації та шуму, структурний моніторинг стану обладнання тощо.

Основними особливостями застосування PZT в структурах розумних матеріалів є:

① Може використовуватись і як драйвер, і як датчик;
② При використанні в якості драйвера потужність збудження невелика;
③ Швидкість реакції вища, що в 1000 разів перевищує швидкість сплаву з пам’яттю форми;
④ Розмір можна зробити маленьким і тонким, і його можна встановити на поверхню конструкції або закопати в структуру;
⑤ Комбінація є гнучкою. Його можна використовувати у вигляді відносно великих шматочків, а можна використовувати невеликими шматочками.

Структура PZT
П’єзокераміка PZT є суцільним твердим розчином Pbzro3 і PbTio3 і має перовскітну структуру ABO3. PZT, створений на початку 1950-х років, є важливим п’єзоелектричним сегнетоелектричним матеріалом із важливим технічним значенням. П'єзокераміка — це кристалічні діелектричні матеріали, які не мають центру симетрії. Кристалічний діелектрик, який не має центру симетрії, не має кристала з 432-точковою групою з надзвичайно низьким зворотним п’єзоелектричним ефектом через надзвичайно високу симетрію. Деформація симетричного діелектрика кристала викликана зворотним п'єзоефектом. Під дією електричного поля діелектрик поляризується. Оскільки немає іонного зв’язку між крайнім лівим бічним іоном і крайнім правим позитивним іоном (та іншими (хімічними зв’язками), тому під час процесу поляризації між ними може виникнути велике відносне зміщення, що демонструє великий зворотний п’єзоелектричний ефект у макромасштабі. Виражається як: S = dE, що пропорційно величині електричного поля. Тобто для п’єзоелектричних матеріалів електричні та механічні величини є Відповідно до сучасної теорії структурної динаміки, енергія, що зберігається в середовищі, складається з двох частин, коли виникають пошкодження та дефекти в обладнанні та конструкції, їх жорсткість і механічні характеристики імпедансу також змінюються зміни механічного опору. Однак зміну механічного динамічного опору важко виміряти звичайними методами. Використовуючи характеристики самоуправління та самочутливості п’єзоелектричних елементів, п’єзокераміка PZT може діяти як рушійний елемент, так і чутливий елемент, щоб отримати динамічний відгук структури, встановлюючи таким чином міст між механічними характеристиками та електричною інформацією, а також інформацією про механічний динамічний опір Коли на поверхню п’єзоелектричної керамічної пластини прикладається певна зовнішня напруга, на поверхні балки створюється бічна поверхнева сила, яка змушує балку генерувати різні вібрації (коли верхній і нижній PZT піддаються однаковій напрузі, вони викликають поздовжню вібрацію балки; коли прикладається зворотна напруга, вони спричиняють вібрацію згину). У свою чергу, вібрація викликає деформацію балки, і характеристики деформації можуть бути відображені у вигляді електричних сигналів через чутливі характеристики п'єзоелектричного керамічного листа ефект п'єзоелектричного зв'язку та взаємодія ЦТС зі структурою вільного ЦТС П'єзоелектричний циліндровий перетворювач є базовою провідністю як функцією частоти. Другий елемент містить інформацію про імпеданс самого матеріалу PZT і інформацію про імпеданс зовнішньої структури. Враховуючи, що п’єзоелектричну систему було визначено після того, як п’єзоелектричний керамічний лист прикріплено до зовнішньої конструкції, імпеданс AZ самого матеріалу PZT є постійним, а значення імпедансу зовнішньої структури є єдиним параметром, який впливає на другий член, тим самим контролюючи всю п’єзоелектричну систему. Зміни пропускної здатності Y. Коли параметри та продуктивність PZT зберігаються постійними, структурний імпеданс Z однозначно визначає значення другого члена. Будь-яка зміна п’єзоелектричної натрієвої провідності відповідає структурним пошкодженням і дефектам, тому значення п’єзоелектричної натрієвої провідності може бути використано для ідентифікації структурних пошкоджень.

Впровадження PZT для структурного моніторингу здоров'я

Завдяки п’єзоелектричному ефекту та зворотному п’єзоелектричному ефекту п’єзоелектричного елемента п’єзоелектричний елемент виконує подвійну функцію керування та чутливості. Використовуючи цю функцію, можна досягти моніторингу стану конструкції в режимі онлайн і в реальному часі. Частина матеріалу PZT підключена до джерела живлення, яке генерує сигнал збудження через провід. Напруга або заряд використовуються для керування джерелом живлення для подачі сигналу збудження (напруги або заряду) на PZT. Оскільки матеріал PZT має зворотний п'єзоелектричний ефект, тобто він деформується під дією електричного поля. Матеріал PZT вбудований (або наклеєний) на основний матеріал, тому його власна деформація буде передана основному матеріалу, при цьому основний матеріал деформується або рухається разом. У цей час PZT еквівалентний драйверу та генерує деформацію, отримуючи сигнал збудження. Водночас деякі П'єзокерамічні трубки з матеріалу PZT розташовані на основі матеріалу і не підключаються до джерела живлення. Коли основний матеріал деформується або рухається, ця деформація або рух буде передано матеріалу PZT. Завдяки п’єзоелектричному ефекту матеріалу PZT усередині матеріалу PZT утворюється електричний заряд, і величина електричного заряду змінюється залежно від розміру деформації або руху. У цей час PZT еквівалентний датчику. Потім використовуйте вимірювальний пристрій для вимірювання та збирання вихідного сигналу цього датчика PZT у режимі реального часу, і він може відображати деформацію або рух основного матеріалу в режимі реального часу та в режимі онлайн, щоб реалізувати моніторинг стану конструкції в режимі реального часу та в режимі онлайн.

Порівняйте дані, зібрані в режимі реального часу, з даними про вібрацію, коли структура є нормальною, і подивіться, чи зміниться вихідний сигнал PZT (наприклад, тріщини або ослаблення конструкції тощо, теоретично це спричинить зміну вихідного сигналу PZT у конструкції. Якщо він зміниться, вважається, що структура має збій. Коли виникає збій, сигнал може бути переданий до контролера вчасно, щоб своєчасно впоратися з поломкою конструкції, щоб досягти в режимі онлайн, моніторинг у реальному часі, діагностика несправностей та обробка несправностей конструкції.

PZT може виступати як рушійним елементом, так і чутливим елементом для збудження конструкції для отримання динамічної реакції конструкції. Принцип позитивного та зворотного п’єзоелектричного ефекту використовується для аналізу зв’язку динамічного відгуку між п’єзоелектричним керамічним листом і зовнішньою структурою. Коли зовнішня структура змінюється, відповідний п'єзоелектричний імпеданс також змінюється. Вимірюючи зміну провідності п’єзоелектричної кераміки, можна передбачити стан структури в реальному часі. PZT підходить як для макропошкоджень, так і для незначних пошкоджень, і має хороші перспективи розвитку в структурному моніторингу стану будівель у майбутньому.