Aplicação de cerâmica piezoelétrica no monitoramento de saúde estrutural

O PZT não só pode ser usado para produzir vários produtos piezoelétricos, mas nos últimos anos, o PZT é gradualmente aplicado à detecção de danos estruturais. De acordo com os efeitos piezoelétricos positivos e inversos dos materiais piezoelétricos, a cerâmica PZT Piezoeletric pode ser usada como elementos de condução e detecção. Pzt.Hemisfério cerâmico piezoelétricoPode ser colado em lugares onde fissuras ou concentrações de estresse provavelmente ocorrerão em componentes. A impedância mecânica ou resposta de frequência tem alta sensibilidade ao dano, o que está a tornando o principal indicador para estudar a identificação de danos.

Nos últimos anos, cada vez mais pesquisas sobre tecnologia de impedância piezoelétrica têm sido usadas no diagnóstico de saúde estrutural. Em 1995, o Sol e outros usavam com sucesso a tecnologia de impedância piezoelétrica para o diagnóstico de saúde estrutural de andaimes montados, que foi considerado o início da aplicação da tecnologia de impedância piezoelétrica no campo do diagnóstico de saúde estrutural. A vantagem da tecnologia de impedância piezoelétrica que é sensível a pequenos danos à estrutura, que é propício para detectar a falha inicial da estrutura. Além disso, o material piezoelétrico PZT (chumbo zirconato titanato piezoelétrico de titanato) muitas vezes é usado na tecnologia de impedância piezoelétrica tem um pequeno tamanho e uma estrutura simples e confiável. Além disso, o PZT é sensível a mudanças na área local em torno dele, o que ajuda a isolar o carregamento de massa global da estrutura, muda na rigidez estrutural e condições de fronteira, e o impacto dos danos estruturais perto do Pzt Piezo nos resultados de medição . Portanto, essa técnica é adequada para rastrear links de monitoramento que têm requisitos estritos na integridade estrutural ou têm um grande impacto na vida da estrutura e dano não é fácil de detectar. Este artigo apresentará os princípios básicos da tecnologia de impedância piezoelétrica para o diagnóstico de saúde estrutural.

Introdução a materiais piezoelétricos

O material piezoelétrico é um material dielétrico especial com efeito piezoelétrico e um efeito piezoelétrico inverso. O efeito piezoelétrico é uma característica de certos cristais de piezo descobertos pelos irmãos franceses p.curie e j.curie em 1880. Quando uma força mecânica (ou pressão é liberada) é aplicada ao corpo piezoelétrico em sua direção de polarização, o corpo piezoelétrico gerar um fenômeno de carga e descarga. Este fenômeno é chamado de efeito piezoelétrico positivo, pelo contrário, um corpo piezoelétrico é aplicado ao corpo piezoelétrico. Um campo elétrico com a mesma direção (ou oposta) de polarização causa dois efeitos: o efeito piezoelétrico inverso e o efeito eletrostrictivo. O efeito piezoelétrico reverso, isto é, o dielétrico é deformado mecanicamente sob a ação de um campo elétrico externo, e a magnitude da tensão é proporcional à magnitude do campo elétrico aplicado, e a direção está relacionada à direção da direção elétrica campo. O efeito eletrostrictivo, isto é, o campo dielétrico f, que causa a tensão devido à polarização induzida. A tensão é proporcional ao quadrado do campo elétrico e não tem nada a ver com a direção do campo elétrico. O efeito piezoelétrico inverso e o efeito eletrostrictivo são essencialmente os resultados da polarização do cristal dielétrico sob a ação de um campo elétrico externo, o que faz com que a estrutura de cristal seja distorcida e se manifesta como uma pressão mecânica em uma escala macro. Os piezocerâmicos são chamados de cerâmica piezoelétrica, misturando ingredientes, sinterização a alta temperatura e reunindo aleatoriamente as partículas sólidas entre as partículas. O PZT Piezo pode ser usado como um elemento de detecção e um elemento de condução, e pode ser incorporado com outros materiais para formar um material compósito, por isso tem uma ampla gama de perspectivas de aplicativos, como o controle de aeronaves em asas de aeronaves e os sistemas de controle de vibração. Controle ativo de vibração e ruído, monitoramento de saúde estrutural em equipamentos, etc.

As principais características do aplicativo PZT em estruturas de materiais inteligentes são:

① Pode ser usado como motorista e um sensor;
② Quando usado como motorista, seu poder de excitação é pequeno;
③ A velocidade de resposta é mais rápida, que é 1.000 vezes a da liga de memória de forma;
④ O tamanho pode ser pequeno e fino e pode ser instalado na superfície da estrutura ou enterrado na estrutura;
⑤ A combinação é flexível. Pode ser usado na forma de peças relativamente grandes, ou pode ser usado em pequenos pedaços.

Estrutura de pzt.
PZT Piezo Cerâmica é uma solução contínua de PBZRO3 e PBTIO3 e tem uma estrutura ABO3 Perovskite. Encontrado no início dos anos 1950, o PZT é um importante material ferroelétrico piezoelétrico com importante valor técnico de aplicação. Cerâmica piezoelétrica são materiais dielétricos cristalinos que não têm um centro de simetria. Um dielétrico cristalino que não tem um centro de simetria não tem cristal de grupo 432 pontos com efeito piezoelétrico extremamente baixo devido à simetria extremamente alta. A deformação do dielétrico simétrico do cristal causado pelo efeito piezoelétrico inverso. Sob a ação do campo elétrico, o dielétrico é polarizado. Porque não há vínculo iônico entre o íon lateral mais à esquerda e o íon positivo mais à direita (e outros (ligações químicas), assim durante o processo de polarização, um grande deslocamento relativo pode ocorrer entre eles, que mostra um grande efeito piezelétrico inverso em uma escala macro . Expressado como: S = DE, que é proporcional à magnitude do campo elétrico. Ou seja, para materiais piezoelétricos, quantidades elétricas e mecânicas são acopladas entre si. A energia armazenada no meio consiste em duas partes, uma é a tensão A energia e a outra é energia eletromagnética. De acordo com a moderna teoria da dinâmica estrutural, quando os danos e defeitos ocorrem no equipamento e estrutura, como rachaduras, parafusos soltos, etc., sua rigidez e características de impedância mecânica mudarão, e a frequência natural e a frequência O modo da estrutura também mudará. Portanto, o grau de dano pode ser administrado quantitativamente com base nas mudanças na impedância mecânica. No entanto, a mudança de D Mechanical A impedância yamic com frequência é difícil de medir com métodos convencionais. Utilizando as características de auto-condução e auto-sensação de elementos piezoelétricos, a cerâmica PZT Piezo pode atuar como elemento de condução e um elemento de detecção para excitar a estrutura para obter a resposta dinâmica da estrutura, estabelecendo assim uma ponte entre características mecânicas e elétricas informações e informações mecânicas de impedância dinâmica. As alterações podem ser refletidas por informações elétricas medidas simples. Quando uma certa tensão externa é aplicada à superfície da folha cerâmica piezoelétrica, uma força superficial lateral é gerada na superfície do feixe. Essas forças de superfície dirigirão o feixe para gerar vibrações diferentes (quando os PZTs superior e inferior são submetidos à mesma tensão, eles causarão vibração longitudinal do feixe; quando a tensão reversa é aplicada, eles causarão a vibração de flexão do feixe. Por sua vez, a vibração causa a deformação do feixe, e as características de deformação podem ser refletidas na forma de sinais elétricos através das características de detecção da folha cerâmica piezoelétrica. Portanto, as características dinâmicas de admissão da folha cerâmica piezoelétrica colada na estrutura podem refletir o status de dano da estrutura. A admissão dependente de freqüência (impedância inversa) é obtida a partir do efeito de acoplamento piezoelétrico e a interação de PZT com a estrutura. A admissão capacitiva de um PZT livreTransdutor de cilindro piezoelétrico.é a linha de base da admissão em função da frequência. O segundo item contém as informações de impedância do próprio material PZT e as informações de impedância da estrutura externa. Considerando que o sistema piezoelétrico foi determinado após a folha cerâmica piezoelétrica é fixada à estrutura externa, a impedância AZ do próprio material PZT é constante, e o valor de impedância da estrutura externa é o único parâmetro que afeta o segundo prazo, assim Controlando todo o sistema piezoelétrico. Mudanças na admissão Y. Quando os parâmetros e o desempenho do PZT são mantidos constantes, a impedância estrutural z determina exclusivamente o valor do segundo prazo. Qualquer alteração na condutividade piezoelétrica de sódio corresponde a danos e defeitos estruturais, para que o valor da condutividade piezoelétrico de sódio possa ser usado para estruturar danos.

Implementação de PZT para monitoramento de saúde estrutural

Devido ao efeito piezoelétrico e do efeito piezoelétrico inverso do elemento piezoelétrico, o elemento piezoelétrico tem uma dupla função de condução e detecção. Usando esse recurso, é possível obter monitoramento de saúde on-line e em tempo real da estrutura. Parte do material PZT é conectada à fonte de energia que gera o sinal de excitação através de um fio. A tensão ou carga é usada para conduzir a fonte de alimentação para aplicar um sinal de excitação (tensão ou carga) ao PZT. Como o material PZT tem o efeito piezoelétrico inverso, isto é, vai deformar sob a ação de um campo elétrico. O material PZT é embutido (ou colado) no material base, por isso a sua própria deformação será transmitida ao material base, com o material base deformamento ou se movendo juntos. Neste momento, o PZT é equivalente a um motorista e gera deformação recebendo o sinal de excitação. Ao mesmo tempo, algunsTubos piezocerâmicos de material PZTsão organizados no material base e não estão conectados à fonte de alimentação. Quando o material base deforma ou se move, essa deformação ou movimento serão transmitidos para o material PZT. Devido ao efeito piezoelétrico do material PZT, uma carga elétrica é gerada dentro do material PZT, e a magnitude da carga elétrica muda com o tamanho da deformação ou movimento. Neste momento, o PZT é equivalente a um sensor. Em seguida, use o dispositivo de medição para medir e coletar o sinal de saída deste sensor PZT em tempo real, e pode refletir a deformação ou movimento do material base em tempo real e on-line, de modo a realizar o monitoramento de saúde em tempo real e online da estrutura.

Compare os dados coletados em tempo real com os dados de vibração quando a estrutura é normal, e veja se o sinal de saída do PZT muda (como rachaduras ou frouxas da estrutura, etc., em teoria, isso fará com que a saída do PZT na estrutura Para mudar. Se for alterado, é considerado que a estrutura tem uma falha. Quando ocorre uma falha, o sinal pode ser transmitido para o controlador a tempo para lidar com a falha da estrutura em tempo hábil para obter monitoramento on-line, em tempo real, diagnóstico de falha e processamento de falha da estrutura.

O PZT pode atuar como um elemento de condução e um elemento de detecção para excitar a estrutura para obter a resposta dinâmica da estrutura. O princípio do efeito piezoelétrico positivo e inverso é usado para analisar a relação dinâmica de resposta entre a folha cerâmica piezoelétrica e a estrutura externa. Quando a estrutura externa muda, a impedância piezoelétrica correspondente também muda. Ao medir a mudança de admissão da cerâmica piezoelétrica, o estado da estrutura pode ser previsto em tempo real. O PZT é adequado para danos macro e danos menores, e que tem uma boa perspectiva de desenvolvimento no monitoramento de saúde estrutural dos edifícios no futuro.