Anwendung der piezoelektrischen Keramik in der strukturellen Gesundheitsüberwachung

PZT kann nicht nur zur Herstellung verschiedener piezoelektrischer Produkte verwendet werden, sondern in den letzten Jahren wird PZT nach und nach zur Erkennung von Strukturschäden angewendet. Nach den positiven und inversen piezoelektrischen Wirkungen von piezoelektrischen Materialien können PZT -Piezoelektrik -Keramik sowohl als Fahr- als auch als Erfassungselemente verwendet werden. PZPiezoelektrische Keramik -HemisphäreKann an Orten eingefügt werden, an denen Risse oder Spannungskonzentrationen wahrscheinlich bei Komponenten auftreten. Die mechanische Impedanz oder der Frequenzgang hat eine hohe Empfindlichkeit gegenüber Schäden, was es zum Hauptindikator für die Untersuchung der Schadensidentifizierung macht.

In den letzten Jahren wurden immer mehr Forschungen zur piezoelektrischen Impedanztechnologie zur strukturellen Gesundheitsdiagnose verwendet. 1995 verwendeten Sun und andere erfolgreich die piezoelektrische Impedanztechnologie zur strukturellen Gesundheitsdiagnose zusammengebautes Gerüste, die als Beginn der Anwendung der piezoelektrischen Impedanz -Technologie auf dem Gebiet der strukturellen Gesundheitsdiagnose angesehen wurden. Der Vorteil der piezoelektrischen Impedanz -Technologie, dass sie für kleine Schäden für die Struktur empfindlich ist, was für die Erkennung des anfänglichen Versagens der Struktur förderlich ist. Darüber hinaus wird das piezoelektrische Material PZT (Blei -Zirkonat -Titanat -Piezoelektrik -Keramik) häufig in der piezoelektrischen Impedanz -Technologie verwendet, eine kleine Größe und eine einfache und zuverlässige Struktur. Darüber hinaus ist PZT nur empfindlich gegenüber Änderungen in der Umgebung des Gebiets, was dazu beiträgt, die Gesamtmassenbelastung der Struktur zu isolieren, Änderungen der strukturellen Steifheit und der Randbedingungen und der Auswirkungen von Strukturschäden in der Nähe von PZT Piezo auf die Messergebnisse zu isolieren . Daher eignet sich diese Technik für die Verfolgung von Überwachungsverbindungen, die strenge Anforderungen an die strukturelle Integrität haben oder einen großen Einfluss auf die Lebensdauer der Struktur haben und Schäden nicht leicht zu erkennen sind. In diesem Artikel werden die Grundprinzipien der piezoelektrischen Impedanztechnologie für die strukturelle Gesundheitsdiagnose eingeführt.

Einführung in piezoelektrische Materialien

Piezoelektrisches Material ist ein spezielles dielektrisches Material mit einem piezoelektrischen Effekt und einem inversen piezoelektrischen Effekt. Der piezoelektrische Effekt ist ein Merkmal bestimmter Piezo -Kristalle, die 1880 von den französischen Brüdern P. Curie und J.Curie entdeckt wurden Erzeugen Sie ein Ladungs- und Entladungsphänomen. Dieses Phänomen wird als positiver piezoelektrischer Effekt bezeichnet. Im Gegenteil, ein piezoelektrischer Körper wird auf den piezoelektrischen Körper aufgetragen. Ein elektrisches Feld mit der gleichen (oder entgegengesetzten) Polarisationsrichtung verursacht zwei Effekte: den inversen piezoelektrischen Effekt und der elektrostriktive Effekt. Der umgekehrte piezoelektrische Effekt, dh das Dielektrizität aufstellen. Der elektrostriktive Effekt, dh das dielektrische Feld F, das eine Stamm aufgrund der induzierten Polarisation verursacht. Die Dehnung ist proportional zum Quadrat des elektrischen Feldes und hat nichts mit der Richtung des elektrischen Feldes zu tun. Der inverse piezoelektrische Effekt und der elektrostriktive Effekt sind im Wesentlichen die Ergebnisse der Polarisation des dielektrischen Kristalls unter der Wirkung eines externen elektrischen Feldes, wodurch das Kristallgitter verzerrt wird und sich als mechanischer Dehnung auf einer Makroskala manifestiert. Piezoceramik werden als Piezoelektrik -Keramik bezeichnet, indem Inhaltsstoffe gemischt, bei hoher Temperatur gesintert und die festen Partikel zwischen den Partikeln zufällig gesammelt werden. PZT Piezo kann als Erfassungselement und Antriebselement verwendet werden und in andere Materialien eingebettet werden, um ein Verbundmaterial zu bilden, sodass es eine Vielzahl von Anwendungsaussichten wie Flugzeugsteuerung auf Flugzeugflügeln und Vibrationssteuerungssystemen aufweist. Aktive Kontrolle von Vibrationen und Rauschen, strukturelle Gesundheitsüberwachung in Geräten usw.

Die Hauptmerkmale der PZT -Anwendung in intelligenten Materialstrukturen sind:

① kann sowohl als Treiber als auch als Sensor verwendet werden;
② Wenn als Fahrer verwendet wird, ist seine Anregungskraft klein;
③ Die Reaktionsgeschwindigkeit ist schneller, was das 1.000 -fache der Form der Formgedächtnislegierung entspricht.
④ Die Größe kann klein und dünn gemacht und auf der Oberfläche der Struktur installiert oder in der Struktur begraben werden.
⑤ Die Kombination ist flexibel. Es kann in Form relativ großer Stücke oder in kleinen Stücken verwendet werden.

PZT -Struktur
PZT Piezo Ceramic ist eine kontinuierliche feste Lösung von PBZRO3 und PBTIO3 und hat eine ABO3 -Perovskitstruktur. PZT gefunden in den frühen 1950er Jahren ist ein wichtiges piezoelektrisches ferroelektrisches Material mit wichtigem technischem Anwendungswert. Piezoelektrische Keramik sind kristalline dielektrische Materialien, die kein Symmetriezentrum haben. Ein kristallines Dielektrikum mit keinem Zentrum der Symmetrie hat aufgrund der extrem hohen Symmetrie keine 432-Punkte-Gruppengruppe mit extrem geringem piezoelektrischem Effekt. Die Verformung des symmetrischen Dielektrizität des Kristalls, der durch den inversen piezoelektrischen Effekt verursacht wird. Unter der Wirkung des elektrischen Feldes wird das Dielektrikum polarisiert. Da es keine ionische Bindung zwischen dem linken Seitenionen und dem positiven Ion (und anderen (chemischen Bindungen)) gibt Ausgedrückt als: s = DE, das proportional zur Größe des elektrischen Feldes ist. Das heißt für piezoelektrische Materialien, elektrische und mechanische Mengen sind miteinander gekoppelt. Die in dem Medium gespeicherte Energie besteht aus zwei Teilen, einer ist Stamm Energie und der andere ist elektromagnetische Energie. Nach der modernen Strukturdynamiktheorie, wenn Schäden und Defekte in Geräten und Struktur auftreten, wie Risse, losen Schrauben usw., ändert Der Modus der Struktur ändert sich auch. Daher kann der Schadensgrad quantitativ auf Änderungen der mechanischen Impedanz beruhen. Die Änderung der mechanischen D jedoch jedoch Die ynamische Impedanz mit Frequenz ist mit herkömmlichen Methoden schwer zu messen. Die PZT-Piezo-Keramik kann die selbstfahrenden und selbstsensiblen Merkmale von piezoelektrischen Elementen nutzen, und kann sowohl als treibendes Element als auch als Erfassungselement fungieren, um die Struktur zu erregen, um die dynamische Reaktion der Struktur zu erhalten, wodurch eine Brücke zwischen mechanischen Eigenschaften und elektrischem Bereich ermittelt wird Informationen und Informationen zur mechanischen dynamischen Impedanz. Änderungen können durch einfache gemessene elektrische Informationen reflektiert werden. Wenn eine bestimmte externe Spannung auf die Oberfläche des piezoelektrischen Keramikblatts aufgetragen wird, wird auf der Oberfläche des Strahls eine laterale Oberflächenkraft erzeugt. Diese Oberflächenkräfte treiben den Strahl an, um unterschiedliche Schwingungen zu erzeugen (wenn die obere und untere PZTs derselben Spannung ausgesetzt sind, verursachen sie eine Längsschwingung des Strahls; wenn die umgekehrte Spannung angewendet wird, verursachen sie eine Biegeschwingung des Balkens. Wiederum führt die Schwingung zu einer Verformung des Strahls, und die Deformationseigenschaften können in Form von elektrischen Signalen durch die Erfassungseigenschaften des piezoelektrischen Keramikblatts reflektiert werden. Reflektieren Sie den Schadensstatus der Struktur. Die Frequenzabhängigkeitsaufnahme (inverse Impedanz) wird aus dem piezoelektrischen Kopplungseffekt und der Wechselwirkung von PZT mit der Struktur erhalten. Die kapazitive Zulassung eines freien PZTpiezoelektrischer Zylinderwandlerist die Grundlinie der Zulassung als Funktion der Frequenz. Der zweite Punkt enthält die Impedanzinformationen des PZT -Materials selbst und die Impedanzinformationen der externen Struktur. Angesichts der Tatsache, dass das piezoelektrische System festgelegt wurde, nachdem das piezoelektrische Keramikblatt an der externen Struktur gebunden ist, ist die Impedanz -AZ des PZT -Materials selbst konstant und der Impedanzwert der externen Struktur ist der einzige Parameter, der den zweiten Term betrifft, dadurch Kontrolle des gesamten piezoelektrischen Systems. Änderungen in der Zulassung Y. Wenn die Parameter und die Leistung von PZT konstant gehalten werden, bestimmt die strukturelle Impedanz Z den Wert des zweiten Terms eindeutig. Jede Änderung der piezoelektrischen Natriumleitfähigkeit entspricht strukturellen Schäden und Defekten, so dass der Wert der piezoelektrischen Natriumleitfähigkeit zur Strukturschädigung verwendet werden kann.

Implementierung von PZT für die strukturelle Gesundheitsüberwachung

Aufgrund des piezoelektrischen Effekts und des inversen piezoelektrischen Effekts des piezoelektrischen Elements hat das piezoelektrische Element eine doppelte Funktion des Fahrens und Erkennens. Mit dieser Funktion ist es möglich, die Struktur online und in der Echtzeit-Gesundheitsüberwachung zu erreichen. Ein Teil des PZT -Materials ist mit der Stromquelle verbunden, die das Anregungssignal durch einen Kabel erzeugt. Die Spannung oder Ladung wird verwendet, um die Stromversorgung zum Auftragen eines Anregungssignals (Spannung oder Ladung) auf die PZT zu steuern. Da das PZT -Material den inversen piezoelektrischen Effekt hat, wird es unter der Wirkung eines elektrischen Feldes verformen. Das PZT -Material ist in das Grundmaterial eingebettet (oder eingefügt), sodass seine eigene Verformung an das Grundmaterial übertragen wird, wobei das Grundmaterial verformt oder sich zusammen bewegt. Zu diesem Zeitpunkt entspricht die PZT einem Treiber und erzeugt eine Verformung, indem das Anregungssignal empfangen wird. Gleichzeitig einigePZT -Material Piezoceramic -Röhrchensind auf dem Grundmaterial angeordnet und nicht mit der Stromversorgung verbunden. Wenn sich das Basismaterial verformt oder bewegt, wird diese Verformung oder Bewegung auf das PZT -Material übertragen. Aufgrund der piezoelektrischen Wirkung des PZT -Materials wird im PZT -Material eine elektrische Ladung erzeugt, und die Größe der elektrischen Ladung ändert sich mit der Größe der Verformung oder Bewegung. Zu diesem Zeitpunkt entspricht die PZT einem Sensor. Verwenden Sie dann das Messgerät, um das Ausgangssignal dieses PZT-Sensors in Echtzeit zu messen und zu sammeln, und es kann die Verformung oder Bewegung des Grundmaterials in Echtzeit und Online widerspiegeln, um die Echtzeit- und Online-Gesundheitsüberwachung zu realisieren der Struktur.

Vergleichen Sie die in Echtzeit gesammelten Daten mit den Schwingungsdaten, wenn die Struktur normal ist, und prüfen Sie, ob sich das PZT -Ausgangssignal ändert Um sich zu ändern. Wenn es sich ändert, wird berücksichtigt, dass die Struktur einen Fehler aufweist. Wenn ein Fehler auftritt, kann das Signal rechtzeitig an den Controller übertragen werden, um den Strukturversagen rechtzeitig zu bewältigen, um Online, Echtzeitüberwachung zu erreichen, Versagensdiagnose und Ausfallverarbeitung der Struktur.

PZT kann sowohl als treibendes Element als auch als Erfassungselement fungieren, um die Struktur zu erregen, um die dynamische Reaktion der Struktur zu erhalten. Das Prinzip des positiven und inversen piezoelektrischen Effekts wird verwendet, um die dynamische Reaktionsbeziehung zwischen dem piezoelektrischen Keramikblatt und der externen Struktur zu analysieren. Wenn sich die externe Struktur ändert, ändert sich auch die entsprechende piezoelektrische Impedanz. Durch Messen der Zulassungsänderung der piezoelektrischen Keramik kann der Zustand der Struktur in Echtzeit vorhergesagt werden. PZT ist sowohl für Makroschäden als auch für geringfügige Schäden geeignet und hat eine gute Entwicklungsaussicht auf die künftige strukturelle Gesundheitsüberwachung von Gebäuden.