Aplicación de cerámica piezoeléctrica en monitoreo de salud estructural.

PZT no solo se puede usar para hacer varios productos piezoeléctricos, sino que en los últimos años, PZT se aplica gradualmente a la detección de daños estructurales. De acuerdo con los efectos piezoeléctricos positivos e inversos de los materiales piezoeléctricos, la cerámica piezoeléctrica PZT se puede usar como elementos de conducción y detección. PizzHemisferio cerámico piezoeléctricoSe puede pegar en lugares donde es probable que se produzcan grietas o concentraciones de estrés en los componentes. La impedancia mecánica o la respuesta de frecuencia tiene una alta sensibilidad al daño, lo que lo está convirtiendo en el indicador principal para estudiar la identificación de daños.

En los últimos años, cada vez más investigaciones sobre tecnología de impedancia piezoeléctrica se han utilizado en el diagnóstico de salud estructural. En 1995, Sun y otros utilizaron con éxito la tecnología de impedancia piezoeléctrica para el diagnóstico de salud estructural de andamios ensamblados, que se consideró el comienzo de la aplicación de la tecnología de impedancia piezoeléctrica en el campo del diagnóstico de salud estructural. La ventaja de la tecnología de impedancia piezoeléctrica que es sensible a pequeños daños a la estructura, que es propicia para detectar la falla inicial de la estructura. Además, el material PIZOELECTRICO PZT (cerámica piezoeléctrica de titanato de zirconato de plomo) a menudo se usa en la tecnología de impedancia piezoeléctrica tiene un tamaño pequeño y una estructura simple y confiable. Además, PZT solo es sensible a los cambios en el área local a su alrededor, lo que ayuda a aislar la carga masiva general de la estructura, cambia en la rigidez estructural y las condiciones de contorno, y el impacto del daño estructural cerca de PZT Piezo en los resultados de la medición. . Por lo tanto, esta técnica es adecuada para el seguimiento de los enlaces de monitoreo que tienen requisitos estrictos sobre la integridad estructural o tienen un gran impacto en la vida útil de la estructura y el daño no es fácil de detectar. Este artículo introducirá los principios básicos de la tecnología de impedancia piezoeléctrica para el diagnóstico de salud estructural.

Introducción a materiales piezoeléctricos.

El material piezoeléctrico es un material dieléctrico especial con un efecto piezoeléctrico y un efecto piezoeléctrico inverso. El efecto piezoeléctrico es una característica de ciertos cristales piezoes descubiertos por los hermanos franceses P.Curie y J.Curie en 1880. Cuando se libera una fuerza mecánica (o presión) se aplica al cuerpo piezoeléctrico en su dirección de polarización, el cuerpo piezoeléctrico Generar un fenómeno de carga y descarga. Este fenómeno se llama el efecto piezoeléctrico positivo, por el contrario, se aplica un cuerpo piezoeléctrico al cuerpo piezoeléctrico. Un campo eléctrico con la misma dirección de polarización (o opuesta) causa dos efectos: el efecto piezoeléctrico inverso y el efecto electrocrictivo. El efecto piezoeléctrico inverso, es decir, el dieléctrico se deforma mecánicamente en la acción de un campo eléctrico externo, y la magnitud de la cepa es proporcional a la magnitud del campo eléctrico aplicado, y la dirección está relacionada con la dirección del eléctrico. campo. El efecto electrocrictivo, es decir, el campo dieléctrico F, que causa la cepa debido a la polarización inducida. La tensión es proporcional a la plaza del campo eléctrico y no tiene nada que ver con la dirección del campo eléctrico. El efecto piezoeléctrico inverso y el efecto electrocrictivo son esencialmente los resultados de la polarización del cristal dieléctrico bajo la acción de un campo eléctrico externo, lo que hace que la celosía de cristal se distorsione y se manifiesta como una cepa mecánica en una escala macro. Las piezocerámicas se llaman cerámicas piezoeléctricas mediante la mezcla de ingredientes, sintieran a alta temperatura y recolectan aleatoriamente las partículas sólidas entre las partículas. PZT Piezo se puede usar como un elemento de detección y un elemento de conducción, y se puede incrustar con otros materiales para formar un material compuesto, por lo que tiene una amplia gama de perspectivas de aplicaciones, como el control de la aeronave en las alas de las aeronaves y los sistemas de control de vibraciones. Control activo de vibración y ruido, monitoreo de salud estructural en equipo, etc.

Las características principales de la aplicación PZT en estructuras de material inteligente son:

① puede ser utilizado como un conductor y un sensor;
② Cuando se usa como conductor, su potencia de excitación es pequeña;
③ La velocidad de respuesta es más rápida, lo cual es 1.000 veces la de la aleación de memoria de forma;
④ El tamaño puede hacerse pequeño y delgado, y se puede instalar en la superficie de la estructura o enterrado en la estructura;
⑤ La combinación es flexible. Se puede utilizar en forma de piezas relativamente grandes, o se puede usar en piezas pequeñas.

Estructura de PZT
PZT PIEZO CERAMIC es una solución continua sólida de PBZRO3 y PBTIO3 y tiene una estructura ABO3 PERROVSKITE. Se encuentra a principios de la década de 1950, PZT es un importante material ferroeléctrico piezoeléctrico con importante valor de aplicación técnica. Las cerámicas piezoeléctricas son materiales dieléctricos cristalinos que no tienen un centro de simetría. Un dieléctrico cristalino que no tiene un centro de simetría no tiene un cristal de grupo de 432 puntos con un efecto piezoeléctrico inverso extremadamente bajo debido a la simetría extremadamente alta. La deformación de la dieléctrica simétrica del cristal causada por el efecto piezoeléctrico inverso. Bajo la acción del campo eléctrico, se polariza el dieléctrico. Debido a que no hay un enlace iónico entre el ion lateral a la izquierda y el ion positivo a la derecha (y otros (enlaces químicos), por lo que durante el proceso de polarización, puede ocurrir un gran desplazamiento relativo entre ellos, lo que muestra un gran efecto piezoeléctrico inverso en una escala macro . Expresado como: S = DE, que es proporcional a la magnitud del campo eléctrico. Es decir, para materiales piezoeléctricos, cantidades eléctricas y mecánicas se acoplan entre sí. La energía almacenada en el medio consta de dos partes, una es una tensión La energía y la otra son la energía electromagnética. Según la teoría moderna de la dinámica estructural, cuando se producen daños y defectos en el equipo y la estructura, como las grietas, los pernos sueltos, etc., su rigidez y sus características de impedancia mecánica cambiarán y la frecuencia natural y la frecuencia natural y El modo de la estructura también cambiará. Por lo tanto, el grado de daño puede administrarse cuantitativamente en función de los cambios en la impedancia mecánica. Sin embargo, el cambio de mecánico D La impedancia yámica con frecuencia es difícil de medir con los métodos convencionales. Utilizando las características automáticas y automáticas de los elementos piezoeléctricos, la cerámica piezoeléctrica PZT puede actuar tanto como un elemento de conducción y un elemento de detección para excitar la estructura para obtener la respuesta dinámica de la estructura, estableciendo así un puente entre las características mecánicas y la eléctrica. Información y información mecánica de impedancia dinámica. Los cambios se pueden reflejar por información eléctrica medida simple. Cuando se aplica un cierto voltaje externo a la superficie de la lámina de cerámica piezoeléctrica, se genera una fuerza de superficie lateral en la superficie de la viga. Estas fuerzas superficiales impulsarán la viga para generar diferentes vibraciones (cuando las PZTAS superiores e inferiores se someten a la misma voltaje, causarán la vibración longitudinal del haz; cuando se aplica la tensión inversa, causará la vibración de flexión del haz. A su vez, la vibración causa la deformación del haz, y las características de deformación se pueden reflejar en forma de señales eléctricas a través de las características de detección de la lámina de cerámica piezoeléctrica. Por lo tanto, las características de admisión dinámica de la hoja de cerámica piezoeléctrica pegada en la estructura. Refleja el estado de daño de la estructura. La admisión dependiente de la frecuencia (impedancia inversa) se obtiene del efecto de acoplamiento piezoeléctrico y la interacción de PZT con la estructura. La admisión capacitiva de un PZT libreTransductor de cilindro piezoeléctricoEs la línea de base de la admisión en función de la frecuencia. El segundo artículo contiene la información de impedancia del propio material PZT y la información de impedancia de la estructura externa. Teniendo en cuenta que el sistema piezoeléctrico se ha determinado después de que la lámina de cerámica piezoeléctrica está unida a la estructura externa, la impedancia AZ del material PZT en sí misma es constante, y el valor de impedancia de la estructura externa es el único parámetro que afecta al segundo término, por lo tanto Controlando todo el sistema piezoeléctrico. Cambios en la admisión Y. Cuando los parámetros y el rendimiento de PZT se mantienen constantes, la impedancia estructural Z determina de manera única el valor del segundo término. Cualquier cambio en la conductividad piezoeléctrica de sodio corresponde a daños estructurales y defectos, de modo que se identifica el valor de la conductividad de sodio piezoeléctrico para estructurar el daño.

Implementación de PZT para el monitoreo de la salud estructural.

Debido al efecto piezoeléctrico y el efecto piezoeléctrico inverso del elemento piezoeléctrico, el elemento piezoeléctrico tiene una doble función de conducción y detección. Usando esta función, es posible lograr el monitoreo de salud en línea y en tiempo real de la estructura. Parte del material PZT está conectado a la fuente de alimentación que genera la señal de excitación a través de un cable. El voltaje o carga se usa para impulsar la fuente de alimentación para aplicar una señal de excitación (voltaje o carga) al PZT. Debido a que el material PZT tiene el efecto piezoeléctrico inverso, es decir, se deformará bajo la acción de un campo eléctrico. El material PZT está incrustado (o pegado) en el material de la base, por lo que su propia deformación se transmitirá al material base, con el material de la base que se deforma o se trasladó. En este momento, el PZT es equivalente a un conductor y genera deformación al recibir la señal de excitación. Al mismo tiempo, algunosTubos piezocerámicos de material PZTestán dispuestos en el material base y no están conectados a la fuente de alimentación. Cuando el material base se deforma o se mueve, esta deformación o movimiento se transmitirá al material PZT. Debido al efecto piezoeléctrico del material PZT, se genera una carga eléctrica dentro del material PZT, y la magnitud de la carga eléctrica cambia con el tamaño de la deformación o el movimiento. En este momento, el PZT es equivalente a un sensor. Luego use el dispositivo de medición para medir y recoja la señal de salida de este sensor PZT en tiempo real, y puede reflejar la deformación o el movimiento del material base en tiempo real y en línea, para realizar el monitoreo de salud en tiempo real y en línea. de la estructura.

Compare los datos recopilados en tiempo real con los datos de vibración cuando la estructura es normal y vea si la señal de salida PZT cambia (como las grietas o la hoscia de la estructura, etc., en teoría, causará la salida PZT en la estructura. Para cambiar. Si cambia, se considera que la estructura tiene un fracaso. Cuando se produce una falla, la señal se puede transmitir al controlador a tiempo para lidiar con la falla de la estructura de manera oportuna para lograr el monitoreo en tiempo real, Diagnóstico de falla y procesamiento de fallas de la estructura.

PZT puede actuar tanto como un elemento de conducción y un elemento de detección para excitar la estructura para obtener la respuesta dinámica de la estructura. El principio de efecto piezoeléctrico positivo e inverso se usa para analizar la relación de respuesta dinámica entre la lámina de cerámica piezoeléctrica y la estructura externa. Cuando la estructura externa cambia, la impedancia piezoeléctrica correspondiente también cambia. Al medir el cambio de admisión de la cerámica piezoeléctrica, el estado de la estructura se puede predecir en tiempo real. El PZT es adecuado tanto para el daño macro como para daños menores, y que tiene una buena perspectiva de desarrollo en el monitoreo de la salud estructural de los edificios en el futuro.