مقالة منهجية

التحقيق في إمكانات محولات الطاقة الكهروإجهادية الرقيقة المنحنية بشكل فردي لحصاد الطاقة ومراقبة الصحة الهيكلية

DOI:

10.3791/68141

⸱

نوفمبر 14, 2025

 ,  , 
1Kerala State Electricity Board Limited, 2CSIR-Central Road Research Institute, 3Civil Engineering Department, Indian Institute of Technology Delhi

في هذه المقالة

ملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

هنا ، نقارن تجريبيا محولات الطاقة الكهروإجهادية المنحنية والمستقيمة المدمجة في الهياكل الخرسانية المسلحة لحصاد الطاقة ومراقبة الصحة الهيكلية من خلال تقييم جهد الدائرة المفتوحة ، وتوليد الطاقة ، وتخزين الطاقة ، والقدرة على اكتشاف التلف. تجاوزت محولات الطاقة المنحنية المحولات المستقيمة ، مما يوفر أداء أفضل لتطبيقات العالم الحقيقي.

الملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

على مدى العقدين الماضيين ، أصبحت المواد الكهروإجهادية جزءا لا يتجزأ من مراقبة الصحة الهيكلية (SHM) وحصاد الطاقة. تتوفر هذه المواد بأشكال وتكوينات مختلفة ، ومع ذلك لا تزال إمكانات التكوينات المنحنية غير مستكشفة إلى حد كبير. تستكشف هذه المقالة تجريبيا أداء محولات الطاقة الكهروإجهادية الرقيقة المنحنية بشكل فردي مقارنة بتكوينها المستقيم عند تضمينها في هياكل الخرسانة المسلحة (RC) لحصاد الطاقة وتطبيقات SHM. يتضمن البحث مقارنة جنبا إلى جنب لهذه التكوينات بناء على (أ) جهد الدائرة المفتوحة الناتج عنها تحت الإثارة التوافقية النقية ، (ب) الطاقة المولدة في ظل ظروف مطابقة المعاوقة ، و (ج) قدرتها على تخزين الطاقة في المكثفات في ظل اهتزازات غير منتظمة واقعية مع ظروف عدم تطابق المعاوقة. بالإضافة إلى ذلك ، تبحث المقالة في قدرات الكشف عن الضرر لمحولات الطاقة المنحنية بيزو باستخدام تقنية المعاوقة الكهروميكانيكية (EMI) ، وهي منطقة لم يتم استكشافها بدقة.

توضح نتائج جميع التجارب الأربع أن محولات الطاقة البيزو المنحنية تتفوق على تكويناتها المستقيمة في كل من تطبيقات SHM وحصاد الطاقة. لذلك ، فإن نتائج هذه التحقيقات ضرورية للاستخدام الفعال لمحولات الطاقة الكهروإجهادية المنحنية في هياكل RC في العالم الحقيقي ، مما يعزز كل من حصاد الطاقة ومراقبة الصحة الهيكلية ، مما يؤدي في الواقع إلى الصيانة الاقتصادية والتشغيل الآمن لهياكل RC.

المقدمة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

مراقبة الصحة الإنشائية (SHM) هي علم هندسي حاسم يهدف إلى ضمان سلامة الهياكل والمتانة والتشغيل الاقتصادي والأداء ، مثل المباني والجسور والسدود وما إلى ذلك. تستخدم SHM العديد من أجهزة الاستشعار وأنظمة الحصول على البيانات والتقنيات المتقدمة لجمع البيانات في الوقت الفعلي مثل الإجهاد والإجهاد والاهتزاز والإزاحة ودرجة الحرارة وما إلى ذلك لتحليل حالة الهيكل بشكل دوري طوال دورة حياته1 ، 2. من خلال الكشف عن علامات التلف أو البلى أو التدهور أو أي حالات شاذة أخرى في مرحلة مبكرة ، تتيح SHM صيانة فعالة من حيث التكلفة والتشغيل الآمن للهيكل ، وبالتالي إطالة عمره.

المواد الكهروإجهادية هي فئة من المواد الذكية ذات القدرة الفريدة على تطوير إمكانات كهربائية عبر أسطحها استجابة للاهتزازات / الضغوط أو الإجهاد الميكانيكي والعكس صحيح. يتم شرح التأثيرات المباشرة والعكسية للكهرضغطية الانضغاطية في الشكل 1. نظرا لهذه القدرة الفريدة ، يتم استخدامها على نطاق واسع كأجهزة استشعار ومشغلات وحصادات طاقة في مجالات الهندسة والطبية و SHM3،4،5،6،7،8. تشمل الأنواع المختلفة من المواد الكهروإجهادية بلورات طبيعية مثل الكوارتز (SiO2) ، والتوباز ، وما إلى ذلك ، والسيراميك الكهروإجهادي مثل تيتانات الزركونات الرصاص (PZT) ، والبوليمرات الكهروإجهادية بشكل أساسي فلوريد البولي فينيلدين (PVDF) ، وغيرها الكثير. أثبت Kaur and Bhalla (2015) أنه يمكن استخدام نفس المجموعة من محولات الطاقة الكهروإجهادية (بقع PZT) ل SHM للهياكل الخرسانية ولحصاد الطاقة اللازمة لعملها كأجهزة استشعار9. وبالتالي ، فإن الطاقة المحيطة التي يتم حصادها في الوقت الفعلي تلغي الطلب على العديد من البطاريات حيث يجب تخزين الطاقة بشكل عابر فقط ل SHM10.

تعتمد خاصية المواد الكهروإجهادية كجهاز استشعار وحصادة طاقة على ظاهرة التأثير الكهروإجهادي المباشر (الشكل 1) ، حيث تطور المادة الكهروإجهادية الجهد الكهربائي أو الجهد (V) عبر الأسطح المعاكسة عند تعرضها لإجهاد ميكانيكي (S1). يتم تمثيل ذلك بالمعادلة:

figure-introduction-1(1)

حيث d31 هو معامل الإجهاد الكهروإجهادي ، معبرا عنه ب C / N أو m / V. يشير الحرف "31" إلى أن المجال الكهربائي المطبق في الاتجاه 3 يحفز الإجهاد في الاتجاه 1 ، ويشيرh p إلى سمك المادة الكهروإجهادية بالأمتار ، figure-introduction-2 ويمثل معامل يونغ الديناميكي تحت مجال كهربائي ثابت أو صفري ، يقاس ب N / m2 ، وهو figure-introduction-3 السماحية الكهربائية الديناميكية تحت ضغط ميكانيكي ثابت أو صفر ، يقاس ب F / m3،11،12.

يمكن استخدام المواد الكهروإجهادية المضمنة داخل الهيكل أو المرتبطة بالسطح لمراقبة الحالات الشاذة في الهيكل بناء على قياسات الإجهاد والمقاومة التي يسجلونها. يمكن أن توفر هذه المواد أشكال وضع الانحناء مباشرة ، وبالتالي غالبا ما تستخدم للتقنيات الديناميكية العالمية13،14. مع تطور تقنية المعاوقة الكهروميكانيكية (EMI) ، أثبتت هذه المواد أيضا فعاليتها في الكشف عن الضرر الموضعي15،16. اكتسبت تقنية EMI شعبية واسعة في مجال SHM نظرا لطبيعتها غير المدمرة وسهولة التنفيذ والفعالية من حيث التكلفة لمحولات الطاقة PZT. في هذه التقنية ، يتم إثارة بقع PZT المثبتة على هيكل المضيف كهربائيا من خلال تطبيق الجهد الكهربائي التوافقي عند الترددات العالية (في نطاق الكيلوهرتز [كيلو هرتز]) في وضع الاجتياح باستخدام مقياس مقاومة الحث والسعة (LCR) أو محلل المعاوقة.

نتيجة للتأثير الكهروإجهادي المباشر ، فإنه يولد اهتزازات ميكانيكية في الهيكل. وبسبب التأثير الكهروإجهادي المعاكس ، تؤثر هذه الاهتزازات الميكانيكية على المعاوقة الكهروميكانيكية لمحول الطاقة الكهروإجهادية17،18. يتم إنشاء توقيع المعاوقة الكهروميكانيكية هذا في نفس نطاق تردد إشارة الإثارة. تمثل المعادلة التالية القبول figure-introduction-4الكهروميكانيكي ، معكوس المعاوقة الكهروميكانيكية ، لنظام نموذج 1-D19

figure-introduction-5(2)

حيث ω هو التردد الزاوي بالراد / ثانية ، figure-introduction-6و l ، w و h هي على التوالي نصف الطول وعرض وسمك رقعة PZT. يمثل Z و Za المعاوقة الميكانيكية المعقدة للهيكل وتصحيح PZT على التوالي و κ هو رقم الموجة. تظل هذه التوقيعات مستقرة ومتسقة طالما أن الهيكل سليم. ومع ذلك ، عند حدوث أي أضرار ، لوحظت تغييرات كبيرة بين التوقيع الحالي والتوقيع الأساسي (التوقيع المكتسب خلال المرحلة الصحية من الهيكل). من خلال تحليل توقيع المعاوقة ، من الممكن اكتشاف وجود الضرر وموقعه وشدة الضرر في المراحل المبكرة وتنفيذ أعمال التصحيح الفعالة من حيث التكلفة في الوقت المناسب ، مما يحسن متانة الهيكل20،21،22.

على مدى العقدين الماضيين ، تم إجراء بحث مكثف لفحص إمكانات حصاد الطاقة للمواد الكهروإجهادي. على الرغم من أن هذه المواد متوفرة في العديد من التكوينات مثل الأنابيب والكرات والأقراص وما إلى ذلك ، إلا أن معظم الدراسات تستند إلى بقع كهرضغطية مستقيمة ، وشرائط ، وقضبان ، وما إلى ذلك.23،24. ومن ثم ، يجب استكشاف إمكانات التكوينات الأخرى المختلفة لمحولات الطاقة بيزو.

وقد أنشأت بقع PZT حضورا كبيرا في مجال SHM على مدى العقدين الماضيين. ومع ذلك ، لا ينصح باستخدام بقع PZT العارية للهياكل الخرسانية لأنها قد تتدهور أثناء البناء. لذلك ، توصل Bhalla and Gupta (2007 ، 2022) إلى فكرة مستشعر اهتزاز الخرسانة (CVS) ، وهو مستشعر جاهز للاستخدام بشكل أساسي ل SHM للهياكل الخرسانية25,26 ، تم تطويره في مختبر الهياكل والديناميكيات الذكية (SSDL) ، IIT Delhi. في CVS ، يتم تغطية محول الطاقة الكهروإجهادي (رقعة PZT) بدقة بطبقة حماية مركبة ، مما يجعله جاهزا للاستخدام للتركيب المباشر في الحياة الواقعية قبل تثبيته في هيكل خرساني. يجب أن تكون درجة الأسطوانة الخرسانية التي تغلف رقعة PZT مساوية أو أعلى من درجة الهيكل الخرساني الذي يجب تضمينها فيه. تتمتع CVS بتوافق قوي جدا مع الإجهاد مع هيكل المضيف ، ويمكنها بسهولة الحصول على أشكال وضع الانحناء وترددات الرنين ، ويمكنها تحمل الظروف القاسية مقارنة بمستشعرات PZT المرتبطة بالسطح. أنشأت Kaur (2015) تجريبيا استخدام CVS ل SHM وكحصاد للطاقة من خلال توليد الطاقة المطلوبة لعمل SHM خلال وقت الخمول27.

على غرار CVS ، فإن حصادة طاقة اهتزاز الخرسانة (CVEH) عبارة عن مستشعر جاهز للاستخدام تم تطويره في SSDL لحصاد الطاقة من الهياكل الخرسانية. ومع ذلك ، على عكس CVS ، فإن CVEH يغلف محول طاقة منحني28. يؤدي إجهاد / إجهاد الانحناء المتزايد الناتج عبر رقعة بيزو نتيجة للشكل المنحني إلى رفع الجهد المطور ، وبالتالي توليد الطاقة. ومع ذلك ، نظرا للطبيعة الهشة للسيراميك البيزوسيراميك ، لا يمكن استخدام جميع بقع بيزو لتصنيع CVEH. يجب اختيار عنصر بيزو المستخدم في تصنيع CVEH بعناية بحيث ينتج تأثير d31 فقط. سيؤدي وجود تأثير d33 إلى مواجهة فوائد d31 في محولات الطاقة المنحنية ، حيث يختلف اتجاه القطب بشكل عمودي في جميع أنحاء الانحناء ، مما يقلل من كفاءة محول الطاقة29. باستخدام رقعة مركب الألياف الكلية من النوعd 31 (MFC) ، نجح متغير بيزو مرن للغاية وعالي الأداء طورته الإدارة الوطنية للملاحة الجوية والفضاء (ناسا) ، نجح Singh (2017) في تصنيع CVEH وأكد تجريبيا أن CVEH ينتج قدرة توليد جهد الدائرة المفتوحة مضاعفة تقريبا مقارنة ب CVS. ومع ذلك ، هناك ندرة في التحقيقات الحسابية والتجريبية المنهجية التي تغطي قياس الطاقة في ظل إعدادات الحياة الواقعية مقارنة بالترتيب المستقيم ، على الرغم من مؤشرات الأداء المتفوق للتكوين المنحني. علاوة على ذلك ، لم يتم إجراء أي بحث حول استكشاف إمكانيات الترتيب المنحني ل SHM.

من المتوقع أن توفر مواد حصاد الطاقة الكهروإجهادية المنحنية (CVEH) العديد من المزايا مقارنة بمواد حصاد الطاقة الكهروإجهادية التقليدية المسطحة أو المستوية. تظهر المواد الكهروإجهادية المنحنية توزيعا محسنا للإجهاد / الإجهاد عبر السطح الكهروإجهادي نظرا لطبيعة تشوهها عند تعرضها لقوى خارجية. نظرا لأن السلالة في هذه المواد تنتشر بشكل متساو ، فإنها تعمل على تحسين كفاءة تحويل الطاقة وتوليد الطاقة وتسمح بالعمل في نطاقات تردد منخفضة جدا30،31،32،33. تم إثبات أداء MFCs (مركبات الألياف الكبيرة) على مستوى العالم من حيث المرونة والموثوقية والمتانة وتحمل التلف وكفاءة المشغل المحسنة وقدرات التشغيل والاستشعار الاتجاهية34،35،36،37. يتم تصنيع CVS أو CVEH المستندة إلى MFC عن طريق تغليف البقع داخل أسطوانات الخرسانة أو الملاط بعد تطبيق طبقة واقية مناسبة. بمجرد تضمين محولات الطاقة هذه في هيكل أثناء صبها ، يعمل الهيكل بأكمله ، مع دمج CVS / CVEH في الداخل ، كنظام موحد. طالما ظل الهيكل متينا ، فإن CVEHs أو CVS (أنظمة مراقبة الصحة الهيكلية) ستحافظ أيضا على فعاليتها التشغيلية وطول عمرها. لذلك ، توفر أنظمة CVS و CVEH المستندة إلى MFC متانة فائقة لمراقبة الصحة الهيكلية.

الغرض من هذه الدراسة هو مقارنة التكوينات المنحنية والمستقيمة لمحول الطاقة الكهروإجهادية (CVEH و CVS ، على التوالي) المدمجة داخل هياكل RC من حيث الأداء لحصاد الطاقة و SHM. يتم التحقيق في جهد الدائرة المفتوحة عبر محولات الطاقة بيزو ، وتطوير الطاقة في ظل ظروف مطابقة المعاوقة ، وإمكانية تخزين الطاقة في المكثفات لكلا التكوينين. كما تم التحقيق تجريبيا في هذا العمل في إمكانية الكشف عن الضرر غير المكتشفة حتى الآن لمحولات الطاقة البيزو المنحنية باستخدام تقنية EMI.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ملاحظة: هذا البروتوكول هو وصف موجز لمشروع M. Tech الخاص بمقدم العرض الذي تم تنفيذه في مختبر الهياكل الذكية والديناميكيات (SSDL) ، المعهد الهندي للتكنولوجيا في دلهي. يمكن تقييم التفاصيل الكاملة من أطروحة M. Tech.11 والمنشورات ذات الصلة12،13.

1. التجريب: المواد والتصنيع والإعداد

  1. المواد
    ملاحظة: أنشأت السيراميك البيزوسيراميك مكانة بارزة في مجالات SHM وحصاد الطاقة نظرا لقوتها العالية وصلابتها وعوامل الاقتران. ومع ذلك ، فإن هشاشة هذه المواد تحد من استخدامها على الأسطح المنحنية. ونتيجة لذلك، طورت الإدارة الوطنية للملاحة الجوية والفضاء (ناسا) نسخة بيزو مرنة وعالية الأداء بشكل خاص، وهي MFC، التي تم اختيارها كمحول كهرضغطية للدراسة الحالية.
    1. استخدم البديل M5628-P2 ، بسمك 300 ميكرومتر وله تأثير d31 فقط.
  2. التصنيع والإعداد
    1. صب أسطوانتين من الملاط الأسمنتي بقطر 100 مم وسمك 30 مم.
    2. قم بتغليف محولات الطاقة بيزو MFC المستقيمة والمنحنية في أسطوانات الملاط في موقع العمق المتوسط أثناء الصب (الشكل 2 أ ، ب).
    3. ضع طبقة واقية من مادة لاصقة الإيبوكسي القياسية على بقع MFC لتجنب التدهور أثناء الصب.
    4. عالج أسطوانات الملاط (الشكل 2 ج ، د) التي تحيط بمحولات الطاقة لمدة 7 أيام.
    5. صب شعاع RC (1500 مم [L] × 300 مم [B] × 100 مم [D]) من الدرجة M30.
    6. قم بتضمين CVEH و CVS في موقع منتصف الامتداد عن طريق ربطهما بتقوية ضغط الطبقة العليا للحزمة أثناء الصب. تأكد من أن سطحها العلوي يتزامن مع سطح الحزمة ، كما هو موضح في الشكل 2E29. يتم سرد خصائص شعاع RC ومحول الطاقة بيزو في الجدول 1.
    7. تأكد من الحفاظ على التوصيلات الكهربائية لمحولات الطاقة بيزو آمنة أثناء العملية برمتها.
    8. ضع شعاع RC في حالة مدعومة بامتداد فعال يبلغ 1100 مم لإجراء تجارب مختلفة.

2. التحليل المقارن لجهد الدائرة المفتوحة المتولد عبر محولات الطاقة بيزو تحت الإثارة التوافقية النقية

ملاحظة: يقارن هذا القسم جهد الدائرة المفتوحة الناتج عن محولات الطاقة بيزو المستقيمة والمنحنية تحت الإثارة التوافقية النقية.

  1. الإعداد التجريبي
    1. قم بإعداد شعاع RC مع CVS و CVEH مضمنين بالداخل في منتصف الامتداد ، كما هو مذكور في الفقرة السابقة.
    2. قم بإعداد شاكر محمول لتحفيز الإثارة التوافقية ، يوضع على مسافة L / 2 من الدعم ، حيث L هو الامتداد الفعال للحزمة.
    3. قم بإعداد مولد وظيفي لتوليد إشارات كهربائية.
    4. قم بإعداد مضخم طاقة لتضخيم الإشارات الناتجة عن مولد الوظائف وإرسالها إلى شاكر (وبالتالي توصيلها بالشاكر ومولد الوظيفة)
    5. قم بإعداد راسم الذبذبات لقياس جهد الدائرة المفتوحة المتولد عبر المستشعرات. قم بتوصيل الأسلاك الكهربائية من مستشعرات بيزو بقناتي راسم الذبذبات.
    6. قم بإعداد مقياس تسارع بحساسية 100 مللي فولت لكل جرام موضوعة على الحزمة الأقرب إلى شاكر لقياس التسارع ، حيث يمثل g التسارع الناتج عن الجاذبية.
    7. قم بإعداد مضخم ICP لتسجيل القياسات من مقياس التسارع (وبالتالي متصلا بمقياس التسارع والقناة الثالثة لراسم الذبذبات)
      ملاحظة: ارجع إلى الشكل 3 للإعداد التجريبي.
  2. إجراء تحليل مجال التردد
    1. قم بإثارة شعاع RC باستخدام شاكر المحمول في وضع الكنس. يجب إعطاء المدخلات إلى مولد الوظيفة: إثارة المسح الدينامي من 10 هرتز إلى 100 هرتز لمدة 2,5 ثانية.
    2. إجراء تحليل مجال التردد للاستجابات الواردة من مستشعرات بيزو ومقياس التسارع لتحديد التردد الطبيعي للحزمة. يرجى الرجوع إلى المقالات المنشورة سابقا للاطلاع على الإجراء التفصيلي حول تحليل مجال التردد38 ، 39 ، 40.
  3. إجراء مقارنة جهد الدائرة المفتوحة
    1. قم بإثارة الشعاع بترددات مميزة من 25 هرتز إلى 85 هرتز باستخدام شاكر. اعتماد فاصل زمني للخطوة يبلغ 15 هرتز. سجل الاستجابة من CVS و CVEH لجميع الترددات.
    2. قم بتحويل موضع شاكر إلى مسافة L / 3 و L / 6 من الدعم ، وكرر الخطوة أعلاه (الخطوة 2.3.1) لكل موضع شاكر.
    3. قارن استجابات CVS و CVEH في كل حالة إما بيانيا أو تحليليا.

3. التحليل المقارن للطاقة المولدة بواسطة محولات الطاقة بيزو

ملاحظة: يقارن هذا القسم الطاقة المولدة بواسطة محولات الطاقة بيزو لظروف مطابقة المعاوقة المواتية.

  1. الإعداد التجريبي
    1. قم بإعداد شعاع RC مع CVS و CVEH مضمنين بالداخل في منتصف الامتداد ، كما هو مذكور في الخطوة 2.1.1.
      ملاحظة: ارجع إلى الشكل 4 أ للإعداد التجريبي.
    2. ضع شاكر من النوع الدوار غريب الأطوار على مسافة L / 4 من أقرب دعامة
    3. قم بإعداد وحدة تحكم في السرعة وقم بتوصيلها بالشاكر.
    4. قم بإعداد راسم الذبذبات. قم بتوصيل CVS و CVEH بقناتي راسم الذبذبات.
    5. ضع مقياس تسارع بحساسية 100 مللي فولت لكل غرام في منتصف فترة الحزمة. قم بتوصيله بمضخم ICP.
    6. قم بإعداد مضخم ICP لتسجيل القياسات من مقياس التسارع.
    7. قم بتوصيل دائرة إضافية ، كما هو موضح في الشكل 4 ب ، بمحولات الطاقة بيزو لقياس الطاقة. تتكون الدائرة من مقاومتين ، R1 و R2 (R1 = 335 kΩ و R2 = 340 kΩ) ، متصلان في سلسلة عبر مستشعرات بيزو.
      ملاحظة: يجب أن تكون مقاومة المقاومات المختارة في نطاق مماثل لمدى أجهزة استشعار بيزو (مقاومة المصدر). يمكن أن يؤدي عدم تطابق المعاوقة بشكل كبير إلى تبديد الحرارة المفرط ، وفقدان الطاقة بشكل كبير ، وحتى فشل الدائرة. يمكن قياس مقاومة المستشعرات لترددات مختلفة باستخدام مقياس LCR. بالنسبة إلى CVS و CVEH الحاليين ، فإن متوسط المعاوقة لترددات مختلفة تتراوح من 20 هرتز إلى 80 هرتز (فاصل الخطوة = 5 هرتز) هو 32 كيلو أوم و 35 كيلو أوم على التوالي.
    8. قم بإعداد مقياس رقمي متعدد وقم بتوصيله عبر المقاوم R1 لقياس جهد الخرج (V2) للدائرة.
    9. قم بتوصيل الكمبيوتر المحمول بمقياس رقمي متعدد للحصول على البيانات.
  2. إجراء
    1. ابدأ تشغيل شاكر وحث الاهتزازات على شعاع RC. اضبط تسارع شاكر باستخدام وحدة التحكم في السرعة.
    2. سجل جهد الخرج (V2) باستخدام المقياس المتعدد لكل مستشعر.
    3. كرر الخطوة المذكورة أعلاه لتسارعين أو أكثر من شاكر.
      ملاحظة: كانت التسارعات القصوى المعتمدة في الدراسة 15.19 م / ث2 ، و 17.39 م / ث2 ، و 21.68 م / ث2.
    4. احسب الطاقة المولدة (P) بواسطة كلا المستشعرين لكل تسارع للشاكر باستخدام الصيغة الواردة أدناه 12,27:
      figure-protocol-1
      figure-protocol-2
      حيث i هو التيار المتدفق عبر الدائرة.

4. إمكانات تخزين الطاقة لمحولات الطاقة بيزو

ملاحظة: يركز هذا القسم على تحليل إمكانية تخزين الطاقة أو حصاد الطاقة لمحولات الطاقة بيزو في ظل اهتزازات غير منتظمة في الحياة الواقعية مع ظروف المجال العام (عدم تطابق المعاوقة). تم استخدام مكثف 1000 ميكروفهرنهايت لحصاد الطاقة الناتجة عن محولات الطاقة بيزو.

  1. الإعداد التجريبي
    1. قم بإعداد الجهاز التجريبي كما هو موضح في القسم 3.1 ، باستثناء دائرة قياس القدرة.
    2. استبدل دائرة قياس الطاقة بدائرة مقوم جسر كاملة بسيطة. ارجع إلى الشكل 4C، D للإعداد التجريبي.
      ملاحظة: الغرض من دائرة مقوم الجسر الكامل البسيطة: جهد الخرج الناتج عن محولات الطاقة بيزو في وضع التيار المتردد (AC) ، والذي لا يمكن تخزينه لأنه يعكس الاتجاه بشكل دوري. لذلك ، يتم استخدام دائرة مقوم الجسر الكامل البسيطة لتحويل إشارات التيار المتردد إلى وضع التيار المباشر (DC) ، وهو مصدر طاقة مستقر ويمكن تخزينه في مكثفات أو بطاريات. تتكون الدائرة من أربعة ثنائيات من نوع شوتكي تحمل علامة D1 إلى D4 ، مع جهد انحياز أمامي أقل (في حدود 0.1 فولت)41. يتم ترتيب الثنائيات في أزواج متسلسلة ، مع عمل صمامين ثنائيين فقط خلال كل نصف دورة. في نصف الدورة الموجبة ، سيعمل الثنائيان ، D1 و D4 على التوالي حيث سيتم إيقاف تشغيل الثنائيات D2 و D3 (منحازة عكسية) والعكس صحيح خلال نصف الدورة السالبة. وبالتالي ، فإن دائرة مقوم الجسر الكاملة تضمن أنظمة دوائر مستقرة وسلبية42.
  2. إجراء
    1. ابدأ تشغيل شاكر وحث الاهتزازات على شعاع RC. اضبط تسارع شاكر باستخدام وحدة التحكم في السرعة.
    2. سجل جهد الخرج (Vc) لدائرة المعدل باستخدام جهاز القياس المتعدد لكلا المستشعرين.
    3. احسب إجمالي الطاقة ET ومتوسط الطاقة Pمتوسط المخزنة في المكثف بواسطة كلا المستشعرين باستخدام المعادلات الواردة أدناه 12،13:
      figure-protocol-3
      figure-protocol-4
      حيث C هي السعة (1000 μF) ، و Tc هي إجمالي وقت شحن المكثفات.
    4. كرر الخطوات المذكورة أعلاه للتسارع المختلفة.

5. ملاءمة محولات الطاقة بيزو ل SHM بناء على إمكانية الكشف عن الضرر

ملاحظة: يقيم هذا القسم مدى ملاءمة محولات الطاقة الكهروإجهادية ل SHM من خلال تقييم قدرتها على اكتشاف الضرر باستخدام تقنية EMI.

  1. الإعداد التجريبي:
    1. ضع نفس شعاع RC كما هو مذكور في الأقسام السابقة.
    2. قم بإعداد مقياس LCR لقياس توقيع القبول الكهربائي وتوصيله بمحولات الطاقة بيزو.
    3. أيضا ، قم بتوصيل الكمبيوتر المحمول بمقياس LCR.
    4. ضع مقياس حرارة رقمي لضمان درجة حرارة موحدة للغرفة طوال التجربة.
      ملاحظة: ارجع إلى الشكل 5 أ للإعداد التجريبي.
  2. إجراء
    1. باستخدام مقياس LCR ، قم بتطبيق جهد كهربائي توافقي عبر محولات الطاقة لإثارة الترددات العالية في وضع الكنس.
      الحالة 1: مدى تردد أكثر خشونة: 1 kHz إلى kHz 1000، فاصل خطوات kHz 1
      الحالة 2: نطاق تردد أدق: 100 كيلو هرتز إلى 300 كيلو هرتز ، فاصل خطوات 100 هرتز
    2. احصل على توقيع القبول الذي تم إنشاؤه بواسطة محولات الطاقة باستخدام مقياس LCR والكمبيوتر المحمول لكلتا الحالتين. تسمى هذه التوقيعات خلال المرحلة الصحية من الهيكل بالتوقيعات الأساسية.
    3. كرر الخطوات مرة أخرى للتحقق من الارتباط بين التوقيعات في كل حالة.
    4. إحداث ضرر في الحزمة عن طريق حفر ثقب وكرر الخطوتين 5.2.1 و 5.2.2 للحصول على التوقيعات أثناء تلف المرحلة 1.
    5. إحداث المزيد من الضرر عن طريق حفر المزيد من الثقوب وتكرار الخطوتين 5.2.1 و 5.2.2 للحصول على التوقيعات خلال كل مرحلة من مراحل الضرر. تم إحداث ثلاثة أضرار في الدراسة الحالية ، كما هو موضح في الشكل 5 ب.
    6. قارن وحلل التواقيع بصريا وعدديا من خلال مقارنة قيمة جذر متوسط الانحراف التربيعي (RMSD) بين المرحلة السليمة وتوقيعات المرحلة التالفة.
    7. يمكن حساب RMSD باستخدام المعادلة الواردة أدناه12،13:
      figure-protocol-5
      حيث n هو حجم العينة ، فإن xdi و xhi هي قيم ith في التوقيعات تحت المراحل التالفة والصحية ، على التوالي.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

التحليل المقارن لجهد الدائرة المفتوحة المتولد عبر محولات الطاقة بيزو تحت الإثارة التوافقية النقية
يتم عرض استجابات المجال الزمني لمحولات الطاقة بيزو ومقياس التسارع في الشكل 6 أ ، ب. من إشارات المجال الزمني ، يتم اشتقاق استجابات مجال التردد الخاصة بها باستخدام طريقة تحويل فورييه السريع (FFT) ، وتظهر الاستجابات في الشكل 6C ، D. وبالتالي يتم تحديد التردد الطبيعي للحزمة مع شاكر ا...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تتضمن الخطوة الحاسمة في البروتوكول المقدم تحديد التردد الطبيعي لنظام شاكر الحزمة بدقة. هذه الخطوة ضرورية لأن كلا من قدرات حصاد الطاقة ومراقبة الصحة الهيكلية (SHM) لمحولات الطاقة الكهروإجهادية تعتمد بشكل كبير على السلوك الديناميكي للنظام. سهل استخدام إثارة الاجتياح تحديد تردد الرنين لنظام شاكر الحزمة. خلال هذا الإجراء ، تم تسجيل استجابات مجال التردد ل CVEH و CVS ومقياس التسارع في وقت واحد. عرضت جميع المستشعرات الثلاثة باستمرار ذروة السعة عند 55 هرتز ، مما يثبت بوضوح هذه القيمة على أنها ال...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

هذه المقالة مقتبسة من أعمال المؤلفين المنشورة سابقا11،12،13وهي مخصصة فقط للأغراض التعليمية، وتحديدا لتسهيل نشر المعرفة والفن العلمي من خلال تنسيق الفيديو. يتم نسخ الأشكال من 1 إلى 12 بإذن من Elsevier.

شكر وتقدير

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تم دعم هذا العمل ماليا من قبل المعهد الهندي للتكنولوجيا (IIT) في دلهي وإدارة العلوم والتكنولوجيا [DST / INSPIRE / 04/2015/000545]. يقر المؤلفان تقديرا كبيرا بالدعم الذي قدمه السيد سمير حسن والسيد باوان لإنشاء الفيديو للمجلة.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
التسارعبيزوترونيكس PCB352C34
الرجامات - 10 مملا يوجدلا يوجد
الركام - 20 مملا يوجدلا يوجد
المكثف (1000 وميكرو؛ F) لا يوجدلا يوجد
إسمنتلا يوجدلا يوجد
المقياس الرقمي  تقنيات أجيلينت34411A
مقياس الحرارة الرقمي لا كروس تكنولوجي WS-9006U 
الايبوكسيلا يوجدلا يوجد
مولد الدوال  تقنيات أجيلينت33210A
مضخم ICP  بيزوترونيكس PCBسلسلة 482C
عداد LCRتقنيات أجيلينتE4980A
مركب الألياف الماكرو (MFC) المادة الذكيةM5628-P2
الذبذباتتكترونكسTDS 2004B
هزاز محمول  LDSV406
مضخم الطاقة  LDSPA500L
المقاوماتلا يوجدلا يوجد
هزاز من النوع الدوار  كرومبتون غريفز  XKF5577غير متوفر الآن
رمللا يوجدلا يوجد
ديودات من نوع شوتكي شركة ديودزBAT1000
الاسلاكلا يوجدلا يوجد

المراجع

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Farrar, C. R., Worden, K. An introduction to structural health monitoring. Philos Trans R Soc A. 365 (1851), 303-315 (2007).
  2. Sohn, H., et al. A review of structural health monitoring literature: 1996-2001. Los Alamos Natl Lab. 1 (16), 10-12989 (2003).
  3. Bhalla, S., Moharana, S., Talakokula, V., Kaur, N. Piezoelectric Materials: Applications in SHM, Energy Harvesting and Biomechanics. , John Wiley & Sons Ltd. London. (2017).
  4. Sekhar, M. C., Veena, E., Kumar, N. S., Naidu, K. C. B., Mallikarjuna, A., Basha, D. B. A review on piezoelectric materials and their applications. Cryst Res Technol. 58 (2), 2200130(2023).
  5. Zhao, X., Yang, E. C., Li, Y. H., Crossley, W. Closed-form solutions for forced vibrations of piezoelectric energy harvesters by means of Green's functions. J Intell Mater Syst Struct. 28 (17), 2372-2387 (2017).
  6. Zhao, X., Li, S. Y., Zhu, W. D., Li, Y. H. Nonlinear forced vibration analysis of a multi-cracked Euler-Bernoulli curved beam with inclusion of damping. Mech Syst Signal Process. 180, 109147(2022).
  7. Zhao, X., Zhu, W. D., Li, Y. H. Closed-form solutions of bending-torsion-coupled forced vibrations of a piezoelectric energy harvester under a fluid vortex. J Vib Acoust. 144 (2), 021010(2022).
  8. Zhao, X., Meng, S., Zhu, W., Zhu, Y., Li, Y. A closed-form solution of forced vibration of a double-curved-beam system by means of the Green's function method. J Sound Vib. 561, 117812(2023).
  9. Kaur, N., Bhalla, S. Combined energy harvesting and structural health monitoring potential of embedded piezo-concrete vibration sensors. J Energy Eng. 141 (4), D4014001(2015).
  10. Sezer, N., Koç, M. A comprehensive review on the state-of-the-art of piezoelectric energy harvesting. Nano Energy. 80, 105567(2021).
  11. Krishnanunni, A. V. Experimental and numerical investigations on efficacy of singly curved thin piezo transducers for energy harvesting and structural health monitoring. [M.Tech. thesis]. , Indian Institute of Technology Delhi. New Delhi, India. (2022).
  12. Krishnanunni, A. V., Kaur, N., Bhalla, S. Singly Curved Thin Piezo Transducers for Energy Harvesting and Structural Health Monitoring. , BP International. West Bengal. (2024).
  13. Krishnanunni, A. V., Kaur, N., Bhalla, S., Singh, N., Balguvhar, S. Efficacy of singly curved thin piezo transducers for structural health monitoring and energy harvesting for RC structures. Energy Rep. 9, 2506-2524 (2023).
  14. Aulakh, D. S., Bhalla, S. 3D torsional experimental strain modal analysis for structural health monitoring using piezoelectric sensors. Measurement. 180, 109476(2021).
  15. Giurgiutiu, V., Zagrai, A. N. Embedded self-sensing piezoelectric active sensors for on-line structural identification. J Vib Acoust. 124 (1), 116-125 (2002).
  16. Park, G., Cudney, H. H., Inman, D. J. Impedance-based health monitoring of civil structural components. J Infrastruct Syst. 6 (4), 153-160 (2000).
  17. Baptista, F. G., Budoya, D. E., De Almeida, V. A., Ulson, J. A. C. An experimental study on the effect of temperature on piezoelectric sensors for impedance-based structural health monitoring. Sensors. 14 (1), 1208-1227 (2014).
  18. Panigrahi, R., Bhalla, S., Gupta, A. A low-cost variant of electromechanical impedance (EMI) technique for structural health monitoring. Exp Tech. 34 (2), 25-29 (2010).
  19. Bhalla, S., Soh, C. K. Structural health monitoring by piezo-impedance transducers. I: Modeling. J Aerosp Eng. 17 (4), 154-165 (2004).
  20. Annamdas, V. G. M., Pang, J. H. L., Chew, Y. X., Hoh, H. J., Zhou, K., Song, B. Fatigue monitoring of double surface defects using PZT-based electromechanical impedance and digital image correlation methods. Adv Mater Res. 891 - 892, 551-556 (2014).
  21. Ai, D., Luo, H., Wang, C., Zhu, H. Monitoring of the load-induced RC beam structural tension/compression stress and damage using piezoelectric transducers. Eng Struct. 154, 38-51 (2018).
  22. Dixit, A., Bhalla, S. Prognosis of fatigue and impact induced damage in concrete using embedded piezo-transducers. Sensors Actuators A Phys. 274, 116-131 (2018).
  23. Pourashraf, T., Bonello, P., Truong, J. Analytical and experimental investigation of a curved piezoelectric energy harvester. Sensors. 22 (6), 2207(2022).
  24. Zhang, X., Huang, X., Wang, B. A quad-stable nonlinear piezoelectric energy harvester with piecewise stiffness for broadband energy harvesting. Nonlinear Dyn. , 19633-19652 (2024).
  25. An embeddable piezo composite concrete vibration sensor for structural health monitoring of reinforced concrete structures and process of preparation thereof. Indian patent. , 412929 (2022).
  26. Foundation for Innovation Technology and Transfer (FITT), IIT Delhi, New Delhi, India. A novel vibration sensor for concrete structures. Patent application no. , 1011/DEL/2011 (2007).
  27. Kaur, N. Integrated structural health monitoring and energy harvesting potential of adhesively bonded thin piezo patches operating in d31 mode. [Ph.D. thesis]. , Indian Institute of Technology. Delhi, New Delhi, India. (2015).
  28. Concrete vibration energy harvester. Indian patent no. , 477706 (2023).
  29. Singh, N. Fabrication and evaluation of concrete vibration energy harvester (CVEH). [M.Tech. thesis]. , Department of Civil Engineering, IIT Delhi. Delhi, New Delhi, India. (2017).
  30. Jung, W. S., et al. Powerful curved piezoelectric generator for wearable applications. Nano Energy. 13, 174-181 (2015).
  31. Kathpalia, B., Tan, D., Stern, I., Valdes, F., Kim, S., Erturk, A. Modeling and characterization of a curved piezoelectric energy harvester for smart paver tiles. Procedia Comput Sci. 109, 1060-1066 (2017).
  32. Wang, B., Li, Z., Yang, Z. A distributed-parameter electromechanical coupling model for a piezoelectric energy harvester with variable curvature. Smart Mater Struct. 29 (11), 115015(2020).
  33. Zhou, W., Wang, B., Lim, C. W., Yang, Z. A distributed-parameter electromechanical coupling model for a segmented arc-shaped piezoelectric energy harvester. Mech Syst Signal Process. 146, 107005(2021).
  34. Nuffer, J., et al. Reliability investigation of piezoelectric macro fiber composite (MFC) actuators. Adaptronic Congress, 2007. , Göttingen. (2007).
  35. Sodano, H. A., Park, G., Inman, D. J. An investigation into the performance of macro-fiber composites for sensing and structural vibration applications. Mech Syst Signal Process. 18 (3), 683-697 (2004).
  36. Upadrashta, D., Yang, Y. Experimental investigation of performance reliability of macro fiber composite for piezoelectric energy harvesting applications. Sensors Actuators A Phys. 244, 223-232 (2016).
  37. Vu, V. H., Nguyen, M. H., Hwang, C. L., Huynh, T. P. High-strength high-performance concrete incorporating different macro fiber types and contents: engineering and durability performance. J Chin Inst Eng. 47 (1), 81-95 (2024).
  38. Chopra, A. K. Dynamics of structures. , Pearson Education. India, New Delhi. (2007).
  39. Chowdhury, I., Dasgupta, S. P. Dynamics of structure and foundation-a unified approach: 1. Fundamentals. , CRC Press. Boca Raton. (2008).
  40. Kausel, E., Roësset, J. M. Frequency domain analysis of undamped systems. J Eng Mech. 118 (4), 721-734 (1992).
  41. Diodes. , Diodes Incorporated. At https://www.diodes.com/ (2022).
  42. Balguvhar, S., Bhalla, S., Soh, C. K. Efficacious piezoelectric energy harvesting, including storage from low-frequency non-periodic bridge vibrations. Curr Sci. 123 (4), Volume needed 554-567 (2022).
  43. Balguvhar, S., Bhalla, S. Evaluation of power extraction circuits on piezo-transducers operating under low-frequency vibration-induced strains in bridges. Strain. 55 (3), 12303(2019).
  44. Shanker, R., Bhalla, S., Gupta, A., Praveen Kumar, M. Dual use of PZT patches as sensors in global dynamic and local electromechanical impedance techniques for structural health monitoring. J Intell Mater Syst Struct. 22 (16), 1841-1856 (2011).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

مقالات ذات صلة