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研究单向弯曲薄型压电换能器在能量收集与结构健康监测中的潜力

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DOI：

10.3791/68141

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2025年11月14日

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

本文内容

摘要

本研究通过评估开路电压、发电量、储能能力及损伤检测性能，实验性地比较了嵌入钢筋混凝土结构中的单曲面压电换能器与直型压电换能器在能量收集和结构健康监测方面的表现。结果表明，曲面换能器优于直型换能器，在实际应用中具有更优的性能。

摘要

在过去的二十年中，压电材料已成为结构健康监测（SHM）和能量收集技术的重要组成部分。这些材料具有多种形态和构型，但其弯曲构型的潜力仍基本未被开发。本文通过实验研究了单向弯曲的薄型压电换能器与传统直线构型相比，在嵌入钢筋混凝土（RC）结构中用于能量收集和结构健康监测应用时的性能表现。研究基于以下三个方面对两种构型进行了并行比较：（a）在纯谐波激励下产生的开路电压；（b）在阻抗匹配条件下产生的电功率；（c）在实际生活中非规则振动及阻抗失配条件下向电容器储能的潜力。此外，本文还利用机电阻抗（EMI）技术探讨了弯曲压电换能器在损伤检测方面的能力，这一领域此前尚未得到充分研究。

四项实验的结果均表明，与直线型配置相比，弯曲压电换能器在结构健康监测和能量收集应用中均表现出更优异的性能。因此，这些研究结果对于在实际钢筋混凝土结构中有效利用弯曲压电换能器至关重要，可同时提升能量收集效率和结构健康监测能力，从而实现钢筋混凝土结构的经济化维护与安全运行。

引言

结构健康监测（Structural Health Monitoring, SHM）是一门重要的工程科学，旨在确保建筑物、桥梁、大坝等结构的安全性、耐久性、经济运行和性能表现。SHM 利用多种传感器、数据采集系统和先进技术，收集应力、应变、振动、位移、温度等实时数据，以在其整个生命周期内定期分析结构状态1,2。通过在早期阶段检测损伤、磨损、性能退化或其他异常迹象，SHM 能够实现低成本维护和安全运行，从而延长结构的使用寿命。

压电材料是一类智能材料，具有在机械振动/应力或应变作用下在其表面产生电势的独特能力，反之亦然。压电效应的正效应和逆效应如图1所示。由于这种独特性能，压电材料被广泛应用于工程、医学和结构健康监测（SHM）领域的传感器、执行器以及能量收集装置3,4,5,6,7,8。压电材料的种类包括天然晶体（如....

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方案

注意：本方案是关于报告人在印度理工学院德里分校智能结构与动力学实验室（SSDL）完成的工程硕士项目的简要描述。更多详细信息可参见工程硕士论文11及相关出版物12,13。

1. 实验：材料、制备与装置

  1. 材料
    注意：压电陶瓷由于具有高强度、高刚度和高耦合系数，已在结构健康监测（SHM）和能量收集领域占据重要地位。然而，这些材料的脆性限制了其在曲面上的应用。因此，美国国家航空航天局（NASA）开发出一种特别柔韧且高性能的压电陶瓷版本，即MFC，本研究选用MFC作为压电换能器。
    1. 使用M5628-P2型号，厚度为300 µm，仅具有d31效应。
  2. 制备与装置
    1. 浇铸两个直径为100 mm、厚度为30 mm的水泥砂浆圆柱体。
    2. 在浇铸过程中，将直型和曲型MFC压电换能器封装于砂浆圆柱体的中间深度位置（图2A，B）。
    3. 在MFC贴片上涂覆一层标准环氧胶粘剂作为保护层，以防止浇铸过程中发生性能退化。

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结果

纯谐波激励下压电换能器两端产生开路电压的比较分析
压电换能器和加速度计的时间域响应如图6A、B所示。根据时间域信号，采用快速傅里叶变换（FFT）方法计算得到其频域响应，结果如图6C、D所示。通过传感器的频域响应，可确定在跨中安装便携式激振器时梁的固有频率为55 Hz。

针对不同激振器位置和频率，比较了CVS和CVEH产生的开路电压。观察发现，在大多数情况下，CVEH（弯曲型换能器）产生的电压高于CVS（直线型换能器）。这些换能器的典型响应如图7A所示。此外，CVEH相对于CVS在不同频率和激励位置下产生的电压如图7B所示。在大多数情况下，CVEH产生的开路电压高于CVS，特别是当激振器位置距离最近支撑点为L/3或L/2时更为显著。

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讨论

本方案中的一个关键步骤是准确测定梁-激振器系统的固有频率。此步骤至关重要，因为压电换能器的能量收集和结构健康监测（SHM）能力高度依赖于系统的动态特性。通过采用扫频激励，可有效识别梁-激振器系统的共振频率。在此过程中，同时记录了CVEH、CVS和加速度计的频域响应。三种传感器均在55 Hz处表现出明显的幅值峰值，明确表明该值即为系统的固有频率。这一结果的一致性不仅验证了实验装置的结构行为，也证实了压电传感器的机械完整性和灵敏度。实验结果不仅确认了传感器的正常工作状态，也为后续的对比实验奠定了可靠的基础。若压电换能器存在安装错位或粘接不良，可能改变应变传递效率，从而影响电压输出以及损伤检测信号的完整性。因此，换能器的精细制备对于确保实验的可靠性与可重复性同样不可或缺。

在对压电换能器两端产生的开路电压进行比较分析时，大多数情况下，弯曲型换能器表现出更高的电压输出。压电换能器产生的电压与其所受应变成正比，这是基于直接压电效应。对于弯曲型压电换能器而言，其弯曲形状引起的附加应变导致了更高的电压输出。因此，在实验中，当激励位置分别位于距最近支撑点 L/3 和 L/2 处时，弯曲构型平均产生.......

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披露

本文改编自作者先前发表的作品11,12,13，仅用于教育目的，旨在通过视频形式促进知识与科学技艺的传播。图1至图12已获爱思唯尔公司（Elsevier）许可予以复制。

致谢

本工作得到了印度理工学院（IIT）德里分校和科学技术部 [DST/INSPIRE/04/2015/000545] 的资金支持。 作者衷心感谢 Sameer Hasan 先生和 Pawan 先生为本期刊制作视频所提供的支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
加速度计PCB Piezotronics352C34
集料 - 10 mmN/AN/A
集料 - 20 mmN/AN/A
电容器 (1000 μF) N/AN/A
水泥N/AN/A
数字万用表 Agilent Technologies34411A
数字温度计 La Crosse Technology WS-9006U 
环氧树脂N/AN/A
函数发生器 Agilent Technologies33210A
ICP放大器 PCB Piezotronics482C 系列
LCR 测量仪Agilent TechnologiesE4980A
宏观纤维复合材料 (MFC) Smart MaterialM5628-P2
示波器TektronixTDS 2004B
便携式振动台 LDSV406
功率放大器 LDSPA500L
电阻器N/AN/A
旋转式振动台 Crompton Greaves XKF5577目前不可用
砂N/AN/A
肖特基型二极管 Diodes IncorporatedBAT1000
导线N/AN/A

参考文献

  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).<....

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