方法文章

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

1.3K 次观看

⸱

DOI：

10.3791/68141

⸱

2025年11月14日

 ,  , 
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（如石英（SiO2）、黄玉等）、压电陶瓷（如锆钛酸铅（PZT））、压电聚合物（主要是聚偏二氟乙烯（PVDF））以及其他多种材料。Kaur 和 Bhalla（2015）证实，同一组压电换能器（PZT 片）可用于混凝土结构的结构健康监测，同时可用于采集其作为传感器运行所需的能量9。因此，实时采集的环境能量消除了对大量电池的需求，因为能量仅需为结构健康监测进行短暂存储10。

压电材料作为传感器和能量收集器的特性基于正压电效应现象（图1），即当压电材料受到机械应变（S1）时，其相对表面之间会产生电势或电压（V）。该关系可用以下方程表示：

压电电压方程，V=d31hpYE/ε33T S1，公式；用于教学研究。     (1)

其中 d31 为压电应变系数，单位为 C/N 或 m/V。下标“31”表示在 3 方向施加的电场会在 1 方向产生应变，hp 表示压电材料的厚度，单位为米，估计理论符号 \(\overline{YE}\)；数学概念表示。 表示在恒定或零电场条件下的动态杨氏模量，单位为 N/m2，而 应变张量 ε₃₃ᵀ 公式，力学变形分析，数学符号。 表示在恒定或零机械应力条件下的动态介电常数，单位为 F/m3,11,12。

嵌入结构内部或粘附在结构表面的压电材料可根据其记录的应变和阻抗测量值，用于监测结构中的异常情况。这些材料能够直接提供曲率模态形状，因此常被用于全局动态检测技术13,14。随着机电阻抗（EMI）技术的发展，这些材料在局部损伤检测中也证明了其有效性15,16。由于EMI技术具有非破坏性、易于实施以及PZT换能器成本低廉等优点，其在结构健康监测（SHM）领域已获得广泛应用。在该技术中，安装在主体结构上的PZT贴片通过电感-电容-电阻（LCR）表或阻抗分析仪，在扫频模式下施加高频（千赫兹[kHz]范围）的谐变电势进行电激励。

由于压电效应的直接作用，该结构会产生机械振动。同时，由于逆压电效应，这些机械振动会影响压电换能器的机电阻抗17,18。这种机电阻抗特征信号的频率范围与激励信号相同。以下公式表示一维模型系统的机电导纳静力平衡公式（ΣFx=0）示意图；教育用物理概念。，即机电阻抗的倒数19

静力平衡方程，ΣY=2ωjwI/h，公式。   (2)

其中，ω 为以 rad/s 为单位的角频率，复数方程 j=√-1，用于说明虚数单位概念。，l、w 和 h 分别表示 PZT 片的半长、宽度和厚度。Z 和 Za 分别表示结构和 PZT 片的复数机械阻抗，κ 为波数。只要结构完好无损，这些导纳信号便保持稳定且一致。然而，一旦发生损伤，当前信号与基准信号（结构健康状态下获取的信号）之间将出现显著差异。通过分析导纳信号，可在早期阶段检测损伤的存在、位置和严重程度，并及时实施具有成本效益的修复措施，从而提高结构的耐久性20,21,22。

在过去的二十年中，人们开展了大量研究，以探索压电材料的能量收集潜力。尽管这些材料具有多种构型，如管状、球形、圆盘状等，但大多数研究仍基于直条状的压电贴片、带材、杆材等23,24。因此，有必要进一步探索压电换能器其他各种构型的潜力。

在过去二十年中，PZT 片材在结构健康监测（SHM）领域已得到广泛应用。然而，不建议将裸露的 PZT 片材直接用于混凝土结构，因其在施工过程中可能受损。因此，Bhalla 和 Gupta（2007, 2022）提出了混凝土振动传感器（CVS）的概念，该传感器是一种即用型传感器，主要用于混凝土结构的结构健康监测25,26，由印度理工学院德里分校的智能结构与动力学实验室（SSDL）开发。在 CVS 中，压电换能器（PZT 片材）被精心包裹在一层复合保护层中，使其可在浇筑混凝土结构前直接安装并立即投入使用。包裹 PZT 片材的混凝土圆柱体强度等级应等于或高于其将要嵌入的混凝土结构的强度等级。与表面粘贴式 PZT 传感器相比，CVS 与主体结构具有极好的应变相容性，能够便捷地获取振型曲率和共振频率，并能耐受更为严酷的环境条件。Kaur（2015）通过实验验证了 CVS 在结构健康监测中的应用，并证实其可作为能量收集器，在空闲期间产生结构健康监测工作所需的电能27。

与CVS类似，混凝土振动能量收集器（CVEH）是SSDL开发的一种用于从混凝土结构中收集能量的即用型传感器；然而，与CVS不同的是，CVEH封装了一个弯曲的压电换能器28。由于其弯曲形状，在压电片上产生的弯曲应力/应变增加，从而提高了输出电压和发电功率。然而，由于压电陶瓷材料本身较为脆弱，并非所有压电片都可用于制造CVEH。在选择用于制造CVEH的压电元件时必须谨慎，确保其仅产生d31效应。在弯曲压电换能器中，若存在d33效应，会抵消d31效应的优势，因为在曲率方向上极化方向呈垂直变化，从而降低换能器的效率29。Singh（2017）采用一种由美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration, NASA）开发的高柔性、高性能压电材料——d31型宏观纤维复合材料（macro fiber composite, MFC）片，成功制备了CVEH，并通过实验验证其开路电压输出能力几乎是CVS的两倍。然而，尽管已有迹象表明弯曲结构性能更优，但目前仍缺乏针对该结构在真实环境下与直线结构相比的系统性计算与实验研究，尤其是关于功率测量方面的研究。此外，尚未有研究探索弯曲结构在结构健康监测（SHM）中的应用潜力。

弯曲型压电能量收集材料（CVEH）相较于传统的平面或平板式压电能量收集材料具有多项优势。由于在受到外力作用时其变形特性，弯曲型压电材料在压电表面表现出更优的应力/应变分布。由于这些材料中的应变分布更加均匀，因而提高了能量转换效率和发电性能，并可在极低频率范围内工作30,31,32,33。在全球范围内，MFC（宏纤维复合材料）的性能已在柔韧性、可靠性、耐久性、抗损伤能力、增强的驱动器效率以及定向驱动与传感能力等方面得到验证34,35,36,37。基于MFC的CVS或CVEH通过在混凝土或砂浆圆柱体内封装已施加适当保护涂层的MFC片材制成。一旦这些换能器在结构浇筑过程中被嵌入，整个结构连同内部集成的CVS/CVEH即作为一个统一系统运行。只要结构保持耐久，CVEH或CVS（结构健康监测系统）也将持续保持其运行效能和使用寿命。因此，基于MFC的CVS和CVEH系统在结构健康监测中具有更优异的耐久性。

本研究旨在比较将压电换能器的弯曲型和直线型构型（分别为CVEH和CVS）集成于RC结构内部时，在能量收集和结构健康监测（SHM）方面的性能表现。研究内容包括两种构型下压电换能器的开路电压、在阻抗匹配条件下的功率输出，以及向电容器储能的可能性。此外，本研究还通过实验方法首次探索了利用电学机械阻抗（EMI）技术评估弯曲型压电换能器在损伤检测方面的潜在能力。

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

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。
    4. 对包裹换能器的砂浆圆柱体进行7天养护（图2C，D）。
    5. 浇铸一根M30等级的钢筋混凝土梁（1500 mm [L] × 300 mm [B] × 100 mm [D]）。
    6. 在浇铸过程中，将CVEH和CVS绑扎至梁顶部受压钢筋层的跨中位置并嵌入其中，确保其顶面与梁顶面齐平，如图2E29所示。钢筋混凝土梁和压电换能器的性能参数列于表1中。
    7. 在整个过程中确保压电换能器的电气连接安全无损。
    8. 将钢筋混凝土梁置于支承条件下，有效跨度为1100 mm，用于开展各项实验。

2. 纯谐波激励下压电换能器两端产生开路电压的比较分析

注意：本节比较了直线型和弯曲型压电换能器在纯谐波激励下产生的开路电压。

  1. 实验装置
    1. 按照前一段所述，在梁跨中位置设置内置CVS和CVEH的钢筋混凝土（RC）梁。
    2. 设置一个便携式激振器以施加谐波激励，将其放置在距支座L/2的位置，其中L为梁的有效跨度。
    3. 设置信号发生器以产生电信号。
    4. 设置功率放大器，用于放大信号发生器产生的信号，并将放大后的信号传输至激振器（因此需连接信号发生器和激振器）。
    5. 设置示波器以测量传感器两端产生的开路电压。将压电传感器的导线连接至示波器的两个通道。
    6. 在靠近激振器的梁上安装灵敏度为100 mV/g的加速度计以测量加速度，其中g表示重力加速度。
    7. 设置ICP放大器以记录加速度计的测量信号（因此需连接加速度计和示波器的第三个通道）。
      注：实验装置示意图请参见图3。
  2. 频域分析操作步骤
    1. 使用便携式激振器在扫频模式下激励RC梁。输入信号由函数发生器提供：动态扫频激励范围为10 Hz至100 Hz，持续时间为2.5 s。
    2. 对来自压电传感器和加速度计的响应进行频域分析，以确定梁的固有频率。频域分析的详细步骤请参考已发表的相关文献38,39,40。
  3. 开路电压比较操作步骤
    1. 使用激振器在25 Hz至85 Hz范围内以15 Hz为步长的特定频率激励梁。记录CVS和CVEH在各频率下的响应。
    2. 将激振器位置分别移至距支座L/3和L/6处，并针对每个激振器位置重复上述步骤（即步骤2.3.1）。
    3. 在每种情况下，通过图形或分析方法比较CVS和CVEH的响应。

3. 压电换能器产生功率的比较分析

注意：本节比较了压电换能器在有利的阻抗匹配条件下的输出功率。

  1. 实验装置
    1. 在跨中位置设置一根内嵌CVS和CVEH的RC梁，如步骤2.1.1所述。
      ​注：实验装置参见图4A。
    2. 将一个偏心旋转式振动器放置在距最近支座L/4的位置。
    3. 设置一个速度控制器，并将其连接至振动器。
    4. 设置一台示波器。将CVS和CVEH连接至示波器的两个通道。
    5. 在梁的跨中位置安装一个灵敏度为100 mV/g的加速度计，并将其连接至ICP放大器。
    6. 设置一个ICP放大器，用于记录加速度计的测量数据。
    7. 如图4B所示，为压电换能器连接一个额外电路，用于功率测量。该电路由两个串联的电阻R1和R2（R1 = 335 kΩ，R2 = 340 kΩ）组成，跨接在压电传感器两端。
      注：所选电阻的阻抗应与压电传感器（源阻抗）处于相近范围。显著的阻抗失配可能导致过度发热、大量功率损耗，甚至电路故障。可使用LCR表测量传感器在不同频率下的阻抗。对于当前的CVS和CVEH，在20 Hz至80 Hz范围内（频率步长为5 Hz），其平均阻抗分别为32 kΩ和35 kΩ。
    8. 设置一台数字万用表，并将其连接至电阻R1两端，以测量电路的输出电压（V2）。
    9. 将笔记本电脑连接至数字万用表，用于数据采集。
  2. 实验步骤
    1. 启动振动器，使RC梁产生振动。通过速度控制器调节振动器的加速度。
    2. 使用万用表记录每个传感器的输出电压（V2）。
    3. 对振动器的两个或多个不同加速度重复上述步骤。
      注：本研究中采用的峰值加速度分别为15.19 m/s2、17.39 m/s2和21.68 m/s2。
    4. 根据以下公式计算两种传感器在每种加速度下的发电功率（P）12,27：
      电路分析与电磁学研究中的电功率公式 P=i²(R₁+R₂)。
      包含电路元件的欧姆定律公式，用于电流计算 i=V₂/R₁。
      其中 i 为流经电路的电流。

4. 压电换能器的储能潜力

注意：本节重点分析在真实环境下不规则振动及一般现场（阻抗失配）条件下，压电换能器的储能或能量收集潜力。使用一个1000 µF电容器来收集压电换能器产生的电能。

  1. 实验装置
    1. 按照第 3.1 节所述设置实验装置，但不包括功率测量电路。
    2. 用一个简单的全桥整流电路替代功率测量电路。实验装置参见 图 4C、D。
      注：简单全桥整流电路的作用：压电换能器产生的输出电压为交流电（AC）模式，由于其方向周期性反转，无法直接储存。因此，使用简单全桥整流电路将交流信号转换为直流电（DC）模式，后者为稳定电源，可储存在电容器或电池中。该电路由四个肖特基型二极管（标记为 D1 至 D4）组成，其正向偏置电压较低（约为 0.1 V）41。二极管以串联成对的方式排列，在每一半周期内仅有两个二极管工作。在正半周期，D1 和 D4 串联导通，而 D2 和 D3 截止（反向偏置）；在负半周期则相反。因此，全桥整流电路可确保实现稳定且无源的电路系统42。
  2. 实验步骤
    1. 启动振动台，并对 RC 梁施加振动。通过速度控制器调节振动台的加速度。
    2. 使用万用表记录两个传感器的整流电路输出电压（Vc）。
    3. 利用以下公式计算两个传感器在电容器中存储的总能量 ET 和平均功率 Pavg12,13：
      静电势能公式 \(E_T = \frac{1}{2}CV_c^2\) 物理图示。
      功率计算公式 \(P_{avg} = \frac{E_T}{T_c}\)，数学表达式。
      其中 C 为电容值（1000 µF），Tc 为电容器的总充电时间。
    4. 对不同加速度重复上述步骤。

基于损伤检测能力评估压电换能器在结构健康监测中的适用性

注意：本节通过采用机电阻抗（EMI）技术评估压电换能器在结构健康监测（SHM）中用于损伤检测的潜力，以评价其适用性。

  1. 实验设置：
    1. 放置与前述章节中提到的相同的RC梁。
    2. 设置LCR表以测量电导纳信号，并将其与压电传感器连接。
    3. 同时将笔记本电脑连接至LCR表。
    4. 放置数字温度计，以确保实验过程中室温均匀。
      注：实验装置参见图5A。
  2. 步骤
    1. 使用LCR表在传感器两端施加谐波电势，以在扫频模式下激发其高频响应。
      情况1：较粗频率范围：1 kHz至1000 kHz，步长间隔1 kHz
      情况2：较细频率范围：100 kHz至300 kHz，步长间隔100 Hz
    2. 使用LCR表和笔记本电脑采集两种情况下传感器生成的导纳信号。结构在健康状态下的这些信号称为基准信号。
    3. 重复上述步骤，以检查每种情况下信号之间的相关性。
    4. 通过在梁上钻孔引入损伤，并重复步骤5.2.1和5.2.2，获取第一阶段损伤状态下的信号。
    5. 通过钻更多孔引入进一步损伤，并重复步骤5.2.1和5.2.2，获取各损伤阶段的信号。本研究中共引入了三种损伤，如图5B所示。
    6. 通过比较健康状态与损伤状态信号之间的均方根偏差（RMSD）值，对信号进行视觉和数值上的比较与分析。
    7. RMSD可使用下述公式计算12,13：
      RMSD百分比公式，用于数据分枘认算均方根偏差的示意图
      其中n为样本量，xdi和xhi分别为损伤状态和健康状态下信号中的第ith个值。

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

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。

...

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

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...

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

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。

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

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).
  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).

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

重印与许可

申请许可以重复使用本 JoVE 文章的文本或图表

申请许可

标签

相关文章