Methodenartikel

Untersuchung des Potenzials von einfach gekrümmten, dünnen piezoelektrischen Wandlern für Energy Harvesting und Structural Health Monitoring

DOI:

10.3791/68141

⸱

14. November 2025

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

In diesem Artikel

Zusammenfassung

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

Hier vergleichen wir experimentell einfach gekrümmte und gerade piezoelektrische Wandler, die in Stahlbetonkonstruktionen eingebettet sind, für Energy Harvesting und Structural Health Monitoring, indem wir ihre Fähigkeit zur Leerlaufspannung, Stromerzeugung, Stromspeicherung und Schadenserkennung bewerten. Gebogene Wandler haben die geraden Wandler überholt und bieten eine bessere Leistung für reale Anwendungen.

Zusammenfassung

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

In den letzten zwei Jahrzehnten sind piezoelektrische Materialien zu einem integralen Bestandteil des Structural Health Monitoring (SHM) und des Energy Harvesting geworden. Diese Materialien sind in verschiedenen Formen und Konfigurationen erhältlich, doch das Potenzial gekrümmter Konfigurationen ist noch weitgehend unerforscht. In diesem Artikel wird experimentell die Leistung von einfach gekrümmten, dünnen piezoelektrischen Wandlern im Vergleich zu ihrer geraden Konfiguration untersucht, wenn sie in Stahlbetonkonstruktionen (RC) für Energy Harvesting- und SHM-Anwendungen eingebettet sind. Die Forschung umfasst einen direkten Vergleich dieser Konfigurationen auf der Grundlage von (a) der von ihnen unter reinen harmonischen Anregungen erzeugten Leerlaufspannung, (b) der unter den Impedanzanpassungsbedingungen erzeugten Leistung und (c) ihrem Potenzial zur Energiespeicherung in Kondensatoren unter realen unregelmäßigen Schwingungen mit Impedanzfehlanpassungsbedingungen. Darüber hinaus untersucht der Artikel die Fähigkeit zur Schadenserkennung von gekrümmten Piezowandlern mit der elektromechanischen Impedanztechnik (EMI), einem Bereich, der bisher noch nicht gründlich erforscht wurde.

Die Ergebnisse aller vier Experimente zeigen, dass die gekrümmten Piezowandler ihre geraden Konfigurationen sowohl in SHM- als auch in Energy-Harvesting-Anwendungen übertreffen. Daher sind die Erkenntnisse aus diesen Untersuchungen entscheidend für den effektiven Einsatz von gekrümmten piezoelektrischen Wandlern in realen RC-Strukturen, die sowohl das Energy Harvesting als auch das Structural Health Monitoring verbessern, was in der Tat zu einer wirtschaftlichen Wartung und einem sicheren Betrieb von RC-Strukturen führt.

Einleitung

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

Structural Health Monitoring (SHM) ist eine wichtige Ingenieurwissenschaft, die darauf abzielt, die Sicherheit, Haltbarkeit, den wirtschaftlichen Betrieb und die Leistung von Bauwerken wie Gebäuden, Brücken, Dämmen usw. zu gewährleisten. SHM nutzt verschiedene Sensoren, Datenerfassungssysteme und fortschrittliche Technologien, um Echtzeitdaten wie Spannung, Dehnung, Vibration, Verschiebung, Temperatur usw. zu sammeln, um den Zustand einer Struktur während ihres gesamten Lebenszyklus regelmäßig zu analysieren1, 2. Urheberrecht Durch die frühzeitige Erkennung von Anzeichen von Beschädigungen, Verschleiß, Degradation oder anderen Anomalien ermöglicht SHM eine kostengünstige Wartung und einen sicheren Betrieb des Bauwerks und verlängert so seine Lebensdauer.

Piezoelektrische Materialien sind eine Klasse von intelligenten Materialien mit der einzigartigen Fähigkeit, als Reaktion auf mechanische Vibrationen/Belastungen oder Dehnungen elektrisches Potenzial auf ihren Oberflächen zu entwickeln und umgekehrt. Die direkten und umgekehrten Effekte der Piezoelektrizität sind in Abbildung 1 erläutert. Aufgrund dieser einzigartigen Fähigkeit werden sie häufig als Sensoren, Aktoren und Energy Harvester in den Bereichen Ingenieurwesen, Medizin und SHMeingesetzt 3,4,5,6,7,8. Zu den verschiedenen Arten von piezoelektrischen Materialien gehören natürliche Kristalle wie Quarz (SiO2), Topas usw., Piezokeramiken wie Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), piezoelektrische Polymere, im Grunde Polyvinylidenfluorid (PVDF), und viele mehr. Kaur und Bhalla (2015) stellten fest, dass derselbe Satz piezoelektrischer Wandler (PZT-Patches) für die SHM von Betonkonstruktionen und für die Gewinnung der für ihre Funktion als Sensoren erforderlichen Energie verwendet werden kann9. Somit entfällt durch die in Echtzeit gewonnene Umgebungsenergie der Bedarf an zahlreichen Batterien, da die Energie für SHM10 nur vorübergehend gespeichert werden muss.

Die Eigenschaft der piezoelektrischen Materialien als Sensor und Energy Harvester beruht auf dem Phänomen des direkten piezoelektrischen Effekts (Abbildung 1), bei dem das piezoelektrische Material bei mechanischer Belastung (S 1) ein elektrisches Potential oder eine Spannung (V) über die gegenüberliegenden Oberflächen entwickelt. Dies wird durch die Gleichung dargestellt:

figure-introduction-1(1)

Dabei ist d31 der piezoelektrische Dehnungskoeffizient, ausgedrückt in C/N oder m/V. Der Index "31" gibt an, dass ein elektrisches Feld, das in Richtung 3 angelegt wird, eine Dehnung in Richtung 1 induziert, hp bezeichnet die Dicke des piezoelektrischen Materials in Metern, figure-introduction-2 stellt den dynamischen Elastizitätsmodul unter einem konstanten oder null elektrischen Feld dar, gemessen in N/m 2, und figure-introduction-3 ist die dynamische elektrische Permittivität bei konstanter oder null mechanischer Belastung, gemessen in F/m 3,11,12.

Die piezoelektrischen Materialien, die in eine Struktur eingebettet oder oberflächengebunden sind, können verwendet werden, um die Anomalien in der Struktur auf der Grundlage der von ihnen aufgezeichneten Dehnungs- und Impedanzmessungen zu überwachen. Diese Materialien können die Krümmungsmodenformen direkt bereitstellen und werden daher häufig für globale dynamische Techniken verwendet13,14. Mit der Entwicklung der elektromechanischen Impedanztechnik (EMI) haben diese Materialien auch ihre Wirksamkeit bei der lokalisierten Schadenserkennung bewiesen15,16. Die EMI-Technik hat aufgrund ihrer zerstörungsfreien Natur, der einfachen Implementierung und der Kosteneffizienz der PZT-Wandler im Bereich SHM große Popularität erlangt. Bei dieser Technik werden die auf der Wirtsstruktur installierten PZT-Patches unter Anlegen eines harmonischen elektrischen Potentials bei hohen Frequenzen (im Kilohertz-[kHz]-Bereich) im Sweep-Modus unter Verwendung eines Induktivitäts-Kapazitäts-Widerstands-Messgeräts (LCR) oder eines Impedanzanalysators elektrisch angeregt.

Durch den direkten piezoelektrischen Effekt werden mechanische Schwingungen in der Struktur erzeugt. Und aufgrund des umgekehrten piezoelektrischen Effekts beeinflussen diese mechanischen Schwingungen die elektromechanische Impedanz des piezoelektrischen Wandlers17, 18. Diese elektromechanische Impedanzsignatur wird im gleichen Frequenzbereich wie das Anregungssignal erzeugt. Die folgende Gleichung stellt die elektromechanische Admittanz figure-introduction-4, den Kehrwert der elektromechanischen Impedanz, für ein 1D-Modellsystem19 dar

figure-introduction-5(2)

Dabei ist ω die Kreisfrequenz in rad/s, figure-introduction-6, l, w und h sind jeweils die halbe Länge, die Breite und die Dicke des PZT-Patches. Z und Za stellen die komplexe mechanische Impedanz der Struktur bzw. des PZT-Patches dar und κ ist die Wellenzahl. Diese Signaturen bleiben stabil und konsistent, solange die Struktur intakt ist. Beim Auftreten von Schäden werden jedoch signifikante Veränderungen zwischen der aktuellen und der Basissignatur (der Signatur, die während der gesunden Phase der Struktur erworben wurde) beobachtet. Durch die Analyse der Impedanzsignatur ist es möglich, das Vorhandensein, den Ort und die Schwere von Schäden in einem frühen Stadium zu erkennen und rechtzeitig kostengünstige Nachbesserungsarbeiten durchzuführen, wodurch die Haltbarkeit der Strukturverbessert wird 20,21,22.

In den letzten zwei Jahrzehnten wurde intensiv geforscht, um das Potenzial piezoelektrischer Materialien zur Energiegewinnung zu untersuchen. Obwohl diese Materialien in verschiedenen Konfigurationen wie Röhren, Kugeln, Scheiben usw. erhältlich sind, basieren die meisten Studien auf geraden piezoelektrischen Patches, Streifen, Stäben usw.23,24. Daher muss das Potenzial verschiedener anderer Konfigurationen der Piezowandler erforscht werden.

Die PZT-Pflaster haben in den letzten zwei Jahrzehnten eine bedeutende Präsenz im Bereich SHM aufgebaut. Die Verwendung von blanken PZT-Pflastern für Betonkonstruktionen wird jedoch nicht empfohlen, da sie sich während des Baus verschlechtern können. Aus diesem Grund kamen Bhalla und Gupta (2007, 2022) auf die Idee eines Betonschwingungssensors (CVS), bei dem es sich um einen gebrauchsfertigen Sensor in erster Linie für das SHM von Betonkonstruktionen25,26 handelt, der am Smart Structures and Dynamics Laboratory (SSDL), IIT Delhi, entwickelt wurde. Bei CVS wird der piezoelektrische Wandler (PZT-Patch) sorgfältig mit einer Verbundschutzschicht überzogen, so dass er für den direkten Einbau in die Praxis einsatzbereit ist, bevor er in eine Betonstruktur eingebaut wird. Die Güte des Betonzylinders, der die PZT-Fläche umschließt, muss gleich oder höher sein als die des Betonbauwerks, in das er eingebettet werden soll. CVS hat eine sehr starke Dehnungskompatibilität mit der Wirtsstruktur und kann problemlos Krümmungsmodenformen und Resonanzfrequenzen erfassen und kann im Vergleich zu den oberflächengebundenen PZT-Sensoren extremen Bedingungen standhalten. Kaur (2015) etablierte experimentell den Einsatz von CVS für SHM und als Energy Harvester, indem die für die SHM-Arbeit benötigte Energie während der Leerlaufzeit erzeugtwurde 27.

Ähnlich wie CVS ist der Concrete Vibration Energy Harvester (CVEH) ein gebrauchsfertiger Sensor, der in SSDL für die Energiegewinnung aus Betonkonstruktionen entwickelt wurde. im Gegensatz zu CVS kapselt CVEH jedoch einen gekrümmten Wandler28 ein. Die erhöhte Biegespannung/-dehnung, die durch die gekrümmte Form über das Piezo-Patch erzeugt wird, erhöht die entwickelte Spannung und damit die Stromerzeugung. Aufgrund der Zerbrechlichkeit der Piezokeramiken können jedoch nicht alle Piezo-Patches zur Herstellung von CVEH verwendet werden. Das für die Herstellung von CVEH verwendete Piezoelement ist sorgfältig so auszuwählen, dass es ausschließlich den d31-Effekt erzeugt. Das Vorhandensein des d33-Effekts wirkt den Vorteilen von d31 in gekrümmten Piezowandlern entgegen, bei denen die Polrichtung senkrecht über die gesamte Krümmung variiert, wodurch der Wirkungsgrad des Wandlersverringert wird 29. Unter Verwendung eines Makrofaserverbundwerkstoffs (MFC)-Patches vom Typ d31 , einer sehr flexiblen und leistungsstarken Piezovariante, die von der National Aeronautics and Space Administration (NASA) entwickelt wurde, stellte Singh (2017) erfolgreich ein CVEH her und bestätigte experimentell, dass das CVEH eine fast doppelt so hohe Leerlaufspannungserzeugung erzeugt wie das CVS. Es gibt jedoch einen Mangel an systematischen rechnerischen und experimentellen Untersuchungen, die die Leistungsmessung unter realen Bedingungen im Vergleich zur geraden Anordnung abdecken, trotz Hinweisen auf die überlegene Leistung der gekrümmten Konfiguration. Darüber hinaus wurden keine Untersuchungen zur Erforschung der Möglichkeiten einer gekrümmten Anordnung für SHM durchgeführt.

Es wird erwartet, dass die gekrümmten piezoelektrischen Energy Harvesting Materials (CVEH) mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen flachen oder planaren piezoelektrischen Energy Harvesting-Materialien bieten. Gekrümmte piezoelektrische Materialien weisen aufgrund der Art ihrer Verformung bei äußeren Kräften eine verbesserte Spannungs-/Dehnungsverteilung über die piezoelektrische Oberfläche auf. Da die Dehnung in diesen Materialien gleichmäßiger verteilt ist, verbessert es die Effizienz der Energieumwandlung und der Stromerzeugung und ermöglicht den Betrieb in sehr niedrigen Frequenzbereichen 30,31,32,33. Die Leistungsfähigkeit von MFCs (Makrofaserverbundwerkstoffen) wurde weltweit in Bezug auf Flexibilität, Zuverlässigkeit, Haltbarkeit, Schadenstoleranz, verbesserte Aktuatoreffizienz sowie gerichtete Betätigungs- und Sensorfähigkeiten unter Beweis gestellt 34,35,36,37. Das MFC-basierte CVS oder CVEH wird hergestellt, indem die Flicken nach dem Auftragen einer geeigneten Schutzbeschichtung in Beton- oder Mörtelzylinder eingekapselt werden. Sobald diese Wandler während des Gießens in eine Struktur eingebettet sind, funktioniert die gesamte Struktur mit dem darin integrierten CVS/CVEH als einheitliches System. Solange die Struktur langlebig bleibt, behalten die CVEHs oder CVS (Structural Health Monitoring Systems) auch ihre betriebliche Wirksamkeit und Langlebigkeit bei. Daher bieten MFC-basierte CVS- und CVEH-Systeme eine überlegene Haltbarkeit für die Überwachung des strukturellen Zustands.

Der Zweck dieser Studie ist es, die gekrümmten und geraden Konfigurationen von piezoelektrischen Wandlern (CVEH bzw. CVS), die in RC-Strukturen eingebaut sind, in Bezug auf die Leistung für Energy Harvesting und SHM zu vergleichen. In der Forschung werden die Leerlaufspannung an den Piezowandlern, die Leistungsentwicklung unter Impedanzanpassungsbedingungen und die Möglichkeit der Stromspeicherung in Kondensatoren für beide Konfigurationen untersucht. Auch das bisher unentdeckte Schädigungsdetektionspotenzial von gekrümmten Piezowandlern mittels EMI-Technik wird in dieser Arbeit experimentell untersucht.

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Protokoll

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

HINWEIS: Dieses Protokoll ist eine kurze Beschreibung des M.Tech.-Projekts des Vortragenden, das am Smart Structures and Dynamics Laboratory (SSDL) des Indian Institute of Technology Delhi durchgeführt wurde. Ausführliche Informationen können der M.Tech.-Arbeit11 und den zugehörigen Publikationen12,13 entnommen werden.

1. Experimentieren: Materialien, Herstellung und Einrichtung

  1. Materialien
    HINWEIS: Piezokeramiken haben sich aufgrund ihrer hohen Festigkeit, Steifigkeit und Kopplungsfaktoren eine herausragende Position in den Bereichen SHM und Energy Harvesting erarbeitet. Die Sprödigkeit dieser Materialien schränkt ihren Einsatz jedoch auf gekrümmte Oberflächen ein. Die National Aeronautics and Space Administration (NASA) hat daher mit dem MFC eine besonders flexible und leistungsfähige Piezo-Version entwickelt, die als piezoelektrischer Wandler für die aktuelle Studie ausgewählt wurde.
    1. Verwenden Sie die Variante M5628-P2 mit einer Dicke von 300 μm und dem Effekt der Sohle d31 .
  2. Fertigung und Einrichtung
    1. Gießen Sie zwei Zementmörtelzylinder mit einem Durchmesser von 100 mm und einer Dicke von 30 mm.
    2. Die geraden und gebogenen MFC-Piezowandler werden während des Gießens in den Mörtelzylindern an der Stelle in mittlerer Tiefe eingeschlossen (Abbildung 2A, B).
    3. Tragen Sie eine Schutzschicht aus Standard-Epoxidkleber auf die MFC-Pflaster auf, um eine Verschlechterung während des Gießens zu vermeiden.
    4. Die Mörtelzylinder (Abbildung 2C, D), die die Wandler umschließen, werden 7 Tage lang ausgehärtet.
    5. Ein RC-Träger (1500 mm [L] × 300 mm [B] × 100 mm [D]) der Sorte M30 wird gegossen.
    6. Betten Sie das CVEH und das CVS an der Stelle in der Mitte der Spannweite ein, indem Sie sie während des Gießens an die Kompressionsverstärkung der obersten Schicht des Trägers binden. Stellen Sie sicher, dass ihre obere Fläche mit der des Trägers übereinstimmt, wie in Abbildung 2E29 dargestellt. Die Eigenschaften des RC-Strahls und des Piezo-Wandlers sind in Tabelle 1 aufgeführt.
    7. Stellen Sie sicher, dass die elektrischen Verbindungen der Piezowandler während des gesamten Prozesses sicher aufbewahrt werden.
    8. Platzieren Sie den RC-Balken in einem abgestützten Zustand mit einer effektiven Spannweite von 1100 mm, um verschiedene Experimente durchzuführen.

2. Vergleichende Analyse der Leerlaufspannung, die an Piezowandlern unter reiner harmonischer Anregung erzeugt wird

HINWEIS: In diesem Abschnitt wird die Leerlaufspannung verglichen, die von den geraden und den gekrümmten Piezowandlern unter reinen harmonischen Anregungen erzeugt wird.

  1. Versuchsaufbau
    1. Richten Sie einen RC-Beam ein, in dem CVS und CVEH in der Mitte der Spanne eingebettet sind, wie im vorherigen Absatz erwähnt.
    2. Stellen Sie einen tragbaren Shaker zur Induktion harmonischer Anregung auf, der in einem Abstand von L/2 vom Träger platziert wird, wobei L die effektive Spannweite des Strahls ist.
    3. Richten Sie einen Funktionsgenerator ein, um elektrische Signale zu erzeugen.
    4. Einrichten eines Leistungsverstärkers zur Verstärkung der vom Funktionsgenerator erzeugten und an den Shaker übertragenen Signale (somit mit dem Shaker und dem Funktionsgenerator verbunden)
    5. Richten Sie ein Oszilloskop ein, um die an den Sensoren erzeugte Leerlaufspannung zu messen. Verbinden Sie die elektrischen Drähte der Piezosensoren mit den beiden Kanälen des Oszilloskops.
    6. Stellen Sie einen Beschleunigungsmesser mit einer Empfindlichkeit von 100 mV pro g auf, der näher am Shaker auf dem Strahl platziert wird, um die Beschleunigung zu messen, wobei g die Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft darstellt.
    7. Richten Sie einen ICP-Verstärker ein, um die Messwerte des Beschleunigungsmessers aufzuzeichnen (und somit mit dem Beschleunigungsmesser und dem dritten Kanal des Oszilloskops verbunden zu sein)
      HINWEIS: In Abbildung 3 finden Sie den Versuchsaufbau.
  2. Vorgehensweise bei der Frequenzbereichsanalyse
    1. Stimulieren Sie den RC-Strahl mit dem tragbaren Shaker im Sweep-Modus. Der Eingang ist an den Funktionsgenerator zu übergeben: Dynamische Sweep-Anregung von 10 Hz bis 100 Hz für 2,5 s.
    2. Führen Sie eine Frequenzbereichsanalyse der von den Piezosensoren und dem Beschleunigungsmesser empfangenen Antworten durch, um die Eigenfrequenz des Strahls zu bestimmen. Bitte beachten Sie die zuvor veröffentlichten Artikel für das detaillierte Verfahren zur Frequenzbereichsanalyse 38,39,40.
  3. Verfahren zum Vergleich der Leerlaufspannung
    1. Regen Sie den Strahl mit dem Shaker bei unterschiedlichen Frequenzen von 25 Hz bis 85 Hz an. Nehmen Sie ein Schrittintervall von 15 Hz an. Nehmen Sie die Antwort von CVS und CVEH für alle Frequenzen auf.
    2. Verschieben Sie die Position des Schüttlers in den Abstand L/3 und L/6 zur Stütze und wiederholen Sie den obigen Schritt ( Schritt 2.3.1) für jede Schüttelposition.
    3. Vergleichen Sie die Antworten von CVS und CVEH jeweils grafisch oder analytisch.

3. Vergleichende Analyse der von Piezowandlern erzeugten Leistung

HINWEIS: In diesem Abschnitt wird die von den Piezo-Wandlern erzeugte Leistung verglichen, um günstige Bedingungen für die Impedanzanpassung zu gewährleisten.

  1. Versuchsaufbau
    1. Richten Sie einen RC-Beam ein, in dem CVS und CVEH in der Mitte der Spanne eingebettet sind, wie in Schritt 2.1.1 beschrieben.
      HINWEIS: Der Versuchsaufbau ist in Abbildung 4A zu finden.
    2. Platzieren Sie einen exzentrischen Drehschüttler in einem Abstand von L/4 von der nächstgelegenen Stütze
    3. Richten Sie einen Geschwindigkeitsregler ein und schließen Sie ihn an den Shaker an.
    4. Richten Sie ein Oszilloskop ein. Verbinden Sie CVS und CVEH mit den beiden Kanälen des Oszilloskops.
    5. Platzieren Sie einen Beschleunigungsmesser mit einer Empfindlichkeit von 100 mV pro g in der Mitte des Strahls. Schließen Sie es an den ICP-Verstärker an.
    6. Richten Sie einen ICP-Verstärker ein, um die Messungen vom Beschleunigungsmesser aufzuzeichnen.
    7. Schließen Sie eine zusätzliche Schaltung, wie in Abbildung 4B gezeigt, an die Piezo-Wandler zur Leistungsmessung an. Die Schaltung besteht aus zwei Widerständen, R1 und R2 (R1 = 335 kΩ und R2 = 340 kΩ), die über die Piezosensoren in Reihe geschaltet sind.
      HINWEIS: Die Impedanz der ausgewählten Widerstände muss in einem ähnlichen Bereich wie die der Piezosensoren liegen (Quellenimpedanz). Eine signifikante Impedanzfehlanpassung kann zu einer übermäßigen Wärmeableitung, erheblichen Leistungsverlusten und sogar zum Ausfall des Stromkreises führen. Die Impedanz der Sensoren kann mit einem LCR-Messgerät für verschiedene Frequenzen gemessen werden. Für die aktuellen CVS und CVEH beträgt die durchschnittliche Impedanz für verschiedene Frequenzen von 20 Hz bis 80 Hz (Schrittintervall = 5 Hz) 32 kΩ bzw. 35 kΩ.
    8. Stellen Sie ein Digitalmultimeter auf und schließen Sie es an den Widerstand R1 an, um die Ausgangsspannung (V2) der Schaltung zu messen.
    9. Schließen Sie den Laptop zur Datenerfassung an ein Digitalmultimeter an.
  2. Verfahren
    1. Starten Sie den Shaker und induzieren Sie Vibrationen auf den RC-Strahl. Stellen Sie die Beschleunigung des Shakers mit dem Geschwindigkeitsregler ein.
    2. Erfassen Sie die Ausgangsspannung (V2) mit dem Multimeter für jeden Sensor.
    3. Wiederholen Sie den obigen Schritt für zwei oder mehr Beschleunigungen des Shakers.
      HINWEIS: Die in der Studie angenommenen Spitzenbeschleunigungen betrugen 15,19 m/s2, 17,39 m/s2 und 21,68 m/s2.
    4. Berechnen Sie die von beiden Sensoren erzeugte Leistung (P) für jede Beschleunigung des Shakers nach der folgenden Formel12,27:
      figure-protocol-1
      figure-protocol-2
      Wobei i der Strom ist, der durch den Stromkreis fließt.

4. Leistungsspeicherpotenzial von Piezowandlern

HINWEIS: Dieser Abschnitt konzentriert sich auf die Analyse des Potenzials für die Energiespeicherung oder Energiegewinnung der Piezowandler unter realen unregelmäßigen Schwingungen unter allgemeinen Feldbedingungen (Impedanzfehlanpassung). Ein 1000-μF-Kondensator wurde verwendet, um die von den Piezowandlern erzeugte Energie zu gewinnen.

  1. Versuchsaufbau
    1. Die Versuchsapparatur ist wie in Abschnitt 3.1 beschrieben aufzustellen, ohne den Leistungsmesskreis.
    2. Ersetzen Sie die Leistungsmessschaltung durch eine einfache Vollbrückengleichrichterschaltung. Siehe Abbildung 4C, D für den Versuchsaufbau.
      HINWEIS: Zweck einer einfachen Vollbrückengleichrichterschaltung: Die von den Piezowandlern erzeugte Ausgangsspannung befindet sich im Wechselstrommodus (AC), der nicht gespeichert werden kann, da er die Richtung periodisch umkehrt. Daher wird die einfache Vollbrückengleichrichterschaltung verwendet, um Wechselstromsignale in den Gleichstrommodus (DC) umzuwandeln, der eine stabile Stromversorgung darstellt und in Kondensatoren oder Batterien gespeichert werden kann. Die Schaltung besteht aus vier Schottky-Dioden mit den Bezeichnungen D1 bis D4 und einer niedrigeren Durchlassvorspannung (im Bereich von 0,1 V)41. Die Dioden sind in Reihenpaaren angeordnet, wobei während jedes Halbzyklus nur zwei Dioden funktionieren. Im positiven Halbzyklus leiten die beiden Dioden D1 und D4 in Reihe, wobei die Dioden D2 und D3 ausgeschaltet werden (Sperrvorspannung) und umgekehrt während des negativen Halbzyklus. Somit gewährleistet die Vollbrückengleichrichterschaltung stabile und passive Schaltungssysteme42.
  2. Verfahren
    1. Starten Sie den Shaker und induzieren Sie Vibrationen auf den RC-Strahl. Stellen Sie die Beschleunigung des Shakers mit dem Geschwindigkeitsregler ein.
    2. Die Ausgangsspannung (Vc) des Gleichrichterkreises wird mit dem Multimeter für beide Sensoren aufgezeichnet.
    3. Berechnen Sie die Gesamtenergie ET und die durchschnittliche Leistung P, die von beiden Sensoren imKondensator gespeichert sind, unter Verwendung der folgenden Gleichungen 12,13:
      figure-protocol-3
      figure-protocol-4
      Dabei ist C die Kapazität (1000 μF) und Tc die Gesamtladezeit der Kondensatoren.
    4. Wiederholen Sie die obigen Schritte für verschiedene Beschleunigungen.

5. Eignung von Piezo-Wandlern für SHM basierend auf dem Schadenserkennungspotenzial

HINWEIS: In diesem Abschnitt wird die Eignung von piezoelektrischen Wandlern für SHM bewertet, indem ihr Potenzial zur Schadenserkennung mit der EMI-Technik bewertet wird.

  1. Versuchsaufbau:
    1. Platzieren Sie denselben RC-Träger wie in den vorherigen Abschnitten beschrieben.
    2. Richten Sie ein LCR-Messgerät ein, um die elektrische Admittanzsignatur zu messen, und verbinden Sie es mit den Piezo-Wandlern.
    3. Schließen Sie außerdem den Laptop an das LCR-Messgerät an.
    4. Platzieren Sie ein digitales Thermometer, um eine gleichmäßige Raumtemperatur während des gesamten Experiments zu gewährleisten.
      HINWEIS: Der Versuchsaufbau ist in Abbildung 5A zu finden.
  2. Verfahren
    1. Legen Sie mit dem LCR-Messgerät ein harmonisches elektrisches Potential an die Wandler an, um sie im Sweep-Modus bei hohen Frequenzen anzuregen.
      Fall 1: Gröberer Frequenzbereich: 1 kHz bis 1000 kHz, Schrittintervall von 1 kHz
      Fall 2: Feinerer Frequenzbereich: 100 kHz bis 300 kHz, Schrittintervall von 100 Hz
    2. Erfassen Sie die von den Schallköpfen generierte Einlasssignatur mit dem LCR-Messgerät und dem Laptop für beide Fälle. Diese Signaturen während der gesunden Phase der Struktur werden als Basissignaturen bezeichnet.
    3. Wiederholen Sie die Schritte erneut, um die Korrelation zwischen den Signaturen in jedem Fall zu überprüfen.
    4. Induzieren Sie eine Beschädigung des Trägers, indem Sie ein Loch bohren, und wiederholen Sie die Schritte 5.2.1 und 5.2.2, um die Signaturen während des Schadens der Stufe 1 zu erhalten.
    5. Verursachen Sie mehr Schaden, indem Sie weitere Löcher bohren, und wiederholen Sie die Schritte 5.2.1 und 5.2.2, um die Signaturen in jeder Schadensphase zu erhalten. In der aktuellen Studie werden drei Schäden induziert, wie in Abbildung 5B dargestellt.
    6. Vergleichen und analysieren Sie die Signaturen visuell und numerisch, indem Sie den RMSD-Wert (Root Mean Square Deviation) zwischen der fehlerfreien Phase und den beschädigten Phasensignaturen vergleichen.
    7. Der RMSD kann mit der folgenden Gleichung berechnet werden12,13:
      figure-protocol-5
      Dabei ist n der Stichprobenumfang, xdi und xhi sind die i-ten Werte in den Signaturen unter den Phasen "Beschädigt" bzw. "Fehlerfrei".

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Ergebnisse

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

Vergleichende Analyse der Leerlaufspannung, die über Piezowandler unter reiner harmonischer Anregung erzeugt wird
Die Reaktionen der Piezowandler und des Beschleunigungsmessers im Zeitbereich sind in Abbildung 6A,B dargestellt. Aus den Zeitbereichssignalen werden ihre Frequenzbereichsantworten mit der Methode der schnellen Fourier-Transformation (FFT) abgeleitet, und die Antworten sind in Abbildung 6C...

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Diskussion

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

Ein kritischer Schritt in dem vorgestellten Protokoll ist die genaue Bestimmung der Eigenfrequenz des Strahl-Shaker-Systems. Dieser Schritt ist unerlässlich, da sowohl die Energy Harvesting- als auch die Structural Health Monitoring (SHM)-Fähigkeiten von piezoelektrischen Wandlern stark vom dynamischen Verhalten des Systems abhängen. Die Verwendung der Sweep-Anregung erleichterte die Identifizierung der Resonanzfrequenz des Strahl-Shaker-Systems. Während dieses Verfahrens wurden die Freq...

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Offenlegungen

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

Dieser Artikel ist eine Adaption der zuvor veröffentlichten Arbeiten der Autoren 11,12,13 und ist ausschließlich für Bildungszwecke bestimmt, insbesondere um die Verbreitung von Wissen und wissenschaftlicher Kunst durch das Videoformat zu erleichtern. Die Abbildungen 1 bis 12 werden mit Genehmigung von Elsevier übernommen.

Danksagungen

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

Diese Arbeit wurde finanziell unterstützt vom Indian Institute of Technology (IIT) Delhi und dem Department of Science and Technology [DST/INSPIRE/04/2015/000545]. Die Autoren danken Herrn Sameer Hasan und Herrn Pawan für die Erstellung des Videos für die Zeitschrift.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
BeschleunigungsmesserPCB-Piezotronik352C34
Zuschlagstoffe – 10 mmN/AN/A
Zuschlagstoffe – 20 mmN/AN/A
Kondensator (1000 & mu; F) N/AN/A
ZementN/AN/A
Digitales Multimeter Agilent Technologien34411A
Digitales Thermometer La Crosse Technology WS-9006U 
EpoxidN/AN/A
Funktionsgenerator Agilent Technologien33210A
ICP-Verstärker PCB-Piezotronik482C-Serie
LCR-MeterAgilent TechnologienE4980A
Makrofaserverbundwerkstoff (MFC) Smart MaterialM5628-P2
OszilloskopTektronixTDS 2004B
Tragbarer Shaker LDSV406
Leistungsverstärker LDSPA500L
WiderständeN/AN/A
Rotations-Typ Shaker Crompton Greaves XKF5577Derzeit nicht verfügbar
SandN/AN/A
Schottky-Typ-Dioden Diodes IncorporatedBAT1000
DrähteN/AN/A

Referenzen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Farrar, C. R., Worden, K. An introduction to structural health monitoring. Philos Trans R Soc A. 365 (1851), 303-315 (2007).
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