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

Der Hauptumfang unserer Forschung besteht darin, unseren neu erfundenen Sensor-Betonschwingungs-Energiegewinner im Vergleich zu unserem bestehenden Sensor, dem Betonschwingungssensor für die Energiegewinnung, sowie die Überwachung des strukturellen Zustands umfassend zu bewerten. Zu den jüngsten Entwicklungen in diesem Bereich gehören innovativ gestaltete lokale Sensoren wie DCVS, DCVH und die Tipizodal-Variante, die sehr leicht teure Extras für eine vollständige 3D-Modellanalyse ersetzen kann und sich nahtlos in die AAML- und UVM-Technologie integrieren lässt. Unserer Ansicht nach handelt es sich bei den futuristischen Sensortechnologien um KI, ML, die in diese elektrischen Sensoren integriert sind, Faseroptik und bildverarbeitungsbasierte Sensorik.

Sensorfusion und das Internet der Dinge sind vielversprechend für unsere Zukunft. Die größte Herausforderung besteht in der Entwicklung von eigenständigen, pH-betriebenen, autonomen und cloudzentrierten Miniatur-Datenerfassungssystemen, die die IOT-Sensorik im professionellen Sinne qualifizieren. Unsere neue Erfindung, CVH, basiert auf einem neuartigen topologiebasierten Design, das von Prinzipien der Mechanik geleitet wird, steigert die geerntete Energie und die abgetrennte Kraft dramatisch und existiert auch in SHM, sei es basierend auf den globalen Vibrationstechniken oder der lokalen elektromechanischen Impotenztechnik.

Vergewissern Sie sich zunächst, dass die elektrischen Verbindungen der piezoelektrischen Wandler während des gesamten Gießprozesses geschützt bleiben. Positionieren Sie dann den Stahlbetonträger in einer abgestützten Anordnung mit einer effektiven Spannweite von 1.100 Millimetern für die experimentelle Prüfung. Positionieren Sie als Nächstes einen Shaker auf einer Drittellänge des Balkens.

Verbinden Sie nun die Ausgänge des Betonschwingungssensors und des Betonschwingungs-Energieharvesters mit zwei Kanälen eines Oszilloskops. Befestigen Sie einen Beschleunigungsmesser mit einer Empfindlichkeit von 100 Millivolt pro G in der Mitte des Strahls und schließen Sie ihn dann an einen ICP-Verstärker an. Stimulieren Sie den Stahlbetonträger mit dem Shaker im Suite-Modus und führen Sie die Frequenzbereichsanalyse der Reaktionen des Betonschwingungssensors, der Betonschwingung, des Energy Harvesters und des Beschleunigungsmessers durch.

Positionieren Sie als Nächstes einen exzentrischen Drehschüttler in der Mitte des Trägers. Schließen Sie einen Geschwindigkeitsregler an und richten Sie ihn ein, um den Shaker zu regeln. Um die von Piezo-Wandlern erzeugte Leistung zu analysieren, bereiten Sie zunächst eine Leistungsmessschaltung vor, indem Sie zwei Widerstände, R1 und R2, in Reihe über die Piezosensoren schalten.

Schließen Sie ein Oszilloskop an R1 an, um die Ausgangsspannung V2 zu überwachen. Die Spannungsmesswerte werden im Oszilloskop angezeigt. Starten Sie den Shaker, um Vibrationen im Stahlbetonträger zu induzieren, und stellen Sie die Beschleunigung mit dem Geschwindigkeitsregler ein. Zeichnen Sie mit dem Oszilloskop die Ausgangsspannung V2 von jedem Sensor auf.

Berechnen Sie dann die von jedem Sensor erzeugte Leistung bei den verschiedenen Beschleunigungsstufen. Um das Leistungsspeicherpotenzial der Piezo-Wandler zu beurteilen, stellen Sie die Versuchsapparatur ohne die Leistungsmessschaltung auf. Ersetzen Sie es durch eine einfache Vollbrücken-Gleichrichterschaltung.

Starten Sie den Shaker und induzieren Sie Vibrationen im Stahlbetonträger. Stellen Sie die Beschleunigung des Shakers mit dem Geschwindigkeitsregler ein. Messen und zeichnen Sie mit dem Oszilloskop die Ausgangsspannung VC aus der Gleichrichterschaltung für beide Sensoren auf.

Berechnen Sie die gespeicherte Gesamtenergie und die durchschnittliche Leistung, die im Kondensator für beide Sensoren erreicht wird, unter Verwendung der angegebenen Gleichungen. Schließen Sie für die Überwachung des strukturellen Zustands ein LCR-Messgerät an den Desktop an, um die elektrische Einlasssignatur zu messen. Platzieren Sie ein digitales Thermometer, um sicherzustellen, dass während des gesamten Experiments eine gleichmäßige Raumtemperatur aufrechterhalten wird.

Stimulieren Sie die Sensoren, indem Sie im Suite-Modus mit dem LCR-Messgerät ein harmonisches elektrisches Potential bei hohen Frequenzen über sie anlegen. Verursachen Sie dann Schäden im Balken, indem Sie Löcher nacheinander bohren. Im Frequenzbereich wurde die Spitzenfrequenz sowohl für die Wandler als auch für den Beschleunigungsmesser bei etwa 55 Hertz identifiziert, was die Eigenfrequenz des Strahls bestätigt.

Bei der sinusförmigen Anregung erzeugte CVEH über das gleiche Zeitintervall eine konstant höhere Spannung als CVS. Über verschiedene Anregungsfrequenzen und Shaker-Positionen hinweg erzeugte CVEH durchweg eine höhere Leerlaufspannung als CVS, insbesondere in einer Drittel- und Mittelposition von der Strahlhalterung entfernt. Die von CVEH erzeugte Leistung stieg mit der Beschleunigung erheblich an, wobei die Leistungsverhältnisse von 8,36 bei 15,19 Metern pro Sekunde zum Quadrat auf 13,01 bei 21,68 Metern pro Sekunde zum Quadrat stiegen.

Bei einer Mittelbeschleunigung von 4,89 Metern pro Sekunde zum Quadrat lud CVEH den Kondensator in 236 Sekunden auf, verglichen mit 335 Sekunden bei CVS. Bei einer höheren Beschleunigung von 8,84 Metern pro Sekunde zum Quadrat erreichte CVEH eine Leistung von 8,65 Mikrowatt, etwa das 1,68-fache der Leistung von CVS mit 5,14 Mikrowatt. Für das Structural Health Monitoring war die Abweichung von den Baseline-Aufnahmesignaturen im CVEH ausgeprägter als im CVS, insbesondere nach aufeinanderfolgenden Schädigungsstadien.

Die Werte für die quadratische Abweichung zwischen gesunden und geschädigten Stadien waren in der CVEH durchweg höher als in der CVS, sowohl für die Leitfähigkeit als auch für die Suszeptivanz.