Article de méthode

Étude du potentiel des transducteurs piézoélectriques minces à courbure simple pour la récupération d’énergie et la surveillance de l’état structurel

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DOI :

10.3791/68141

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14 novembre 2025

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

Dans cet article

Résumé

Ici, nous comparons expérimentalement des transducteurs piézoélectriques incurvés et droits intégrés dans des structures en béton armé pour la récupération d’énergie et la surveillance de la santé structurelle en évaluant leur tension en circuit ouvert, leur production d’énergie, leur capacité de stockage d’énergie et de détection des dommages. Les transducteurs incurvés ont surpassé les transducteurs droits, offrant de meilleures performances pour les applications du monde réel.

Résumé

Au cours des deux dernières décennies, les matériaux piézoélectriques sont devenus partie intégrante de la surveillance de la santé structurelle (SHM) et de la récupération d’énergie. Ces matériaux sont disponibles sous diverses formes et configurations, mais le potentiel des configurations courbes reste largement inexploré. Cet article explore expérimentalement les performances des transducteurs piézoélectriques minces à courbure simple par rapport à leur configuration droite lorsqu’ils sont intégrés dans des structures en béton armé (RC) pour les applications de récupération d’énergie et de SHM. La recherche comprend une comparaison côte à côte de ces configurations basée sur (a) la tension en circuit ouvert générée par celles-ci sous des excitations harmoniques pures, (b) la puissance générée dans les conditions d’adaptation d’impédance, et (c) leur potentiel de stockage d’énergie dans les condensateurs sous des vibrations erratiques réelles avec des conditions de désadaptation d’impédance. De plus, l’article étudie les capacités de détection des dommages des transducteurs piézoélectriques courbes à l’aide de la technique d’impédance électromécanique (EMI), un domaine qui n’a pas été exploré en profondeur.

Les résultats des quatre expériences démontrent que les transducteurs piézoélectriques incurvés surpassent leurs configurations droites dans les applications SHM et de récupération d’énergie. Par conséquent, les résultats de ces études sont cruciaux pour l’utilisation efficace des transducteurs piézoélectriques courbes dans les structures RC du monde réel, améliorant à la fois la récupération d’énergie et la surveillance de la santé structurelle, ce qui conduit en fait à la maintenance économique et au fonctionnement sûr des structures RC.

Introduction

La surveillance de l’état des structures (SHM) est une science d’ingénierie cruciale visant à assurer la sécurité, la durabilité, le fonctionnement économique et la performance des structures, telles que les bâtiments, les ponts, les barrages, etc. SHM utilise divers capteurs, systèmes d’acquisition de données et technologies avancées pour recueillir des données en temps réel telles que les contraintes, les déformations, les vibrations, le déplacement, la température, etc. pour analyser périodiquement l’état d’une structure tout au long de son cycle de vie1, 2. Aéroport En détectant à un stade précoce les signes de dommages, d’usure, de dégradation ou de toute autre anomalie, le SHM permet une maintenance rentable et un fonctionnement sûr de la structure, prolongeant ainsi sa durée de vie.

Les matériaux piézoélectriques sont une classe de matériaux intelligents ayant la capacité unique de développer un potentiel électrique sur toutes leurs surfaces en réponse à des vibrations/contraintes mécaniques ou à des déformations et vice versa. Les effets directs et inverses de la piézoélectricité sont expliqués dans la figure 1. En raison de cette capacité unique, ils sont largement utilisés comme capteurs, actionneurs et récupérateurs d’énergie dans les domaines de l’ingénierie, de la médecine et de la SHM 3,4,5,6,7,8. Les différents types de matériaux piézoélectriques comprennent des cristaux naturels tels que le quartz (SiO2), la topaze, etc., des piézocéramiques comme le titanate de zirconate de plomb (PZT), des polymères piézoélectriques, essentiellement du fluorure de polyvinylidène (PVDF), et bien d’autres. Kaur et Bhalla (2015) ont établi que le même ensemble de transducteurs piézoélectriques (patchs PZT) peut être utilisé pour la SHM des structures en béton et pour collecter l’énergie nécessaire à leur fonctionnement en tant que capteurs9. Ainsi, l’énergie ambiante récoltée en temps réel élimine la demande de nombreuses batteries, car l’énergie ne doit être stockée que de manière transitoire pour SHM10.

La propriété des matériaux piézoélectriques en tant que capteur et récupérateur d’énergie est basée sur le phénomène de l’effet piézoélectrique direct (Figure 1), où le matériau piézoélectrique développe un potentiel électrique ou une tension (V) sur les surfaces opposées lorsqu’il est soumis à une contrainte mécanique (S1). Ceci est représenté par l’équation :

figure-introduction-1(1)

où d31 est le coefficient de déformation piézoélectrique, exprimé en C/N ou m/V. L’indice « 31 » indique qu’un champ électrique appliqué dans la direction 3 induit une déformation dans la direction 1, hp désigne l’épaisseur du matériau piézoélectrique en mètres, figure-introduction-2 représente le module de Young dynamique sous un champ électrique constant ou nul, mesuré en N/m2, et figure-introduction-3 est la permittivité électrique dynamique sous contrainte mécanique constante ou nulle, mesuré en F/m 3,11,12.

Les matériaux piézoélectriques intégrés à l’intérieur d’une structure ou liés en surface sur celle-ci peuvent être utilisés pour surveiller les anomalies de la structure en fonction des mesures de déformation et d’impédance qu’ils enregistrent. Ces matériaux peuvent fournir directement les formes du mode de courbure et sont donc souvent utilisés pour les techniques dynamiques globales13,14. Avec le développement de la technique d’impédance électromécanique (EMI), ces matériaux ont également prouvé leur efficacité dans la détection de dommages localisés15,16. La technique EMI a gagné en popularité dans le domaine de la SHM en raison de sa nature non destructive, de sa facilité de mise en œuvre et de sa rentabilité des transducteurs PZT. Dans cette technique, les patchs PZT installés sur la structure hôte sont excités électriquement avec l’application d’un potentiel électrique harmonique à hautes fréquences (dans la gamme des kilohertz [kHz]) en mode balayage à l’aide d’un compteur d’inductance-capacité-résistance (LCR) ou d’un analyseur d’impédance.

En raison de l’effet piézoélectrique direct, il génère des vibrations mécaniques dans la structure. Et en raison de l’effet piézoélectrique inverse, ces vibrations mécaniques influencent l’impédance électromécanique du transducteur piézoélectrique17,18. Cette signature d’impédance électromécanique est générée dans la même gamme de fréquences que celle du signal d’excitation. L’équation suivante représente l’admittance figure-introduction-4électromécanique , l’inverse de l’impédance électromécanique, pour un système modèle 1D19

figure-introduction-5(2)

Où ω est la fréquence angulaire en rad/s, figure-introduction-6, l, w et h sont respectivement la demi-longueur, la largeur et l’épaisseur de la tache PZT. Z et Za représentent respectivement l’impédance mécanique complexe de la structure et le patch PZT et κ est le nombre d’onde. Ces signatures restent stables et cohérentes tant que la structure est intacte. Cependant, lors de l’apparition de dommages, des changements significatifs sont observés entre la signature actuelle et la signature de base (la signature acquise au cours de la phase saine de la structure). En analysant la signature d’impédance, il est possible de détecter la présence, l’emplacement et la gravité des dommages à un stade précoce et de mettre en œuvre en temps opportun des travaux de rectification rentables, améliorant ainsi la durabilité de la structure 20,21,22.

Au cours des deux dernières décennies, des recherches approfondies ont été menées pour examiner le potentiel de récupération d’énergie des matériaux piézoélectriques. Bien que ces matériaux soient disponibles dans plusieurs configurations telles que des tubes, des sphères, des disques, etc., la plupart des études sont basées sur des patchs piézoélectriques droits, des bandes, des barres, etc.23,24. Par conséquent, le potentiel de diverses autres configurations de transducteurs piézoélectriques doit être exploré.

Les patchs PZT ont établi une présence significative dans le domaine de la SHM au cours des deux dernières décennies. Cependant, l’utilisation de patchs PZT nus pour les structures en béton n’est pas recommandée car ils peuvent se détériorer pendant la construction. C’est pourquoi Bhalla et Gupta (2007, 2022) ont eu l’idée d’un capteur de vibrations du béton (CVS), qui est un capteur prêt à l’emploi principalement pour le SHM des structures en béton25,26, développé au Smart Structures and Dynamics Laboratory (SSDL) de l’IIT Delhi. Dans CVS, le transducteur piézoélectrique (patch PZT) est méticuleusement recouvert d’une couche de protection composite, ce qui le rend prêt à l’emploi pour une installation directe dans la vie réelle avant d’être installé dans une structure en béton. La pente du cylindre en béton encapsulant la pièce PZT doit être égale ou supérieure à celle de la structure en béton dans laquelle il doit être encastré. CVS a une très forte compatibilité de déformation avec la structure hôte et, peut facilement acquérir des formes de mode de courbure et des fréquences de résonance, et peut résister à des conditions extrêmes par rapport aux capteurs PZT collés en surface. Kaur (2015) a établi expérimentalement l’utilisation du CVS pour la SHM et comme récupérateur d’énergie en générant l’énergie nécessaire au travail SHM pendant le temps d’inactivité27.

Semblable au CVS, le récupérateur d’énergie par vibration du béton (CVEH) est un capteur prêt à l’emploi développé en SSDL pour la récupération d’énergie à partir de structures en béton ; cependant, contrairement à CVS, CVEH encapsule un transducteur incurvé28. L’augmentation de la contrainte/déformation de flexion créée à travers la pièce piézoélectrique en raison de la forme incurvée augmente la tension développée et, par conséquent, la production d’énergie. Cependant, en raison de la nature fragile de la piézocéramique, tous les patchs piézoélectriques ne peuvent pas être utilisés pour fabriquer des CVEH. L’élément piézoélectrique utilisé pour la fabrication du CVEH doit être soigneusement sélectionné de manière à ce qu’il ne produise que l’effet d31 . La présence de l’effet d33 contrecarrera les avantages de d31 dans les transducteurs piézoélectriques incurvés, où la direction de la perche varie perpendiculairement tout au long de la courbure, abaissant l’efficacité du transducteur29. À l’aide d’un patch composite à macrofibres (MFC) de type d31 , une variante piézoélectrique très flexible et performante développée par la National Aeronautics and Space Administration (NASA), Singh (2017) a réussi à fabriquer un CVEH et a confirmé expérimentalement que le CVEH produit une capacité de génération de tension en circuit ouvert presque deux fois supérieure à celle du CVS. Cependant, il y a une pénurie d’études informatiques et expérimentales systématiques couvrant la mesure de puissance dans des conditions réelles par rapport à l’arrangement droit, malgré les indications de performances supérieures de la configuration incurvée. De plus, aucune recherche n’a été effectuée sur l’exploration des possibilités d’un arrangement incurvé pour SHM.

Les matériaux de récupération d’énergie piézoélectriques incurvés (CVEH) devraient offrir plusieurs avantages par rapport aux matériaux de récupération d’énergie piézoélectriques plats ou plans traditionnels. Les matériaux piézoélectriques incurvés présentent une meilleure répartition des contraintes/déformations sur toute la surface piézoélectrique en raison de la nature de leur déformation lorsqu’ils sont soumis à des forces externes. Comme la déformation dans ces matériaux est répartie plus uniformément, elle améliore l’efficacité de la conversion d’énergie et de la production d’énergie et permet de fonctionner dans des plages de fréquences très basses 30,31,32,33. Les performances des MFC (Macro-Fiber Composites) ont été démontrées dans le monde entier en termes de flexibilité, de fiabilité, de durabilité, de tolérance aux dommages, d’efficacité accrue de l’actionneur et de capacités d’actionnement directionnel et de détection 34,35,36,37. Le CVS ou CVEH basé sur MFC est fabriqué en encapsulant les patchs dans des cylindres de béton ou de mortier après l’application d’un revêtement protecteur approprié. Une fois que ces transducteurs sont intégrés dans une structure lors de son coulage, l’ensemble de la structure, avec le CVS/CVEH intégré à l’intérieur, fonctionne comme un système unifié. Tant que la structure reste durable, les CVEH ou CVS (Structural Health Monitoring Systems) conserveront également leur efficacité opérationnelle et leur longévité. Par conséquent, les systèmes CVS et CVEH basés sur MFC offrent une durabilité supérieure pour la surveillance de l’état des structures.

Le but de cette étude est de comparer les configurations courbes et droites des transducteurs piézoélectriques (CVEH et CVS, respectivement) incorporés à l’intérieur des structures RC en termes de performances pour la récupération d’énergie et la SHM. La tension en circuit ouvert aux travers les transducteurs piézoélectriques, le développement de la puissance dans des conditions d’adaptation d’impédance et la possibilité de stockage de l’énergie dans les condensateurs pour les deux configurations sont étudiés dans la recherche. Le potentiel de détection des dommages jusqu’alors inconnu des transducteurs piézoélectriques courbes utilisant la technique EMI est également étudié expérimentalement dans ce travail.

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Protocole

REMARQUE : Ce protocole est une brève description du projet de maîtrise en technologie réalisé par le présentateur au Smart Structures and Dynamics Laboratory (SSDL) de l’Institut indien de technologie de Delhi. Tous les détails peuvent être évalués à partir de la thèse de M. Tech.11 et des publications connexes12,13.

1. Expérimentation : matériaux, fabrication et configuration

  1. Matériaux
    REMARQUE : Les piézocéramiques ont établi une position de premier plan dans les domaines de la SHM et de la récupération d’énergie en raison de leur résistance, de leur rigidité et de leurs facteurs de couplage élevés. La fragilité de ces matériaux limite toutefois leur utilisation aux surfaces courbes. Par conséquent, la National Aeronautics and Space Administration (NASA) a développé une version piézoélectrique particulièrement flexible et performante, à savoir le MFC, qui a été sélectionné comme transducteur piézoélectrique pour l’étude actuelle.
    1. Utilisez la variante M5628-P2, d’une épaisseur de 300 μm et ayant un effet semelle d31 .
  2. Fabrication et configuration
    1. Coulée de deux cylindres de mortier de ciment de 100 mm de diamètre et 30 mm d’épaisseur.
    2. Emboîtez les transducteurs piézoélectriques MFC droits et incurvés dans les cylindres de mortier à mi-profondeur pendant la coulée (Figure 2A, B).
    3. Appliquez une couche protectrice d’adhésif époxy standard sur les patchs MFC pour éviter la dégradation lors du coulage.
    4. Durcissez les cylindres de mortier (figures 2C, D) en enfermant les transducteurs pendant 7 jours.
    5. Couler une poutre RC (1500 mm [L] × 300 mm [B] × 100 mm [D]) de grade M30.
    6. Intégrez le CVEH et le CVS à mi-portée en les attachant au renfort de compression de la couche supérieure de la poutre pendant le moulage. S’assurer que leur surface supérieure coïncide avec celle du faisceau, comme le montre la figure 2E29. Les propriétés du faisceau RC et du transducteur piézoélectrique sont énumérées dans le Tableau 1.
    7. Assurez-vous que les connexions électriques des transducteurs piézoélectriques sont sécurisées pendant tout le processus.
    8. Placez la poutre RC dans un état soutenu avec une portée effective de 1100 mm pour effectuer diverses expériences.

2. Analyse comparative de la tension en circuit ouvert générée à travers les transducteurs piézoélectriques sous excitation harmonique pure

REMARQUE : Cette section compare la tension en circuit ouvert générée par les transducteurs piézoélectriques droits et courbes sous des excitations harmoniques pures.

  1. Dispositif expérimental
    1. Installez une poutre RC avec CVS et CVEH intégrés à l’intérieur à mi-portée, comme mentionné dans le paragraphe précédent.
    2. Installez un agitateur portable pour induire une excitation harmonique, placé à une distance de L/2 du support, où L est la portée effective du faisceau.
    3. Configurez un générateur de fonctions pour générer des signaux électriques.
    4. Mettre en place un amplificateur de puissance pour amplifier les signaux générés par le générateur de fonctions et transmis au shaker (donc connecté au shaker et au générateur de fonctions)
    5. Installez un oscilloscope pour mesurer la tension en circuit ouvert générée aux bornes des capteurs. Connectez les fils électriques des capteurs piézoélectriques aux deux canaux de l’oscilloscope.
    6. Installez un accéléromètre d’une sensibilité de 100 mV par g placé sur le faisceau le plus proche de l’agitateur pour mesurer l’accélération, où g représente l’accélération due à la gravité.
    7. Mettre en place un amplificateur ICP pour enregistrer les mesures de l’accéléromètre (donc connecté à l’accéléromètre et au troisième canal de l’oscilloscope)
      REMARQUE : Reportez-vous à la figure 3 pour la configuration expérimentale.
  2. Procédure d’analyse dans le domaine fréquentiel
    1. Expulsez le faisceau RC à l’aide de l’agitateur portable en mode balayage. L’entrée doit être donnée au générateur de fonction : Excitation de balayage dynamique de 10 Hz à 100 Hz pendant 2,5 s.
    2. Effectuer une analyse dans le domaine fréquentiel des réponses reçues des capteurs piézoélectriques et de l’accéléromètre pour déterminer la fréquence propre du faisceau. Veuillez vous référer aux articles précédemment publiés pour la procédure détaillée sur l’analyse du domaine fréquentiel 38,39,40.
  3. Procédure de comparaison de tension en circuit ouvert
    1. Excissez le faisceau à des fréquences distinctes de 25 Hz à 85 Hz à l’aide du vibreur. Adoptez un intervalle de pas de 15 Hz. Enregistrez la réponse de CVS et CVEH pour toutes les fréquences.
    2. Décalez la position de l’agitateur à l’écart L/3 et L/6 du support, et répétez l’étape ci-dessus (étape 2.3.1) pour chaque position de l’agitateur.
    3. Comparez les réponses de CVS et de CVEH dans chaque cas, graphiquement ou analytiquement.

3. Analyse comparative de la puissance générée par les transducteurs piézoélectriques

REMARQUE : Cette section compare la puissance générée par les transducteurs piézoélectriques pour des conditions d’adaptation d’impédance favorables.

  1. Dispositif expérimental
    1. Installez une poutre BA avec CVS et CVEH intégrés à l’intérieur à mi-portée, comme mentionné à l’étape 2.1.1.
      REMARQUE : Reportez-vous à la figure 4A pour la configuration expérimentale.
    2. Placer un agitateur excentrique de type rotatif à une distance de L/4 du support le plus proche
    3. Installez un variateur et connectez-le au shaker.
    4. Installez un oscilloscope. Connectez le CVS et le CVEH aux deux canaux de l’oscilloscope.
    5. Placez un accéléromètre d’une sensibilité de 100 mV par g à mi-portée du faisceau. Connectez-le à l’amplificateur ICP.
    6. Installez un amplificateur ICP pour enregistrer les mesures de l’accéléromètre.
    7. Connectez un circuit supplémentaire, comme illustré à la Figure 4B, aux transducteurs piézoélectriques pour la mesure de puissance. Le circuit se compose de deux résistances, R1 et R2 (R1 = 335 kΩ et R2 = 340 kΩ), connectées en série sur les capteurs piézoélectriques.
      REMARQUE : L’impédance des résistances sélectionnées doit être dans une plage similaire à celle des capteurs piézoélectriques (impédance de la source). Un décalage d’impédance important peut entraîner une dissipation thermique excessive, une perte de puissance substantielle et même une défaillance du circuit. L’impédance des capteurs peut être mesurée pour différentes fréquences à l’aide d’un compteur LCR. Pour le CVS et le CVEH actuels, l’impédance moyenne pour diverses fréquences allant de 20 Hz à 80 Hz (intervalle de pas = 5 Hz) est respectivement de 32 kΩ et 35 kΩ.
    8. Installez un multimètre numérique et connectez-le à la résistance R1 pour mesurer la tension de sortie (V2) du circuit.
    9. Connectez l’ordinateur portable à un multimètre numérique pour l’acquisition de données.
  2. Procédure
    1. Démarrez le shaker et induisez des vibrations au faisceau RC. Ajustez l’accélération du vibrateur à l’aide du variateur.
    2. Enregistrez la tension de sortie (V2) à l’aide du multimètre de chaque capteur.
    3. Répétez l’étape ci-dessus pour deux accélérations ou plus du shaker.
      REMARQUE : Les accélérations de pointe adoptées dans l’étude étaient de 15,19 m/s2, 17,39 m/s2 et 21,68 m/s2.
    4. Calculez la puissance générée (P) par les deux capteurs pour chaque accélération de l’agitateur à l’aide de la formule donnée ci-dessous12,27 :
      figure-protocol-1
      figure-protocol-2
      Où i est le courant circulant dans le circuit.

4. Potentiel de stockage d’énergie des transducteurs piézoélectriques

REMARQUE : Cette section se concentre sur l’analyse du potentiel de stockage d’énergie ou de récupération d’énergie des transducteurs piézoélectriques dans des conditions réelles de vibrations erratiques avec des conditions générales de champ (inadéquation d’impédance). Un condensateur de 1000 μF a été utilisé pour récupérer l’énergie générée par les transducteurs piézoélectriques.

  1. Dispositif expérimental
    1. Installer l’appareil expérimental comme décrit au point 3.1, à l’exclusion du circuit de mesure de puissance.
    2. Remplacez le circuit de mesure de puissance par un simple circuit redresseur à pont complet. Reportez-vous à la figure 4C, D pour la configuration expérimentale.
      REMARQUE : Objectif d’un simple circuit redresseur à pont complet : La tension de sortie générée par les transducteurs piézoélectriques est en mode courant alternatif (AC), qui ne peut pas être stocké car il inverse périodiquement la direction. Par conséquent, le simple circuit redresseur à pont complet est utilisé pour convertir les signaux AC en mode courant continu (DC), qui est une alimentation stable et peut être stocké dans des condensateurs ou des batteries. Le circuit se compose de quatre diodes de type Schottky étiquetées D1 à D4, avec une tension de polarisation directe inférieure (dans la plage de 0,1 V)41. Les diodes sont disposées en paires en série, avec seulement deux diodes fonctionnant pendant chaque demi-cycle. Dans le demi-cycle positif, les deux diodes, D1 et D4, vont conduire en série où les diodes D2 et D3 seront éteintes (polarisation inverse) et vice versa pendant le demi-cycle négatif. Ainsi, le circuit redresseur à pont complet assure des systèmes de circuits stables et passifs42.
  2. Procédure
    1. Démarrez le shaker et induisez des vibrations au faisceau RC. Ajustez l’accélération du vibrateur à l’aide du variateur.
    2. Enregistrez la tension de sortie (Vc) du circuit redresseur à l’aide du multimètre pour les deux capteurs.
    3. Calculez l’énergie totale ET et la puissance moyenne Pmoy stockée dans le condensateur par les deux capteurs à l’aide des équations données ci-dessous 12,13 :
      figure-protocol-3
      figure-protocol-4
      Où C est la capacité (1000 μF), et Tc est le temps de charge total des condensateurs.
    4. Répétez les étapes ci-dessus pour diverses accélérations.

5. Adéquation des transducteurs piézoélectriques pour la SHM en fonction du potentiel de détection des dommages

REMARQUE : Cette section évalue l’adéquation des transducteurs piézoélectriques pour la SHM en évaluant leur potentiel de détection des dommages à l’aide de la technique EMI.

  1. Dispositif expérimental :
    1. Placez la même poutre RC que celle mentionnée dans les sections précédentes.
    2. Installez un compteur LCR pour mesurer la signature électrique d’admission et connectez-le aux transducteurs piézoélectriques.
    3. Connectez également l’ordinateur portable au compteur LCR.
    4. Placez un thermomètre numérique pour assurer une température ambiante uniforme tout au long de l’expérience.
      REMARQUE : Reportez-vous à la figure 5A pour la configuration expérimentale.
  2. Procédure
    1. À l’aide du compteur LCR, appliquez un potentiel électrique harmonique aux transducteurs pour les exciter à haute fréquence en mode balayage.
      Cas 1 : Gamme de fréquences plus grossière : 1 kHz à 1000 kHz, intervalle de pas de 1 kHz
      Cas 2 : Gamme de fréquences plus fine : 100 kHz à 300 kHz, intervalle de pas de 100 Hz
    2. Acquérez la signature d’admission générée par les sondes à l’aide du compteur LCR et de l’ordinateur portable dans les deux cas. Ces signatures au cours de la phase saine de la structure sont appelées signatures de base.
    3. Répétez les étapes à nouveau pour vérifier la corrélation entre les signatures dans chaque cas.
    4. Induisez des dommages dans le faisceau en perçant un trou et répétez les étapes 5.2.1 et 5.2.2 pour obtenir les signatures lors des dommages de l’étape 1.
    5. Induisez plus de dommages en perçant plus de trous et répétez les étapes 5.2.1 et 5.2.2 pour obtenir les signatures à chaque étape des dommages. Trois dommages sont induits dans l’étude actuelle, comme le montre la figure 5B.
    6. Comparez et analysez les signatures visuellement et numériquement en comparant la valeur de l’écart quadratique moyen (RMSD) entre les signatures de l’étape saine et des signatures d’étape endommagées.
    7. La RMSD peut être calculée à l’aide de l’équation donnée ci-dessous12,13 :
      figure-protocol-5
      où n est la taille de l’échantillon, xdi et xhi sont les ième valeurs dans les signatures sous les stades endommagé et sain, respectivement.

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Résultats

Analyse comparative de la tension en circuit ouvert générée aux travers des transducteurs piézoélectriques sous excitation harmonique pure
Les réponses dans le domaine temporel des transducteurs piézoélectriques et de l’accéléromètre sont illustrées aux figures 6A et B. À partir des signaux dans le domaine temporel, leurs réponses dans le domaine fréquentiel sont dérivées à l’aide de la méthode de la transformée de Fourie...

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Discussion

Une étape critique du protocole présenté consiste à déterminer avec précision la fréquence propre du système d’agitation de faisceau. Cette étape est essentielle car les capacités de récupération d’énergie et de surveillance de l’état structurel (SHM) des transducteurs piézoélectriques dépendent fortement du comportement dynamique du système. L’utilisation de l’excitation par balayage a facilité l’identification de la fréquence de résonance du système d’agitation de faisceau. Au cours de...

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Déclarations de divulgation

Cet article est adapté des travaux précédemment publiés des auteurs 11,12,13 et est destiné uniquement à des fins éducatives, en particulier pour faciliter la diffusion des connaissances et de l’art scientifique par le biais du format vidéo. Les figures 1 à 12 sont reproduites avec l’autorisation d’Elsevier.

Remerciements

Ce travail a été soutenu financièrement par l’Institut indien de technologie (IIT) de Delhi et le Département des sciences et de la technologie [DST/INSPIRE/04/2015/000545]. Les auteurs remercient grandement M. Sameer Hasan et M. Pawan pour le soutien qu’ils ont apporté à la création de la vidéo pour la revue.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
AccéléromètrePiézotronique sur PCB352C34
Granulats - 10 mmN/AN/A
Granulats - 20 mmN/AN/A
Condensateur (1000 & mu ; F)  ;N/AN/A
CimentN/AN/A
Multimètre numérique   ;Agilent Technologies34411A
Thermomètre numérique   ;La Crosse Technology  ;WS-9006U  ;
ÉpoxyN/AN/A
Générateur de fonctions & nbsp ;Agilent Technologies33210A
Amplificateur ICP & nbsp ;Piézotronique sur PCBSérie 482C
Compteur LCRAgilent TechnologiesE4980A
Macro fibre composite (MFC) & nbsp ;Matériel intelligentM5628-P2
OscilloscopeTektronixTDS 2004B
Shaker portable & nbsp ;SDJV406
Amplificateur de puissance   ;SDJPA500L
RésistancesN/AN/A
Vibrateur rotatif   ;Crompton Greaves  ;XKF5577Non disponible pour le moment
SableN/AN/A
Diodes de type Schottky  ;Diodes IncorporatedBAT1000
FilsN/AN/A

Références

  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).
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