מאמר שיטה

חקירת הפוטנציאל של מתמרים פיזואלקטריים דקים מעוקלים בודדים לקצירת אנרגיה וניטור בריאות מבנית

DOI:

10.3791/68141

⸱

14 בנובמבר 2025

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

במאמר זה

סיכום

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

כאן, אנו משווים באופן ניסיוני מתמרים פיזואלקטריים מעוקלים וישרים בודדים המשובצים במבני בטון עבור קצירת אנרגיה וניטור בריאות מבנית על ידי הערכת מתח המעגל הפתוח, ייצור החשמל, אחסון החשמל ויכולת זיהוי הנזקים שלהם. מתמרים מעוקלים עלו על אלה הישרים, ומציעים ביצועים טובים יותר עבור יישומים בעולם האמיתי.

תקציר

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

במהלך שני העשורים האחרונים, חומרים פיזואלקטריים הפכו לחלק בלתי נפרד מניטור בריאות מבנית (SHM) וקצירת אנרגיה. חומרים אלה זמינים בצורות ותצורות שונות, אך הפוטנציאל של תצורות מעוקלות נותר ברובו לא נחקר. מאמר זה בוחן באופן ניסיוני את הביצועים של מתמרים פיזואלקטריים דקים מעוקלים בודדים בהשוואה לתצורה הישרה שלהם כאשר הם משובצים במבני בטון (RC) עבור קצירת אנרגיה ויישומי SHM. המחקר כולל השוואה זו לצד זו של תצורות אלו בהתבסס על (א) מתח המעגל הפתוח שנוצר על ידם תחת עירורים הרמוניים טהורים, (ב) ההספק שנוצר בתנאי התאמת העכבה, ו-(ג) הפוטנציאל שלהם לאחסון חשמל בקבלים תחת רעידות לא יציבות בחיים האמיתיים עם תנאי אי התאמה של עכבה. בנוסף, המאמר חוקר את יכולות זיהוי הנזק של מתמרי פייזו מעוקלים באמצעות טכניקת העכבה האלקטרומכנית (EMI), תחום שלא נחקר ביסודיות.

התוצאות מכל ארבעת הניסויים מדגימות כי מתמרי הפיזו המעוקלים עולים על התצורות הישרות שלהם הן ביישומי SHM והן ביישומי קצירת אנרגיה. לכן, הממצאים מחקירות אלו חיוניים לניצול יעיל של מתמרים פיזואלקטריים מעוקלים במבני RC בעולם האמיתי, משפרים הן את קצירת האנרגיה והן את ניטור הבריאות המבנית, מה שלמעשה מוביל לתחזוקה כלכלית ותפעול בטוח של מבני RC.

מבוא

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

ניטור בריאות מבנית (SHM) הוא מדע הנדסי חיוני שמטרתו להבטיח את הבטיחות, העמידות, התפעול החסכוני והביצועים של מבנים, כגון מבנים, גשרים, סכרים וכו'. SHM משתמש בחיישנים שונים, מערכות איסוף נתונים וטכנולוגיות מתקדמות כדי לאסוף נתונים בזמן אמת כגון מתח, מתח, רעידות, תזוזה, טמפרטורה וכו' כדי לנתח מעת לעת את מצב המבנה לאורך מחזור חייו1, 2. על ידי זיהוי סימני נזק, בלאי, השפלה או כל חריגה אחרת בשלב מוקדם, SHM מאפשר תחזוקה חסכונית ותפעול בטוח של המבנה, ובכך מאריך את תוחלת חייו.

חומרים פיזואלקטריים הם סוג של חומרים חכמים עם יכולת ייחודית לפתח פוטנציאל חשמלי על פני השטח שלהם בתגובה לרעידות/מתחים מכניים או מתחים ולהיפך. ההשפעות הישירות וההפוכות של פיזואלקטריות מוסברות באיור 1. בשל יכולת ייחודית זו, הם נמצאים בשימוש נרחב כחיישנים, מפעילים וקוצרי אנרגיה בתחומי הנדסה, רפואה ו-SHM 3,4,5,6,7,8. הסוגים השונים של חומרים פיזואלקטריים כוללים גבישים טבעיים כגון קוורץ (SiO2), טופז וכו', פיזוקרמיקה כמו טיטנאט זירקונאט עופרת (PZT), פולימרים פיזואלקטריים בעצם פוליווינילידן פלואוריד (PVDF), ועוד רבים. Kaur and Bhalla (2015) קבעו כי ניתן להשתמש באותה קבוצה של מתמרים פיזואלקטריים (טלאי PZT) עבור SHM של מבני בטון ולקצירת האנרגיה הנדרשת לתפקודם כחיישנים9. לפיכך, אנרגיית הסביבה שנאספה בזמן אמת מבטלת את הביקוש לסוללות רבות מכיוון שיש לאחסן את האנרגיה רק באופן זמני עבור SHM10.

המאפיין של החומרים הפיזואלקטריים כחיישן וכקוצר אנרגיה מבוסס על תופעת האפקט הפיזואלקטרי הישיר (איור 1), שבו החומר הפיזואלקטרי מפתח פוטנציאל חשמלי או מתח (V) על פני המשטחים המנוגדים כאשר הוא נתון למאמץ מכני (S1). זה מיוצג על ידי המשוואה:

figure-introduction-1(1)

כאשר d31 הוא מקדם המתח הפיזואלקטרי, המתבטא ב-C/N או m/V. הכתב התחתון "31" מציין ששדה חשמלי המופעל בכיוון 3 גורם למתח בכיוון 1, hp מציין את עובי החומר הפיזואלקטרי במטרים, figure-introduction-2 מייצג את מודול יאנג הדינמי תחת שדה חשמלי קבוע או אפס, הנמדד ב-N/m2, והוא figure-introduction-3 היתירות החשמלית הדינמית תחת מתח מכני קבוע או אפס, נמדד ב-F/m 3,11,12.

ניתן להשתמש בחומרים הפיזואלקטריים המוטבעים בתוך מבנה או מחוברים על פני השטח כדי לנטר את החריגות במבנה על סמך מדידות המתח והעכבה שהם רושמים. חומרים אלה יכולים לספק את צורות מצב העקמומיות ישירות ולכן משמשים לעתים קרובות לטכניקות דינמיות גלובליות13,14. עם התפתחות טכניקת העכבה האלקטרומכנית (EMI), חומרים אלה הוכיחו את יעילותם גם בזיהוי נזק מקומי15,16. טכניקת EMI זכתה לפופולריות רחבה בתחום ה-SHM בשל אופייה הלא-הרסני, קלות היישום והעלות-תועלת של מתמרי ה-PZT. בטכניקה זו, טלאי ה-PZT המותקנים על מבנה המארח נרגשים חשמלית עם יישום פוטנציאל חשמלי הרמוני בתדרים גבוהים (בתחום הקילו-הרץ [kHz]) במצב סוויפ באמצעות מד התנגדות השראה-קיבול (LCR) או מנתח עכבה.

כתוצאה מהאפקט הפיזואלקטרי הישיר, הוא מייצר רעידות מכניות במבנה. ובשל האפקט הפיזואלקטרי ההפוך, תנודות מכניות אלו משפיעות על העכבה האלקטרומכנית של המתמר הפיזואלקטרי17,18. חתימת עכבה אלקטרומכנית זו נוצרת באותו טווח תדרים כמו זה של אות העירור. המשוואה הבאה מייצגת את הכניסה האלקטרומכניתfigure-introduction-4, ההופכית של העכבה האלקטרומכנית, עבור מערכת מודל חד-ממדית19

figure-introduction-5(2)

כאשר ω הוא התדר הזוויתי ב-rad/s, figure-introduction-6, l, w ו-h הם בהתאמה חצי האורך, הרוחב והעובי של תיקון ה-PZT. Z ו-Za מייצגים את העכבה המכנית המורכבת של המבנה ותיקון ה-PZT בהתאמה ו-κ הוא מספר הגל. חתימות אלה נשארות יציבות ועקביות כל עוד המבנה שלם. עם זאת, עם התרחשות נזקים כלשהם, נצפים שינויים משמעותיים בין החתימה הנוכחית לחתימת הבסיס (החתימה הנרכשת בשלב הבריא של המבנה). על ידי ניתוח חתימת העכבה, ניתן לזהות נוכחות, מיקום וחומרת הנזק בשלבים מוקדמים ולבצע בזמן עבודות תיקון חסכוניות, המשפרות את עמידות המבנה 20,21,22.

במהלך שני העשורים האחרונים בוצע מחקר מקיף לבחינת פוטנציאל קצירת האנרגיה של חומרים פיזואלקטריים. למרות שחומרים אלה זמינים במספר תצורות כמו צינורות, כדורים, דיסקים וכן הלאה, רוב המחקרים מבוססים על טלאים פיזואלקטריים ישרים, רצועות, מוטות וכו'.23,24. לפיכך, יש לחקור את הפוטנציאל של תצורות שונות אחרות של מתמרי הפיזו.

טלאי ה-PZT ביססו נוכחות משמעותית בתחום ה-SHM במהלך שני העשורים האחרונים. עם זאת, השימוש במדבקות PZT חשופות למבני בטון אינו מומלץ מכיוון שהם עלולים להידרדר במהלך הבנייה. לכן, בהלה וגופטה (2007, 2022) העלו את הרעיון של חיישן רטט בטון (CVS), שהוא חיישן מוכן לשימוש בעיקר עבור SHM של מבני בטון25,26, שפותח במעבדה למבנים חכמים ודינמיקה (SSDL), IIT דלהי. ב-CVS, המתמר הפיזואלקטרי (תיקון PZT) מכוסה בקפידה בשכבת הגנה מרוכבת, מה שהופך אותו מוכן לשימוש להתקנה ישירה בחיים האמיתיים לפני התקנתו במבנה בטון. דרגת גליל הבטון העוטף את תיקון ה-PZT תהיה שווה או גבוהה מזו של מבנה הבטון בו יש להטמיע אותו. ל-CVS יש תאימות מתח חזקה מאוד עם מבנה המארח, והוא יכול לרכוש בקלות צורות אופן עקמומיות ותדרי תהודה, ויכול לעמוד בתנאים קיצוניים בהשוואה לחיישני PZT מלוכדים על פני השטח. קאור (2015) ביסס באופן ניסיוני את השימוש ב-CVS עבור SHM וכקוצר אנרגיה על ידי ייצור האנרגיה הנדרשת לעבודת SHM בזמן סרק27.

בדומה ל-CVS, קציר אנרגיית רטט בטון (CVEH) הוא חיישן מוכן לשימוש שפותח ב-SSDL לקצירת אנרגיה ממבני בטון; עם זאת, בניגוד ל-CVS, CVEH עוטף מתמר מעוקל28. מתח/מתח הכיפוף המוגבר שנוצר על פני תיקון הפיזו כתוצאה מהצורה המעוקלת מעלה את המתח שפותח וכתוצאה מכך את ייצור החשמל. עם זאת, בשל האופי השברירי של הפיזוקרמיקה, לא ניתן להשתמש בכל מדבקות הפיזו לייצור CVEH. אלמנט הפיזו המשמש לייצור CVEH ייבחר בקפידה כך שהוא מייצר אך ורק את אפקט d31 . הנוכחות של אפקט d33 תנטרל את היתרונות של d31 במתמרי פייזו מעוקלים, כאשר כיוון הפולינג משתנה בניצב לאורך העקמומיות, ומוריד את יעילות המתמר29. באמצעות תיקון סיבי מאקרו מרוכבים (MFC) מסוג d31 , גרסת פייזו גמישה מאוד ובעלת ביצועים גבוהים שפותחה על ידי מינהל האווירונאוטיקה והחלל הלאומי (נאס"א), סינג (2017) ייצרה בהצלחה CVEH ואישרה בניסוי כי ה-CVEH מייצר יכולת ייצור מתח במעגל פתוח כמעט כפול מה-CVS. עם זאת, קיים מחסור בחקירות חישוביות וניסיוניות שיטתיות המכסות מדידת הספק בתנאים אמיתיים בהשוואה לסידור הישר, למרות אינדיקציות לביצועים המעולים של התצורה המעוקלת. יתר על כן, לא נעשה מחקר על בחינת האפשרויות של סידור מעוקל ל-SHM.

חומרי קצירת האנרגיה הפיזואלקטריים המעוקלים (CVEH) צפויים להציע מספר יתרונות על פני חומרי קצירת אנרגיה פיזואלקטריים שטוחים או מישוריים מסורתיים. חומרים פיזואלקטריים מעוקלים מציגים פיזור מתח/מתח משופר על פני המשטח הפיזואלקטרי בשל אופי העיוות שלהם כאשר הם נתונים לכוחות חיצוניים. ככל שהמתח בחומרים אלה מתפזר בצורה אחידה יותר, הוא משפר את יעילות המרת האנרגיה וייצור החשמל ומאפשר תפקוד בטווחי תדרים נמוכים מאוד 30,31,32,33. הביצועים של MFCs (Macro-Fiber Composites) הוכחו ברחבי העולם במונחים של גמישות, אמינות, עמידות, סובלנות לנזק, יעילות מפעיל משופרת ויכולות הפעלה וחישה כיווניות 34,35,36,37. ה-CVS או CVEH מבוססי MFC מיוצרים על ידי עטיפת הטלאים בתוך גלילי בטון או טיט לאחר מריחת ציפוי מגן מתאים. ברגע שמתמרים אלו מוטמעים במבנה במהלך יציקתו, המבנה כולו, עם ה-CVS/CVEH המשולב בפנים, מתפקד כמערכת מאוחדת. כל עוד המבנה נשאר עמיד, ה-CVEHs או CVS (מערכות ניטור בריאות מבניות) ישמרו גם על היעילות התפעולית ואורך החיים שלהם. לכן, מערכות CVS ו-CVEH מבוססות MFC מציעות עמידות מעולה לניטור בריאות מבנית.

מטרת מחקר זה היא להשוות את התצורות המעוקלות והישרות של מתמרים פיזואלקטריים (CVEH ו-CVS, בהתאמה) המשולבים בתוך מבני RC מבחינת ביצועים לקצירת אנרגיה ו-SHM. מתח מעגל פתוח על פני מתמרי הפיזו, פיתוח הספק בתנאי התאמת עכבה והאפשרות של אחסון חשמל בקבלים עבור שתי התצורות נחקרים במחקר. פוטנציאל גילוי הנזק שלא התגלה עד כה של מתמרי פייזו מעוקלים המשתמשים בטכניקת EMI נחקר גם הוא בניסוי בעבודה זו.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

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

הערה: פרוטוקול זה הוא תיאור קצר של פרויקט M. Tech של המגיש שבוצע במעבדה למבנים חכמים ודינמיקה (SSDL), המכון הטכנולוגי ההודי בדלהי. ניתן לקבל פרטים מלאים מעבודת המאסטר הטכנולוגית11 ופרסומים קשורים12,13.

1. ניסויים: חומרים, ייצור והתקנה

  1. חומרים
    הערה: פיזוקרמיקה ביססה עמדה בולטת בתחומי SHM וקצירת אנרגיה בשל החוזק, הנוקשות וגורמי הצימוד הגבוהים שלהם. עם זאת, שבירותם של חומרים אלה מגבילה את השימוש בהם למשטחים מעוקלים. כתוצאה מכך, מינהל האווירונאוטיקה והחלל הלאומי (נאס"א) פיתח גרסת פייזו גמישה ובעלת ביצועים גבוהים במיוחד, כלומר MFC, שנבחרה כמתמר הפיזואלקטרי למחקר הנוכחי.
    1. השתמש בגרסה M5628-P2, בעובי של 300 מיקרומטר ובעל אפקט סוליה d31 .
  2. ייצור והתקנה
    1. יצוק שני גלילי טיט מלט בקוטר 100 מ"מ ועובי 30 מ"מ.
    2. עטוף את מתמרי ה-MFC piezo הישרים והמעוקלים בגלילי המרגמה במיקום העומק הבינוני במהלך היציקה (איור 2A, B).
    3. מרחו שכבת מגן של דבק אפוקסי סטנדרטי על מדבקות MFC כדי למנוע השפלה במהלך היציקה.
    4. רפא את גלילי המרגמה (איור 2C, D) הסוגרים את המתמרים למשך 7 ימים.
    5. יצוק קרן RC (1500 מ"מ [L] × 300 מ"מ [B] × 100 מ"מ [D]) בדרגה M30.
    6. הטמע את ה-CVEH וה-CVS במיקום אמצע הטווח על ידי קשירתם לחיזוק הדחיסה של השכבה העליונה של הקורה בזמן היציקה. ודא שהמשטח העליון שלהם עולה בקנה אחד עם זה של הקורה, כפי שמוצג באיור 2E29. המאפיינים של קרן ה-RC ומתמר הפיזו מפורטים בטבלה 1.
    7. ודא שהחיבורים החשמליים של מתמרי הפיזו נשמרים בטוחים במהלך כל התהליך.
    8. הנח את קרן ה-RC במצב נתמך עם טווח אפקטיבי של 1100 מ"מ לביצוע ניסויים שונים.

2. ניתוח השוואתי של מתח מעגל פתוח שנוצר על פני מתמרי פייזו תחת עירור הרמוני טהור

הערה: סעיף זה משווה את מתח המעגל הפתוח שנוצר על ידי מתמרי הפיזו הישרים והמעוקלים תחת עירורים הרמוניים טהורים.

  1. מערך ניסיוני
    1. הגדר קרן RC עם CVS ו-CVEH משובצים בפנים באמצע הטווח, כפי שהוזכר בפסקה הקודמת.
    2. הגדר שייקר נייד להשראת עירור הרמוני, הממוקם במרחק של L/2 מהתמיכה, כאשר L הוא הטווח האפקטיבי של הקורה.
    3. הגדר מחולל פונקציות ליצירת אותות חשמליים.
    4. הגדר מגבר כוח להגברת האותות שנוצרים על ידי מחולל הפונקציות ומועברים לשייקר (ומכאן מחובר לשייקר ולמחולל הפונקציות)
    5. הגדר אוסצילוסקופ למדידת מתח המעגל הפתוח שנוצר על פני החיישנים. חבר את חוטי החשמל מחיישני הפיזו לשני הערוצים של האוסילוסקופ.
    6. הגדר מד תאוצה עם רגישות של 100 mV לגרם הממוקם על הקורה קרוב יותר לשייקר כדי למדוד את התאוצה, כאשר g מייצג את התאוצה עקב כוח הכבידה.
    7. הגדר מגבר ICP כדי להקליט את המדידות ממד התאוצה (ומכאן מחובר למד התאוצה ולערוץ השלישי של האוסילוסקופ)
      הערה: עיין באיור 3 להגדרת הניסוי.
  2. נוהל לניתוח תחום תדרים
    1. רגש את קרן ה-RC באמצעות השייקר הנייד במצב טאטא. הקלט יינתן למחולל הפונקציות: עירור סוויפ דינמי מ-10 הרץ ל-100 הרץ למשך 2.5 שניות.
    2. בצע ניתוח תחום תדרים של התגובות המתקבלות מחיישני הפיזו ומד התאוצה כדי לקבוע את התדר הטבעי של האלומה. אנא עיין במאמרים שפורסמו בעבר לנוהל המפורט בנושא ניתוח תחום תדרים 38,39,40.
  3. נוהל השוואת מתח מעגל פתוח
    1. עורר את האלומה בתדרים שונים מ-25 הרץ עד 85 הרץ באמצעות השייקר. אמצו מרווח צעדים של 15 הרץ. רשמו את התגובה מ-CVS ו-CVEH עבור כל התדרים.
    2. העבר את מיקום השייקר למרחק L/3 ו-L/6 מהתמיכה, וחזור על השלב לעיל (שלב 2.3.1) עבור כל מיקום שייקר.
    3. השווה את התגובות של CVS ו-CVEH בכל מקרה באופן גרפי או אנליטי.

3. ניתוח השוואתי של הספק שנוצר על ידי מתמרי פייזו

הערה: סעיף זה משווה את ההספק שנוצר על ידי מתמרי הפיזו עבור תנאי התאמת עכבה נוחים.

  1. מערך ניסיוני
    1. הגדר קרן RC עם CVS ו-CVEH משובצים בפנים באמצע הטווח, כפי שהוזכר בשלב 2.1.1.
      הערה: עיין באיור 4A להגדרת הניסוי.
    2. הנח שייקר אקסצנטרי מסוג סיבובי במרחק של L/4 מהתמיכה הקרובה ביותר
    3. הגדר בקר מהירות וחבר אותו לשייקר.
    4. הגדר אוסצילוסקופ. חבר את ה-CVS וה-CVEH לשני הערוצים של האוסילוסקופ.
    5. הצב מד תאוצה ברגישות של 100 mV לגרם באמצע הקורה. חבר אותו ל-ICP ampחיים יותר.
    6. הגדר מגבר ICP כדי להקליט את המדידות ממד התאוצה.
    7. חבר מעגל נוסף, כפי שמוצג באיור 4B, למתמרי הפיזו למדידת הספק. המעגל מורכב משני נגדים, R1 ו- R2 (R1 = 335 kΩ ו- R2 = 340 kΩ), המחוברים בסדרה על פני חיישני הפיזו.
      הערה: העכבה של הנגדים שנבחרו תהיה בטווח דומה לזה של חיישני הפיזו (עכבת מקור). אי התאמה משמעותית של עכבה עלולה להוביל לפיזור חום מוגזם, אובדן חשמל משמעותי ואפילו כשל במעגל. ניתן למדוד את העכבה של החיישנים עבור תדרים שונים באמצעות מד LCR. עבור ה-CVS וה-CVEH הנוכחיים, העכבה הממוצעת עבור תדרים שונים הנעים בין 20 הרץ ל-80 הרץ (מרווח צעד = 5 הרץ) היא 32 kΩ ו-35 kΩ בהתאמה.
    8. הגדר מולטימטר דיגיטלי וחבר אותו על פני הנגד R1 כדי למדוד את מתח המוצא (V2) של המעגל.
    9. חבר את המחשב הנייד למולטימטר דיגיטלי לרכישת נתונים.
  2. פרוצדורה
    1. הפעל את השייקר וגרם לרעידות לקרן ה-RC. כוונן את תאוצת השייקר באמצעות בקר המהירות.
    2. רשום את מתח המוצא (V2) באמצעות המולטימטר לכל חיישן.
    3. חזור על השלב לעיל עבור שתי האצות או יותר של השייקר.
      הערה: תאוצות השיא שאומצו במחקר היו 15.19 מטר לשנייה2, 17.39 מטרלשנייה 2 ו-21.68 מטר לשנייה2.
    4. חשב את ההספק שנוצר (P) על ידי שני החיישנים עבור כל תאוצה של השייקר באמצעות הנוסחה המופיעה להלן12,27:
      figure-protocol-1
      figure-protocol-2
      כאשר i הוא הזרם הזורם דרך המעגל.

4. פוטנציאל אחסון חשמל של מתמרי פייזו

הערה: חלק זה מתמקד בניתוח הפוטנציאל לאגירת חשמל או קצירת אנרגיה של מתמרי ה-piezo תחת רעידות לא יציבות בחיים האמיתיים עם תנאי שדה כלליים (אי-התאמה של עכבה). קבל 1000 μF שימש לקצירת האנרגיה שנוצרה על ידי מתמרי הפיזו.

  1. מערך ניסיוני
    1. הגדר את מנגנון הניסוי כמתואר בסעיף 3.1, למעט מעגל מדידת ההספק.
    2. החלף את מעגל מדידת ההספק במעגל מיישר גשר מלא פשוט. עיין באיור 4C, D להגדרת הניסוי.
      הערה: מטרת מעגל מיישר גשר מלא פשוט: מתח המוצא שנוצר על ידי מתמרי הפיזו נמצא במצב זרם חילופין (AC), שלא ניתן לאחסן מכיוון שהוא הופך את הכיוון מעת לעת. לכן, מעגל מיישר הגשר המלא הפשוט משמש להמרת אותות AC למצב זרם ישר (DC), שהוא ספק כוח יציב וניתן לאחסן אותו בקבלים או בסוללות. המעגל מורכב מארבע דיודות מסוג שוטקי המסומנות D1 עד D4, עם מתח הטיה קדימה נמוך יותר (בטווח של 0.1 וולט)41. הדיודות מסודרות בזוגות סדרתיים, כאשר רק שתי דיודות מתפקדות במהלך כל חצי מחזור. בחצי המחזור החיובי, שתי הדיודות, D1 ו- D4 יתנהלו בסדרה שבה הדיודות D2 ו- D3 יכבו (מוטות הפוכות) ולהיפך במהלך חצי המחזור השלילי. לפיכך, מעגל מיישר הגשר המלא מבטיח מערכות מעגלים יציבות ופסיביות42.
  2. פרוצדורה
    1. הפעל את השייקר וגרם לרעידות לקרן ה-RC. כוונן את תאוצת השייקר באמצעות בקר המהירות.
    2. רשום את מתח המוצא (Vc) של מעגל המיישר באמצעות המולטימטר עבור שני החיישנים.
    3. חשב את האנרגיה הכוללת ET ואת ההספקהממוצע P ממוצע המאוחסנים בקבל על ידי שני החיישנים באמצעות המשוואות המפורטות להלן 12,13:
      figure-protocol-3
      figure-protocol-4
      כאשר C הוא הקיבול (1000 μF), ו-Tc הוא זמן הטעינה הכולל של הקבלים.
    4. חזור על השלבים לעיל עבור תאוצות שונות.

5. התאמה של מתמרי פיזו ל- SHM על סמך פוטנציאל זיהוי הנזק

הערה: סעיף זה מעריך את התאמתם של מתמרים פיזואלקטריים עבור SHM על ידי הערכת הפוטנציאל שלהם לגילוי נזקים באמצעות טכניקת EMI.

  1. מערך ניסוי:
    1. הנח את אותה קרן RC כפי שהוזכר בסעיפים הקודמים.
    2. הגדר מד LCR כדי למדוד את חתימת הכניסה החשמלית ולחבר אותה עם מתמרי הפיזו.
    3. כמו כן, חבר את המחשב הנייד למד LCR.
    4. הצב מדחום דיגיטלי כדי להבטיח טמפרטורת חדר אחידה לאורך כל הניסוי.
      הערה: עיין באיור 5A להגדרת הניסוי.
  2. פרוצדורה
    1. באמצעות מד ה-LCR, הפעל פוטנציאל חשמלי הרמוני על פני המתמרים כדי לרגש אותם בתדרים גבוהים במצב סוויפ.
      מקרה 1: תחום תדרים גס יותר: 1 קילו-הרץ עד 1000 קילו-הרץ, מרווח צעדים של 1 קילו-הרץ
      מקרה 2: תחום תדרים עדין יותר: 100 קילו-הרץ עד 300 קילו-הרץ, מרווח צעדים של 100 הרץ
    2. רכוש את חתימת הכניסה שנוצרה על ידי המתמרים באמצעות מד ה-LCR והמחשב הנייד עבור שני המקרים. חתימות אלו במהלך השלב הבריא של המבנה נקראות חתימות בסיסיות.
    3. חזור על השלבים שוב כדי לבדוק את המתאם בין החתימות בכל מקרה.
    4. לגרום נזק לקורה על ידי קידוח חור וחזור על שלבים 5.2.1 ו-5.2.2 כדי להשיג את החתימות במהלך נזק שלב 1.
    5. לגרום לנזק רב יותר על ידי קידוח חורים נוספים וחזור על שלבים 5.2.1 ו-5.2.2 כדי להשיג את החתימות בכל שלב של נזק. שלושה נזקים נגרמים במחקר הנוכחי, כפי שמוצג באיור 5B.
    6. השווה ונתח את החתימות באופן חזותי ומספרי על ידי השוואת ערך הסטייה הריבועית הממוצעת (RMSD) בין השלב הבריא לחתימות השלב הפגום.
    7. ניתן לחשב RMSD באמצעות המשוואה המופיעה להלן12,13:
      figure-protocol-5
      כאשר n הוא גודל המדגם, xdi ו-xhi הם ערכי ith בחתימות תחת השלבים הפגומים והבריאים, בהתאמה.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

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

ניתוח השוואתי של מתח מעגל פתוח שנוצר על פני מתמרי פייזו תחת עירור הרמוני טהור
תגובות תחום הזמן של מתמרי הפיזו ומד התאוצה מוצגות באיור 6A,B. מאותות תחום הזמן, תגובות תחום התדר שלהם נגזרות בשיטת התמרת פורייה מהירה (FFT), והתגובות מוצגות באיור 6C,D. התדר הטבעי של הקרן עם השייקר הנייד בטווח האמצע נקבע אפוא כ-55 הרץ באמצעות תגובות תחום התדרים הללו של החיישנים.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

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

שלב קריטי בפרוטוקול המוצג כרוך בקביעה מדויקת של התדר הטבעי של מערכת טלטול האלומה. שלב זה חיוני מכיוון שגם יכולות קצירת האנרגיה וגם ניטור הבריאות המבנית (SHM) של מתמרים פיזואלקטריים תלויות מאוד בהתנהגות הדינמית של המערכת. השימוש בעירור טאטא הקל על זיהוי תדר התהודה של מערכת טלטול האלומה. במהלך הליך זה, תגובות תחום התדרים של CVEH, CVS ומד התאוצה נרשמו בו זמנית. כל שלושת החיישנים הציגו באופן עקבי משרעת שיא ב-55 הרץ, וקבעו בבירור ערך זה כתדר הטבעי של המערכת. התכנסות זו לא רק אישרה את ההתנהגות...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

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

מאמר זה מעובד מעבודותיהם הקודמות של המחברים 11,12,13 ומיועד אך ורק למטרות חינוכיות, במיוחד כדי להקל על הפצת ידע ואמנות מדעית באמצעות פורמט וידאו. איורים 1 עד 12 משוכפלים באישור המתאים של Elsevier.

תודות

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

עבודה זו נתמכה כספית על ידי המכון הטכנולוגי ההודי (IIT) בדלהי והמחלקה למדע וטכנולוגיה [DST/INSPIRE/04/2015/000545]. המחברים מודים מאוד על תמיכתם של מר סמיר חסן ומר פאוואן ביצירת הסרטון עבור כתב העת.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
תאוצהפיזוטרוניקה PCB352C34
אגרגטים - 10 מ"מלא זמיןלא זמין
אגרגטים - 20 מ"מלא זמיןלא זמין
קבל (1000 ו-mu; F) לא זמיןלא זמין
מלטלא זמיןלא זמין
מולטימטר דיגיטלי אג'ילנט טכנולוגיות34411A
מדחום דיגיטלי לה קרוס טכנולוגיה  WS-9006U 
אפוקסילא זמיןלא זמין
מחולל פונקציות אג'ילנט טכנולוגיות33210A
מגבר ICP  פיזוטרוניקה PCBסדרת 482C
מד LCRאג'ילנט טכנולוגיותE4980A
סיב מרוכב מאקרו (MFC) Smart MaterialM5628-P2
אוסצילוסקופטקטרוניקסTDS 2004B
שייקר נייד  ה-LDSV406
מגבר כוח  ה-LDSPA500L
נגדיםלא זמיןלא זמין
שייקר מסוג סיבובי  קרומפטון גריבס XKF5577לא זמין כעת
חוללא זמיןלא זמין
דיודות מסוג שוטקי דיודות אינקורפורייטדBAT1000
חוטיםלא זמיןלא זמין

מקורות

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

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

מאמרים קשורים