Articolo metodologico

Studio del potenziale dei trasduttori piezoelettrici sottili a curvatura singola per la raccolta di energia e il monitoraggio della salute strutturale

DOI:

10.3791/68141

⸱

14 novembre 2025

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

In questo articolo

Sommario

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

Qui, confrontiamo sperimentalmente trasduttori piezoelettrici a curvatura singola e rettilinei incorporati in strutture in cemento armato per la raccolta di energia e il monitoraggio della salute strutturale, valutando la loro tensione a circuito aperto, la generazione di energia, l'accumulo di energia e la capacità di rilevamento dei danni. I trasduttori curvi hanno superato quelli rettilinei, offrendo prestazioni migliori per le applicazioni del mondo reale.

Abstract

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

Negli ultimi due decenni, i materiali piezoelettrici sono diventati parte integrante del monitoraggio strutturale (SHM) e della raccolta di energia. Questi materiali sono disponibili in varie forme e configurazioni, ma le potenzialità delle configurazioni curve rimangono in gran parte inesplorate. Questo articolo esplora sperimentalmente le prestazioni dei trasduttori piezoelettrici sottili a curvatura singola rispetto alla loro configurazione diritta quando incorporati in strutture in cemento armato (RC) per la raccolta di energia e le applicazioni SHM. La ricerca include un confronto fianco a fianco di queste configurazioni basato su (a) la tensione a circuito aperto da esse generata in condizioni di eccitazione armonica pura, (b) la potenza generata in condizioni di adattamento dell'impedenza e (c) il loro potenziale per l'accumulo di energia in condensatori in condizioni di vibrazioni irregolari nella vita reale con condizioni di disadattamento dell'impedenza. Inoltre, l'articolo esamina le capacità di rilevamento dei danni dei trasduttori piezoelettrici curvi utilizzando la tecnica dell'impedenza elettromeccanica (EMI), un'area che non è stata esplorata a fondo.

I risultati di tutti e quattro gli esperimenti dimostrano che i trasduttori piezoelettrici curvi superano le loro configurazioni diritte sia nelle applicazioni SHM che in quelle di energy harvesting. Pertanto, i risultati di queste indagini sono cruciali per l'utilizzo efficace dei trasduttori piezoelettrici curvi nelle strutture RC del mondo reale, migliorando sia la raccolta di energia che il monitoraggio della salute strutturale, che di fatto porta alla manutenzione economica e al funzionamento sicuro delle strutture RC.

Introduzione

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

Il monitoraggio strutturale della salute (SHM) è una scienza ingegneristica cruciale volta a garantire la sicurezza, la durata, il funzionamento economico e le prestazioni di strutture, come edifici, ponti, dighe, ecc. SHM utilizza vari sensori, sistemi di acquisizione dati e tecnologie avanzate per raccogliere dati in tempo reale come stress, deformazione, vibrazioni, spostamento, temperatura, ecc. per analizzare periodicamente lo stato di una struttura durante il suo ciclo di vita1, 2. Rilevando tempestivamente i segni di danneggiamento, usura, degrado o qualsiasi altra anomalia, SHM consente una manutenzione economica e un funzionamento sicuro della struttura, prolungandone così la durata.

I materiali piezoelettrici sono una classe di materiali intelligenti con una capacità unica di sviluppare potenziale elettrico attraverso le loro superfici in risposta a vibrazioni/sollecitazioni meccaniche o deformazioni e viceversa. Gli effetti diretti e inversi della piezoelettricità sono spiegati nella Figura 1. Grazie a questa capacità unica, sono ampiamente utilizzati come sensori, attuatori e raccoglitori di energia nei campi ingegneristico, medico e SHM 3,4,5,6,7,8. I vari tipi di materiali piezoelettrici includono cristalli naturali come quarzo (SiO2), topazio, ecc., piezoceramiche come il titanato di zirconato di piombo (PZT), polimeri piezoelettrici fondamentalmente fluoruro di polivinilidene (PVDF) e molti altri. Kaur e Bhalla (2015) hanno stabilito che lo stesso set di trasduttori piezoelettrici (patch PZT) può essere utilizzato per SHM di strutture in calcestruzzo e per raccogliere l'energia necessaria per il loro funzionamento come sensori9. Pertanto, l'energia ambientale raccolta in tempo reale elimina la necessità di numerose batterie, poiché l'energia deve essere immagazzinata solo transitoriamente per SHM10.

La proprietà dei materiali piezoelettrici come sensore e raccoglitore di energia si basa sul fenomeno dell'effetto piezoelettrico diretto (Figura 1), in cui il materiale piezoelettrico sviluppa potenziale elettrico o tensione (V) attraverso le superfici opposte quando sottoposto a sollecitazione meccanica (S1). Questo è rappresentato dall'equazione:

figure-introduction-1(1)

Dove d31 è il coefficiente di deformazione piezoelettrico, espresso in C/N o m/V. Il pedice "31" indica che un campo elettrico applicato in direzione 3 induce una deformazione in direzione 1, hp denota lo spessore del materiale piezoelettrico in metri, figure-introduction-2 rappresenta il modulo di Young dinamico in un campo elettrico costante o nullo, misurato in N/m2, ed figure-introduction-3 è la permittività elettrica dinamica in condizioni di sollecitazione meccanica costante o nulla, misurato in F/m 3,11,12.

I materiali piezoelettrici incorporati all'interno o incollati in superficie su una struttura possono essere utilizzati per monitorare le anomalie nella struttura in base alle misure di deformazione e impedenza che registrano. Questi materiali possono fornire direttamente le forme modali di curvatura e sono quindi spesso utilizzati per tecniche dinamiche globali13,14. Con lo sviluppo della tecnica dell'impedenza elettromeccanica (EMI), questi materiali hanno dimostrato la loro efficacia anche nel rilevamento del danno localizzato15,16. La tecnica EMI ha guadagnato un'ampia popolarità nel campo dell'SHM grazie alla sua natura non distruttiva, alla facilità di implementazione e all'economicità dei trasduttori PZT. In questa tecnica, i patch PZT installati sulla struttura host vengono eccitati elettricamente con l'applicazione di potenziale elettrico armonico ad alte frequenze (nell'intervallo dei kilohertz [kHz]) in modalità sweep utilizzando un misuratore di induttanza-capacità-resistenza (LCR) o un analizzatore di impedenza.

Come risultato dell'effetto piezoelettrico diretto, genera vibrazioni meccaniche nella struttura. E a causa dell'effetto piezoelettrico inverso, queste vibrazioni meccaniche influenzano l'impedenza elettromeccanica del trasduttore piezoelettrico 17,18. Questa firma di impedenza elettromeccanica viene generata nella stessa gamma di frequenza di quella del segnale di eccitazione. La seguente equazione rappresenta l'ammettenza figure-introduction-4elettromeccanica, l'inversa dell'impedenza elettromeccanica, per un sistema modello 1D19

figure-introduction-5(2)

Dove ω è la frequenza angolare in rad/s, figure-introduction-6, l, w e h sono rispettivamente la mezza lunghezza, la larghezza e lo spessore del patch PZT. Z e Za rappresentano rispettivamente l'impedenza meccanica complessa della struttura e il patch PZT e κ è il numero d'onda. Queste firme rimangono stabili e coerenti finché la struttura è intatta. Tuttavia, al verificarsi di eventuali danni, si osservano cambiamenti significativi tra la firma attuale e quella basale (la firma acquisita durante la fase di salute della struttura). Analizzando la firma di impedenza, è possibile rilevare la presenza, la posizione e la gravità del danno nelle fasi iniziali e implementare tempestivamente lavori di rettifica convenienti, migliorando la durata della struttura 20,21,22.

Negli ultimi due decenni, sono state condotte ricerche approfondite per esaminare il potenziale di raccolta di energia dei materiali piezoelettrici. Sebbene questi materiali siano disponibili in diverse configurazioni come tubi, sfere, dischi e così via, la maggior parte degli studi si basa su patch piezoelettriche diritte, strisce, barre, ecc.23,24. Pertanto, è necessario esplorare il potenziale di varie altre configurazioni dei trasduttori piezoelettrici.

I cerotti PZT hanno stabilito una presenza significativa nel campo dell'SHM negli ultimi due decenni. Tuttavia, l'uso di toppe PZT nude per le strutture in calcestruzzo non è raccomandato in quanto potrebbero deteriorarsi durante la costruzione. Pertanto, Bhalla e Gupta (2007, 2022) hanno avuto l'idea di un sensore di vibrazione del calcestruzzo (CVS), che è un sensore pronto all'uso principalmente per l'SHM delle strutture in calcestruzzo25,26, sviluppato presso lo Smart Structures and Dynamics Laboratory (SSDL), IIT Delhi. Nel CVS, il trasduttore piezoelettrico (patch PZT) è meticolosamente ricoperto da uno strato di protezione composito, rendendolo pronto per l'uso per l'installazione diretta nella vita reale prima di essere installato in una struttura in calcestruzzo. La pendenza del cilindro di calcestruzzo che incapsula la toppa PZT deve essere uguale o superiore a quella della struttura di calcestruzzo in cui deve essere incorporata. Il CVS ha una compatibilità di deformazione molto forte con la struttura host e può facilmente acquisire forme modali di curvatura e frequenze di risonanza e può resistere a condizioni estreme rispetto ai sensori PZT a legame superficiale. Kaur (2015) ha stabilito sperimentalmente l'uso del CVS per l'SHM e come raccoglitore di energia generando l'energia necessaria per il lavoro SHM durante il tempo di inattività27.

Simile al CVS, il raccoglitore di energia per vibrazioni del calcestruzzo (CVEH) è un sensore pronto all'uso sviluppato in SSDL per la raccolta di energia da strutture in calcestruzzo; tuttavia, a differenza del CVS, CVEH incapsula un trasduttore curvo28. L'aumento della sollecitazione/deformazione di flessione creata attraverso la patch piezoelettrica a causa della forma curva aumenta la tensione sviluppata e, di conseguenza, la generazione di energia. Tuttavia, a causa della natura fragile della piezoceramica, non tutti i cerotti piezoelettrici possono essere utilizzati per produrre CVEH. L'elemento piezoelettrico utilizzato per la fabbricazione del CVEH deve essere accuratamente selezionato in modo da produrre esclusivamente l'effetto d31 . La presenza dell'effetto d33 contrasterà i vantaggi del d31 nei trasduttori piezoelettrici curvi, dove la direzione di polarizzazione varia perpendicolarmente lungo la curvatura, abbassando l'efficienza del trasduttore29. Utilizzando un patch composito in fibra macro (MFC) di tipo d31 , una variante piezoelettrica molto flessibile e ad alte prestazioni sviluppata dalla National Aeronautics and Space Administration (NASA), Singh (2017) ha fabbricato con successo un CVEH e ha confermato sperimentalmente che il CVEH produce una capacità di generazione di tensione a circuito aperto quasi doppia rispetto al CVS. Tuttavia, c'è una carenza di indagini computazionali e sperimentali sistematiche che coprano la misurazione della potenza in contesti reali rispetto alla disposizione diritta, nonostante le indicazioni delle prestazioni superiori della configurazione curva. Inoltre, non è stata fatta alcuna ricerca sull'esplorazione delle possibilità di una disposizione curva per SHM.

Si prevede che i materiali curvi per la raccolta di energia piezoelettrica (CVEH) offrano diversi vantaggi rispetto ai tradizionali materiali per la raccolta di energia piezoelettrica piana o planare. I materiali piezoelettrici curvi mostrano una migliore distribuzione di sollecitazione/deformazione sulla superficie piezoelettrica a causa della natura della loro deformazione quando sottoposti a forze esterne. Poiché la deformazione in questi materiali è distribuita in modo più uniforme, migliora l'efficienza della conversione e della generazione di energia e consente il funzionamento a intervalli di frequenza molto bassi 30,31,32,33. Le prestazioni degli MFC (Macro-Fiber Composites) sono state dimostrate a livello globale in termini di flessibilità, affidabilità, durata, tolleranza ai danni, maggiore efficienza dell'attuatore e capacità di attuazione e rilevamento direzionale 34,35,36,37. Il CVS o CVEH basato su MFC viene fabbricato incapsulando i cerotti all'interno di cilindri di cemento o malta dopo l'applicazione di un rivestimento protettivo adeguato. Una volta che questi trasduttori sono incorporati in una struttura durante la sua fusione, l'intera struttura, con il CVS/CVEH integrato all'interno, funziona come un sistema unificato. Finché la struttura rimane durevole, i CVEH o CVS (Structural Health Monitoring Systems) manterranno anche la loro efficacia operativa e longevità. Pertanto, i sistemi CVS e CVEH basati su MFC offrono una durata superiore per il monitoraggio della salute strutturale.

Lo scopo di questo studio è quello di confrontare le configurazioni curve e diritte dei trasduttori piezoelettrici (CVEH e CVS, rispettivamente) incorporati all'interno di strutture RC in termini di prestazioni per la raccolta di energia e SHM. La tensione a circuito aperto attraverso i trasduttori piezoelettrici, lo sviluppo di potenza in condizioni di adattamento dell'impedenza e la possibilità di immagazzinare energia nei condensatori per entrambe le configurazioni sono studiati nella ricerca. In questo lavoro viene studiato sperimentalmente anche il potenziale di rilevamento dei danni finora non scoperto dei trasduttori piezoelettrici curvi utilizzando la tecnica EMI.

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Protocollo

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NOTA: Questo protocollo è una breve descrizione del progetto M. Tech. del relatore svolto presso lo Smart Structures and Dynamics Laboratory (SSDL), Indian Institute of Technology Delhi. Tutti i dettagli possono essere valutati dalla tesi di laurea11 e dalle relative pubblicazioni12,13.

1. Sperimentazione: materiali, fabbricazione e configurazione

  1. Materiali
    NOTA: La piezoceramica ha stabilito una posizione di rilievo nei settori dell'SHM e della raccolta di energia grazie alla sua elevata resistenza, rigidità e fattori di accoppiamento. La fragilità di questi materiali, tuttavia, ne limita l'uso alle superfici curve. Di conseguenza, la National Aeronautics and Space Administration (NASA) ha sviluppato una versione piezoelettrica particolarmente flessibile e ad alte prestazioni, ovvero l'MFC, che è stato selezionato come trasduttore piezoelettrico per lo studio attuale.
    1. Utilizzare la variante M5628-P2, con spessore 300 μm e suola effetto d31 .
  2. Fabbricazione e configurazione
    1. Gettare due cilindri di malta cementizia di 100 mm di diametro e 30 mm di spessore.
    2. Racchiudere i trasduttori piezoelettrici MFC diritti e curvi nei cilindri di malta nella posizione a media profondità durante la colata (Figura 2A, B).
    3. Applicare uno strato protettivo di adesivo epossidico standard sulle toppe MFC per evitare il degrado durante la fusione.
    4. Polimerizzare i cilindri di malta (Figura 2C, D) che racchiudono i trasduttori per 7 giorni.
    5. Fondere una trave RC (1500 mm [L] × 300 mm [B] × 100 mm [D]) di grado M30.
    6. Incorporare il CVEH e il CVS nella posizione centrale della campata legandoli al rinforzo di compressione dello strato superiore della trave durante il getto. Assicurarsi che la loro superficie superiore coincida con quella della trave, come mostrato nella Figura 2E29. Le proprietà del fascio RC e del trasduttore piezoelettrico sono elencate nella Tabella 1.
    7. Assicurarsi che i collegamenti elettrici dei trasduttori piezoelettrici siano mantenuti al sicuro durante l'intero processo.
    8. Posizionare la trave RC in una condizione supportata con una luce effettiva di 1100 mm per l'esecuzione di vari esperimenti.

2. Analisi comparativa della tensione a circuito aperto generata attraverso trasduttori piezoelettrici in pura eccitazione armonica

NOTA: Questa sezione confronta la tensione a circuito aperto generata dai trasduttori piezoelettrici rettilinei e curvi in condizioni di eccitazione armonica pura.

  1. Configurazione sperimentale
    1. Installa una trave RC con CVS e CVEH incorporati all'interno a metà campata, come menzionato nel paragrafo precedente.
    2. Predisporre un agitatore portatile per l'induzione dell'eccitazione armonica, posto ad una distanza di L/2 dal supporto, dove L è la luce effettiva del fascio.
    3. Imposta un generatore di funzioni per generare segnali elettrici.
    4. Impostare un amplificatore di potenza per amplificare i segnali generati dal generatore di funzioni e trasmessi allo shaker (quindi collegati allo shaker e al generatore di funzioni)
    5. Configura un oscilloscopio per misurare la tensione a circuito aperto generata attraverso i sensori. Collegare i cavi elettrici dai sensori piezoelettrici ai due canali dell'oscilloscopio.
    6. Impostare un accelerometro con una sensibilità di 100 mV per g posizionato sul fascio più vicino all'agitatore per misurare l'accelerazione, dove g rappresenta l'accelerazione dovuta alla gravità.
    7. Impostare un amplificatore ICP per registrare le misure dall'accelerometro (quindi collegato all'accelerometro e al terzo canale dell'oscilloscopio)
      NOTA: Fare riferimento alla Figura 3 per la configurazione sperimentale.
  2. Procedura per l'analisi nel dominio della frequenza
    1. Eccitare il raggio RC utilizzando l'agitatore portatile in modalità sweep. L'input deve essere dato al generatore di funzioni: Eccitazione dinamica dello sweep da 10 Hz a 100 Hz per 2,5 s.
    2. Condurre un'analisi nel dominio della frequenza delle risposte ricevute dai sensori piezoelettrici e dall'accelerometro per determinare la frequenza naturale del raggio. Si prega di fare riferimento agli articoli precedentemente pubblicati per la procedura dettagliata sull'analisi nel dominio della frequenza 38,39,40.
  3. Procedura per il confronto della tensione a circuito aperto
    1. Eccitare il raggio a frequenze distinte da 25 Hz a 85 Hz utilizzando l'agitatore. Adotta un intervallo di passi di 15 Hz. Registra la risposta da CVS e CVEH per tutte le frequenze.
    2. Spostare la posizione dell'agitatore a L/3 e L/6 di distanza dal supporto e ripetere il passaggio precedente (passaggio 2.3.1) per ciascuna posizione dell'agitatore.
    3. Confronta le risposte di CVS e CVEH in ciascun caso, sia graficamente che analiticamente.

3. Analisi comparativa della potenza generata dai trasduttori piezoelettrici

NOTA: Questa sezione confronta la potenza generata dai trasduttori piezoelettrici per condizioni favorevoli di adattamento dell'impedenza.

  1. Configurazione sperimentale
    1. Imposta una trave RC con CVS e CVEH incorporati all'interno a metà campata, come menzionato nel passaggio 2.1.1.
      NOTA: Fare riferimento alla Figura 4A per la configurazione sperimentale.
    2. Posizionare un agitatore eccentrico di tipo rotativo a una distanza di L/4 dal supporto più vicino
    3. Imposta un regolatore di velocità e collegalo allo shaker.
    4. Configura un oscilloscopio. Collegare il CVS e il CVEH ai due canali dell'oscilloscopio.
    5. Posizionare un accelerometro con una sensibilità di 100 mV per g a metà del raggio. Collegalo all'amplificatore ICP.
    6. Configura un amplificatore ICP per registrare le misurazioni dall'accelerometro.
    7. Collegare un circuito aggiuntivo, come mostrato nella Figura 4B, ai trasduttori piezoelettrici per la misurazione della potenza. Il circuito è costituito da due resistori, R1 e R2 (R1 = 335 kΩ e R2 = 340 kΩ), collegati in serie attraverso i sensori piezoelettrici.
      NOTA: L'impedenza dei resistori selezionati deve essere in un intervallo simile a quello dei sensori piezoelettrici (impedenza della sorgente). Un significativo disadattamento dell'impedenza può portare a un'eccessiva dissipazione del calore, a una notevole perdita di potenza e persino a un guasto del circuito. L'impedenza dei sensori può essere misurata per varie frequenze utilizzando un misuratore LCR. Per le attuali CVS e CVEH, l'impedenza media per varie frequenze che vanno da 20 Hz a 80 Hz (intervallo di passi = 5 Hz) è rispettivamente di 32 kΩ e 35 kΩ.
    8. Installa un multimetro digitale e collegalo attraverso il resistore R1 per misurare la tensione di uscita (V2) del circuito.
    9. Collegare il laptop a un multimetro digitale per l'acquisizione dei dati.
  2. Procedimento
    1. Avviare l'agitatore e indurre vibrazioni al raggio RC. Regolare l'accelerazione dello shaker utilizzando il regolatore di velocità.
    2. Registrare la tensione di uscita (V2) utilizzando il multimetro per ciascun sensore.
    3. Ripetere il passaggio precedente per due o più accelerazioni dell'agitatore.
      NOTA: Le accelerazioni di picco adottate nello studio sono state di 15,19 m/s2, 17,39 m/s2 e 21,68 m/s2.
    4. Calcolare la potenza generata (P) da entrambi i sensori per ogni accelerazione dell'agitatore utilizzando la formula riportata di seguito12,27:
      figure-protocol-1
      figure-protocol-2
      Dove i è la corrente che scorre attraverso il circuito.

4. Potenziale di accumulo di energia dei trasduttori piezoelettrici

NOTA: Questa sezione si concentra sull'analisi del potenziale di accumulo di energia o di raccolta di energia dei trasduttori piezoelettrici in condizioni di vibrazioni irregolari nella vita reale con condizioni generali di campo (disadattamento di impedenza). Un condensatore da 1000 μF è stato utilizzato per raccogliere l'energia generata dai trasduttori piezoelettrici.

  1. Configurazione sperimentale
    1. Impostare l'apparecchiatura sperimentale come descritto nella sezione 3.1, escluso il circuito di misura della potenza.
    2. Sostituire il circuito di misurazione della potenza con un semplice circuito raddrizzatore a ponte intero. Fare riferimento alla Figura 4C, D per la configurazione sperimentale.
      NOTA: Scopo di un semplice circuito raddrizzatore a ponte intero: la tensione di uscita generata dai trasduttori piezoelettrici è in modalità corrente alternata (CA), che non può essere memorizzata poiché inverte periodicamente la direzione. Pertanto, il semplice circuito raddrizzatore a ponte intero viene utilizzato per convertire i segnali CA in modalità corrente continua (CC), che è un'alimentazione stabile e può essere immagazzinata in condensatori o batterie. Il circuito è costituito da quattro diodi di tipo Schottky etichettati da D1 a D4, con una tensione di polarizzazione diretta inferiore (nell'intervallo di 0,1 V)41. I diodi sono disposti in coppie di serie, con solo due diodi funzionanti durante ogni semiciclo. Nel semiciclo positivo, i due diodi, D1 e D4 condurranno in serie dove i diodi D2 e D3 saranno spenti (polarizzati inversamente) e viceversa durante il semiciclo negativo. Pertanto, il circuito raddrizzatore a ponte completo garantisce sistemi circuitali stabili e passivi42.
  2. Procedimento
    1. Avviare l'agitatore e indurre vibrazioni al raggio RC. Regolare l'accelerazione dello shaker utilizzando il regolatore di velocità.
    2. Registrare la tensione di uscita (Vc) del circuito raddrizzatore utilizzando il multimetro per entrambi i sensori.
    3. Calcolare l'energia totale ET e la potenza media Pavg immagazzinata nel condensatore da entrambi i sensori utilizzando le equazioni riportate di seguito 12,13:
      figure-protocol-3
      figure-protocol-4
      Dove C è la capacità (1000 μF) e Tc è il tempo di carica totale dei condensatori.
    4. Ripetere i passaggi precedenti per varie accelerazioni.

5. Idoneità dei trasduttori piezoelettrici per SHM in base al potenziale di rilevamento dei danni

NOTA: Questa sezione valuta l'idoneità dei trasduttori piezoelettrici per SHM valutando il loro potenziale di rilevamento dei danni utilizzando la tecnica EMI.

  1. Configurazione sperimentale:
    1. Posiziona la stessa trave RC come menzionato nelle sezioni precedenti.
    2. Impostare un misuratore LCR per misurare la firma di ammettenza elettrica e collegarlo ai trasduttori piezoelettrici.
    3. Inoltre, collegare il laptop al misuratore LCR.
    4. Posiziona un termometro digitale per garantire una temperatura ambiente uniforme durante l'esperimento.
      NOTA: Fare riferimento alla Figura 5A per la configurazione sperimentale.
  2. Procedimento
    1. Utilizzando il misuratore LCR, applicare un potenziale elettrico armonico attraverso i trasduttori per eccitarli alle alte frequenze in modalità sweep.
      Caso 1: Gamma di frequenza più grossolana: da 1 kHz a 1000 kHz, intervallo di passo di 1 kHz
      Caso 2: gamma di frequenza più fine: da 100 kHz a 300 kHz, intervallo di passo di 100 Hz
    2. Acquisisci la firma di ammettenza generata dai trasduttori utilizzando il misuratore LCR e il laptop per entrambi i casi. Queste firme durante la fase di integrità della struttura sono chiamate firme di base.
    3. Ripetere nuovamente i passaggi per verificare la correlazione tra le firme in ogni caso.
    4. Indurre danni alla trave praticando un foro e ripetere i passaggi 5.2.1 e 5.2.2 per ottenere le firme durante il danno della fase 1.
    5. Induci più danni praticando più fori e ripeti i passaggi 5.2.1 e 5.2.2 per ottenere le firme durante ogni fase del danno. Nel presente studio sono stati indotti tre danni, come mostrato nella Figura 5B.
    6. Confrontare e analizzare le firme visivamente e numericamente confrontando il valore della deviazione quadratica media (RMSD) tra la fase sana e le firme della fase danneggiate.
    7. L'RMSD può essere calcolato utilizzando l'equazione riportata di seguito12,13:
      figure-protocol-5
      dove n è la dimensione del campione, xdi e xhi sono i valori i-esimo nelle firme rispettivamente nelle fasi danneggiata e sana.

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Risultati

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Analisi comparativa della tensione a circuito aperto generata attraverso trasduttori piezoelettrici in condizioni di eccitazione armonica pura
Le risposte nel dominio del tempo dei trasduttori piezoelettrici e dell'accelerometro sono mostrate nella Figura 6A, B. Dai segnali nel dominio del tempo, le loro risposte nel dominio della frequenza sono derivate utilizzando il metodo della trasformata di Fourier veloce (FFT) e le...

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Discussione

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Un passaggio critico nel protocollo presentato riguarda la determinazione accurata della frequenza naturale del sistema beam-shaker. Questo passaggio è essenziale perché sia la raccolta di energia che le capacità di monitoraggio della salute strutturale (SHM) dei trasduttori piezoelettrici dipendono fortemente dal comportamento dinamico del sistema. L'uso dell'eccitazione a scansione ha facilitato l'identificazione della frequenza di risonanza del sistema di agitazione del fascio. Durant...

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Dichiarazioni

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

Questo articolo è un adattamento delle opere precedentemente pubblicate dagli autori 11,12,13 ed è destinato esclusivamente a scopi educativi, in particolare per facilitare la diffusione della conoscenza e dell'arte scientifica attraverso il formato video. Le figure da 1 a 12 sono riprodotte con il permesso di Elsevier.

Ringraziamenti

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Questo lavoro è stato sostenuto finanziariamente dall'Indian Institute of Technology (IIT) di Delhi e dal Dipartimento di Scienza e Tecnologia [DST/INSPIRE/04/2015/000545]. Gli autori ringraziano molto il supporto offerto da Sameer Hasan e Pawan per la creazione del video per la rivista.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
AccelerometroPiezotronica per PCB352C34
Aggregati - 10 mmN/AN/A
Aggregati - 20 mmN/AN/A
Condensatore (1000 & mu; F) N/AN/A
CementoN/AN/A
Multimetro digitale Tecnologie Agilent34411A
Termometro digitale La Crosse Technology WS-9006U 
EpossidicoN/AN/A
Generatore di funzioni Tecnologie Agilent33210A
amplificatore ICP & nbsp;Piezotronica per PCBSerie 482C
Misuratore LCRTecnologie AgilentE4980A
Macro fibra composita (MFC) Materiale intelligenteM5628-P2
OscilloscopioTektronixTDS 2004B
Shaker portatile LDSV406
amplificatore di potenza  LDSPA500L
ResistoriN/AN/A
Shaker rotativo  Crompton Greaves XKF5577Non disponibile al momento
SabbiaN/AN/A
Diodi di tipo Schottky Diodes IncorporatedBAT1000
FiliN/AN/A

Riferimenti

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