方法論記事

エネルギーハーベスティングと構造健全性モニタリングのための単一湾曲した薄型圧電トランスデューサの可能性の調査

DOI：

10.3791/68141

⸱

2025年11月14日

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

この記事について

サマリー

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

ここでは、鉄筋コンクリート構造物に埋め込まれた単曲圧電トランスデューサと直線圧電トランスデューサを、開回路電圧、発電、蓄電、損傷検出能力を評価することにより、エネルギーハーベスティングと構造の健全性モニタリングのために実験的に比較します。湾曲したトランスデューサは直線型トランスデューサを上回り、実際のアプリケーションでより優れたパフォーマンスを提供します。

要約

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

過去 20 年間で、圧電材料は構造健全性モニタリング (SHM) と環境発電に不可欠な部分になりました。これらの材料はさまざまな形状や構成で入手できますが、湾曲した構成の可能性はほとんど未開拓のままです。この記事では、エナジーハーベスティングおよびSHMアプリケーション用の鉄筋コンクリート(RC)構造に埋め込んだ場合の単一湾曲した薄型圧電トランスデューサの性能を、直線構成と比較して実験的に調査します。この研究には、(a)純粋な高調波励起下で生成される開回路電圧、(b)インピーダンス整合条件下で生成される電力、および(c)インピーダンス不整合条件による実際の不規則な振動下でのコンデンサへの電力貯蔵の可能性に基づいて、これらの構成を並べて比較することが含まれています。さらに、この記事では、電気機械インピーダンス (EMI) 技術を使用した湾曲ピエゾ トランスデューサの損傷検出機能を調査していますが、この分野は十分に調査されていません。

4つの実験の結果はすべて、湾曲したピエゾトランスデューサがSHMと環境発電の両方のアプリケーションで直線構成よりも優れていることを示しています。 したがって、これらの調査結果は、実際のRC構造物で湾曲圧電トランスデューサを効果的に利用し、環境発電と構造健全性モニタリングの両方を強化し、実際にRC構造物の経済的な維持と安全な運用につながるために極めて重要である。

概要

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

構造健全性モニタリング (SHM) は、建物、橋梁、ダムなどの構造物の安全性、耐久性、経済的な運用、および性能を確保することを目的とした重要な工学科学です。SHM は、さまざまなセンサー、データ収集システム、および高度なテクノロジーを利用して、応力、ひずみ、振動、変位、温度などのリアルタイム データを収集し、構造物のライフサイクル全体にわたって構造物の状態を定期的に分析します1。2.SHM は、損傷、磨耗、劣化、その他の異常の兆候を早期に検出することで、コスト効率の高いメンテナンスと構造物の安全な運用を可能にし、それによって構造物の寿命を延ばします。

圧電材料は、機械的振動/応力またはひずみに応答して、またはその逆に応答して表面全体に電位を発生させる独自の能力を備えたスマート材料のクラスです。圧電の直接効果と逆効果を図1に示します。このユニークな能力により、エンジニアリング、医療、およびSHM分野でセンサー、アクチュエーター、およびエネルギーハーベスターとして広く使用されています3,4,5,6,7,8。圧電材料には、石英(SiO2)、トパーズなどの天然結晶、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)などの圧電セラミックス、圧電ポリマー、基本的にはポリフッ化ビニリデン(PVDF)などがあります。Kaur and Bhalla(2015)は、同じセットの圧電トランスデューサ(PZTパッチ)をコンクリート構造物のSHMに利用し、センサーとして機能するために必要なエネルギーを収集できることを確立しました9。したがって、リアルタイムで収集された周囲エネルギーは、SHM10 のためにエネルギーを一時的にしか蓄えることができないため、多数のバッテリーの需要を排除します。

センサーおよびエナジーハーベスタとしての圧電材料の特性は、圧電材料が機械的ひずみを受けると反対側の表面に電位または電圧(V)が発生する直接圧電効果の現象(図1)に基づいています(S1)。これは、次の式で表されます。

figure-introduction-1(1)

ここで、 d31 は圧電ひずみ係数で、C / Nまたはm / Vで表されます。添え字「31」は、方向3に印加された電界が方向1にひずみを誘発することを示し、 hp は圧電材料の厚さをメートル単位で示し、 figure-introduction-2 はN / m2で測定された一定またはゼロ電界下での動的ヤング率を表し、figure-introduction-3は一定またはゼロの機械的応力下での動的誘電率です。 F/m3、11、12 で測定。

構造物の内部に埋め込まれた、または表面接着された圧電材料を利用して、記録されたひずみとインピーダンスの測定値に基づいて構造の異常を監視できます。これらの材料は、曲率モード形状を直接提供できるため、グローバルダイナミック手法13,14によく利用される。電気機械インピーダンス(EMI)技術の開発により、これらの材料は局所的な損傷検出における有効性も証明されています15,16。EMI 技術は、PZT トランスデューサの非破壊性、実装の容易さ、費用対効果の高さにより、SHM の分野で広く普及しています。この技術では、ホスト構造に取り付けられたPZTパッチは、インダクタンス-静電容量-抵抗(LCR)メーターまたはインピーダンスアナライザーを使用して、スイープモードで高周波(キロヘルツ[kHz]範囲)の高調波電位を印加して電気励起されます。

直接圧電効果の結果として、構造内に機械的振動が発生します。そして、逆圧電効果により、これらの機械的振動は圧電トランスデューサ17,18の電気機械的インピーダンスに影響を与えます。この電気機械的インピーダンスシグネチャは、励起信号と同じ周波数範囲で生成されます。次の式は、1次元モデルシステム19の電気機械式インピーダンスの逆数である電気機械式アドミタンスfigure-introduction-4を表します

figure-introduction-5(2)

ここで、ωはrad / s、figure-introduction-6、l、w、およびhはそれぞれPZTパッチの半分の長さ、幅、および厚さです。ZとZaは、それぞれ構造とPZTパッチの複素機械的インピーダンスを表し、κは波数です。これらのシグネチャは、構造が損なわれていない限り、安定して一貫したままです。ただし、損傷が発生すると、現在のシグネチャとベースラインシグネチャ(構造の健全な段階で獲得されたシグネチャ)との間に大きな変化が観察されます。インピーダンスシグネチャを分析することにより、損傷の存在、位置、および深刻度を早期に検出し、費用対効果の高い修正作業をタイムリーに実施することができ、構造の耐久性を向上させることができます20,21,22。

過去 20 年間にわたり、圧電材料のエネルギーハーベスティングの可能性を調べるために広範な研究が行われてきました。これらの材料は、チューブ、球体、ディスクなどのいくつかの構成で利用できますが、ほとんどの研究は、まっすぐな圧電パッチ、ストリップ、バーなどに基づいています23,24。したがって、ピエゾトランスデューサの他のさまざまな構成の可能性を探る必要があります。

PZTパッチは、過去20年間、SHMの分野で大きな存在感を確立してきました。ただし、コンクリート構造物に裸の PZT パッチを使用することは、建設中に劣化する可能性があるため推奨されません。したがって、Bhalla and Gupta (2007, 2022) は、主にコンクリート構造物25,26 の SHM 用のすぐに使用できるセンサーであるコンクリート振動センサー (CVS) のアイデアを思いつきました。CVS では、圧電トランスデューサ (PZT パッチ) が複合保護層で細心の注意を払って覆われているため、コンクリート構造物に設置する前に、実際に直接設置できるようになります。PZT パッチをカプセル化するコンクリート シリンダーのグレードは、PZT パッチを埋め込む必要があるコンクリート構造物のグレード以上でなければなりません。CVSは、ホスト構造とのひずみ適合性が非常に強く、曲率モード形状や共振周波数を容易に取得でき、表面接着PZTセンサと比較して過酷な条件にも耐えることができます。Kaur(2015)は、アイドル時間中にSHM作業に必要なエネルギーを生成することにより、SHMおよびエネルギーハーベスターとしてのCVSの使用を実験的に確立しました27。

CVSと同様に、コンクリート振動エナジーハーベスタ(CVEH)は、コンクリート構造物からのエナジーハーベスティング用にSSDLで開発されたすぐに使用できるセンサーです。しかし、CVSとは異なり、CVEHは湾曲したトランスデューサ28をカプセル化する。湾曲した形状の結果としてピエゾパッチ全体に生じる曲げ応力/ひずみの増加は、発生する電圧を上昇させ、その結果、発電量を上昇させます。ただし、ピエゾセラミックスは壊れやすいため、すべてのピエゾパッチを CVEH の製造に使用できるわけではありません。CVEH の製造に使用されるピエゾ素子は、d31 効果のみを生成するように慎重に選択する必要があります。d33 効果の存在は、ポーリング方向が曲率全体で垂直に変化し、探触子の効率を低下させる湾曲ピエゾ探触子における d31 の利点を打ち消します29。Singh(2017)は、米国航空宇宙局(NASA)が開発した非常に柔軟で高性能なピエゾバリアントであるd31 型マクロファイバーコンポジット(MFC)パッチを使用して、CVEHの製造に成功し、CVEHがCVSのほぼ2倍の開回路電圧生成能力を生み出すことを実験的に確認しました。しかし、湾曲した構成の優れた性能が示されているにもかかわらず、直線配置と比較して実際の設定での電力測定をカバーする体系的な計算および実験的研究は不足しています。さらに、SHMの湾曲配置の可能性を探る研究は行われていません。

湾曲圧電エネルギーハーベスティング材料 (CVEH) は、従来の平面または平面圧電エネルギーハーベスティング材料に比べていくつかの利点を提供すると期待されています。湾曲した圧電材料は、外力を受けたときの変形の性質により、圧電表面全体の応力/ひずみ分布が改善されます。これらの材料のひずみがより均一に分散されるため、エネルギー変換と発電の効率が向上し、非常に低い周波数範囲30、31、32、33での機能が可能になります。MFC(マクロファイバー複合材料)の性能は、柔軟性、信頼性、耐久性、損傷耐性、アクチュエータ効率の向上、指向性作動およびセンシング機能の観点から世界的に実証されています34,35,36,37。MFC ベースの CVS または CVEH は、適切な保護コーティングを施した後、コンクリートまたはモルタルのシリンダー内にパッチをカプセル化することによって製造されます。これらのトランスデューサが鋳造中に構造物に埋め込まれると、内部にCVS/CVEHが統合された構造全体が統合されたシステムとして機能します。構造が耐久性が維持されている限り、CVEH または CVS (構造健全性監視システム) も運用効率と寿命を維持します。したがって、MFCベースのCVSおよびCVEHシステムは、構造健全性モニタリングに優れた耐久性を提供します。

本研究の目的は、RC構造内に組み込まれた圧電トランスデューサ(それぞれCVEHとCVS)の曲線構成と直線構成を、環境発電とSHMの性能の観点から比較することです。この研究では、ピエゾトランスデューサの両端の開回路電圧、インピーダンス整合条件下での電力開発、および両方の構成のコンデンサへの電力貯蔵の可能性が調査されています。EMI技術を使用した湾曲型ピエゾ探触子のこれまで発見されていなかった損傷検出の可能性も、この研究で実験的に調査されています。

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プロトコル

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

注:このプロトコルは、インド工科大学デリー校のスマート構造およびダイナミクス研究所(SSDL)で実施されたプレゼンターのM.Tech.プロジェクトの簡単な説明です。詳細については、修士号論文11 および関連出版物12,13 から評価できます。

1. 実験: 材料、製造、セットアップ

  1. 料
    注: 圧電セラミックスは、その高い強度、剛性、結合係数により、SHM および環境発電の分野で重要な地位を確立しています。ただし、これらの材料は脆いため、曲面への使用が制限されます。その結果、米国航空宇宙局 (NASA) は、特に柔軟で高性能な圧電バージョン、つまり MFC を開発し、現在の研究の圧電トランスデューサとして選択されました。
    1. 厚さ300μm、ソールd31 効果を持つバリアントM5628-P2を使用してください。
  2. 製造とセットアップ
    1. 直径100mm、厚さ30mmのセメントモルタルシリンダーを2つ鋳造します。
    2. 鋳造中の中程度の深さ位置にあるモルタルシリンダーに直線および曲線のMFCピエゾトランスデューサーを包み込みます(図2A、B)。
    3. 鋳造中の劣化を避けるために、標準的なエポキシ接着剤の保護層を MFC パッチに塗布します。
    4. トランスデューサーを囲むモルタルシリンダー(図2C、D)を7日間硬化させます。
    5. グレード M30 の RC ビーム (1500 mm [L] × 300 mm [B] × 100 mm [D]) を鋳造します。
    6. 鋳造中に CVEH と CVS を梁の最上層圧縮補強材に結び付けて、中間スパンの位置に埋め込みます。 図 2E29 に示すように、上面が梁の上面と一致していることを確認します。RCビームとピエゾトランスデューサの特性を 表1に示します。
    7. ピエゾ トランスデューサの電気接続がプロセス全体を通じて安全に保たれていることを確認してください。
    8. RC梁を有効スパン1100mmの支持状態に置き、さまざまな実験を行います。

2. 純粋な高調波励起下でピエゾトランスデューサ両端に発生する開回路電圧の比較解析

注:このセクションでは、純粋な高調波励起下で直線および湾曲ピエゾトランスデューサによって生成される開回路電圧を比較します。

  1. 実験的なセットアップ
    1. 前の段落で述べたように、CVS と CVEH を中間スパンに埋め込んだ RC ビームをセットアップします。
    2. 高調波励起を誘導するためのポータブルシェーカーを、サポートから L/2 の距離に配置し、L はビームの有効スパンです。
    3. 電気信号を生成する関数発生器を設定します。
    4. ファンクションジェネレータによって生成され、シェーカーに送信される信号を増幅するためのパワーアンプをセットアップします(したがって、シェーカーとファンクションジェネレータに接続されています)
    5. オシロスコープをセットアップして、センサー間で生成される開回路電圧を測定します。ピエゾセンサーからの電線をオシロスコープの2つのチャンネルに接続します。
    6. 加速度を測定するために、gあたり100mVの感度で加速度をセットアップします。
    7. ICPアンプをセットアップして、加速度計からの測定値を記録します(したがって、加速度計とオシロスコープの3番目のチャネルに接続されています)。
      注:実験セットアップについては 、図3 を参照してください。
  2. 周波数領域解析の手順
    1. スイープモードでポータブルシェーカーを使用してRCビームを励起します。入力はファンクションジェネレータに与えられます:10Hzから100Hzまでの動的スイープ励起を2.5秒間。
    2. ピエゾセンサーと加速度計から受信した応答の周波数領域解析を実行して、ビームの固有振動数を決定します。周波数領域解析38,39,40の詳細な手順については、以前に公開された記事を参照してください。
  3. 開回路電圧比較の手順
    1. シェーカーを使用して、25 Hzから85 Hzまでの異なる周波数でビームを励起します。ステップ間隔を15Hzにします。すべての周波数のCVSおよびCVEHからの応答を記録します。
    2. シェーカーの位置をサポートからL / 3およびL / 6の距離にずらし、シェーカーの位置ごとに上記の手順(ステップ2.3.1)を繰り返します。
    3. それぞれのケースで CVS と CVEH の応答をグラフィカルまたは分析的に比較します。

3. ピエゾトランスデューサで発電した電力の比較解析

注: このセクションでは、ピエゾ トランスデューサによって生成される電力を、良好なインピーダンス整合条件で比較します。

  1. 実験的なセットアップ
    1. ステップ 2.1.1 で説明したように、CVS と CVEH を内部に埋め込んだ RC ビームを中間スパンにセットします。
      注:実験セットアップについては 、図4A を参照してください。
    2. 偏心回転式シェーカーを最も近いサポートからL / 4の距離に配置します
    3. スピードコントローラーをセットアップし、シェーカーに接続します。
    4. オシロスコープをセットアップします。CVSとCVEHをオシロスコープの2つのチャンネルに接続します。
    5. ビームの中間スパンに感度100mV/gの加速度計を配置します。ICPアンプに接続します。
    6. 加速度計からの測定値を記録するために ICP アンプをセットアップします。
    7. 図4Bに示すように、電力測定用のピエゾトランスデューサに追加の回路を接続します。この回路は、ピエゾセンサーに直列に接続された2つの抵抗器、R1とR2(R1 = 335kΩおよびR2 = 340kΩ)で構成されています。
      注意: 選択した抵抗器のインピーダンスは、ピエゾセンサーのインピーダンス(ソースインピーダンス)と同様の範囲にある必要があります。インピーダンスの大幅な不整合は、過度の熱放散、大幅な電力損失、さらには回路の故障につながる可能性があります。センサーのインピーダンスは、LCRメーターを使用してさまざまな周波数で測定できます。現在のCVSとCVEHの場合、20Hzから80Hz(ステップ間隔=5Hz)までのさまざまな周波数の平均インピーダンスは、それぞれ32kΩと35kΩです。
    8. デジタルマルチメーターをセットアップし、抵抗R1 に接続して、回路の出力電圧(V2)を測定します。
    9. ラップトップをデジタルマルチメーターに接続してデータ収集します。
  2. プロシージャ
    1. シェーカーを始動し、RCビームに振動を誘導します。スピードコントローラーを使用してシェーカーの加速度を調整します。
    2. 各センサーのマルチメーターを使用して出力電圧(V2)を記録します。
    3. シェーカーを2回以上加速度で行い、上記の手順を繰り返します。
      注:研究で採用されたピーク加速度は、15.19 m / s2、17.39 m / s2、および21.68 m / s2でした。
    4. 以下の式を使用して、シェーカーの加速度ごとに両方のセンサーによって生成される電力 (P) を計算します。
      figure-protocol-1
      figure-protocol-2
      ここで、i は回路を流れる電流です。

4. ピエゾトランスデューサの蓄電の可能性

注:このセクションでは、一般的な電界(インピーダンスの不整合)条件での実際の不規則な振動下でのピエゾトランスデューサの電力貯蔵またはエネルギーハーベスティングの可能性を分析することに焦点を当てています。1000μFのコンデンサを使用して、ピエゾトランスデューサによって生成されたエネルギーを収集しました。

  1. 実験的なセットアップ
    1. 3.1項の説明に従って、電力測定回路を除き、実験装置をセットアップします。
    2. 電力測定回路を単純なフルブリッジ整流回路に交換します。実験セットアップについては、 図4C、D を参照してください。
      注:単純なフルブリッジ整流回路の目的:ピエゾトランスデューサによって生成される出力電圧は交流(AC)モードであり、定期的に方向を反転させるため、保存できません。したがって、単純なフルブリッジ整流回路を利用して、AC 信号を安定した電源である直流 (DC) モードに変換し、コンデンサまたはバッテリーに蓄えることができます。この回路は、D1〜D4とラベル付けされた4つのショットキー型ダイオードで構成され、順方向バイアス電圧が低く(0.1Vの範囲)41。ダイオードは直列ペアで配置され、各半サイクル中に機能するダイオードは 2 つだけです。正の半サイクルでは、D1とD4の2つのダイオードが直列に導通し、負の半サイクル中にダイオードD2とD3がオフ(逆バイアス)になり、その逆も同様です。したがって、フルブリッジ整流回路は、安定した受動回路システムを保証します42。
  2. プロシージャ
    1. シェーカーを始動し、RCビームに振動を誘導します。スピードコントローラーを使用してシェーカーの加速度を調整します。
    2. 両方のセンサーのマルチメーターを使用して、整流回路の出力電圧 (Vc) を記録します。
    3. 以下の式を使用して、両方のセンサーによってコンデンサに保存された総エネルギー ET と平均電力 P平均を計算します。
      figure-protocol-3
      figure-protocol-4
      ここで、Cは静電容量(1000μF)、Tcはコンデンサの合計充電時間です。
    4. さまざまな加速について上記の手順を繰り返します。

5. 損傷検出電位に基づくSHMへのピエゾトランスデューサの適合性

注:このセクションでは、EMI技術を使用して損傷検出の可能性を評価することにより、SHMに対する圧電トランスデューサの適合性を評価します。

  1. 実験的なセットアップ:
    1. 前のセクションで説明したのと同じ RC 梁を配置します。
    2. LCRメーターをセットアップして電気的アドミタンスシグネチャを測定し、ピエゾトランスデューサに接続します。
    3. また、ラップトップをLCRメーターに接続します。
    4. 実験中、室温を均一にするために、デジタル温度計を配置します。
      注:実験セットアップについては 、図5A を参照してください。
  2. プロシージャ
    1. LCRメーターを使用して、トランスデューサ全体に高調波電位を印加し、スイープモードで高周波でエキサイティングします。
      ケース1:粗い周波数範囲:1kHz〜1000kHz、ステップ間隔1kHz
      ケース2:より微細な周波数範囲:100kHz〜300kHz、ステップ間隔100Hz
    2. どちらの場合も、LCRメーターとラップトップを使用してトランスデューサによって生成されたアドミタンスシグネチャを取得します。構造の正常な段階でのこれらのシグネチャは、ベースラインシグネチャと呼ばれます。
    3. 手順をもう一度繰り返して、それぞれのケースのシグネチャ間の相関関係を確認します。
    4. 穴を開けてビームにダメージを誘発し、ステップ5.2.1と5.2.2を繰り返してステージ1ダメージ時のシグネチャを得る。
    5. より多くの穴を開けてより多くのダメージを誘発し、手順 5.2.1 と 5.2.2 を繰り返して、ダメージの各段階でシグネチャを取得します。 図5Bに示すように、現在の研究では3つの損傷が誘発されています。
    6. 正常なステージと損傷したステージのシグネチャの間の二乗平均平方根偏差(RMSD)値を比較することにより、シグネチャを視覚的および数値的に比較および分析します。
    7. RMSDは、12,13以下の式を使用して計算できます。
      figure-protocol-5
      ここで、 n はサンプル サイズ、 xdi と xhi は、それぞれ損傷段階と健康段階のシグネチャの i番目の 値です。

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結果

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

純粋な高調波励起下でピエゾ変換器両端に発生する開回路電圧の比較解析
ピエゾトランスデューサと加速度計の時間領域応答を 図6A、Bに示します。時間領域信号から、高速フーリエ変換(FFT)法を使用して周波数領域応答が導き出され、その応答を 図6C、Dに示します。これにより、ミッドスパンにポータブルシェーカーを備えたビームの固有振動数は、センサーのこれらの周波数領域応答を使用して55Hzとして決定されます。

CVSとCVEHによって生成される開回路電圧は、さまざまな加振器の位置と周波数について比較されます。ほとんどの場合、CVEH(湾曲型トランスデューサ)はCVS(ストレート型トランスデューサ)よりも高い電圧を生成することが観察されています。これらのトランスデューサの典型的な応答を

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ディスカッション

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

提示されたプロトコルの重要なステップには、ビームシェーカシステムの固有振動数を正確に決定することが含まれます。圧電トランスデューサの環境発電と構造健全性モニタリング (SHM) 機能の両方がシステムの動的動作に大きく依存するため、このステップは不可欠です。スイープ励起の使用により、ビームシェーカーシステムの共振周波数の識別が容易になりました。この手順では、CVEH、CVS、および加速度計の周波数領域応答が同時に記録されました。3つのセンサーはすべて、55Hzで一貫してピーク振幅を示し、この値をシステムの固有振動数として明確に確立しました。この収束により、セットアップの構造的挙動が確認されただけでなく、圧電センサーの機械的完全性と感度も検証されました。この結果は、センサーが適切に機能していることを確認しただけでなく、その後の比較実験のための強固な基盤を確立しました。圧電トランスデューサの位置ずれや不適切な接着により、ひずみ伝達効率が変化し、電圧出力と損傷検出信号の完全性に影響を与える可能性があります。したがって、実験の信頼性と再現性を確保するためには、トランスデューサの慎...

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開示事項

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

この記事は、著者の以前に出版された作品11、12、13から改作されたもので、教育目的のみを目的としており、特にビデオ形式による知識と科学芸術の普及を促進することを目的としています。図1から12は、エルゼビアの許可を得て複製しています。

謝辞

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

この研究は、インド工科大学 (IIT) デリー校と科学技術省 [DST/INSPIRE/04/2015/000545] によって財政的に支援されました。著者らは、ジャーナルのビデオを作成するためにサミール・ハサン氏とパワン氏が提供した支援に大いに感謝します。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
加速度計PCB圧電トロニクス352C34
骨材 - 10 mm該当なし該当なし
骨材 - 20 mm該当なし該当なし
コンデンサ(1000 & mu;F) 該当なし該当なし
セメント該当なし該当なし
デジタルマルチメーター アジレント・テクノロジーズ34411A
デジタル体温計 ラクロス・テクノロジー WS-9006U 
エポキシ該当なし該当なし
関数生成器 アジレント・テクノロジーズ33210A
ICPアンプ PCB圧電トロニクス482Cシリーズ
LCRメーターアジレント・テクノロジーズE4980A
マクロファイバー複合材(MFC) スマートマテリアルM5628-P2
オシロスコープテクトロニクスTDS 2004B
ポータブルシェーカー LDSによる末日教会V406
パワーアンプ LDSによる末日教会PA500L
抵抗器該当なし該当なし
ロータリータイプのシェーカー クロムプトン・グリーブス XKF5577現在は利用できません
砂該当なし該当なし
ショットキー型ダイオード ダイオード社BAT1000
ワイヤ該当なし該当なし

参考文献

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

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