방법 논문

에너지 수확 및 구조적 상태 모니터링을 위한 단일 곡선 얇은 압전 변환기의 잠재력 조사

DOI:

10.3791/68141

⸱

2025년 11월 14일

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

이 논문에서

요약

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

여기에서는 개방 회로 전압, 발전, 전력 저장 및 손상 감지 기능을 평가하여 에너지 수확 및 구조 상태 모니터링을 위해 철근 콘크리트 구조물에 내장된 단일 곡선 및 직선 압전 변환기를 실험적으로 비교합니다. 곡선형 변환기는 직선 변환기를 능가하여 실제 응용 분야에 더 나은 성능을 제공합니다.

초록

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

지난 20년 동안 압전 재료는 구조 상태 모니터링(SHM) 및 에너지 하베스팅의 필수적인 부분이 되었습니다. 이러한 재료는 다양한 형태와 구성으로 제공되지만 곡선 구성의 잠재력은 아직 개발되지 않은 상태로 남아 있습니다. 이 기사에서는 에너지 하베스팅 및 SHM 애플리케이션을 위해 철근 콘크리트(RC) 구조물에 내장되었을 때 직선 구성과 비교하여 단일 곡선 얇은 압전 변환기의 성능을 실험적으로 살펴봅니다. 이 연구에는 (a) 순수 고조파 여기 하에서 생성된 개방 회로 전압, (b) 임피던스 매칭 조건에서 생성된 전력, (c) 임피던스 불일치 조건이 있는 실제 불규칙한 진동 하에서 커패시터에 전력 저장 가능성을 기반으로 이러한 구성을 나란히 비교하는 것이 포함됩니다. 또한 이 기사에서는 철저하게 탐구되지 않은 영역인 전기 기계 임피던스(EMI) 기술을 사용하여 곡선형 압전 변환기의 손상 감지 기능을 조사합니다.

네 가지 실험 결과 모두 곡선형 피에조 변환기가 SHM 및 에너지 하베스팅 응용 분야 모두에서 직선 구성보다 성능이 뛰어나다는 것을 보여줍니다. 따라서 이러한 조사 결과는 실제 RC 구조에서 곡선형 압전 변환기를 효과적으로 활용하여 에너지 수확 및 구조 상태 모니터링을 모두 향상시켜 실제로 RC 구조의 경제적 유지 관리와 안전한 운영으로 이어지는 데 중요합니다.

서론

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

구조 상태 모니터링(SHM)은 건물, 교량, 댐 등과 같은 구조물의 안전성, 내구성, 경제적인 운영 및 성능을 보장하는 것을 목표로 하는 중요한 공학 과학입니다. SHM은 다양한 센서, 데이터 수집 시스템 및 첨단 기술을 활용하여 응력, 변형, 진동, 변위, 온도 등과 같은 실시간 데이터를 수집하여 수명 주기 전반에 걸쳐 구조물의 상태를 주기적으로 분석합니다1, 2. SHM은 손상, 마모, 성능 저하 또는 기타 이상 징후를 초기 단계에서 감지함으로써 구조물의 비용 효율적인 유지 관리와 안전한 작동을 가능하게 하여 수명을 연장합니다.

압전 재료는 기계적 진동/응력 또는 변형에 반응하여 표면 전체에 전위를 발생시키거나 그 반대의 경우도 마찬가지인 고유한 능력을 가진 스마트 재료의 한 종류입니다. 압전의 직접적인 효과와 반대의 효과는 그림 1에 설명되어 있습니다. 이러한 고유한 능력으로 인해 엔지니어링, 의료 및 SHM 분야에서 센서, 액추에이터 및 에너지 하베스터로 널리 사용됩니다 3,4,5,6,7,8. 다양한 유형의 압전 재료에는 석영(SiO2), 토파즈 등과 같은 천연 결정, 지르콘산 티탄산납(PZT)과 같은 압전 세라믹, 압전 폴리머, 기본적으로 폴리불화비닐리덴(PVDF) 등이 포함됩니다. Kaur와 Bhalla(2015)는 동일한 압전 변환기 세트(PZT 패치)를 콘크리트 구조물의 SHM과 센서9로 작동하는 데 필요한 에너지를 수확하는 데 활용할 수 있음을 확립했습니다. 따라서 실시간으로 수확되는 주변 에너지는 SHM10의 경우 에너지를 일시적으로만 저장하면 되므로 수많은 배터리에 대한 수요가 제거됩니다.

센서 및 에너지 하베스터로서 압전 재료의 특성은 압전 재료가 기계적 변형을 받을 때 반대쪽 표면에 걸쳐 전위 또는 전압(V)을 발생시키는 직접 압전 효과 현상(그림 1)을 기반으로 합니다(S1). 이것은 방정식으로 표시됩니다.

figure-introduction-1(1)

여기서 d31은 C/N 또는 m/V로 표시되는 압전 변형률 계수입니다. 아래 첨자 "31"은 방향 3에 인가된 전기장이 방향 1의 변형을 유도한다는 것을 나타내고, hp는 압전 재료의 두께를 미터 단위로 나타내고, figure-introduction-2 N/m2로 측정된 일정하거나 제로 전기장 하에서의 동적 영률을 나타내며figure-introduction-3, 일정하거나 제로 기계적 응력 하에서 동적 유전율을 나타내며, F/m 3,11,12로 측정됩니다.

구조물 내부에 내장되거나 표면 결합된 압전 재료를 사용하여 구조물이 기록한 변형률 및 임피던스 측정을 기반으로 구조의 이상 현상을 모니터링할 수 있습니다. 이러한 재료는 곡률 모드 모양을 직접 제공할 수 있으므로 전역 동적 기술(13,14)에 자주 활용됩니다. 전기 기계 임피던스(EMI) 기술의 개발로 이러한 재료는 국부적인 손상 감지에서도 효과가 입증되었습니다15,16. EMI 기술은 PZT 변환기의 비파괴 특성, 구현 용이성 및 비용 효율성으로 인해 SHM 분야에서 널리 인기를 얻었습니다. 이 기술에서 호스트 구조에 설치된 PZT 패치는 인덕턴스-커패시턴스-저항(LCR) 미터 또는 임피던스 분석기를 사용하여 스윕 모드에서 고주파(킬로헤르츠[kHz] 범위)에서 고조파 전위를 적용하여 전기적으로 여기됩니다.

직접적인 압전 효과의 결과로 구조물에 기계적 진동이 발생합니다. 그리고 역압전 효과로 인해 이러한 기계적 진동은 압전 변환기(17,18)의 전기 기계적 임피던스에 영향을 미칩니다. 이 전기 기계 임피던스 시그니처는 여기 신호와 동일한 주파수 범위에서 생성됩니다. 다음 방정식은 1차원 모델 시스템(19)에 대한 전기 기계 어드미턴스figure-introduction-4(전기 기계 임피던스의 역수)를 나타냅니다

figure-introduction-5(2)

여기서 ω은 rad/s의 각주파수이고, figure-introduction-6, l, w 및 h는 각각 PZT 패치의 절반 길이, 너비 및 두께입니다. Z와 Za는 각각 구조와 PZT 패치의 복잡한 기계적 임피던스를 나타내고 κ는 파수입니다. 이러한 서명은 구조가 손상되지 않는 한 안정적이고 일관되게 유지됩니다. 그러나 손상이 발생하면 현재 서명과 기준선 서명(구조의 건강한 단계에서 획득한 서명) 사이에 상당한 변화가 관찰됩니다. 임피던스 시그니처를 분석함으로써 초기 단계에서 손상의 존재, 위치 및 심각도를 감지하고 비용 효율적인 수정 작업을 적시에 구현하여 구조물의 내구성을 향상시킬 수 있습니다(20,21,22).

지난 20년 동안 압전 재료의 에너지 수확 잠재력을 조사하기 위한 광범위한 연구가 수행되었습니다. 이러한 재료는 튜브, 구, 디스크 등과 같은 여러 구성으로 제공되지만 대부분의 연구는 직선 압전 패치, 스트립, 막대 등을 기반으로 합니다.23,24. 따라서 피에조 변환기의 다양한 다른 구성의 잠재력을 탐구해야 합니다.

PZT 패치는 지난 20년 동안 SHM 분야에서 중요한 입지를 구축했습니다. 그러나 콘크리트 구조물에 베어 PZT 패치를 사용하는 것은 시공 중에 열화될 수 있으므로 권장되지 않습니다. 따라서 Bhalla와 Gupta(2007, 2022)는 IIT 델리의 스마트 구조 및 역학 연구소(SSDL)에서 개발된 콘크리트 구조물25,26의 SHM을 위해 주로 즉시 사용할 수 있는 센서인 콘크리트 진동 센서(CVS)에 대한 아이디어를 내놓았습니다. CVS에서 압전 변환기(PZT 패치)는 복합 보호층으로 꼼꼼하게 덮여 있어 콘크리트 구조물에 설치하기 전에 실제 생활에서 직접 설치할 수 있도록 준비되었습니다. PZT 패치를 캡슐화하는 콘크리트 실린더의 등급은 내장해야 하는 콘크리트 구조물의 등급과 같거나 높아야 합니다. CVS는 호스트 구조와 매우 강력한 변형 호환성을 가지며 곡률 모드 모양과 공진 주파수를 쉽게 얻을 수 있으며 표면 결합 PZT 센서에 비해 극한 조건을 견딜 수 있습니다. Kaur(2015)는 유휴 시간 동안 SHM 작업에 필요한 에너지를 생성하여 SHM과 에너지 하베스터로 CVS를 실험적으로 사용한다는 것을 확립했습니다27.

CVS와 유사하게 콘크리트 진동 에너지 하베스터(CVEH)는 콘크리트 구조물에서 에너지 하베스팅을 위해 SSDL로 개발된 즉시 사용 가능한 센서입니다. 그러나, CVS와는 달리, CVEH는 곡선 변환기(28)를 캡슐화한다. 곡선 모양의 결과로 피에조 패치 전체에 생성되는 증가된 절곡 응력/변형은 발생하는 전압을 증가시켜 결과적으로 발전량을 증가시킵니다. 그러나 압전 세라믹의 깨지기 쉬운 특성으로 인해 모든 압전 패치를 CVEH를 제조하는 데 사용할 수 있는 것은 아닙니다. CVEH 제조에 사용되는 피에조 소자는 d31 효과만 생성하도록 신중하게 선택되어야 합니다. d33 효과의 존재는 폴링 방향이 곡률 전체에 걸쳐 수직으로 변하여 변환기의 효율을 낮추는 곡선 압전 변환기에서 d31 의 이점을 상쇄합니다29. Singh(2017)은 미국 항공우주국(NASA)에서 개발한 매우 유연하고 고성능 피에조 변형인 d31 형 매크로 섬유 복합재(MFC) 패치를 사용하여 CVEH를 성공적으로 제작했으며 CVEH가 CVS보다 거의 두 배의 개방 회로 전압 생성 능력을 생성한다는 것을 실험적으로 확인했습니다. 그러나 곡선 구성의 우수한 성능에 대한 징후에도 불구하고 직선 배열과 비교하여 실제 설정에서의 전력 측정을 다루는 체계적인 계산 및 실험 조사가 부족합니다. 또한 SHM에 대한 곡선 배열의 가능성을 탐구하는 연구는 수행되지 않았습니다.

곡선형 압전 에너지 하베스팅 재료(CVEH)는 기존의 평면 또는 평면 압전 에너지 하베스팅 재료에 비해 여러 가지 장점을 제공할 것으로 예상됩니다. 곡선형 압전 재료는 외력을 받을 때 변형되는 특성으로 인해 압전 표면 전체에 걸쳐 향상된 응력/변형률 분포를 나타냅니다. 이러한 재료의 변형률이 보다 고르게 퍼짐에 따라 에너지 변환 및 발전의 효율이 향상되고 매우 낮은 주파수 범위30,31,32,33에서 작동할 수 있습니다. MFC(Macro-Fiber Composites)의 성능은 유연성, 신뢰성, 내구성, 손상 내성, 향상된 액추에이터 효율성, 방향성 작동 및 감지 기능 측면에서 전 세계적으로 입증되었습니다 34,35,36,37. MFC 기반 CVS 또는 CVEH는 적절한 보호 코팅을 적용한 후 콘크리트 또는 모르타르 실린더 내에 패치를 캡슐화하여 제작됩니다. 이러한 변환기가 주조 중에 구조물에 내장되면 내부에 CVS/CVEH가 통합된 전체 구조가 통합 시스템으로 작동합니다. 구조가 내구성이 유지되는 한 CVEH 또는 CVS(구조 상태 모니터링 시스템)도 운영 효율성과 수명을 유지합니다. 따라서 MFC 기반 CVS 및 CVEH 시스템은 구조 상태 모니터링을 위한 탁월한 내구성을 제공합니다.

본 연구의 목적은 에너지 하베스팅 및 SHM을 위한 성능 측면에서 RC 구조 내부에 통합된 압전 변환기(각각 CVEH 및 CVS)의 곡선 및 직선 구성을 비교하는 것입니다. 이 연구에서는 피에조 변환기의 개방 회로 전압, 임피던스 정합 조건에서의 전력 개발, 두 구성의 커패시터에 대한 전력 저장 가능성을 조사합니다. EMI 기술을 사용하는 곡선형 압전 변환기의 지금까지 발견되지 않은 손상 감지 가능성도 이 작업에서 실험적으로 조사되었습니다.

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프로토콜

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

참고: 이 프로토콜은 발표자의 M. Tech에 대한 간략한 설명입니다. 인도 공과대학 델리의 SSDL(Smart Structures and Dynamics Laboratory)에서 수행된 프로젝트. 자세한 내용은 M. Tech. 논문11 및 관련 간행물12,13에서 평가할 수 있습니다.

1. 실험: 재료, 제작 및 설정

  1. 자료
    참고: 압전 세라믹은 높은 강도, 강성 및 결합 계수로 인해 SHM 및 에너지 수확 분야에서 탁월한 위치를 확립했습니다. 그러나 이러한 재료의 취성으로 인해 곡면으로의 사용이 제한됩니다. 결과적으로 미국 항공우주국(NASA)은 특히 유연하고 고성능 압전 버전인 MFC를 개발하여 현재 연구의 압전 변환기로 선택되었습니다.
    1. 두께가 300μm이고 밑창d 31 효과가 있는 변형 M5628-P2를 사용하십시오.
  2. 제작 및 설정
    1. 직경 100mm, 두께 30mm의 시멘트 모르타르 실린더 2개를 주조합니다.
    2. 주조 중 중간 깊이 위치의 모르타르 실린더에 직선 및 곡선 MFC 피에조 변환기를 감싸십시오(그림 2A, B).
    3. 주조 중 성능 저하를 방지하기 위해 MFC 패치에 표준 에폭시 접착제 보호층을 적용하십시오.
    4. 변환기를 둘러싸고 있는 모르타르 실린더(그림 2C, D)를 7일 동안 경화시킵니다.
    5. M30 등급의 RC 빔(1500mm[L] × 300mm[B] × 100mm[D])을 주조합니다.
    6. 주조하는 동안 CVEH와 CVS를 빔의 최상층 압축 보강재에 묶어 중간 스팬 위치에 내장합니다. 그림 2E 29와 같이 상단 표면이 빔의 표면과 일치하는지 확인하십시오. RC 빔과 압전 변환기의 특성은 표 1에 나열되어 있습니다.
    7. 전체 프로세스 동안 압전 변환기의 전기 연결이 안전하게 유지되는지 확인하십시오.
    8. 다양한 실험을 수행하기 위해 유효 스팬이 1100mm인 지지 상태에 RC 빔을 배치합니다.

2. 순수 고조파 여기 하에서 압전 변환기에서 생성된 개방 회로 전압의 비교 분석

알림: 이 섹션에서는 순수 고조파 여기 하에서 직선 및 곡선 압전 변환기에 의해 생성된 개방 회로 전압을 비교합니다.

  1. 실험 설정
    1. 이전 단락에서 언급한 것처럼 중간 스팬에 CVS 및 CVEH가 내부에 내장된 RC 빔을 설정합니다.
    2. 고조파 여기를 유도하기 위한 휴대용 셰이커를 지지대에서 L/2 거리에 배치합니다(여기서 L은 빔의 유효 범위입니다).
    3. 전기 신호를 생성하도록 함수 발생기를 설정합니다.
    4. 함수 발생기에서 생성되어 셰이커로 전송되는 신호를 증폭하기 위한 전력 증폭기를 설정합니다(따라서 셰이커 및 함수 발생기에 연결됨).
    5. 센서 전체에서 생성된 개방 회로 전압을 측정하기 위해 오실로스코프를 설정합니다. 피에조 센서의 전선을 오실로스코프의 두 채널에 연결합니다.
    6. 가속도를 측정하기 위해 가속도를 측정하기 위해 쉐이커에 더 가까운 빔에 배치된 g당 100mV의 감도를 가진 가속도계를 설정합니다. 여기서 g는 중력으로 인한 가속도를 나타냅니다.
    7. ICP 증폭기를 설정하여 가속도계의 측정값을 기록합니다(따라서 가속도계 및 오실로스코프의 세 번째 채널에 연결됨).
      참고: 실험 설정은 그림 3 을 참조하십시오.
  2. 주파수 영역 분석 절차
    1. 스윕 모드에서 휴대용 셰이커를 사용하여 RC 빔을 여기시킵니다. 입력은 함수 발생기에 제공되어야 합니다: 10초 동안 100Hz에서 2.5Hz까지 동적 스윕 여기.
    2. 피에조 센서와 가속도계에서 수신된 응답의 주파수 영역 분석을 수행하여 빔의 고유 주파수를 결정합니다. 주파수 영역 분석 38,39,40에 대한 자세한 절차는 이전에 게시된 기사를 참조하십시오.
  3. 개방 회로 전압 비교 절차
    1. 셰이커를 사용하여 25Hz에서 85Hz까지의 서로 다른 주파수에서 빔을 여기시킵니다. 15Hz의 스텝 간격을 채택합니다. 모든 주파수에 대한 CVS 및 CVEH의 응답을 기록합니다.
    2. 셰이커의 위치를 지지대에서 L/3 및 L/6 거리로 이동하고 각 셰이커 위치에 대해 위의 단계(2.3.1단계)를 반복합니다.
    3. 각 경우에 CVS와 CVEH의 응답을 그래픽 또는 분석적으로 비교합니다.

3. 피에조 변환기에서 생성된 전력의 비교 분석

알림: 이 섹션에서는 유리한 임피던스 매칭 조건에 대해 압전 변환기에서 생성된 전력을 비교합니다.

  1. 실험 설정
    1. 2.1.1단계에서 언급한 대로 중간 스팬에 CVS 및 CVEH가 내부에 내장된 RC 빔을 설정합니다.
      참고: 실험 설정은 그림 4A 를 참조하십시오.
    2. 편심 회전식 셰이커를 가장 가까운 지지대에서 L/4 거리에 놓습니다.
    3. 속도 컨트롤러를 설정하고 셰이커에 연결합니다.
    4. 오실로스코프를 설정합니다. CVS와 CVEH를 오실로스코프의 두 채널에 연결합니다.
    5. 빔의 중간 스팬에 g당 100mV의 감도를 가진 가속도계를 배치합니다. ICP 증폭기에 연결하십시오.
    6. ICP 증폭기를 설정하여 가속도계의 측정값을 기록합니다.
    7. 그림 4B와 같이 전력 측정을 위해 추가 회로를 피에조 변환기에 연결합니다. 회로는 피에조 센서에 직렬로 연결된 두 개의 저항 R1 및 R2(R1 = 335kΩ 및 R2 = 340kΩ)로 구성됩니다.
      알림: 선택한 저항의 임피던스는 압전 센서의 임피던스(소스 임피던스)와 유사한 범위에 있어야 합니다. 임피던스 불일치가 심하면 과도한 열 방출, 상당한 전력 손실, 심지어 회로 고장이 발생할 수 있습니다. 센서의 임피던스는 LCR 미터를 사용하여 다양한 주파수에 대해 측정할 수 있습니다. 현재 CVS 및 CVEH의 경우 20Hz에서 80Hz(스텝 간격 = 5Hz) 범위의 다양한 주파수에 대한 평균 임피던스는 각각 32kΩ 및 35kΩ입니다.
    8. 디지털 멀티미터를 설정하고 저항 R1 에 연결하여 회로의 출력 전압(V2)을 측정합니다.
    9. 데이터 수집을 위해 노트북을 디지털 멀티미터에 연결합니다.
  2. 절차
    1. 셰이커를 시작하고 RC 빔에 진동을 유도합니다. 속도 컨트롤러를 사용하여 셰이커의 가속도를 조정합니다.
    2. 출력 볼륨tage(V2) 각 센서의 멀티미터를 사용합니다.
    3. 셰이커를 두 번 이상 가속할 때 위의 단계를 반복합니다.
      참고: 연구에서 채택된 피크 가속도는 15.19m/s2, 17.39m/s2 및 21.68m/s2였습니다.
    4. 아래12,27에 주어진 공식을 사용하여 셰이커의 각 가속도에 대해 두 센서에서 생성된 전력(P)을 계산합니다.
      figure-protocol-1
      figure-protocol-2
      여기서 i는 회로를 통해 흐르는 전류입니다.

4. 압전 변환기의 전력 저장 잠재력

알림: 이 섹션에서는 일반적인 필드(임피던스 불일치) 조건의 실제 불규칙한 진동에서 피에조 변환기의 전력 저장 또는 에너지 수확 가능성을 분석하는 데 중점을 둡니다. 1000μF 커패시터를 사용하여 피에조 변환기에서 생성된 에너지를 수확했습니다.

  1. 실험 설정
    1. 전력 측정 회로를 제외하고 섹션 3.1에 설명된 대로 실험 장치를 설정합니다.
    2. 전력 측정 회로를 간단한 풀 브리지 정류기 회로로 교체하십시오. 실험 설정은 그림 4C, D 를 참조하십시오.
      알림: 간단한 풀 브리지 정류기 회로의 목적: 출력 볼륨tage 피에조 변환기에 의해 생성된 것은 주기적으로 방향을 바꾸기 때문에 저장할 수 없는 교류(AC) 모드입니다. 따라서 간단한 풀 브리지 정류기 회로를 활용하여 AC 신호를 안정적인 전원 공급 장치인 직류(DC) 모드로 변환하고 커패시터 또는 배터리에 저장할 수 있습니다. 이 회로는 D1에서 D4로 표시된 4개의 쇼트키 유형 다이오드로 구성되며 순방향 바이어스 전압이 더 낮습니다(0.1V 범위)41. 다이오드는 직렬 쌍으로 배열되며 각 반주기 동안 두 개의 다이오드만 작동합니다. 양의 반주기에서 두 개의 다이오드 D1과 D4는 직렬로 전도되며 다이오드 D2와 D3은 음의 반주기 동안 꺼지고(역 바이어스) 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 따라서 풀 브리지 정류기 회로는 안정적이고 수동적인 회로 시스템(42)을 보장합니다.
  2. 절차
    1. 셰이커를 시작하고 RC 빔에 진동을 유도합니다. 속도 컨트롤러를 사용하여 셰이커의 가속도를 조정합니다.
    2. 두 센서에 대한 멀티미터를 사용하여 정류기 회로의 출력 전압(VC)을 기록합니다.
    3. 아래 12,13에 주어진 방정식을 사용하여 두 센서에 의해 커패시터에 저장된 총에너지 ET 및 평균 전력 P평균을 계산합니다.
      figure-protocol-3
      figure-protocol-4
      여기서 C 는 커패시턴스(1000μF)이고 Tc 는 커패시터의 총 충전 시간입니다.
    4. 다양한 가속에 대해 위의 단계를 반복합니다.

5. 손상 감지 전위에 기반한 SHM용 피에조 변환기의 적합성

참고: 이 섹션에서는 EMI 기술을 사용하여 손상 감지 가능성을 평가하여 SHM에 대한 압전 변환기의 적합성을 평가합니다.

  1. 실험 설정:
    1. 이전 섹션에서 언급한 것과 동일한 RC 빔을 배치합니다.
    2. LCR 미터를 설정하여 전기 어드미턴스 서명을 측정하고 이를 피에조 변환기와 연결합니다.
    3. 또한 노트북을 LCR 미터에 연결하십시오.
    4. 실험 내내 균일한 실내 온도를 보장하기 위해 디지털 온도계를 배치하십시오.
      참고: 실험 설정은 그림 5A 를 참조하십시오.
  2. 절차
    1. LCR 미터를 사용하여 변환기에 고조파 전위를 적용하여 스윕 모드에서 고주파로 여기시킵니다.
      사례 1: 더 거친 주파수 범위: 1kHz - 1000kHz, 1kHz의 스텝 간격
      사례 2: 더 미세한 주파수 범위: 100kHz에서 300kHz, 100Hz의 스텝 간격
    2. 두 경우 모두 LCR 미터와 노트북을 사용하여 변환기에 의해 생성된 어드미턴스 서명을 획득합니다. 구조의 정상 단계 동안의 이러한 서명을 기준선 서명이라고 합니다.
    3. 단계를 다시 반복하여 각 경우에 서명 간의 상관 관계를 확인합니다.
    4. 구멍을 뚫어 빔에 손상을 유도하고 5.2.1 및 5.2.2단계를 반복하여 1단계 손상 중에 서명을 얻습니다.
    5. 더 많은 구멍을 뚫어 더 많은 피해를 유도하고 5.2.1 및 5.2.2단계를 반복하여 각 피해 단계에서 서명을 얻습니다. 그림 5B와 같이 현재 연구에서 세 가지 손상이 유발됩니다.
    6. 정상적인 단계와 손상된 단계 서명 간의 RMSD(Root Mean Square Deviation) 값을 비교하여 서명을 시각적이고 수치적으로 비교하고 분석합니다.
    7. RMSD는아래 12,13 방정식을 사용하여 계산할 수 있습니다.
      figure-protocol-5
      여기서 n 은 표본 크기이고, xdi 및 xhi 는 각각 손상 단계와 건강한 단계에서 서명의 i번째 값입니다.

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결과

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

순수 고조파 여기 하에서 피에조 변환기에서 생성된 개방 회로 전압의 비교 분석
피에조 변환기와 가속도계의 시간 영역 응답은 그림 6A,B에 나와 있습니다. 시간 영역 신호에서 주파수 영역 응답은 FFT(Fast Fourier Transform) 방법을 사용하여 도출되며 응답은 그림 6C,D에 나와 있습니다. 따라서 미드스팬에 휴대용 셰이커가 있는 빔의 고유 주파수는 센서의 이러한 주파수 영역 응답을 사용하여 55Hz로 결정됩니다.

CVS와 CVEH에서 생성된 개방 회로 전압은 다양한 셰이커 위치 및 주파수에 대해 비교됩니다. 대부분의 경우 CVEH(곡선 변환기)가 CVS(직선 변환기)보다 더 높은 전압을 생성하는 것으로...

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토론

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제시된 프로토콜의 중요한 단계는 빔 셰이커 시스템의 고유 주파수를 정확하게 결정하는 것입니다. 압전 변환기의 에너지 하베스팅 및 구조 상태 모니터링(SHM) 기능은 모두 시스템의 동적 동작에 크게 의존하기 때문에 이 단계는 필수적입니다. 스윕 여기를 사용하면 빔 셰이커 시스템의 공진 주파수를 쉽게 식별할 수 있습니다. 이 절차 중에 CVEH, CVS 및 가속도계의 주파수 영역 응답이 동시에 기록되었습니다. 세 센서 모두 55Hz에서 일관되게 피크 진폭을 나타내며 이 값을 시스템의 고유 주파수로 명확하게 설정했습니다. 이러한 수렴은 설정의 구조적 거동을 확인했을 뿐만 아니라 압전 센서의 기계적 무결성과 감도를 검증했습니다. 결과는 적절한 센서 기능을 확인했을 뿐만 아니라 후속 비교 실험을 위한 강력한 기반을 구축했습니다. 압전 변환기의 정렬 불량 또는 부적절한 접착 결합은 변형 전달 효율을 변경하여 전압 출력과 손상 감지 신호의 무결성에 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서...

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공개 사항

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이 기사는 저자의 이전에 출판된 작품 11,12,13을 각색한 것이며 특히 비디오 형식을 통해 지식과 과학 예술의 보급을 촉진하기 위한 교육 목적으로만 고안되었습니다. 그림 1 - 12는 엘스비어의 정당한 허가를 받아 복제되었습니다.

감사의 글

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이 작업은 인도 공과대학(IIT) 델리와 과학기술부[DST/INSPIRE/04/2015/000545]의 재정 지원을 받았습니다. 저자들은 저널 비디오 제작에 대한 Sameer Hasan 씨와 Pawan 씨의 지원에 크게 감사드립니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
가 속도계PCB 압전성352C34
골재 - 10mm해당 없음해당 없음
골재 - 20mm해당 없음해당 없음
커패시터 (1000 & mu; F) 해당 없음해당 없음
시멘트해당 없음해당 없음
디지털 멀티미터 애질런트 테크놀로지스34411A
디지털 체온계  라크로스 테크놀로지 WS-9006U 
에폭시해당 없음해당 없음
함수 생성기 애질런트 테크놀로지스33210A
ICP 증폭기와 nbsp;PCB 압전성482C 시리즈
LCR 계량기애질런트 테크놀로지스E4980A
매크로 파이버 컴포지트(MFC) 스마트 머티얼M5628-P2
오실로스코프텍트로닉스TDS 2004B
휴대용 셰이커와 nbsp;LDSV406
파워 앰프와 nbsp;LDSPA500L
저항기해당 없음해당 없음
회전식 셰이커  크롬튼 그리브스와 nbsp;XKF5577현재는 이용할 수 없습니다
모래해당 없음해당 없음
쇼트키형 다이오드 다이오드 주식회사BAT1000
전선해당 없음해당 없음

참고문헌

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