Methodenartikel

Onderzoek naar het potentieel van enkelvoudig gebogen dunne piëzo-elektrische transducers voor het oogsten van energie en structurele gezondheidsmonitoring

1.3K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/68141

⸱

14 november 2025

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

In dit artikel

Samenvatting

Hier vergelijken we experimenteel enkelvoudig gebogen en rechte piëzo-elektrische transducers die zijn ingebed in constructies van gewapend beton voor het oogsten van energie en structurele gezondheidsmonitoring door hun open-circuit spanning, stroomopwekking, energieopslag en schadedetectievermogen te evalueren. Gebogen transducers hebben de rechte overtroffen en bieden betere prestaties voor toepassingen in de echte wereld.

Samenvatting

In de afgelopen twee decennia zijn piëzo-elektrische materialen een integraal onderdeel geworden van structurele gezondheidsmonitoring (SHM) en energiewinning. Deze materialen zijn verkrijgbaar in verschillende vormen en configuraties, maar het potentieel van gebogen configuraties blijft grotendeels onontgonnen. Dit artikel onderzoekt experimenteel de prestaties van enkelvoudig gebogen dunne piëzo-elektrische transducers in vergelijking met hun rechte configuratie wanneer ze zijn ingebed in constructies van gewapend beton (RC) voor energieoogst en SHM-toepassingen. Het onderzoek omvat een zij-aan-zij vergelijking van deze configuraties op basis van (a) de open-circuit spanning die door hen wordt gegenereerd onder zuivere harmonische excitaties, (b) het vermogen dat wordt gegenereerd onder de impedantie-overeenkomende omstandigheden, en (c) hun potentieel voor energieopslag in condensatoren onder real-life grillige trillingen met impedantie-mismatch-omstandigheden. Daarnaast onderzoekt het artikel de schadedetectiemogelijkheden van gebogen piëzo-transducers met behulp van de elektromechanische impedantie (EMI) -techniek, een gebied dat nog niet grondig is onderzocht.

De resultaten van alle vier de experimenten tonen aan dat de gebogen piëzo-transducers beter presteren dan hun rechte configuraties in zowel SHM- als energieoogsttoepassingen. Daarom zijn de bevindingen van deze onderzoeken cruciaal voor het effectieve gebruik van gebogen piëzo-elektrische transducers in real-world RC-structuren, waardoor zowel het oogsten van energie als structurele gezondheidsmonitoring worden verbeterd, wat in feite leidt tot het economisch onderhoud en de veilige werking van RC-structuren.

Inleiding

Structural Health Monitoring (SHM) is een cruciale technische wetenschap die gericht is op het waarborgen van de veiligheid, duurzaamheid, economische werking en prestaties van constructies, zoals gebouwen, bruggen, dammen, enz. SHM maakt gebruik van verschillende sensoren, data-acquisitiesystemen en geavanceerde technologieën om realtime gegevens te verzamelen, zoals spanning, spanning, trillingen, verplaatsing, temperatuur, enz. om periodiek de toestand van een constructie gedurende de levenscyclus te analyseren1, 2. okt. Door tekenen van schade, slijtage, degradatie of andere afwijkingen in een vroeg stadium te detecteren, maakt SHM kosteneffectief onderhoud en veilige werking van de constructie mogelijk, waardoor de levensduur wordt verlengd.

Piëzo-elektrische materialen zijn een klasse van slimme materialen met een uniek vermogen om elektrisch potentieel over hun oppervlakken te ontwikkelen als reactie op mechanische trillingen/spanningen of spanningen en vice versa. De directe en omgekeerde effecten van piëzo-elektriciteit worden uitgelegd in figuur 1. Vanwege dit unieke vermogen worden ze veel gebruikt als sensoren, actuatoren en energieoogstmachines in technische, medische en SHM-velden 3,4,5,6,7,8. De verschillende soorten piëzo-elektrische materialen omvatten natuurlijke kristallen zoals kwarts (SiO2), topaas, enz., piëzokeramiek zoals loodzirkonaattitanaat (PZT), piëzo-elektrische polymeren, in feite polyvinylideenfluoride (PVDF) en nog veel meer. Kaur en Bhalla (2015) stelden vast dat dezelfde set piëzo-elektrische transducers (PZT-patches) kan worden gebruikt voor SHM van betonconstructies en voor het oogsten van de energie die nodig is voor hun functioneren als sensoren9. De omgevingsenergie die in realtime wordt geoogst, elimineert dus de vraag naar meerdere batterijen, aangezien de energie slechts tijdelijk hoeft te worden opgeslagen voor SHM10.

De eigenschap van de piëzo-elektrische materialen als sensor en energieoogster is gebaseerd op het fenomeen van het directe piëzo-elektrische effect (Figuur 1), waarbij het piëzo-elektrische materiaal elektrische potentiaal of spanning (V) ontwikkelt over de tegenoverliggende oppervlakken wanneer het wordt blootgesteld aan mechanische belasting (S1). Dit wordt weergegeven door de vergelijking:

figure-introduction-1(1)

Waarbij d31 de piëzo-elektrische rekcoëfficiënt is, uitgedrukt in C/N of m/V. Het subscript "31" geeft aan dat een elektrisch veld dat in richting 3 wordt toegepast, spanning induceert in richting 1, hp geeft de dikte van het piëzo-elektrische materiaal in meters aan, figure-introduction-2 vertegenwoordigt de dynamische modulus van Young onder een constant of nul elektrisch veld, gemeten in N/m2, en figure-introduction-3 is de dynamische elektrische permittiviteit onder constante of nul mechanische spanning, gemeten in F/m 3,11,12.

De piëzo-elektrische materialen die in een structuur zijn ingebed of aan het oppervlak zijn gebonden, kunnen worden gebruikt om de anomalieën in de structuur te bewaken op basis van de rek- en impedantiemetingen die ze registreren. Deze materialen kunnen direct de vormen van de krommingsmodus leveren en worden daarom vaak gebruikt voor wereldwijde dynamische technieken 13,14. Met de ontwikkeling van de elektromechanische impedantie (EMI) techniek hebben deze materialen ook hun effectiviteit bewezen bij het lokaliseren van schade15,16. De EMI-techniek is enorm populair geworden op het gebied van SHM vanwege het niet-destructieve karakter, het gemak van implementatie en de kosteneffectiviteit van de PZT-transducers. Bij deze techniek worden de PZT-patches die op de hoststructuur zijn geïnstalleerd, elektrisch geëxciteerd met de toepassing van harmonische elektrische potentiaal bij hoge frequenties (in het kilohertz [kHz] bereik) in sweep-modus met behulp van een inductantie-capaciteits-weerstand (LCR) meter of impedantie-analysator.

Als gevolg van het directe piëzo-elektrische effect genereert het mechanische trillingen in de structuur. En door het omgekeerde piëzo-elektrische effect beïnvloeden deze mechanische trillingen de elektromechanische impedantie van de piëzo-elektrische transducer 17,18. Deze elektromechanische impedantiesignatuur wordt gegenereerd in hetzelfde frequentiebereik als dat van het excitatiesignaal. De volgende vergelijking geeft de elektromechanische toelating figure-introduction-4weer, de inverse van de elektromechanische impedantie, voor een 1D-modelsysteem19

figure-introduction-5(2)

Waarbij ω de hoekfrequentie in rad/s is, figure-introduction-6zijn , l, w en h respectievelijk de halve lengte, de breedte en de dikte van de PZT-patch. Z en Za vertegenwoordigen respectievelijk de complexe mechanische impedantie van de structuur en de PZT-patch, en κ is het golfgetal. Deze signaturen blijven stabiel en consistent zolang de structuur intact is. Bij het optreden van eventuele schade worden echter significante veranderingen waargenomen tussen de huidige en de basissignatuur (de handtekening die is verkregen tijdens de gezonde fase van de constructie). Door de impedantiesignatuur te analyseren, is het mogelijk om de aanwezigheid, locatie en ernst van schade in een vroeg stadium te detecteren en kosteneffectieve rectificatiewerkzaamheden tijdig uit te voeren, waardoor de duurzaamheid van de constructie wordt verbeterd 20,21,22.

In de afgelopen twee decennia is er uitgebreid onderzoek gedaan naar het energieoogstpotentieel van piëzo-elektrische materialen. Hoewel deze materialen beschikbaar zijn in verschillende configuraties, zoals buizen, bollen, schijven, enzovoort, zijn de meeste onderzoeken gebaseerd op rechte piëzo-elektrische pleisters, strips, staven, enz.23,24. Daarom moet het potentieel van verschillende andere configuraties van de piëzo-transducers worden onderzocht.

De PZT-pleisters hebben de afgelopen twee decennia een aanzienlijke aanwezigheid op het gebied van SHM gevestigd. Het gebruik van kale PZT-pleisters voor betonconstructies wordt echter niet aanbevolen, omdat deze tijdens de bouw kunnen verslechteren. Daarom kwamen Bhalla en Gupta (2007, 2022) op het idee van een betontrillingssensor (CVS), een kant-en-klare sensor in de eerste plaats voor de SHM van betonconstructies 25,26, ontwikkeld door het Smart Structures and Dynamics Laboratory (SSDL), IIT Delhi. Bij CVS is de piëzo-elektrische transducer (PZT-patch) zorgvuldig bedekt met een composiet beschermlaag, waardoor deze klaar is voor gebruik voor directe installatie in het echte leven voordat hij in een betonnen constructie wordt geïnstalleerd. De kwaliteit van de betonnen cilinder die de PZT-patch inkapselt, moet gelijk zijn aan of hoger zijn dan die van de betonconstructie waarin deze moet worden ingebed. CVS heeft een zeer sterke rekcompatibiliteit met de hoststructuur en kan gemakkelijk krommingsmodi en resonantiefrequenties verkrijgen, en is bestand tegen extreme omstandigheden in vergelijking met de oppervlaktegebonden PZT-sensoren. Kaur (2015) heeft experimenteel het gebruik van CVS voor SHM en als energieoogster vastgesteld door de energie op te wekken die nodig is voor SHM-werk tijdens inactiviteit27.

Net als CVS is de Concrete Vibration Energy Harvester (CVEH) een kant-en-klare sensor die is ontwikkeld in SSDL voor het oogsten van energie uit betonconstructies; in tegenstelling tot CVS kapselt CVEH echter een gebogen transducer28 in. De verhoogde buigspanning/rek die over de piëzo-patch ontstaat als gevolg van de gebogen vorm, verhoogt de ontwikkelde spanning en daarmee de stroomopwekking. Vanwege de fragiele aard van de piëzokeramiek kunnen echter niet alle piëzo-pleisters worden gebruikt om CVEH te vervaardigen. Het piëzo-element dat voor de fabricage van CVEH wordt gebruikt, moet zorgvuldig worden geselecteerd, zodat het alleen het d31-effect produceert. De aanwezigheid van het d33-effect zal de voordelen van d31 in gebogen piëzo-transducers tenietdoen, waarbij de poling-richting loodrecht varieert over de kromming, waardoor de efficiëntie van de transducer wordt verlaagd29. Met behulp van een d31 type macrovezelcomposiet (MFC) patch, een zeer flexibele en krachtige piëzo-variant ontwikkeld door de National Aeronautics and Space Administration (NASA), heeft Singh (2017) met succes een CVEH gefabriceerd en experimenteel bevestigd dat de CVEH bijna het dubbele open circuit produceert dat spanning genereert dan de CVS. Er is echter een gebrek aan systematisch computationeel en experimenteel onderzoek naar vermogensmeting in real-life omgevingen in vergelijking met de rechte opstelling, ondanks aanwijzingen voor de superieure prestaties van de gebogen configuratie. Verder is er geen onderzoek gedaan naar de mogelijkheden van een gebogen opstelling voor SHM.

De gebogen piëzo-elektrische energieoogstmaterialen (CVEH) zullen naar verwachting verschillende voordelen bieden ten opzichte van traditionele platte of vlakke piëzo-elektrische energieoogstmaterialen. Gebogen piëzo-elektrische materialen vertonen een verbeterde spannings-/rekverdeling over het piëzo-elektrische oppervlak vanwege de aard van hun vervorming wanneer ze worden blootgesteld aan externe krachten. Omdat de spanning in deze materialen gelijkmatiger wordt verdeeld, verbetert dit de efficiëntie van energieomzetting en energieopwekking en maakt het mogelijk om te functioneren op zeer lage frequentiebereiken 30,31,32,33. De prestaties van MFC's (Macro-Fiber Composites) zijn wereldwijd aangetoond op het gebied van flexibiliteit, betrouwbaarheid, duurzaamheid, schadetolerantie, verbeterde actuatorefficiëntie en gerichte bediening en detectiemogelijkheden 34,35,36,37. De op MFC gebaseerde CVS of CVEH wordt vervaardigd door de pleisters in te kapselen in beton- of mortelcilinders na het aanbrengen van een geschikte beschermende coating. Zodra deze transducers tijdens het gieten in een structuur zijn ingebed, functioneert de hele structuur, met de CVS/CVEH erin geïntegreerd, als een uniform systeem. Zolang de structuur duurzaam blijft, zullen de CVEH's of CVS (Structural Health Monitoring Systems) ook hun operationele effectiviteit en levensduur behouden. Daarom bieden MFC-gebaseerde CVS- en CVEH-systemen een superieure duurzaamheid voor structurele gezondheidsbewaking.

Het doel van deze studie is om de gebogen en rechte configuraties van piëzo-elektrische transducers (respectievelijk CVEH en CVS) die in RC-structuren zijn opgenomen, te vergelijken in termen van prestaties voor energiewinning en SHM. In het onderzoek wordt gekeken naar open spanning over de piëzo-transducers, vermogensontwikkeling onder impedantie-afstemmingsomstandigheden en de mogelijkheid van stroomopslag in condensatoren voor beide configuraties. Het tot nu toe onontdekte schadedetectiepotentieel van gebogen piëzo-transducers met behulp van de EMI-techniek wordt in dit werk ook experimenteel onderzocht.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

OPMERKING: Dit protocol is een korte beschrijving van het M. Tech.-project van de presentator dat is uitgevoerd in het Smart Structures and Dynamics Laboratory (SSDL), Indian Institute of Technology Delhi. De volledige details kunnen worden beoordeeld aan de hand van de M. Tech. scriptie11 en gerelateerde publicaties12,13.

1. Experimenteren: materialen, fabricage en opstelling

  1. Materiaal
    OPMERKING: Piëzokeramiek heeft een prominente positie ingenomen op het gebied van SHM en energiewinning vanwege hun hoge sterkte, stijfheid en koppelingsfactoren. De brosheid van deze materialen beperkt het gebruik ervan echter tot gebogen oppervlakken. Daarom ontwikkelde de National Aeronautics and Space Administration (NASA) een bijzonder flexibele en krachtige piëzoversie, namelijk de MFC, die werd geselecteerd als de piëzo-elektrische transducer voor de huidige studie.
    1. Gebruik de variant M5628-P2, met een dikte van 300 μm en met zool-d31-effect .
  2. Fabricage en installatie
    1. Giet twee cementmortelcilinders met een diameter van 100 mm en een dikte van 30 mm.
    2. Omhul de rechte en gebogen MFC-piëzo-transducers in de mortelcilinders op de locatie van de middendiepte tijdens het gieten (Figuur 2A, B).
    3. Breng een beschermlaag standaard epoxylijm aan op de MFC-pleisters om degradatie tijdens het gieten te voorkomen.
    4. Laat de mortelcilinders (Figuur 2C, D) die de transducers omsluiten gedurende 7 dagen uitharden.
    5. Gegoten een RC-ligger (1500 mm [L] × 300 mm [B] × 100 mm [D]) van de kwaliteit M30.
    6. Veranker de CVEH en de CVS op de locatie in het midden van de overspanning door ze tijdens het gieten te binden aan de bovenste laag compressiewapening van de balk. Zorg ervoor dat hun bovenoppervlak samenvalt met dat van de ligger, zoals weergegeven in figuur 2E29. De eigenschappen van de RC-straal en de piëzo-transducer staan vermeld in tabel 1.
    7. Zorg ervoor dat de elektrische aansluitingen van de piëzo-transducers tijdens het hele proces veilig worden bewaard.
    8. Plaats de RC-straal in een ondersteunde toestand met een effectieve overspanning van 1100 mm voor het uitvoeren van verschillende experimenten.

2. Vergelijkende analyse van de open circuitspanning die wordt gegenereerd over piëzo-transducers onder zuivere harmonische excitatie

OPMERKING: In dit gedeelte wordt de open circuitspanning vergeleken die wordt gegenereerd door de rechte en de gebogen piëzo-transducers onder zuivere harmonische excitaties.

  1. Experimentele opstelling
    1. Zet een RC-ligger op met CVS en CVEH ingebed in het midden van de overspanning, zoals vermeld in de vorige paragraaf.
    2. Zet een draagbare schudder op voor het induceren van harmonische excitatie, geplaatst op een afstand van L/2 van de ondersteuning, waarbij L de effectieve overspanning van de straal is.
    3. Stel een functiegenerator in om elektrische signalen te genereren.
    4. Stel een eindversterker in voor het versterken van de signalen die door de functiegenerator worden gegenereerd en naar de shaker worden verzonden (dus aangesloten op de shaker en functiegenerator)
    5. Stel een oscilloscoop in om de open circuitspanning te meten die over de sensoren wordt gegenereerd. Sluit de elektrische draden van de piëzosensoren aan op de twee kanalen van de oscilloscoop.
    6. Stel een versnellingsmeter in met een gevoeligheid van 100 mV per g die op de straal dichter bij de schudder wordt geplaatst om de versnelling te meten, waarbij g de versnelling als gevolg van de zwaartekracht vertegenwoordigt.
    7. Stel een ICP-versterker in om de metingen van de versnellingsmeter op te nemen (dus aangesloten op de versnellingsmeter en op het derde kanaal van de oscilloscoop)
      NOTITIE: Raadpleeg afbeelding 3 voor de experimentele opstelling.
  2. Procedure voor de analyse van het frequentiedomein
    1. Prikkel de RC-straal met behulp van de draagbare shaker in sweep-modus. De input wordt gegeven aan de functiegenerator: Dynamische sweep-excitatie van 10 Hz tot 100 Hz gedurende 2.5 s.
    2. Voer een frequentiedomeinanalyse uit van de reacties die worden ontvangen van de piëzosensoren en de versnellingsmeter om de natuurlijke frequentie van de straal te bepalen. Zie eerder gepubliceerde artikelen voor de gedetailleerde procedure voor frequentiedomeinanalyse 38,39,40.
  3. Procedure voor vergelijking van open circuitspanning
    1. Prikkel de straal met verschillende frequenties van 25 Hz tot 85 Hz met behulp van de shaker. Houd een stapinterval van 15 Hz aan. Noteer de respons van CVS en CVEH voor alle frequenties.
    2. Verschuif de positie van de schudder naar L/3 en L/6 afstand van de steun en herhaal de bovenstaande stap (stap 2.3.1) voor elke schudstand.
    3. Vergelijk de antwoorden van CVS en CVEH in elk geval grafisch of analytisch.

3. Vergelijkende analyse van het vermogen dat wordt gegenereerd door piëzo-transducers

OPMERKING: In dit gedeelte wordt het vermogen vergeleken dat wordt gegenereerd door de piëzo-transducers voor gunstige impedantie-overeenkomende omstandigheden.

  1. Experimentele opstelling
    1. Zet een RC-ligger op met CVS en CVEH ingebed in het midden van de overspanning, zoals vermeld in stap 2.1.1.
      NOTITIE: Raadpleeg Figuur 4A voor de experimentele opstelling.
    2. Plaats een excentrische roterende schudder op een afstand van L/4 van de dichtstbijzijnde steun
    3. Stel een snelheidsregelaar in en sluit deze aan op de shaker.
    4. Stel een oscilloscoop in. Sluit de CVS en CVEH aan op de twee kanalen van de oscilloscoop.
    5. Plaats een versnellingsmeter met een gevoeligheid van 100 mV per g in het midden van de straal. Sluit hem aan op de ICP versterker.
    6. Stel een ICP-versterker in om de metingen van de versnellingsmeter op te nemen.
    7. Sluit een extra circuit aan, zoals weergegeven in afbeelding 4B, op de piëzo-transducers voor vermogensmeting. De schakeling bestaat uit twee weerstanden, R1 en R2 (R1 = 335 kΩ en R2 = 340 kΩ), die in serie zijn geschakeld over de piëzosensoren.
      OPMERKING: De impedantie van de geselecteerde weerstanden moet in een vergelijkbaar bereik liggen als die van de piëzosensoren (bronimpedantie). Een aanzienlijke impedantie-mismatch kan leiden tot overmatige warmteafvoer, aanzienlijk vermogensverlies en zelfs circuitstoringen. De impedantie van de sensoren kan voor verschillende frequenties worden gemeten met behulp van een LCR-meter. Voor de huidige CVS en CVEH is de gemiddelde impedantie voor verschillende frequenties variërend van 20 Hz tot 80 Hz (stapinterval = 5 Hz) respectievelijk 32 kΩ en 35 kΩ.
    8. Stel een digitale multimeter in en sluit deze aan op de weerstand R1 om de uitgangsspanning (V2) van het circuit te meten.
    9. Sluit de laptop aan op een digitale multimeter voor data-acquisitie.
  2. Procedure
    1. Start de schudder en induceer trillingen naar de RC-straal. Pas de versnelling van de schudder aan met behulp van de snelheidsregelaar.
    2. Registreer de uitgangsspanning (V2) met behulp van de multimeter voor elke sensor.
    3. Herhaal de bovenstaande stap voor twee of meer versnellingen van de schudder.
      OPMERKING: De aangenomen piekversnellingen in het onderzoek waren 15,19 m/s2, 17,39 m/s2 en 21,68 m/s2.
    4. Bereken het vermogen dat door beide sensoren wordt gegenereerd (P) voor elke versnelling van de schudder met behulp van de onderstaande formule12,27:
      figure-protocol-1
      figure-protocol-2
      Waarbij i de stroom is die door het circuit stroomt.

4. Het potentieel van de machtsopslag van piëzo-omvormers

OPMERKING: Dit gedeelte richt zich op het analyseren van het potentieel voor energieopslag of energieoogst van de piëzo-transducers onder real-life grillige trillingen met algemene veldomstandigheden (impedantiemismatch). Een condensator van 1000 μF werd gebruikt om de energie te oogsten die door de piëzo-transducers werd opgewekt.

  1. Experimentele opstelling
    1. Stel het experimentele apparaat in zoals beschreven in paragraaf 3.1, met uitzondering van het vermogensmeetcircuit.
    2. Vervang het vermogensmeetcircuit door een eenvoudig gelijkrichtercircuit met volledige brug. Zie Figuur 4C, D voor de experimentele opstelling.
      OPMERKING: Doel van een eenvoudig gelijkrichtercircuit met volledige brug: De uitgangsspanning die door de piëzo-transducers wordt gegenereerd, bevindt zich in de wisselstroommodus (AC), die niet kan worden opgeslagen omdat deze de richting periodiek omkeert. Daarom wordt het eenvoudige gelijkrichtercircuit met volledige brug gebruikt om AC-signalen om te zetten naar gelijkstroom (DC) -modus, wat een stabiele voeding is en kan worden opgeslagen in condensatoren of batterijen. Het circuit bestaat uit vier diodes van het type Schottky met het label D1 tot D4, met een lagere voorwaartse biasspanning (in het bereik van 0,1 V)41. De diodes zijn gerangschikt in reeksparen, waarbij slechts twee diodes tijdens elke halve cyclus functioneren. In de positieve halfcyclus zullen de twee diodes, D1 en D4, in serie geleiden waarbij de diodes D2 en D3 worden uitgeschakeld (reverse biased) en vice versa tijdens de negatieve halfcyclus. Zo zorgt de volledige bruggelijkrichterschakeling voor stabiele en passieve stroomkringsystemen42.
  2. Procedure
    1. Start de schudder en induceer trillingen naar de RC-straal. Pas de versnelling van de schudder aan met behulp van de snelheidsregelaar.
    2. Registreer de uitgangsspanning (Vc) van het gelijkrichtercircuit met behulp van de multimeter voor beide sensoren.
    3. Bereken de totale energie ET en het gemiddelde vermogen Pgem dat door beide sensoren in de condensator is opgeslagen met behulp van de onderstaande vergelijkingen 12,13:
      figure-protocol-3
      figure-protocol-4
      Waarbij C de capaciteit is (1000 μF) en Tc de totale oplaadtijd van de condensatoren.
    4. Herhaal de bovenstaande stappen voor verschillende versnellingen.

5. Geschiktheid van piëzo-transducers voor SHM op basis van het potentieel voor schadedetectie

OPMERKING: In dit gedeelte wordt de geschiktheid van piëzo-elektrische transducers voor SHM geëvalueerd door hun potentieel voor schadedetectie te beoordelen met behulp van de EMI-techniek.

  1. Experimentele opstelling:
    1. Plaats dezelfde RC-straal als vermeld in de vorige paragrafen.
    2. Stel een LCR-meter in om de elektrische toelatingssignatuur te meten en sluit deze aan op de piëzo-transducers.
    3. Sluit ook de laptop aan op de LCR-meter.
    4. Plaats een digitale thermometer om tijdens het experiment een gelijkmatige kamertemperatuur te garanderen.
      NOTITIE: Raadpleeg afbeelding 5A voor de experimentele opstelling.
  2. Procedure
    1. Pas met behulp van de LCR-meter een harmonisch elektrisch potentiaal toe over de transducers om ze bij hoge frequenties in de sweep-modus op te wekken.
      Geval 1: Grover frequentiebereik: 1 kHz tot 1000 kHz, stapinterval van 1 kHz
      Geval 2: Fijner frequentiebereik: 100 kHz tot 300 kHz, stapinterval van 100 Hz
    2. Verkrijg de toelatingshandtekening die door de transducers wordt gegenereerd met behulp van de LCR-meter en laptop voor beide gevallen. Deze handtekeningen tijdens de gezonde fase van de structuur worden basislijnhandtekeningen genoemd.
    3. Herhaal de stappen opnieuw om de correlatie tussen de handtekeningen in elk geval te controleren.
    4. Veroorzaakt schade in de balk door een gat te boren en herhaal stap 5.2.1 en 5.2.2 om de handtekeningen te verkrijgen tijdens fase 1 schade.
    5. Veroorzaakt meer schade door meer gaten te boren en herhaal stap 5.2.1 en 5.2.2 om de handtekeningen tijdens elke schadefase te verkrijgen. In de huidige studie worden drie schades veroorzaakt, zoals weergegeven in figuur 5B.
    6. Vergelijk en analyseer de handtekeningen visueel en numeriek door de RMSD-waarde (root mean square deviation) te vergelijken tussen de gezonde fase en de beschadigde fasehandtekeningen.
    7. RMSD kan worden berekend met behulp van de onderstaande vergelijking 12,13:
      figure-protocol-5
      waarbij n de steekproefomvang is, xdi en xhi de i-de waarden in de handtekeningen onder respectievelijk de beschadigde en gezonde stadia.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

Vergelijkende analyse van de open circuitspanning die wordt gegenereerd door piëzo-transducers onder pure harmonische excitatie
De tijddomeinresponsen van de piëzo-transducers en de versnellingsmeter worden weergegeven in figuur 6A,B. Van de tijddomeinsignalen worden hun frequentiedomeinresponsen afgeleid met behulp van de Fast Fourier Transform (FFT)-methode, en de responsen worden weergegeven in Fig...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

Een cruciale stap in het gepresenteerde protocol is het nauwkeurig bepalen van de eigenfrequentie van het beam-shaker-systeem. Deze stap is essentieel omdat zowel de mogelijkheden voor het oogsten van energie als voor structurele gezondheidsmonitoring (SHM) van piëzo-elektrische transducers sterk afhankelijk zijn van het dynamische gedrag van het systeem. Het gebruik van sweep-excitatie vergemakkelijkte de identificatie van de resonantiefrequentie van het beam-shaker-systeem. Tijdens dez...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

Dit artikel is een bewerking van de eerder gepubliceerde werken van de auteurs 11,12,13 en is uitsluitend bedoeld voor educatieve doeleinden, met name om de verspreiding van kennis en wetenschappelijke kunst te vergemakkelijken door middel van videoformaat. De figuren 1 t/m 12 zijn met toestemming van Elsevier overgenomen.

Dankbetuigingen

Dit werk werd financieel ondersteund door het Indian Institute of Technology (IIT) Delhi en het Department of Science and Technology [DST/INSPIRE/04/2015/000545]. De auteurs zijn zeer erkentelijk voor de steun van de heer Sameer Hasan en de heer Pawan voor het maken van de video voor het tijdschrift.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
AccelerometerPCB Piezotronics352C34
Aggregates - 10 mmN/AN/A
Aggregates - 20 mmN/AN/A
Capacitor (1000 μF) N/AN/A
CementN/AN/A
Digitaal multimeter Agilent Technologies34411A
Digitaal thermometer La Crosse Technology WS-9006U 
EpoxyN/AN/A
Functiegenerator Agilent Technologies33210A
ICP-versterker PCB Piezotronics482C Series
LCR meterAgilent TechnologiesE4980A
Macrovezelcomposiet (MFC) Smart MaterialM5628-P2
OscilloscoopTektronixTDS 2004B
Draagbare shaker LDSV406
Vermogensversterker LDSPA500L
WeerstandenN/AN/A
Roterende shaker Crompton Greaves XKF5577Momenteel niet beschikbaar
ZandN/AN/A
Schottky-diodes Diodes IncorporatedBAT1000
DradenN/AN/A

Referenties

  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).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Gebogen pi zo transducersgewapend betonelektromechanische impedantievibratie energieoogsteropenklemspanningenergieopslagcondensatoranalyse in het frequentiedomein

Gerelateerde artikelen