Artykuł metodologiczny

Badanie potencjału cienkich przetworników piezoelektrycznych o pojedynczym zakrzywieniu do pozyskiwania energii i monitorowania stanu konstrukcji

DOI:

10.3791/68141

⸱

14 listopada 2025

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

W tym artykule

Podsumowanie

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

Tutaj eksperymentalnie porównujemy jednokrzywe i proste przetworniki piezoelektryczne osadzone w konstrukcjach żelbetowych do pozyskiwania energii i monitorowania stanu konstrukcji, oceniając ich napięcie otwartego obwodu, wytwarzanie energii, magazynowanie energii oraz zdolność wykrywania uszkodzeń. Zakrzywione przetworniki przewyższyły proste, oferując lepszą wydajność w zastosowaniach rzeczywistych.

Streszczenie

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

W ciągu ostatnich dwóch dekad materiały piezoelektryczne stały się integralną częścią monitorowania stanu konstrukcji (SHM) oraz pozyskiwania energii. Materiały te dostępne są w różnych formach i konfiguracjach, jednak potencjał zakrzywionych konfiguracji pozostaje w dużej mierze niewykorzystany. Niniejszy artykuł eksperymentalnie bada wydajność cienkich przetworników piezoelektrycznych z pojedynczą krzywą w porównaniu do ich prostej konfiguracji osadzonej w konstrukcjach żelbetowych (RC) do pozyskiwania energii i zastosowań SHM. Badania obejmują porównanie tych konfiguracji na podstawie (a) napięcia otwartego obwodu generowanego przez nie przy czystych wzbudzeniach harmonicznych, (b) mocy generowanej w warunkach dopasowania impedancji oraz (c) ich potencjału do magazynowania energii w kondensatorach przy rzeczywistych nieregularnych drganiach z warunkami niedopasowania impedancji. Ponadto artykuł bada możliwości wykrywania uszkodzeń zakrzywionych przetworników piezo z wykorzystaniem techniki impedancji elektromechanicznej (EMI), obszaru, który nie został dokładnie zbadany.

Wyniki wszystkich czterech eksperymentów pokazują, że zakrzywione przetworniki piezo przewyższają swoje konfiguracje proste zarówno w zastosowaniach SHM, jak i pozyskiwania energii. Dlatego wyniki tych badań są kluczowe dla skutecznego wykorzystania zakrzywionych przetworników piezoelektrycznych w rzeczywistych strukturach RC, co zwiększa zarówno pozyskiwanie energii, jak i monitorowanie stanu konstrukcji, co w rzeczywistości prowadzi do ekonomicznego utrzymania i bezpiecznej eksploatacji struktur RC.

Wprowadzenie

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

Monitorowanie stanu konstrukcji (SHM) to kluczowa nauka inżynieryjna mająca na celu zapewnienie bezpieczeństwa, trwałości, ekonomicznej eksploatacji oraz wydajności konstrukcji, takich jak budynki, mosty, tamy itp. SHM wykorzystuje różne czujniki, systemy akwizycji danych oraz zaawansowane technologie do zbierania danych w czasie rzeczywistym, takich jak naprężenia, odkształcenia, drgania, przemieszczenia, temperatury itp., aby okresowo analizować stan konstrukcji przez cały jej cykl życia1, 2. Dzięki wczesnemu wykrywaniu oznak uszkodzeń, zużycia, degradacji lub innych nieprawidłowości, SHM umożliwia opłacalną konserwację i bezpieczną eksploatację konstrukcji, wydłużając tym samym jej żywotność.

Materiały piezoelektryczne to klasa inteligentnych materiałów o unikalnej zdolności do rozwijania potencjału elektrycznego na swoich powierzchniach w odpowiedzi na drgania mechaniczne, naprężenia lub odkształcenia i odwrotnie. Bezpośrednie i odwrotne efekty piezoelektryczności wyjaśnione są na Rysunku 1. Dzięki tej unikalnej zdolności są szeroko wykorzystywane jako czujniki, siłowniki i zbieracze energiiw inżynierii, medycynie oraz SHM 3,4,5,6,7,8. Różne rodzaje materiałów piezoelektrycznych obejmują naturalne kryształy, takie jak kwarc (SiO2), topaz itp., piezoceramikę, jak tytanian cyronianu ołowiu (PZT), polimery piezoelektryczne, zasadniczo polifluorek winylidenu (PVDF), i wiele innych. Kaur i Bhalla (2015) ustalili, że ten sam zestaw przetworników piezoelektrycznych (łaty PZT) może być wykorzystywany do SHM konstrukcji oraz do pozyskiwania energii potrzebnej do ich działania jako czujników9. W ten sposób energia otoczenia pozyskiwana w czasie rzeczywistym eliminuje zapotrzebowanie na liczne baterie, ponieważ energia ta musi być magazynowana tylko tymczasowo dla SHM10.

Właściwość materiałów piezoelektrycznych jako czujnika i zbieracza energii opiera się na zjawisku bezpośredniego efektu piezoelektrycznego (Rysunek 1), gdzie materiał piezoelektryczny rozwija potencjał elektryczny lub napięcie (V) na przeciwległych powierzchniach pod wpływem naprężeń mechanicznych (S1). Jest to przedstawione przez równanie:

figure-introduction-1     (1)

Gdzie d31 to współczynnik odkształcenia piezoelektrycznego, wyrażony w C/N lub m/V. Indeks "31" oznacza, że pole elektryczne przyłożone w kierunku 3 indukuje odkształcenie w kierunku 1, hp oznacza grubość materiału piezoelektrycznego w metrach, reprezentuje dynamiczny moduł Younga przy stałym lub zerowym polu elektrycznym, figure-introduction-2 mierzonym w N/m2, oraz figure-introduction-3 jest dynamiczną przenikalnością elektryczną przy stałym lub zerowym naprężeniu mechanicznym, mierzone w F/m3, 11, 12.

Materiały piezoelektryczne osadzone wewnątrz lub połączone powierzchniowo na strukturze mogą być wykorzystywane do monitorowania anomalii w strukturze na podstawie rejestrowanych pomiarów odkształceń i impedancji. Materiały te mogą bezpośrednio dostarczać kształty trybu krzywizny i dlatego są często wykorzystywane do globalnych technik dynamicznych13,14. Dzięki rozwojowi techniki impedancji elektromechanicznej (EMI), materiały te udowodniły swoją skuteczność w lokalizowanym wykrywaniu uszkodzeń15,16. Technika EMI zyskała szeroką popularność w dziedzinie SHM ze względu na swój nieniszczycielski charakter, łatwość wdrożenia oraz opłacalność przetworników PZT. W tej technice łatki PZT zainstalowane na strukturze macierzystej są wzbudzane elektrycznie poprzez zastosowanie potencjału elektrycznego harmonicznego o wysokich częstotliwościach (w zakresie kiloherców [kHz]) w trybie przemiatania, używając miernika indukcyjności-rezystancji (LCR) lub analizatora impedancji.

W wyniku bezpośredniego efektu piezoelektrycznego generuje on drgania mechaniczne w konstrukcji. A ze względu na odwrotny efekt piezoelektryczny, te drgania mechaniczne wpływają na impedancję elektromechaniczną przetwornikapiezoelektrycznego 17,18. Ta sygnatura impedancji elektromechanicznej jest generowana w tym samym zakresie częstotliwości co sygnał wzbudzenia. Poniższe równanie reprezentuje elektromechaniczną admitancję figure-introduction-4, odwrotność impedancji elektromechanicznej, dla modelu1D 19

figure-introduction-5   (2)

Gdzie ω to częstotliwość kątowa w rad/s, figure-introduction-6, l, w i h to odpowiednio połowa długości, szerokość i grubość łaty PZT. Z i Za oznaczają zespoloną impedancję mechaniczną konstrukcji, a łatkę PZT odpowiednio i κ to liczba falowa. Te sygnatury pozostają stabilne i spójne, dopóki struktura pozostaje nienaruszona. Jednak w przypadku wystąpienia jakichkolwiek uszkodzeń zauważa się istotne zmiany między sygnaturą obecną a bazową (sygnaturą nabytą podczas zdrowego etapu konstrukcji). Analizując sygnaturę impedancji, można wykryć obecność, lokalizację i stopień uszkodzeń na wczesnym etapie oraz na czas przeprowadzić opłacalne prace naprawcze, co zwiększa trwałość konstrukcji 20,21,22.

W ciągu ostatnich dwóch dekad przeprowadzono szeroko zakrojone badania nad potencjałem energetycznym materiałów piezoelektrycznych. Chociaż materiały te dostępne są w różnych konfiguracjach, takich jak rurki, kule, dyski i inne, większość badań opiera się na prostych łatkach piezoelektrycznych, paskach, prętach itp.23,24. Dlatego należy zbadać potencjał różnych innych konfiguracji przetworników piezo.

Naszywki PZT zyskały znaczącą pozycję w dziedzinie SHM w ciągu ostatnich dwóch dekad. Jednak stosowanie gołych łatów PZT do konstrukcji nie jest zalecane, ponieważ mogą one ulec degradacji podczas budowy. Dlatego Bhalla i Gupta (2007, 2022) wpadli na pomysł czujnika drgań betonu (CVS), który jest gotowym do użycia czujnikiem głównie dla SHM konstrukcji25, 26, opracowanym w Smart Structures and Dynamics Laboratory (SSDL), IIT Delhi. W CVS przetwornik piezoelektryczny (patch PZT) jest starannie pokryty warstwą ochronną kompozytową, co czyni go gotowym do bezpośredniego montażu w praktyce przed montażem w konstrukcji. Nachylenie cylindra otaczającego łatę PZT musi być równe lub wyższe niż nachylenie konstrukcji, w której musi być osadzony. CVS jest bardzo silnie kompatybilny z odkształceniami ze strukturą gospodarza, łatwo przyjmuje kształty trybów krzywizny i częstotliwości rezonansowe oraz wytrzymuje ekstremalne warunki w porównaniu do czujników PZT połączonych z powierzchnią. Kaur (2015) eksperymentalnie ustanowiła zastosowanie CVS dla SHM oraz jako zbieracza energii, generując energię potrzebną do pracy SHM podczas czasu bezczynności27.

Podobnie jak CVS, betonowy zbieracz energii drgań (CVEH) to gotowy do użycia czujnik opracowany w SSDL do pozyskiwania energii z konstrukcji; jednak w przeciwieństwie do CVS, CVEH otacza zakrzywiony przetwornik28. Zwiększone naprężenia/odkształcenia zginające powstałe na powierzchni piezo w wyniku zakrzywionego kształtu podnoszą napięcie wywołane, a co za tym idzie, wytwarzanie energii. Jednak ze względu na delikatny charakter piezoceramiki, nie wszystkie łaty piezoceramiki mogą być użyte do produkcji CVEH. Pierwiastek piezo użyty do produkcji CVEH powinien być starannie dobrany, aby wywoływał wyłącznie efektd31 . Obecność efektud33 zniweluje zaletyd31 w zakrzywionych przetwornikach piezo, gdzie kierunek polowania zmienia się prostopadle w całej krzywiźnie, obniżając jego efektywność29. Używając makroświatłowodowego kompozytu (MFC) typu d31 , bardzo elastycznego i wysokowydajnego wariantu piezo opracowanego przez National Aeronautics and Space Administration (NASA), Singh (2017) z powodzeniem wykonał CVEH i eksperymentalnie potwierdził, że CVEH generuje niemal podwójną zdolność generowania napięcia w otwartym obwodzie niż CVS. Jednak brakuje systematycznych badań obliczeniowych i eksperymentalnych dotyczących pomiarów mocy w rzeczywistych warunkach w porównaniu do układu prostego, mimo wskazań na lepszą wydajność konfiguracji zakrzywionej. Ponadto nie przeprowadzono badań nad możliwościami układu zakrzywionego dla SHM.

Zakrzywione materiały do pozyskiwania energii piezoelektrycznej (CVEH) mają oferować kilka przewag w porównaniu do tradycyjnych płaskich lub płaskich materiałów do pozyskiwania energii piezoelektrycznej. Zakrzywione materiały piezoelektryczne wykazują lepszy rozkład naprężeń/odkształcenia na powierzchni piezoelektrycznej ze względu na charakter ich odkształcenia pod wpływem sił zewnętrznych. Ponieważ naprężenia w tych materiałach są bardziej równomiernie rozłożone, poprawia się efektywność konwersji energii i wytwarzania energii oraz umożliwia pracę w bardzo niskich zakresach częstotliwości30, 31, 32, 33. Wydajność MFC (Macro-Fiber Composites) została potwierdzona na całym świecie pod względem elastyczności, niezawodności, trwałości, odporności na uszkodzenia, zwiększonej efektywności siłowników oraz kierunkowych możliwości aktywacji i detekcji 34,35,36,37. CVS na bazie MFC, czyli CVEH, powstaje poprzez otoczenie łatek w cylindrach lub zaprawowych po nałożeniu odpowiedniej powłoki ochronnej. Gdy te przetworniki zostaną osadzone w strukturze podczas odlewania, cała konstrukcja, zintegrowana z CVS/CVEH w środku, działa jako jednolity system. Dopóki konstrukcja pozostaje trwała, CVEH, czyli CVS (Structural Health Monitoring Systems), również utrzymają swoją efektywność operacyjną i długowieczność. Dlatego systemy CVS i CVEH oparte na MFC oferują wyższą trwałość w monitorowaniu stanu konstrukcji.

Celem tego badania jest porównanie zakrzywionych i prostych konfiguracji przetworników piezoelektrycznych (CVEH i CVS) wbudowanych w struktury RC pod względem wydajności do pozyskiwania energii i SHM. W badaniach badane są napięcia otwartego obwodu na przetwornikach piezo, rozwój mocy w warunkach dopasowania impedancji oraz możliwość magazynowania energii w kondensatorach dla obu konfiguracji. W tej pracy eksperymentalnie badane są także dotychczas nieodkryte możliwości wykrywania uszkodzeń zakrzywionych przetworników piezo wykorzystujących technikę EMI.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

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

UWAGA: Ten protokół to krótki opis projektu M.Tech. prowadzonego przez prowadzącego w Smart Structures and Dynamics Laboratory (SSDL), Indian Institute of Technology Delhi. Pełne szczegóły można poznać w pracymagisterskiej M. Tech. 11 oraz powiązanych publikacjach12,13.

1. Eksperymentowanie: materiały, wytwarzanie i przygotowanie

  1. Materiałów
    UWAGA: Piezoceramika zdobyła znaczącą pozycję w dziedzinach SHM i pozyskiwania energii dzięki wysokiej wytrzymałości, sztywności i współczynnikom sprzężenia. Kruchość tych materiałów jednak ogranicza ich zastosowanie do powierzchni zakrzywionych. W związku z tym Narodowa Agencja Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej (NASA) opracowała szczególnie elastyczną i wysokowydajną wersję piezo, mianowicie MFC, wybraną jako przetwornik piezoelektryczny do obecnego badania.
    1. Użyj wariantu M5628-P2, o grubości 300 μm i efektie poduszkid31 .
  2. Produkcja i przygotowanie
    1. Odlewano dwa cylindry zaprawy cementowej o średnicy 100 mm i grubości 30 mm.
    2. Otocz proste i zakrzywione przetworniki piezo-przetworniki MFC w cylindrach moździerzowych na głębokości podczas odlewania (Rysunek 2A, B).
    3. Nałóż ochronną warstwę standardowego kleju epoksydowego na łaty MFC, aby zapobiec degradacji podczas odlewania.
    4. Utwardzenie cylindrów moździerzowych (rysunek 2C, D) otaczających przetworniki przez 7 dni.
    5. Odlew belkę RC (1500 mm [L] × 300 mm [B] × 100 mm [D]) klasy M30.
    6. Osadz CVEH i CVS w miejscu na połowie rozpiętości, łącząc je z górną warstwą wzmocnienia kompresyjnego belki podczas odlewania. Upewnij się, że ich górna powierzchnia pokrywa się z powierzchnią belki, jak pokazano na rysunku 2E29. Właściwości wiązki RC i przetwornika piezoplazmowego są wymienione w Tabeli 1.
    7. Upewnij się, że połączenia elektryczne przetworników piezoprzetworników są bezpieczne przez cały proces.
    8. Umieść wiązkę RC w stanie podpartym o efektywnym rozpiętości 1100 mm do przeprowadzania różnych eksperymentów.

2. Analiza porównawcza napięcia otwartego obwodu generowanego na przetwornikach piezo przy czystej wzbudzeniu harmonicznej

UWAGA: Ta sekcja porównuje napięcie otwartego obwodu generowane przez przetworniki piezo proste i zakrzywione pod czystymi wzbudzeniami harmonicznymi.

  1. Układ eksperymentalny
    1. Ustaw wiązkę RC z CVS i CVEH osadzonymi w środku rozpiętości, jak wspomniano w poprzednim akapicie.
    2. Ustaw przenośny shaker do wywołania wzbudzenia harmonicznego, umieszczony w odległości L/2 od podpory, gdzie L to efektywne rozpiętość belki.
    3. Ustaw generator funkcji do generowania sygnałów elektrycznych.
    4. Ustaw wzmacniacz mocy do wzmacniania sygnałów generowanych przez generator funkcji i przesyłanych do shakera (a więc połączony z shakerem i generatorem funkcji)
    5. Ustaw oscyloskop do pomiaru napięcia otwartego obwodu generowanego na czujnikach. Połącz przewody elektryczne z czujników piezo-piezo-z dwoma kanałami oscyloskopu.
    6. Ustaw akcelerometr o czułości 100 mV na g, umieszczony na wiązce bliżej shakera, aby mierzyć przyspieszenie, gdzie g oznacza przyspieszenie spowodowane grawitacją.
    7. Ustaw wzmacniacz ICP do rejestrowania pomiarów z akcelerometru (a więc podłączony do akcelerometru i trzeciego kanału oscyloskopu)
      UWAGA: Zobacz Rysunek 3 dla konfiguracji eksperymentalnej.
  2. Procedura analizy w dziedzinie częstotliwości
    1. Wzbudz wiązkę RC za pomocą przenośnego shakera w trybie przemiatania. Dane wejściowe należy przekazać do generatora funkcji: Dynamiczne wzbudzenie przesuwania od 10 Hz do 100 Hz przez 2,5 s.
    2. Przeprowadź analizę odpowiedzi otrzymanych od czujników piezo-piezometrów i akcelerometru w dziedzinie częstotliwości, aby określić częstotliwość własną wiązki. Prosimy o odwiedzenie wcześniej opublikowanych artykułów, aby uzyskać szczegółową procedurę analizy w dziedzinie częstotliwości 38,39,40.
  3. Procedura porównywania napięcia w otwartym obwodzie
    1. Wzbudzaj wiązkę na różnych częstotliwościach od 25 Hz do 85 Hz za pomocą shakera. Przyjmij interwał krokowy 15 Hz. Zapisz odpowiedź CVS i CVEH dla wszystkich częstotliwości.
    2. Przesuń pozycję shakera na L/3 i L/6 od podpory i powtórz powyższy krok (krok 2.3.1) dla każdej pozycji shakera.
    3. Porównaj odpowiedzi CVS i CVEH w każdym przypadku, graficznie lub analitycznie.

3. Analiza porównawcza mocy generowanej przez przetworniki piezo

UWAGA: Ta sekcja porównuje moc generowaną przez przetworniki piezo-piezo, aby uzyskać korzystne warunki dopasowania impedancji.

  1. Układ eksperymentalny
    1. Ustaw wiązkę RC z CVS i CVEH wbudowanymi w środku rozpiętości, jak wspomniano w kroku 2.1.1.
      UWAGA: Zobacz rysunek 4A dla konfiguracji eksperymentalnej.
    2. Umieść ekscentryczny wibracyjny wstrząs obrotowy w odległości L/4 od najbliższego podparcia
    3. Ustaw regulator prędkości i podłącz go do shakera.
    4. Ustaw oscyloskop. Podłącz CVS i CVEH do dwóch kanałów oscyloskopu.
    5. Umieść akcelerometr o czułości 100 mV na g w środku przęsła wiązki. Podłącz go do wzmacniacza ICP.
    6. Ustaw wzmacniacz ICP do rejestrowania pomiarów z akcelerometru.
    7. Podłącz dodatkowy obwód, jak pokazano na rysunku 4B, do przetworników piezo, aby mierzyć moc. Obwód składa się z dwóch rezystorów, R1 i R2 (R1 = 335 kΩ oraz R2 = 340 kΩ), połączonych szeregowo na czujnikach piezo.
      UWAGA: Impedancja wybranych rezystorów powinna mieścić się w podobnym zakresie jak w czujnikach piezo-piezo-rdzeniowych (impedancja źródła). Znaczące niedopasowanie impedancji może prowadzić do nadmiernego rozpraszania ciepła, znacznych strat mocy, a nawet awarii układu. Impedancję czujników można mierzyć dla różnych częstotliwości za pomocą miernika LCR. Dla obecnych CVS i CVEH średnia impedancja dla różnych częstotliwości od 20 Hz do 80 Hz (odstęp krokowy = 5 Hz) wynosi odpowiednio 32 kΩ i 35 kΩ.
    8. Ustaw cyfrowy multimetr i podłącz go do rezystora R1 , aby zmierzyć napięcie wyjściowe (V2) obwodu.
    9. Podłącz laptop do cyfrowego multimetru do akwizycji danych.
  2. Procedura
    1. Włącz shaker i wywołaj drgania wiązki RC. Dostosuj przyspieszenie shakera za pomocą kontrolera prędkości.
    2. Zapisz napięcie wyjściowe (V2) za pomocą multimetru dla każdego czujnika.
    3. Powtórz powyższy krok dla dwóch lub więcej przyspieszeń shakera.
      UWAGA: Przyjęte szczytowe przyspieszenia w badaniu wynosiły 15,19 m/s2, 17,39 m/s2 oraz 21,68 m/s2.
    4. Oblicz moc generowaną (P) przez oba czujniki dla każdego przyspieszenia shakera według wzoru podanego poniżej12,27:
      figure-protocol-1
      figure-protocol-2
      Gdzie i jest prądem przepływającym przez obwód.

4. Potencjał magazynowania energii przetworników piezoplazmowych

UWAGA: Ta sekcja koncentruje się na analizie potencjału magazynowania energii lub pozyskiwania energii przetworników piezoplazmowych przy rzeczywistych, nieregularnych drganiach przy warunkach ogólnego pola (niedopasowania impedancji). Kondensator o napięciu 1000 μF był używany do pozyskiwania energii generowanej przez przetworniki piezo.

  1. Układ eksperymentalny
    1. Ustaw aparaturę eksperymentalną zgodnie z opisem w sekcji 3.1, z wyłączeniem obwodu pomiaru mocy.
    2. Zamień obwód pomiaru mocy na prosty układ prostego prostownika pełnego mostka. Zobacz rysunek 4C, D dla konfiguracji eksperymentalnej.
      UWAGA: Cel prostego obwodu prostownika pełnego mostka: Napięcie wyjściowe generowane przez przetworniki piezoplazmowe znajduje się w trybie prądu zmiennego (AC), którego nie można przechowywać, ponieważ okresowo zmienia kierunek. Dlatego prosty układ prostego prostownika mostka jest wykorzystywany do konwersji sygnałów AC na tryb prądu stałego (DC), który jest stabilnym źródłem zasilania i może być przechowywany w kondensatorach lub bateriach. Obwód składa się z czterech diod typu Schottky'ego oznaczonych od D1 do D4, z niższym napięciem napięcia przejściowego (w zakresie 0,1 V)41. Diody są ułożone w pary szeregowe, przy czym w każdej półcykli działają tylko dwie diody. W dodatnim półcyklu dwie diody, D1 i D4, przewodzą szeregowo tam, gdzie diody D2 i D3 są wyłączone (polaryzacja wsteczna) i odwrotnie podczas ujemnego półcyklu. W ten sposób pełny obwód prostownika mostka zapewnia stabilne i pasywne układy42.
  2. Procedura
    1. Włącz shaker i wywołaj drgania wiązki RC. Dostosuj przyspieszenie shakera za pomocą kontrolera prędkości.
    2. Zapisz napięcie wyjściowe (Vc) obwodu prostownika za pomocą multimetru dla obu czujników.
    3. Oblicz całkowitą energię ET i średnią moc Pprzeciętnie przechowywaną w kondensatorze przez oba czujniki, stosując równania podane poniżej 12,13:
      figure-protocol-3
      figure-protocol-4
      Gdzie C to pojemność (1000 μF), a Tc to całkowity czas ładowania kondensatorów.
    4. Powtórz powyższe kroki dla różnych przyspieszeń.

5. Przydatność przetworników piezo do SHM w oparciu o potencjał wykrywania uszkodzeń

UWAGA: Ta sekcja ocenia przydatność przetworników piezoelektrycznych do SHM poprzez ocenę ich potencjału do wykrywania uszkodzeń za pomocą techniki EMI.

  1. Eksperymentalne przygotowanie:
    1. Umieść tę samą belkę RC, jak wspomniano w poprzednich sekcjach.
    2. Ustaw miernik LCR do pomiaru sygnatury admitancji elektrycznej i podłącz go do przetworników piezo.
    3. Podłącz też laptopa do miernika LCR.
    4. Zamontuj cyfrowy termometr, aby zapewnić jednolitą temperaturę w pokoju przez cały eksperyment.
      UWAGA: Zobacz rysunek 5A dla konfiguracji eksperymentalnej.
  2. Procedura
    1. Za pomocą miernika LCR zastosowano harmoniczny potencjał elektryczny na przetwornikach, aby wzbudzić je przy wysokich częstotliwościach w trybie przebiegu.
      Przypadek 1: Grubszy zakres częstotliwości: 1 kHz do 1000 kHz, odstęp krokowy 1 kHz
      Przypadek 2: Węższy zakres częstotliwości: 100 kHz do 300 kHz, odstęp krokowy 100 Hz
    2. Uzyskaj sygnaturę admitancyjną generowaną przez przetworniki za pomocą miernika LCR i laptopa dla obu przypadków. Te sygnatury na etapie zdrowia struktury nazywane są sygnaturami bazowymi.
    3. Powtórz kroki ponownie, aby sprawdzić korelację między sygnaturami w każdym przypadku.
    4. Indukuj uszkodzenia belki, wiercąc otwór i powtarzaj kroki 5.2.1 i 5.2.2, aby uzyskać sygnatury podczas uszkodzenia etapu 1.
    5. Indukuj więcej uszkodzeń, wiercąc więcej otworów i powtarzaj kroki 5.2.1 i 5.2.2, aby uzyskać sygnatury na każdym etapie uszkodzenia. W obecnym badaniu wywołano trzy szkody, co pokazano na rysunku 5B.
    6. Porównaj i przeanalizuj sygnatury wizualnie i numerycznie, porównując wartość średniego odchylenia kwadratowego korzenia (RMSD) między sygnaturami zdrowego i uszkodzonego etapu.
    7. RMSD można obliczyć za pomocą równania podanego poniżej12,13:
      figure-protocol-5
      gdzie n to wielkość próby, xdi i xhi to i-te wartości w sygnaturach odpowiednio na etapie uszkodzonym i zdrowym.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

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

Analiza porównawcza napięcia otwartego obwodu generowanego przez przetworniki piezo-piezoowe przy czystej wzbudzeniu harmonicznej
Odpowieści w dziedzinie czasu piezoprzetworników i akcelerometru przedstawiono na rysunku 6A,B. Z sygnałów w dziedzinie czasu wyprowadzone są ich odpowiedzi w dziedzinie częstotliwości metodą szybkiej transformaty Fouriera (FFT), a odpowiedzi przedstawiono na rysunku 6C,D. Często...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

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

Kluczowym krokiem w przedstawionym protokole jest dokładne określenie częstotliwości własnej systemu drgającego wiązkę. Ten etap jest niezbędny, ponieważ zarówno zdolności pozyskiwania energii, jak i monitorowania stanu strukturalnego (SHM) przetworników piezoelektrycznych są silnie zależne od dynamicznego zachowania systemu. Zastosowanie wzbudzenia przemiatania ułatwiło identyfikację częstotliwości rezonansowej systemu drgającego wiązkę. Podczas tej procedury jednoczesnie rejestrowano odpowiedzi w dziedzinie częstotliwo...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

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

Niniejszy artykuł jest adaptacją wcześniej opublikowanych prac autorów11, 12, 13i ma na celu wyłącznie cele edukacyjne, a szczególnie ułatwia rozpowszechnianie wiedzy i sztuki naukowej za pomocą formatu wideo. Rysunki od 1 do 12 zostały odtworzone za zgodą Elsevier.

Podziękowania

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

Prace te zostały finansowo wsparte przez Indian Institute of Technology (IIT) Delhi oraz Department of Science and Technology [DST/INSPIRE/04/2015/000545]. Autorzy z wyrazistością doceniają wsparcie udzielone przez pana Sameera Hasana i pana Pawana przy tworzeniu wideo do czasopisma.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
AkcelerometrPiezotronika PCB352C34
Kruszywa - 10 mmN/AN/A
Kruszywa - 20 mmN/AN/A
Kondensator (1000 μ F) N/AN/A
CementN/AN/A
Multimetr cyfrowy Agilent Technologies34411A
Termometr cyfrowy La Crosse Technology WS-9006U 
EpoksydowaN/AN/A
Generator funkcji Agilent Technologies33210A
Wzmacniacz ICP & nbsp;Piezotronika PCBSeria 482C
Miernik LCRAgilent TechnologiesE4980A
Makrowłóknowy kompozyt (MFC) Inteligentne materiałyM5628-P2
OscyloskopTektronixTDS 2004B
Przenośny shaker  LDSV406
Wzmacniacz mocy & nbsp;LDSPA500L
RezystoryN/AN/A
Obrotowy shaker  Crompton Greaves XKF5577Obecnie niedostępne
PiasekN/AN/A
diody typu Schottky'ego Diody wbudowaneBAT1000
PrzewodyN/AN/A

Bibliografia

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

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Zakrzywione przetworniki piezoelektryczneelbetimpedancja elektromechanicznaprzetwornik energii wibracjinapi cie w obwodzie otwartymkondensator magazynuj cy energianaliza w dziedzinie cz stotliwo ci

Powiązane artykuły