Badanie potencjału cienkich przetworników piezoelektrycznych o pojedynczym zakrzywieniu do pozyskiwania energii i monitorowania stanu konstrukcji
14 listopada 2025
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.
Głównym celem naszych badań jest kompleksowa ocena nowo wynalezionego zbieracza energii drgań z czujnikiem w porównaniu z naszym obecnym czujnikiem drgań do pozyskiwania energii oraz monitorowania stanu konstrukcji. Najnowsze osiągnięcia w tej dziedzinie obejmują innowacyjne lokalne czujniki, takie jak DCVS, DCVH oraz wariant Tipizodal, które mogą bardzo łatwo zastąpić kosztowne dodatki do pełnej analizy modeli 3D i mogą być bezproblemowo zintegrowane z technologią AAML i UVM. Naszym zdaniem futurystyczne technologie sensoryczne to AI, ML zintegrowane z tymi czujnikami elektrycznymi, światłowody oraz czujniki oparte na wzroku.
Fuzja sensorów i internet rzeczy dają ogromną nadzieję na naszą przyszłość. Głównym wyzwaniem jest opracowanie samodzielnych, autonomicznych i miniaturowych systemów akwizycji danych skoncentrowanych na chmurze, opartych na pH, kwalifikujących wykrywanie IoT w profesjonalnym sensie. Nasz nowy wynalazek, CVH, oparty na nowatorskim projekcie topologicznym opartym na zasadach mechaniki, znacząco zwiększa pozyskiwaną energię, siłę przerywaną, a także istnieje w SHM, niezależnie od tego, czy opiera się na technikach globalnych drgań, czy lokalnej technice elektromechanicznej impotencji.
Na początek poupewnij się, że połączenia elektryczne przetworników piezoelektrycznych pozostają chronione przez cały proces odlewania. Następnie ustawienie belki żelbetowej w układzie podpartym o efektywnym rozpiętości 1 100 milimetrów do eksperymentalnych badań. Następnie umieść shaker na jednej trzeciej długości belki.
Teraz podłącz czujnik drgań betonu i energię zbieracza drgań betonu do dwóch kanałów oscyloskopu. Zamontuj akcelerometr o czułości 100 milivoltów na G w połowie wiązki, a następnie podłącz go do wzmacniacza ICP. Wzbudzić belkę żelbetową za pomocą wstrząsaczy w trybie suite i przeprowadzić analizę odpowiedzi w dziedzinie częstotliwości czujnika drgań betonu, drgań betonu, zbieracza energii i akcelerometru.
Następnie umieść ekscentryczny obrotowy wstrząs w środku przęsła belki. Podłącz i ustaw regulator prędkości do regulacji shakera. Aby przeanalizować moc generowaną przez przetworniki piezo, najpierw przygotuj obwód pomiaru mocy poprzez połączenie dwóch rezystorów, R1 i R2, szeregowo na czujnikach piezo.
Podłącz oscyloskop na R1, aby monitorować napięcie wyjściowe V2. Odczyty napięcia są wyświetlane w oscyloskopie. Uruchom wstrząsacz, aby wywołać drgania w belce żelbetowej i reguluj przyspieszenie za pomocą regulatora prędkości. Za pomocą oscyloskopu zapisz napięcie wyjściowe V2 z każdego czujnika.
Następnie oblicz moc generowaną przez każdy czujnik przy różnych poziomach przyspieszenia. Aby ocenić potencjał magazynowania mocy przetworników piezo, należy skonfigurować urządzenie eksperymentalne bez obwodu pomiaru mocy. Zamień go na prosty obwód prostownika pełnego mostka.
Włącz shaker i wywołaj drgania w belce żelbetowej. Dostosuj przyspieszenie shakera za pomocą kontrolera prędkości. Za pomocą oscyloskopu zmierz i zapisz napięcie wyjściowe VC z obwodu prostownika dla obu czujników.
Oblicz całkowitą energię zgromadzoną oraz średnią moc osiągniętą w kondensatorze dla obu czujników, używając podanych równań. Do monitorowania stanu konstrukcji podłącz miernik LCR do biurka, aby zmierzyć sygnaturę admitancyjną elektryczną. Zamontuj cyfrowy termometr, aby zapewnić utrzymanie jednolitej temperatury w pomieszczeniu przez cały czas trwania eksperymentu.
Wzbudzić czujniki, przystosowując na nie harmoniczny potencjał elektryczny o wysokich częstotliwościach w trybie suite z miernikiem LCR. Następnie wywołaj uszkodzenia belki, wiercąc otwory jeden po drugim. W dziedzinie częstotliwości maksymalna częstotliwość została zidentyfikowana na poziomie około 55 Hz zarówno dla przetworników, jak i akcelerometru, co potwierdza częstotliwość własną wiązki.
W wzbudzeniu sinusoidalnym CVEH generował konsekwentnie wyższe napięcie niż CVS w tym samym przedziale czasowym. Na różnych częstotliwościach wzbudzenia i pozycjach potrząsających CVEH konsekwentnie generował wyższe napięcie otwartego obwodu niż CVS, szczególnie na jednej trzeciej i połowie od podparcia wiązki. Moc generowana przez CVEH znacznie wzrosła wraz z przyspieszeniem, a wskaźniki mocy wzrosły z 8,36 przy 15,19 metra na sekundę do kwadratu do 13,01 przy 21,68 metra na sekundę kwadrat.
Przy przyspieszeniu środkowym 4,89 metra na sekundę kwadrat, CVEH naładował kondensator w 236 sekund, podczas gdy CVS naładował 335 sekund. Przy wyższym przyspieszeniu 8,84 metra na sekundę kwadrat CVEH osiągnął moc 8,65 mikrowata, czyli około 1,68 razy więcej niż CVS przy 5,14 mikrowatach. Do monitorowania stanu strukturalnego odchylenia od wyjściowych sygnatur admitancyjnych były bardziej widoczne w CVEH niż w CVS, zwłaszcza po kolejnych etapach uszkodzenia.
Pierwiastek oznacza, że wartości kwadratowe odchylenia między zdrowym a uszkodzonym stadiem były konsekwentnie wyższe w CVEH niż w CVS zarówno dla przewodności, jak i susceptycyjności.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejsza praca ocenia nowo opracowany przetwornik energii z wibracji betonu w porównaniu z istniejącymi modelami służącymi do pozyskiwania energii i monitorowania stanu technicznego konstrukcji. Badania podkreślają zalety zakrzywionych przetworników piezoelektrycznych nad prostymi w zastosowaniach praktycznych.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Strukturalny monitoring stanu technicznego
- Pozyskiwanie energii
Wstęp
- Opracowanie innowacyjnych czujników lokalnych dla konstrukcji betonowych.
- Integracja AI i ML z czujnikami elektrycznymi w celu poprawy wydajności.
- Wyzwania w tworzeniu autonomicznych systemów akwizycji danych.
- Znaczenie fuzji czujników i IoT w przyszłych technologiach.
Cel badania
- Porównanie wydajności zakrzywionych i prostych przetworników piezoelektrycznych.
- Ocena ich skuteczności w odzyskiwaniu energii i detekcji uszkodzeń.
- Analiza postępów w technologii czujników do zastosowań konstrukcyjnych.
Zastosowane metody
- Eksperymentalne porównanie konstrukcji przetworników.
- Ocena napięcia obwodu otwartego i generowania mocy.
- Ocena możliwości magazynowania energii.
- Analiza skuteczności detekcji uszkodzeń.
Główne wyniki
- Przetworniki zakrzywione wykazały lepsze parametry pracy w porównaniu z przetwornikami prostymi.
- W zastosowaniach praktycznych zaobserwowano zwiększone możliwości odzyskiwania energii.
- Zgłoszono poprawę wyników monitorowania stanu technicznego konstrukcji.
- Innowacyjne projekty wykazały potencjał w zakresie przyszłych technologii czujnikowych.
Wnioski
- Zakrzywione przetworniki piezoelektryczne są bardziej efektywne w pozyskiwaniu energii.
- Badania potwierdzają zasadność integracji zaawansowanych technologii w monitorowaniu strukturalnym.
- Przyszłe kierunki rozwoju powinny koncentrować się na autonomicznych i wydajnych systemach sensorycznych.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Niezawodne pozyskiwanie energii oraz monitorowanie stanu technicznego konstrukcji (SHM) mają krytyczne znaczenie dla długoterminowej integralności i bezpieczeństwa eksploatacyjnego infrastruktury, co ma bezpośredni wpływ na zakłady produkcyjne i placówki badawcze sektora biofarmaceutycznego. Porównawcza ocena cienkich przetworników piezoelektrycznych o pojedynczym zakrzywieniu w stosunku do konfiguracji prostych pozwala zwiększyć pewność prognostyczną w zakresie wydajności czujników i wspiera strategie konserwacyjne dostosowane do poziomu ryzyka. Udoskonalone systemy SHM oraz autonomiczne rozwiązania energetyczne mogą ograniczyć przerwy w eksploatacji i wspierać ciągłe zarządzanie obiektami w oparciu o dane.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Wspiera ograniczanie ryzyka mechanicznego poprzez umożliwienie precyzyjnego wykrywania anomalii strukturalnych w środowiskach badawczych.
- Ułatwia walidację funkcjonalną wbudowanych technologii czujnikowych do monitorowania infrastruktury krytycznej.
- Zwiększa pewność predykcyjną systemów monitorowania opartych na czujnikach w zakresie bezpieczeństwa obiektów.
Przesiewy i opracowywanie testów
- Umożliwia ustandaryzowaną ocenę konfiguracji czujników w celu zapewnienia powtarzalnego pozyskiwania danych SHM.
- Zapewnia wyjściowe dane ilościowe, takie jak napięcie obwodu otwartego i generowana moc, do analizy porównawczej.
- Wspiera skalowalną implementację zwalidowanych systemów czujników w wielu zasobach infrastrukturalnych.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Zapewnia ciągłość translacyjną poprzez przeniesienie wyników oceny wydajności czujników z układów eksperymentalnych do infrastruktury rzeczywistej.
- Umożliwia dostosowany do ryzyka rozwój technologii czujników do zastosowań w placówkach przedklinicznych.
- Poprawia predykcyjne ograniczanie ryzyka w systemach monitorowania placówek dzięki rygorystycznej walidacji czujników.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda ta wpisuje się w ciąg monitorowania obiektu, od wczesnej walidacji czujników po wdrożenie w środowiskach operacyjnych, wspierając potrzeby zarówno infrastruktury badawczej, jak i translacyjnej.
- Biologia odkrywcza: Umożliwia weryfikację hipotez dotyczących wydajności czujników i odpowiedzi strukturalnej w kontrolowanych warunkach.
- Przesiewanie: Zapewnia powtarzalne, ilościowe odczyty służące do porównania i wyboru czujników.
- Analityka: Dostarcza pomiary napięcia, mocy i impedancji, które stanowią podstawę do decyzji w zakresie konserwacji zależnej od stanu technicznego.
- Badania translacyjne: Wspierają ciągłość procesu od walidacji laboratoryjnej po integrację z obiektami w rzeczywistych warunkach.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Tworzy platformę wielokrotnego użytku do ciągłego monitorowania stanu konstrukcji (SHM) i odzyskiwania energii w różnych zasobach infrastrukturalnych.
Wpływ operacyjny i instytucjonalny
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną i redukuje niejednoznaczność mechanistyczną w monitorowaniu obiektów.
- Wartość operacyjna: Poprawia standaryzację, powtarzalność i skalowalność rozwiązań SHM opartych na czujnikach.
- Wartość strategiczna: Umożliwia podejmowanie świadomych decyzji typu go/no-go w zakresie rozmieszczania czujników i alokacji kapitału.
- Wpływ na portfolio: Wspiera priorytetyzację inwestycji infrastrukturalnych i strategii konserwacyjnych z uwzględnieniem ryzyka.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymagana jest wiedza specjalistyczna w zakresie integracji czujników piezoelektrycznych i analizy danych.
- Niezbędna jest aparatura pomiarowa, taka jak oscyloskopy, mierniki LCR i wstrząsarki do walidacji.
- Wymagana jest standaryzacja międzyzespołowa w zakresie rozmieszczenia czujników i interpretacji danych.
- Konieczna może być adaptacja do różnych materiałów konstrukcyjnych i typów obiektów.
- Wydajność może różnić się w rzeczywistych warunkach nieregularnych wibracji i niedopasowania impedancji.
