Investigando o potencial de transdutores piezoelétricos finos e curvados individualmente para coleta de energia e monitoramento da integridade estrutural

O principal escopo de nossa pesquisa é avaliar de forma abrangente nosso recém-inventado coletor de energia de vibração de concreto com sensor, em comparação com nosso sensor existente que é sensor de vibração de concreto para coleta de energia, bem como monitoramento de integridade estrutural. Desenvolvimentos recentes no campo incluem sensores locais com design inovador, como DCVS, DCVH e a variante Titizodal, que podem substituir facilmente extras caros para análise completa de modelos 3D e podem ser perfeitamente integrados à tecnologia AAML e UVM. Em nossa opinião, as tecnologias de detecção futuristas são IA, ML integrado a esses sensores elétricos, fibra óptica e detecção baseada em visão.

A fusão de sensores e a internet das coisas são uma grande promessa para o nosso futuro. O principal desafio é o desenvolvimento de sistemas autônomos de aquisição de dados autônomos e em miniatura centrados na nuvem, qualificando a detecção IOT no sentido profissional. Nossa nova invenção, CVH, baseada em um novo design baseado em topologia liderada por princípios da mecânica, aumenta drasticamente a energia coletada, a força cortada e também existe no SHM, seja com base nas técnicas de vibração global ou na técnica de impotência eletromecânica local.

Para começar, confirme se as conexões elétricas dos transdutores elétricos Piezo permanecem protegidas durante todo o processo de fundição. Em seguida, posicione a viga de concreto armado em uma configuração apoiada com um vão efetivo de 1.100 milímetros para testes experimentais. Em seguida, posicione um agitador a um terço do comprimento da viga.

Agora, conecte o sensor de vibração de concreto e as saídas do coletor de energia de vibração de concreto a dois canais de um osciloscópio. Fixe um acelerômetro com uma sensibilidade de 100 milivolts por G no meio do feixe e conecte-o a um amplificador ICP. Excite a viga de concreto armado usando o agitador no modo de suíte e conduza a análise no domínio da frequência das respostas do sensor de vibração do concreto, vibração do concreto, coletor de energia e acelerômetro.

Em seguida, posicione um agitador do tipo rotativo excêntrico no meio do vão da viga. Conecte e configure um controlador de velocidade para regular o agitador. Para analisar a energia gerada pelos transdutores Piezo, primeiro prepare um circuito de medição de potência conectando dois resistores, R1 e R2, em série através dos sensores Piezo.

Conecte um osciloscópio em R1 para monitorar a tensão de saída V2. As leituras de tensão são exibidas no osciloscópio. Ligue o agitador para induzir vibrações na viga de concreto armado e ajuste a aceleração, usando o controlador de velocidade. Usando o osciloscópio, registre a tensão de saída V2 de cada sensor.

Em seguida, calcule a potência gerada por cada sensor nos diferentes níveis de aceleração. Para avaliar o potencial de armazenamento de energia dos transdutores Piezo, configure o aparato experimental sem o circuito de medição de potência. Substitua-o por um circuito retificador de ponte completa simples.

Ligue o agitador e induza vibrações na viga de concreto armado. Ajuste a aceleração do agitador usando o controlador de velocidade. Usando o osciloscópio, meça e registre a tensão de saída VC do circuito retificador para ambos os sensores.

Calcule a energia total armazenada e a potência média alcançada no capacitor para ambos os sensores, usando as equações fornecidas. Para monitoramento da integridade estrutural, conecte um medidor LCR à área de trabalho para a medição da assinatura de admitância elétrica. Coloque um termômetro digital para garantir que uma temperatura ambiente uniforme seja mantida durante todo o experimento.

Excite os sensores aplicando um potencial elétrico harmônico através deles em altas frequências no modo de suíte com o medidor LCR. Em seguida, induza danos na viga fazendo furos um por um. No domínio da frequência, a frequência de pico foi identificada em aproximadamente 55 hertz para ambos os transdutores e o acelerômetro, confirmando a frequência natural do feixe.

Na excitação senoidal, a CVEH gerou uma voltagem consistentemente maior do que a CVS no mesmo intervalo de tempo. Em várias frequências de excitação e posições do agitador, o CVEH produziu consistentemente uma tensão de circuito aberto mais alta do que o CVS, particularmente em um terço e meio do caminho do suporte do feixe. A potência gerada pelo CVEH aumentou substancialmente com a aceleração, com as taxas de potência subindo de 8,36 a 15,19 metros por segundo ao quadrado para 13,01 a 21,68 metros por segundo ao quadrado.

A uma aceleração de ponto médio de 4,89 metros por segundo ao quadrado, o CVEH carregou o capacitor em 236 segundos, em comparação com 335 segundos do CVS. A uma aceleração mais alta de 8,84 metros por segundo ao quadrado, o CVEH alcançou 8,65 microwatts de potência, aproximadamente 1,68 vezes a do CVS a 5,14 microwatts. Para o monitoramento da integridade estrutural, o desvio das assinaturas de admitância basal foi mais pronunciado no CVEH do que no CVS, especialmente após estágios sucessivos de dano.

Os valores de desvio quadrático médio entre os estágios saudáveis e danificados foram consistentemente maiores no CVEH do que no CVS para condutância e susceptância.