Методическая статья

Исследование потенциала тонких пьезоэлектрических преобразователей с одиночной кривизной для сбора энергии и мониторинга состояния конструкций

1.3K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/68141

⸱

14 ноября 2025 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

В данной работе мы экспериментально сравниваем одиночно изогнутые и прямые пьезоэлектрические преобразователи, встроенные в железобетонные конструкции, для сбора энергии и мониторинга состояния конструкций, оценивая их напряжение холостого хода, выработку энергии, накопление энергии и способность обнаруживать повреждения. Изогнутые преобразователи превзошли прямые, обеспечивая лучшую производительность для реальных приложений.

Аннотация

За последние два десятилетия пьезоэлектрические материалы стали неотъемлемой частью мониторинга состояния конструкций (SHM) и сбора энергии. Эти материалы доступны в различных формах и конфигурациях, но потенциал изогнутых конфигураций остается в значительной степени неизученным. В этой статье экспериментально исследуются характеристики тонких пьезоэлектрических преобразователей с одиночной кривизной по сравнению с их прямой конфигурацией при встраивании в железобетонные конструкции (RC) для сбора энергии и приложений SHM. Исследование включает в себя параллельное сравнение этих конфигураций на основе (а) напряжения холостого хода, генерируемого ими при чистых гармонических возбуждениях, (б) мощности, вырабатываемой в условиях согласования импеданса, и (в) их потенциала для накопления мощности в конденсаторах в реальных условиях неустойчивых колебаний с несогласованием импеданса. Кроме того, в статье исследуются возможности обнаружения повреждений изогнутых пьезопреобразователей с использованием метода электромеханического импеданса (ЭМП), область, которая не была тщательно изучена.

Результаты всех четырех экспериментов показывают, что изогнутые пьезопреобразователи превосходят свои прямые конфигурации как в системах SHM, так и в приложениях сбора энергии. Таким образом, результаты этих исследований имеют решающее значение для эффективного использования изогнутых пьезоэлектрических преобразователей в реальных RC-структурах, улучшая как сбор энергии, так и мониторинг состояния конструкции, что, по сути, приводит к экономичному обслуживанию и безопасной эксплуатации RC-конструкций.

Введение

Мониторинг состояния конструкций (SHM) — это важнейшая инженерная наука, направленная на обеспечение безопасности, долговечности, экономичной эксплуатации и производительности конструкций, таких как здания, мосты, плотины и т. д. SHM использует различные датчики, системы сбора данных и передовые технологии для сбора данных в режиме реального времени, таких как напряжение, деформация, вибрация, смещение, температура и т. д., для периодического анализа состояния конструкции на протяжении всего ее жизненного цикла1. 2. Обнаруживая признаки повреждения, износа, деградации или любых других аномалий на ранней стадии, SHM обеспечивает экономичное обслуживание и безопасную эксплуатацию конструкции, тем самым продлевая срок ее службы.

Пьезоэлектрические материалы — это класс интеллектуальных материалов с уникальной способностью развивать электрический потенциал на своей поверхности в ответ на механические вибрации/напряжения или деформации и наоборот. Прямые и обратные эффекты пьезоэлектричества объяснены на рисунке 1. Благодаря этой уникальной способности они широко используются в качестве датчиков, приводов и сборщиков энергии в машиностроении, медицине и области SHM 3,4,5,6,7,8. Различные типы пьезоэлектрических материалов включают природные кристаллы, такие как кварц (SiO2), топаз и т. д., пьезокерамику, такую как титанат цирконата свинца (PZT), пьезоэлектрические полимеры, в основном поливинилиденфторид (PVDF), и многие другие. Каур и Бхалла (2015) установили, что один и тот же набор пьезоэлектрических преобразователей (патчей PZT) может быть использован для SHM бетонных конструкций и для сбора энергии, необходимой для их функционирования в качестве датчиков9. Таким образом, энергия окружающей среды, собираемая в режиме реального времени, устраняет потребность в многочисленных батареях, поскольку энергию необходимо хранить только временно для SHM10.

Свойство пьезоэлектрических материалов в качестве датчика и накопителя энергии основано на явлении прямого пьезоэлектрического эффекта (рис. 1), когда пьезоэлектрический материал развивает электрический потенциал или напряжение (В) на противоположных поверхностях при воздействии механической деформации (S1). Это представлено уравнением:

figure-introduction-1(1)

Где d31 – коэффициент пьезоэлектрической деформации, выраженный в C/N или m/V. Индекс "31" указывает, что электрическое поле, приложенное в направлении 3, индуцирует деформацию в направлении 1, hp обозначает толщину пьезоэлектрического материала в метрах, figure-introduction-2 представляет собой динамический модуль Юнга при постоянном или нулевом электрическом поле, измеряемый в Н/м2, и figure-introduction-3 является динамической электрической проницаемостью при постоянном или нулевом механическом напряжении, измерено в F/m 3,11,12.

Пьезоэлектрические материалы, встроенные внутрь или связанные с поверхностью конструкции, могут быть использованы для мониторинга аномалий в структуре на основе измерений деформации и импеданса, которые они регистрируют. Эти материалы могут непосредственно придавать формы формы кривизны и поэтому часто используются для глобальных динамических методов13,14. С развитием метода электромеханического импеданса (ЭМИ) эти материалы также доказали свою эффективность в обнаружении локализованных повреждений15,16. Метод электромагнитных помех получил широкую известность в области SHM благодаря своей неразрушающей природе, простоте внедрения и экономичности преобразователей PZT. В этом методе патчи PZT, установленные на хост-структуре, подвергаются электрическому возбуждению с приложением гармонического электрического потенциала на высоких частотах (в килогерцовом диапазоне [кГц]) в режиме развертки с помощью измерителя индуктивности-емкости-сопротивления (LCR) или анализатора импеданса.

В результате прямого пьезоэлектрического воздействия он генерирует механические колебания в конструкции. А благодаря обратному пьезоэлектрическому эффекту эти механические колебания влияют на электромеханическое сопротивление пьезоэлектрического преобразователя17,18. Эта сигнатура электромеханического импеданса генерируется в том же диапазоне частот, что и сигнал возбуждения. Следующее уравнение представляет собой электромеханический адмиттансfigure-introduction-4, обратный электромеханическому импедансу,для системы 19-D модели

figure-introduction-5(2)

Где ω — угловая частота в рад/с, figure-introduction-6, l, w и h — соответственно половинная длина, ширина и толщина пятна PZT. Z и Za представляют собой комплексное механическое сопротивление структуры и участка PZT соответственно, а κ — волновое число. Эти сигнатуры остаются стабильными и последовательными до тех пор, пока структура не повреждена. Однако при возникновении любых повреждений наблюдаются значительные изменения между текущей и исходной сигнатурой (сигнатурой, приобретенной на здоровой стадии конструкции). Анализируя сигнатуру импеданса, можно обнаружить наличие, локализацию и серьезность повреждений на ранних стадиях и своевременно провести экономически эффективные работы по исправлению, повышая долговечность конструкции 20,21,22.

За последние два десятилетия были проведены обширные исследования по изучению потенциала пьезоэлектрических материалов для сбора энергии. Несмотря на то, что эти материалы доступны в нескольких конфигурациях, таких как трубки, сферы, диски и т.д., большинство исследований основано на прямых пьезоэлектрических участках, полосках, стержнях и т.д.23,24. Следовательно, необходимо изучить потенциал различных других конфигураций пьезопреобразователей.

Патчи PZT заняли значительное место в области SHM за последние два десятилетия. Тем не менее, использование голых заплаток PZT для бетонных конструкций не рекомендуется, так как они могут испортиться в процессе строительства. Поэтому Бхалла и Гупта (2007, 2022) пришли к идее датчика вибрации бетона (CVS), который представляет собой готовый к использованию датчик в первую очередь для SHM бетонных конструкций25,26, разработанный в Лаборатории интеллектуальных конструкций и динамики (SSDL), IIT Delhi. В CVS пьезоэлектрический преобразователь (патч PZT) тщательно покрывается композитным защитным слоем, что делает его готовым к использованию для непосредственной установки в реальной жизни перед установкой в бетонную конструкцию. Марка бетонного баллона, в котором находится заплатка PZT, должна быть равной или выше марки бетонной конструкции, в которую она должна быть встроена. CVS имеет очень сильную совместимость деформаций со структурой хозяина и может легко приобретать формы кривизны и резонансные частоты, а также может выдерживать экстремальные условия по сравнению с датчиками PZT с поверхностной связью. Каур (2015) экспериментально установил использование CVS для SHM и в качестве комбайна энергии путем выработки энергии, необходимой для работы SHM во время простоя27.

Подобно CVS, вибрационный комбайн для бетона (CVEH) представляет собой готовый к использованию датчик, разработанный в SSDL для сбора энергии из бетонных конструкций; однако, в отличие от CVS, CVEH инкапсулирует изогнутый преобразователь28. Повышенное изгибающее напряжение/деформация, создаваемая на пьезоучастке в результате изогнутой формы, повышает развиваемое напряжение и, следовательно, выработку электроэнергии. Однако из-за хрупкой природы пьезокерамики не все пьезопластыри можно использовать для производства CVEH. Пьезоэлемент, используемый для изготовления CVEH, должен быть тщательно подобран таким образом, чтобы он создавал только эффект d31 . Наличие эффекта d33 будет нейтрализовать преимущества d31 в изогнутых пьезопреобразователях, где направление полировки изменяется перпендикулярно по всей кривизне, снижая КПД преобразователя29. Используя пластырь из композитного макроволокна (MFC) типа d31 , очень гибкий и высокопроизводительный пьезовариант, разработанный Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA), Сингх (2017) успешно изготовил CVEH и экспериментально подтвердил, что CVEH обеспечивает почти двойную способность генерации напряжения разомкнутой цепи, чем CVS. Тем не менее, существует нехватка систематических вычислительных и экспериментальных исследований, охватывающих измерение мощности в реальных условиях по сравнению с прямым расположением, несмотря на признаки превосходной производительности изогнутой конфигурации. Кроме того, не проводилось никаких исследований по изучению возможностей изогнутого расположения для SHM.

Ожидается, что изогнутые пьезоэлектрические материалы для сбора энергии (CVEH) будут иметь ряд преимуществ по сравнению с традиционными плоскими или плоскими материалами для сбора пьезоэлектрической энергии. Изогнутые пьезоэлектрические материалы демонстрируют улучшенное распределение напряжений/деформаций по пьезоэлектрической поверхности из-за характера их деформации при воздействии внешних сил. Поскольку деформация в этих материалах распределяется более равномерно, это повышает эффективность преобразования энергии и выработки электроэнергии и позволяет функционировать в очень низких диапазонах частот 30,31,32,33. Производительность MFC (композитов с макроволокнами) была продемонстрирована во всем мире с точки зрения гибкости, надежности, долговечности, устойчивости к повреждениям, повышенной эффективности привода, а также возможностей направленного привода и считывания 34,35,36,37. CVS или CVEH на основе MFC изготавливается путем инкапсуляции заплаток в бетонные или растворные цилиндры после нанесения подходящего защитного покрытия. После того, как эти преобразователи встраиваются в конструкцию во время ее литья, вся конструкция со встроенным CVS/CVEH функционирует как единая система. До тех пор, пока конструкция остается прочной, CVEH или CVS (системы мониторинга состояния конструкции) также сохраняют свою эксплуатационную эффективность и долговечность. Таким образом, системы CVS и CVEH на основе MFC обеспечивают превосходную долговечность для мониторинга состояния конструкций.

Целью данного исследования является сравнение изогнутых и прямых конфигураций пьезоэлектрических преобразователей (CVEH и CVS соответственно), встроенных в RC-структуры, с точки зрения производительности для сбора энергии и SHM. В исследовании исследуются напряжение холостого хода на пьезопреобразователях, развитие мощности в условиях согласования импеданса и возможность накопления энергии в конденсаторах для обеих конфигураций. В данной работе также экспериментально исследуется ранее неизвестный потенциал обнаружения повреждений изогнутых пьезопреобразователей с использованием метода EMI.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

ПРИМЕЧАНИЕ: Этот протокол представляет собой краткое описание магистерского проекта, выполненного в Лаборатории интеллектуальных структур и динамики (SSDL) Индийского технологического института в Дели. Полную информацию можно оценить из магистерской диссертации11 и связанных с ней публикаций12,13.

1. Эксперименты: материалы, изготовление и настройка

  1. Материалы
    ПРИМЕЧАНИЕ: Пьезокерамика заняла видное место в области SHM и сбора энергии благодаря своей высокой прочности, жесткости и коэффициентам сцепления. Хрупкость этих материалов, однако, ограничивает их использование изогнутыми поверхностями. В связи с этим Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) разработало особенно гибкую и высокопроизводительную пьезоверсию, а именно MFC, которая была выбрана в качестве пьезоэлектрического преобразователя для текущего исследования.
    1. Используйте вариант M5628-P2, толщиной 300 μм и с эффектом подошвы d31 .
  2. Изготовление и настройка
    1. Отлиты два баллона для цементного раствора диаметром 100 мм и толщиной 30 мм.
    2. Поместите прямые и изогнутые пьезопреобразователи MFC в цилиндры раствора в средней глубине во время литья (рис. 2A, B).
    3. Нанесите защитный слой стандартного эпоксидного клея на патчи MFC, чтобы избежать разрушения во время литья.
    4. Отверждите цилиндры раствора (рис. 2C, D), закрывающие датчики, в течение 7 дней.
    5. Отлить железобетонную балку (1500 мм [L] × 300 мм [B] × 100 мм [D]) марки M30.
    6. Закладывайте CVEH и CVS в месте среднего пролета, привязывая их к верхнему слою компрессионной арматуры балки во время литья. Убедитесь, что их верхняя поверхность совпадает с поверхностью луча, как показано на рисунке 2E29. Свойства RC-луча и пьезопреобразователя приведены в таблице 1.
    7. Убедитесь, что электрические соединения пьезопреобразователей надежно закреплены в течение всего процесса.
    8. Поместите железобетонную балку в опорное состояние с эффективным пролетом 1100 мм для выполнения различных экспериментов.

2. Сравнительный анализ напряжения холостого хода, генерируемого на пьезопреобразователях при чистом гармоническом возбуждении

ПРИМЕЧАНИЕ: В этом разделе сравнивается напряжение холостого хода, генерируемое прямым и изогнутым пьезопреобразователями при чистых гармонических возбуждениях.

  1. Экспериментальная установка
    1. Установите железобетонную балку со встроенными CVS и CVEH внутри в середине пролета, как упоминалось в предыдущем абзаце.
    2. Установите переносной вибростенд для индуцирования гармонического возбуждения, расположенный на расстоянии L/2 от опоры, где L – эффективный пролет балки.
    3. Настройте генератор функций для генерации электрических сигналов.
    4. Настройка усилителя мощности для усиления сигналов, генерируемых функциональным генератором и передаваемых на шейкер (следовательно, подключенных к вибростенду и функциональному генератору)
    5. Настройте осциллограф для измерения напряжения холостого хода, генерируемого на датчиках. Подключите электрические провода от пьезодатчиков к двум каналам осциллографа.
    6. Установите акселерометр с чувствительностью 100 мВ на g, размещенный на луче ближе к вибростенду для измерения ускорения, где g представляет ускорение под действием силы тяжести.
    7. Настройте усилитель ICP для записи измерений с акселерометра (следовательно, подключенного к акселерометру и третьему каналу осциллографа)
      ПРИМЕЧАНИЕ: Экспериментальную установку см. на рисунке 3 .
  2. Процедура анализа в частотной области
    1. Возбуждайте RC-луч с помощью портативного вибростенда в режиме развертки. Входные данные подаются на генератор функций: Динамическое возбуждение развертки от 10 Гц до 100 Гц в течение 2,5 с.
    2. Проведите анализ в частотной области откликов, полученных от пьезодатчиков и акселерометра, для определения собственной частоты луча. Пожалуйста, обратитесь к ранее опубликованным статьям для получения подробной информации о процедуре анализа в частотной области 38,39,40.
  3. Процедура сравнения напряжения холостого хода
    1. Возбуждайте луч на различных частотах от 25 Гц до 85 Гц с помощью вибростенда. Примите интервал 15 Гц. Запишите отклик CVS и CVEH для всех частот.
    2. Сместите положение шейкера на расстояние L/3 и L/6 от опоры и повторите вышеуказанный шаг (шаг 2.3.1) для каждого положения шейкера.
    3. Сравните ответы CVS и CVEH в каждом случае графически или аналитически.

3. Сравнительный анализ мощности, вырабатываемой пьезопреобразователями

ПРИМЕЧАНИЕ: В этом разделе сравнивается мощность, генерируемая пьезопреобразователями для благоприятных условий согласования импеданса.

  1. Экспериментальная установка
    1. Установите железобетонную балку со встроенными CVS и CVEH внутри в середине пролета, как указано в шаге 2.1.1.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Обратитесь к рисунку 4A для ознакомления с экспериментальной установкой.
    2. Разместите эксцентриковый встряхиватель роторного типа на расстоянии L/4 от ближайшей опоры
    3. Настройте регулятор скорости и подключите его к вибростенду.
    4. Настройте осциллограф. Подключите CVS и CVEH к двум каналам осциллографа.
    5. Поместите акселерометр с чувствительностью 100 мВ/г в середине пролета луча. Подключите его к усилителю ICP.
    6. Настройте усилитель ICP для записи измерений с акселерометра.
    7. Подключите дополнительную цепь, как показано на рисунке 4B, к пьезопреобразователям для измерения мощности. Схема состоит из двух резисторов, R1 и R2 (R1 = 335 кОм и R2 = 340 кОм), соединенных последовательно через пьезодатчики.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Импеданс выбранных резисторов должен находиться в том же диапазоне, что и импеданс пьезодатчиков (импеданс источника). Значительное рассогласование импеданса может привести к чрезмерному рассеиванию тепла, значительным потерям мощности и даже выходу из строя цепи. Импеданс датчиков можно измерить на различных частотах с помощью измерителя LCR. Для текущих CVS и CVEH среднее сопротивление для различных частот в диапазоне от 20 Гц до 80 Гц (интервал шага = 5 Гц) составляет 32 кОм и 35 кОм соответственно.
    8. Настройте цифровой мультиметр и подключите его к резистору R1 для измерения выходного напряжения (В2) цепи.
    9. Подключите ноутбук к цифровому мультиметру для сбора данных.
  2. Процедура
    1. Запустите встряхиватель и подайте вибрации на RC-луч. Отрегулируйте ускорение встряхивателя с помощью регулятора скорости.
    2. Запишите выходное напряжение (В2) с помощью мультиметра для каждого датчика.
    3. Повторите вышеописанный шаг для двух или более ускорений шейкера.
      Примечание: Принятые пиковые ускорения в исследовании составили 15,19 м/с2, 17,39 м/с2 и 21,68 м/с2.
    4. Рассчитайте мощность, вырабатываемую (P) обоими датчиками для каждого ускорения встряхивателя, используя формулу, приведенную ниже12,27:
      figure-protocol-1
      figure-protocol-2
      Где i — ток, протекающий по цепи.

4. Потенциал накопления энергии пьезопреобразователей

ПРИМЕЧАНИЕ: В этом разделе основное внимание уделяется анализу потенциала накопления энергии пьезопреобразователями в реальных неустойчивых вибрациях с общими условиями поля (несоответствие импеданса). Конденсатор емкостью 1000 мкФ использовался для сбора энергии, вырабатываемой пьезопреобразователями.

  1. Экспериментальная установка
    1. Настройте экспериментальное устройство, как описано в разделе 3.1, за исключением схемы измерения мощности.
    2. Замените схему измерения мощности на простую схему выпрямителя с полным мостом. Обратитесь к рисунку 4C, D для ознакомления с экспериментальной установкой.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Назначение простой схемы полного мостового выпрямителя: Выходное напряжение, генерируемое пьезопреобразователями, находится в режиме переменного тока (AC), который не может быть сохранен, так как он периодически меняет направление. Таким образом, простая схема выпрямителя с полным мостом используется для преобразования сигналов переменного тока в режим постоянного тока (DC), который является стабильным источником питания и может храниться в конденсаторах или батареях. Схема состоит из четырех диодов типа Шоттки, обозначенных от D1 до D4, с меньшим напряжением прямого смещения (в диапазоне 0,1 В)41. Диоды расположены последовательными парами, при этом в течение каждого полуцикла функционируют только два диода. В положительном полупериоде два диода, D1 и D4, будут работать последовательно, где диоды D2 и D3 будут выключены (с обратным смещением) и наоборот во время отрицательного полуцикла. Таким образом, схема полного мостового выпрямителя обеспечивает стабильную и пассивную цепь систем42.
  2. Процедура
    1. Запустите встряхиватель и подайте вибрации на RC-луч. Отрегулируйте ускорение встряхивателя с помощью регулятора скорости.
    2. Запишите выходное напряжение (Вc) выпрямительной цепи с помощью мультиметра для обоих датчиков.
    3. Рассчитаем общую энергию ET и среднюю мощность Pavg, накопленную в конденсаторе обоими датчиками, используя уравнения, приведенные ниже 12,13:
      figure-protocol-3
      figure-protocol-4
      Где C — емкость (1000 мкФ), а Tc — общее время зарядки конденсаторов.
    4. Повторите описанные выше действия для различных ускорений.

5. Пригодность пьезопреобразователей для SHM в зависимости от потенциала обнаружения повреждений

ПРИМЕЧАНИЕ: В этом разделе оценивается пригодность пьезоэлектрических преобразователей для SHM путем оценки их потенциала для обнаружения повреждений с использованием метода EMI.

  1. Экспериментальная установка:
    1. Разместите ту же железобетонную балку, как упоминалось в предыдущих разделах.
    2. Настройте измеритель LCR для измерения электрической сигнатуры и подключите его к пьезопреобразователям.
    3. Кроме того, подключите ноутбук к измерителю LCR.
    4. Поместите цифровой термометр, чтобы обеспечить равномерную температуру в помещении на протяжении всего эксперимента.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Обратитесь к рисунку 5A для ознакомления с экспериментальной установкой.
  2. Процедура
    1. С помощью измерителя LCR подайте гармонический электрический потенциал на преобразователи, чтобы возбуждать их на высоких частотах в режиме развертки.
      Случай 1: Более грубый диапазон частот: от 1 кГц до 1000 кГц, интервал шага 1 кГц
      Случай 2: Более тонкий частотный диапазон: от 100 кГц до 300 кГц, интервал 100 Гц
    2. Получите сигнатуру доступа, сгенерированную преобразователями, с помощью измерителя LCR и ноутбука для обоих случаев. Эти сигнатуры на здоровой стадии структуры называются базовыми сигнатурами.
    3. Повторите эти шаги еще раз, чтобы проверить корреляцию между подписями в каждом случае.
    4. Вызовите повреждение балки путем сверления отверстия и повторите шаги 5.2.1 и 5.2.2 для получения сигнатур во время стадии повреждения 1.
    5. Увеличьте повреждения, просверлив больше отверстий и повторите шаги 5.2.1 и 5.2.2 для получения сигнатур на каждой стадии повреждения. В данном исследовании индуцированы три повреждения, как показано на рисунке 5B.
    6. Сравнивайте и анализируйте сигнатуры визуально и численно, сравнивая значение среднеквадратичного отклонения (RMSD) между сигнатурами здоровой и поврежденной стадии.
    7. RMSD можно рассчитать с помощью уравнения, приведенного ниже12,13:
      figure-protocol-5
      где n — размер выборки, xdi и x hi — i-е значения сигнатур на поврежденной и здоровой стадиях соответственно.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Сравнительный анализ напряжения холостого хода, генерируемого на пьезопреобразователях при чистом гармоническом возбуждении
Отклики пьезопреобразователей и акселерометра во временной области показаны на рисунках 6A, B. Из сигналов во временной области их характеристики в частотной области рассчитываются с помощью метода быстрого преобразования Фурье (БПФ), и эти отклики показаны на рисунке 6C...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Важнейшим этапом представленного протокола является точное определение собственной частоты системы вибростенда. Этот шаг имеет важное значение, поскольку возможности пьезоэлектрических преобразователей по сбору энергии и мониторингу состояния конструкций (SHM) в значительной степени зависят от динамического поведения системы. Использование развертки возбуждения облегчило идентификацию резонансной частоты системы с вибростендом. Во время этой процедуры частотные характеристики CVEH, CVS и...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Данная статья адаптирована из ранее опубликованных работ авторов 11,12,13 и предназначена исключительно для образовательных целей, в частности, для содействия распространению знаний и научного искусства через видеоформат. Рисунки с 1 по 12 воспроизведены с разрешения компании Elsevier.

Благодарности

Эта работа была финансово поддержана Индийским технологическим институтом (IIT) в Дели и Департаментом науки и технологий [DST/INSPIRE/04/2015/000545]. Авторы выражают глубокую признательность г-ну Самиру Хасану и г-ну Павану за поддержку, оказанную в создании видео для журнала.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
АкселерометрПьезотроники на ПХБ352C34
Агрегаты — 10 ммН/ДН/Д
Заполнители — 20 ммН/ДН/Д
Конденсатор (1000 и мю; F) Н/ДН/Д
ЦементН/ДН/Д
Цифровой мультиметр Agilent Technologies34411A
Цифровой термометр La Crosse Technology WS-9006U 
ЭпоксидныйН/ДН/Д
Генератор функций Agilent Technologies33210A
ICP-усилитель и bbsp;Пьезотроники на ПХБСерия 482C
LCR-метрAgilent TechnologiesE4980A
Макроволоконная композитная (MFC) Умный материалM5628-P2
ОсциллоскопTektronixTDS 2004B
Портативный шейкер СПДV406
Усилитель мощности СПДPA500L
РезисторыН/ДН/Д
Вращательный шейкер Кромптон Гривз XKF5577Сейчас недоступно
ПесокН/ДН/Д
Диоды типа Шоттки Diodes IncorporatedBAT1000
ПроводаН/ДН/Д

Ссылки

  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).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи