Исследование потенциала тонких пьезоэлектрических преобразователей с одиночной кривизной для сбора энергии и мониторинга состояния конструкций
14 ноября 2025 г.
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.
Основной целью наших исследований является всесторонняя оценка нашего недавно изобретенного вибрационного комбайна для бетона по сравнению с нашим существующим датчиком, который является датчиком вибрации бетона для сбора энергии, а также для мониторинга состояния конструкции. Последние разработки в этой области включают в себя инновационные локальные датчики, такие как DCVS, DCVH и вариант Tipizodal, которые могут очень легко заменить дорогостоящие дополнительные устройства для полного анализа 3D-моделей и могут быть легко интегрированы с технологиями AAML и UVM. На наш взгляд, футуристическими технологиями зондирования являются искусственный интеллект, машинное обучение, интегрированное с этими электрическими датчиками, волоконная оптика и сенсорика, основанная на зрении.
Слияние датчиков и Интернет вещей открывают большие перспективы для нашего будущего. Основная задача заключается в разработке автономных автономных и миниатюрных облачных систем сбора данных, ориентированных на pH, которые квалифицируют зондирование IoT в профессиональном смысле. Наше новое изобретение, CVH, основанное на новой топологии конструкции, основанной на принципах механики, значительно увеличивает собранную энергию, разорванную силу, а также присутствует в SHM, будь то на основе методов глобальной вибрации или метода локальной электромеханической импотенции.
Для начала убедитесь, что электрические соединения электрических преобразователей Piezo остаются защищенными на протяжении всего процесса литья. Затем расположите железобетонную балку в опорной установке с эффективным пролетом 1 100 миллиметров для экспериментальных испытаний. Затем расположите шейкер на расстоянии одной трети длины луча.
Теперь подключите датчик вибрации бетона и выходы комбайна вибрации бетона к двум каналам осциллографа. Закрепите акселерометр с чувствительностью 100 милливольт на G в середине пролета луча, затем подключите его к усилителю ICP. Возбуждайте железобетонную балку с помощью вибростенда в режиме люкса и проведите анализ в частотной области откликов датчика вибрации бетона, вибрации бетона, комбайна энергии и акселерометра.
Затем установите эксцентриковый встряхиватель роторного типа в середине пролета балки. Подключите и настройте регулятор скорости для регулировки встряхивателя. Чтобы проанализировать мощность, генерируемую пьезодатчиками, сначала подготовьте схему измерения мощности, последовательно подключив два резистора, R1 и R2, к пьезодатчикам.
Подключите осциллограф к R1 для контроля выходного напряжения V2. Показания напряжения отображаются в осциллографе. Запустите встряхиватель для индуцирования вибраций в железобетонной балке, и отрегулируйте ускорение, используя регулятор скорости. С помощью осциллографа запишите выходное напряжение V2 от каждого датчика.
Затем рассчитайте мощность, вырабатываемую каждым датчиком на разных уровнях ускорения. Чтобы оценить потенциал накопления энергии пьезопреобразователями, установите экспериментальную установку без схемы измерения мощности. Замените его простой схемой выпрямителя с полным мостом.
Запустите встряхиватель и вызовите вибрации в железобетонной балке. Отрегулируйте ускорение встряхивателя с помощью регулятора скорости. С помощью осциллографа измерьте и запишите выходное напряжение VC от выпрямительной цепи для обоих датчиков.
Рассчитайте общую накопленную энергию и среднюю мощность, достигнутую в конденсаторе для обоих датчиков, используя заданные уравнения. Для мониторинга состояния конструкций подключите измеритель LCR к настольному компьютеру для измерения сигнатуры электрического входа. Поместите цифровой термометр, чтобы обеспечить поддержание равномерной температуры в помещении на протяжении всего эксперимента.
Возбуждайте датчики, подавая на них гармонический электрический потенциал на высоких частотах в сюйном режиме с помощью измерителя LCR. Затем наведите повреждение в балке, сверлив отверстия одно за другим. В частотной области пиковая частота была определена на уровне примерно 55 Гц как для преобразователей, так и для акселерометра, что подтверждает собственную частоту луча.
При синусоидальном возбуждении CVEH генерировал стабильно более высокое напряжение, чем CVS в течение того же временного интервала. При различных частотах возбуждения и положениях вибростенда CVEH неизменно выдавал более высокое напряжение холостого хода, чем CVS, особенно в одной трети и посередине от опоры луча. Мощность, вырабатываемая CVEH, значительно увеличивается с ускорением, при этом коэффициент мощности увеличивается с 8,36 при 15,19 метрах в секунду в квадрате до 13,01 при 21,68 метра в секунду в квадрате.
При среднем ускорении 4,89 метра в секунду CVEH заряжал конденсатор за 236 секунд, по сравнению с 335 секундами CVS. При более высоком ускорении 8,84 метра в секунду в квадрате CVEH достигал мощности 8,65 микроватт, что примерно в 1,68 раза больше, чем у CVS при 5,14 микроватт. При мониторинге структурного состояния отклонение от исходных сигнатур при поступлении было более выраженным в CVEH, чем в CVS, особенно после последовательных стадий повреждения.
Среднеквадратичные значения отклонения между здоровой и поврежденной стадиями были неизменно выше в CVEH, чем в CVS, как для проводимости, так и для восприимчивости.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данном исследовании проводится сравнительная оценка недавно разработанного датчика-устройства для сбора энергии вибраций бетона с существующими моделями, предназначенными для рекуперации энергии и мониторинга структурного состояния. Результаты работы подчеркивают преимущества изогнутых пьезоэлектрических преобразователей перед прямыми при их применении в реальных условиях.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Нейронаука
- Структурный мониторинг состояния
- Сбор энергии
Теоретические основы
- Разработка инновационных локальных датчиков для бетонных конструкций.
- Интеграция ИИ и машинного обучения с электрическими датчиками для повышения производительности.
- Проблемы создания автономных систем сбора данных.
- Значимость слияния данных датчиков и IoT в технологиях будущего.
Цель исследования
- Сравнить характеристики изогнутых и прямых пьезоэлектрических преобразователей.
- Оценить их эффективность в сборе энергии и обнаружении повреждений.
- Изучить достижения в области сенсорных технологий для применения в конструкциях.
Используемые методы
- Экспериментальное сравнение конструкций преобразователей.
- Оценка напряжения разомкнутой цепи и выработки энергии.
- Оценка возможностей накопления энергии.
- Анализ эффективности обнаружения повреждений.
Основные результаты
- Изогнутые преобразователи продемонстрировали более высокие характеристики по сравнению с прямыми.
- В реальных условиях применения наблюдалось расширение возможностей сбора энергии.
- Были зарегистрированы улучшенные результаты мониторинга структурного состояния.
- Инновационные конструкции оказались перспективными для будущих сенсорных технологий.
Выводы
- Изогнутые пьезоэлектрические преобразователи более эффективны для сбора энергии.
- Исследования подтверждают целесообразность интеграции передовых технологий в системы структурного мониторинга.
- Будущие разработки должны быть сосредоточены на создании автономных и эффективных сенсорных систем.
Часто задаваемые вопросы
Значимость для промышленности
Надежный сбор энергии и мониторинг структурного состояния (SHM) имеют решающее значение для долгосрочной целостности и эксплуатационной безопасности инфраструктуры, что напрямую влияет на биофармацевтические производственные и исследовательские центры. Сравнительная оценка тонких пьезоэлектрических преобразователей с одинарным изгибом в сопоставлении с прямой конфигурацией позволяет повысить прогностическую уверенность в работе датчиков и способствует реализации стратегий технического обслуживания с учетом рисков. Усовершенствованные системы SHM и автономные энергетические решения могут сократить количество эксплуатационных сбоев и поддержать непрерывное управление объектами на основе данных.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Первичный поиск и валидация мишени
- Способствует снижению механистических рисков, обеспечивая точное обнаружение структурных аномалий в исследовательских условиях.
- Облегчает функциональную валидацию встроенных сенсорных технологий для мониторинга критически важной инфраструктуры.
- Повышает прогностическую достоверность сенсорных систем мониторинга безопасности объектов.
Скрининг и разработка анализа
- Обеспечивает стандартизированную оценку конфигураций датчиков для воспроизводимого сбора данных SHM.
- Предоставляет количественные показатели, такие как напряжение разомкнутой цепи и вырабатываемая мощность, для сравнительного анализа.
- Поддерживает масштабируемое развертывание проверенных систем датчиков на различных объектах предприятия.
Трансляционные и доклинические исследования
- Обеспечивает трансляционную преемственность, перенося показатели эффективности датчиков из экспериментальных установок в инфраструктуру реального мира.
- Позволяет осуществлять развитие сенсорных технологий для применения в доклинических центрах с учетом возможных рисков.
- Улучшает прогностическое снижение рисков при создании систем мониторинга объектов за счет надежной валидации датчиков.
Интеграция конвейера и рабочего процесса
Данный метод интегрируется в общую систему мониторинга объекта — от ранней валидации датчиков до их внедрения в эксплуатационную среду, отвечая потребностям как фундаментальных исследований, так и трансляционной инфраструктуры.
- Открывающая биология: позволяет проверять гипотезы о работе датчиков и структурном отклике в контролируемых условиях.
- Скрининг: обеспечивает воспроизводимые количественные показатели для сравнения и выбора датчиков.
- Аналитика: предоставляет данные о напряжении, мощности и импедансе для принятия решений по техническому обслуживанию по состоянию.
- Трансляционные исследования: обеспечивают преемственность от лабораторной валидации до интеграции в реальные объекты.
- Корпоративное повторное использование: создает многоразовую платформу для непрерывного мониторинга состояния конструкций (SHM) и сбора энергии на различных объектах инфраструктуры.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: Повышает достоверность прогнозов и снижает неоднозначность механизмов при мониторинге объектов.
- Эксплуатационная ценность: Повышает уровень стандартизации, воспроизводимости и масштабируемости решений SHM на основе датчиков.
- Стратегическая ценность: Позволяет принимать обоснованные решения о целесообразности развертывания датчиков и распределения капитала.
- Влияние на портфель: Обеспечивает приоритизацию инвестиций в инфраструктуру и стратегий технического обслуживания с учетом рисков.
Особенности внедрения
- Требуется опыт интеграции пьезоэлектрических датчиков и анализа данных.
- Необходимо наличие такого оборудования, как осциллографы, LCR-метры и вибростенды для валидации.
- Требуется межгрупповая стандартизация размещения датчиков и интерпретации данных.
- Может потребоваться адаптация для различных конструкционных материалов и типов объектов.
- Характеристики могут варьироваться в условиях реальных случайных вибраций и несогласования импедансов.
