Yöntem makalesi

Enerji Hasadı ve Yapısal Sağlık İzleme için Tek Kavisli İnce Piezoelektrik Dönüştürücülerin Potansiyelinin Araştırılması

DOI:

10.3791/68141

⸱

14 Kasım 2025

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

Bu makalede

Özet

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

Burada, açık devre voltajını, güç üretimini, güç depolamasını ve hasar tespit yeteneklerini değerlendirerek enerji hasadı ve yapısal sağlık izleme için betonarme yapılara gömülü tek kavisli ve düz piezoelektrik dönüştürücüleri deneysel olarak karşılaştırıyoruz. Kavisli dönüştürücüler düz olanları geride bırakarak gerçek dünya uygulamaları için daha iyi performans sunar.

Özet

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

Son yirmi yılda piezoelektrik malzemeler yapısal sağlık izleme (SHM) ve enerji hasadının ayrılmaz bir parçası haline geldi. Bu malzemeler çeşitli formlarda ve konfigürasyonlarda mevcuttur, ancak kavisli konfigürasyonların potansiyeli büyük ölçüde keşfedilmemiştir. Bu makale, enerji hasadı ve SHM uygulamaları için betonarme (RC) yapılara gömüldüğünde düz konfigürasyonlarına kıyasla tek kavisli ince piezoelektrik dönüştürücülerin performansını deneysel olarak araştırmaktadır. Araştırma, bu konfigürasyonların (a) saf harmonik uyarımlar altında ürettikleri açık devre voltajına, (b) empedans eşleştirme koşulları altında üretilen güce ve (c) empedans uyumsuzluğu koşullarına sahip gerçek hayattaki düzensiz titreşimler altında kapasitörlerde güç depolama potansiyellerine dayalı olarak yan yana karşılaştırmasını içermektedir. Ek olarak makale, tam olarak araştırılmamış bir alan olan elektromekanik empedans (EMI) tekniğini kullanarak kavisli piezo dönüştürücülerin hasar tespit yeteneklerini araştırıyor.

Dört deneyin tümünden elde edilen sonuçlar, kavisli piezo dönüştürücülerin hem SHM hem de enerji toplama uygulamalarında düz konfigürasyonlarından daha iyi performans gösterdiğini göstermektedir. Bu nedenle, bu araştırmalardan elde edilen bulgular, kavisli piezoelektrik dönüştürücülerin gerçek dünyadaki RC yapılarında etkin kullanımı için çok önemlidir ve hem enerji hasadını hem de yapısal sağlık izlemeyi geliştirir, bu da aslında RC yapılarının ekonomik bakımına ve güvenli çalışmasına yol açar.

Giriş

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

Yapı Sağlığı İzleme (SHM), binalar, köprüler, barajlar vb. yapıların güvenliğini, dayanıklılığını, ekonomik çalışmasını ve performansını sağlamayı amaçlayan çok önemli bir mühendislik bilimidir. SHM, bir yapının yaşam döngüsü boyunca durumunu periyodik olarak analiz etmek amacıyla stres, gerinim, titreşim, yer değiştirme, sıcaklık vb. gibi gerçek zamanlı verileri toplamak için çeşitli sensörler, veri toplama sistemleri ve ileri teknolojiler kullanır1, 2. SHM, hasar, aşınma ve yıpranma, bozulma veya diğer anormalliklerin belirtilerini erken bir aşamada tespit ederek yapının uygun maliyetli bakımını ve güvenli çalışmasını sağlar, böylece ömrünü uzatır.

Piezoelektrik malzemeler, mekanik titreşimlere/gerilimlere veya gerilmelere yanıt olarak yüzeyleri boyunca elektrik potansiyeli geliştirme konusunda benzersiz bir yeteneğe sahip bir akıllı malzeme sınıfıdır ve bunun tersi de geçerlidir. Piezoelektrikliğin doğrudan ve ters etkileri Şekil 1'de açıklanmıştır. Bu benzersiz yetenekleri nedeniyle, mühendislik, tıp ve SHM alanlarında sensörler, aktüatörler ve enerji toplayıcılar olarak yaygın olarak kullanılırlar 3,4,5,6,7,8. Çeşitli piezoelektrik malzeme türleri arasında Kuvars (SiO2 ), Topaz vb. gibi doğal kristaller, kurşun zirkonat titanat (PZT) gibi piezoseramikler, piezoelektrik polimerler temel olarak poliviniliden florür (PVDF) ve çok daha fazlası bulunur. Kaur ve Bhalla (2015), aynı piezoelektrik dönüştürücü setinin (PZT yamaları) beton yapıların SHM'si için ve sensör9 olarak işlevleri için gerekli enerjiyi toplamak için kullanılabileceğini belirlemiştir. Böylece, gerçek zamanlı olarak toplanan ortam enerjisi, enerjinin SHM10 için yalnızca geçici olarak depolanması gerektiğinden çok sayıda pil talebini ortadan kaldırır.

Piezoelektrik malzemelerin bir sensör ve enerji toplayıcı olarak özelliği, piezoelektrik malzemenin mekanik gerilime maruz kaldığında zıt yüzeyler boyunca elektrik potansiyeli veya voltaj (V) geliştirdiği doğrudan piezoelektrik etki olgusuna (Şekil 1) dayanmaktadır (S1). Bu, denklemle temsil edilir:

figure-introduction-1(1)

Burada d31, C/N veya m/V cinsinden ifade edilen piezoelektrik gerinim katsayısıdır. "31" alt simgesi, 3 yönünde uygulanan bir elektrik alanının 1 yönünde gerinimi indüklediğini gösterir, hp piezoelektrik malzemenin metre cinsinden kalınlığını belirtir, figure-introduction-2 N/m2 cinsinden ölçülen sabit veya sıfır elektrik alanı altında dinamik Young modülünü temsil eder ve figure-introduction-3 sabit veya sıfır mekanik stres altında dinamik elektrik geçirgenliğidir, F/m 3,11,12 cinsinden ölçülmüştür.

Bir yapının içine gömülü veya yüzeye yapıştırılmış piezoelektrik malzemeler, kaydettikleri gerinim ve empedans ölçümlerine dayalı olarak yapıdaki anormallikleri izlemek için kullanılabilir. Bu malzemeler eğrilik modu şekillerini doğrudan sağlayabilir ve bu nedenle genellikle küresel dinamik teknikler13,14 için kullanılır. Elektromekanik empedans (EMI) tekniğinin geliştirilmesiyle, bu malzemeler lokalize hasar tespitinde15,16 etkinliklerini de kanıtlamıştır. EMI tekniği, tahribatsız yapısı, uygulama kolaylığı ve PZT dönüştürücülerin maliyet etkinliği nedeniyle SHM alanında geniş bir popülerlik kazanmıştır. Bu teknikte, ana bilgisayar yapısına monte edilen PZT yamaları, bir endüktans-kapasitans-direnç (LCR) ölçer veya empedans analizörü kullanılarak tarama modunda yüksek frekanslarda (kilohertz [kHz] aralığında) harmonik elektrik potansiyelinin uygulanmasıyla elektriksel olarak uyarılır.

Doğrudan piezoelektrik etkinin bir sonucu olarak yapıda mekanik titreşimler oluşturur. Ve ters piezoelektrik etki nedeniyle, bu mekanik titreşimler piezoelektrik dönüştürücünün17,18 elektromekanik empedansını etkiler. Bu elektromekanik empedans imzası, uyarma sinyaliyle aynı frekans aralığında üretilir. Aşağıdaki denklem, 1 boyutlu bir model sistemi19 için elektromekanik empedansın tersi olan elektromekanik kabulü figure-introduction-4temsil eder

figure-introduction-5(2)

ω, rad/s cinsinden açısal frekans olduğunda, figure-introduction-6, l, w ve h sırasıyla PZT yamasının yarı uzunluğu, genişliği ve kalınlığıdır. Z ve Za sırasıyla yapının ve PZT yamasının karmaşık mekanik empedansını temsil eder ve κ dalga numarasıdır. Bu imzalar, yapı sağlam olduğu sürece sabit ve tutarlı kalır. Ancak herhangi bir hasar oluştuğunda, mevcut ve temel imza (yapının sağlıklı döneminde alınan imza) arasında önemli değişiklikler gözlenir. Empedans imzasını analiz ederek, hasarın varlığını, yerini ve ciddiyetini erken aşamalarda tespit etmek ve uygun maliyetli düzeltme çalışmalarını zamanında uygulayarak yapının dayanıklılığını artırmakmümkündür 20,21,22.

Son yirmi yılda, piezoelektrik malzemelerin enerji toplama potansiyelini incelemek için kapsamlı araştırmalar yapılmıştır. Bu malzemeler tüpler, küreler, diskler vb. gibi çeşitli konfigürasyonlarda mevcut olsa da, çalışmaların çoğu düz piezoelektrik yamalara, şeritlere, çubuklara vb. dayanmaktadır.23,24. Bu nedenle, piezo dönüştürücülerin diğer çeşitli konfigürasyonlarının potansiyelinin araştırılması gerekmektedir.

PZT yamaları, son yirmi yılda SHM alanında önemli bir varlık oluşturmuştur. Ancak beton yapılar için çıplak PZT yamalarının kullanılması inşaat sırasında bozulabileceğinden önerilmez. Bu nedenle, Bhalla ve Gupta (2007, 2022), IIT Delhi'deki Akıllı Yapılar ve Dinamik Laboratuvarı'nda (SSDL) geliştirilen, öncelikle beton yapıların25,26 SHM'si için kullanıma hazır bir sensör olan beton titreşim sensörü (CVS) fikrini ortaya attılar. CVS'de piezoelektrik dönüştürücü (PZT yaması), kompozit bir koruma katmanıyla titizlikle kaplanarak, beton bir yapıya monte edilmeden önce gerçek hayatta doğrudan kurulum için kullanıma hazır hale getirilir. PZT yamasını kapsülleyen beton silindirin derecesi, içine gömülmesi gereken beton yapınınkine eşit veya daha yüksek olacaktır. CVS, ana bilgisayar yapısıyla çok güçlü gerinim uyumluluğuna sahiptir ve yüzeye bağlı PZT sensörlerine kıyasla eğrilik modu şekillerini ve rezonans frekanslarını kolayca elde edebilir ve aşırı koşullara dayanabilir. Kaur (2015), boşta kalma süresi27 sırasında SHM çalışması için gerekli enerjiyi üreterek SHM için ve bir enerji toplayıcı olarak CVS'nin kullanımını deneysel olarak belirlemiştir.

CVS'ye benzer şekilde, beton titreşimli enerji toplayıcı (CVEH), beton yapılardan enerji hasadı için SSDL'de geliştirilmiş kullanıma hazır bir sensördür; bununla birlikte, CVS'den farklı olarak, CVEH kavisli bir dönüştürücüyü28 kapsüller. Kavisli şeklin bir sonucu olarak piezo yama boyunca oluşan artan bükülme gerilimi/gerinim, geliştirilen voltajı ve dolayısıyla güç üretimini yükseltir. Bununla birlikte, piezoseramiklerin kırılgan doğası nedeniyle, CVEH üretmek için tüm piezo yamalar kullanılamaz. CVEH'nin üretimi için kullanılan piezo elemanı, yalnızca d31 etkisini üretecek şekilde dikkatlice seçilecektir. d33 etkisinin varlığı, kutuplama yönünün eğrilik boyunca dik olarak değiştiği ve dönüştürücünün verimliliğini29 düşürdüğü kavisli piezo dönüştürücülerde d31'in faydalarını ortadan kaldıracaktır. Ulusal Havacılık ve Uzay Dairesi (NASA) tarafından geliştirilen çok esnek ve yüksek performanslı bir piezo varyantı olan d31 tipi makro fiber kompozit (MFC) yamayı kullanan Singh (2017), başarılı bir şekilde bir CVEH üretti ve CVEH'nin CVS'den neredeyse iki kat daha fazla açık devre voltaj üretme kapasitesi ürettiğini deneysel olarak doğruladı. Bununla birlikte, kavisli konfigürasyonun üstün performansına dair göstergelere rağmen, düz düzenlemeyle karşılaştırıldığında gerçek yaşam ortamlarında güç ölçümünü kapsayan sistematik hesaplamalı ve deneysel araştırmalarda eksiklik vardır. Ayrıca, SHM için kavisli bir düzenlemenin olanaklarını araştırmak için hiçbir araştırma yapılmamıştır.

Kavisli piezoelektrik enerji toplama malzemelerinin (CVEH), geleneksel düz veya düzlemsel piezoelektrik enerji toplama malzemelerine göre çeşitli avantajlar sunması bekleniyor. Kavisli piezoelektrik malzemeler, dış kuvvetlere maruz kaldıklarında deformasyonlarının doğası gereği piezoelektrik yüzey boyunca gelişmiş gerilim/gerinim dağılımı sergiler. Bu malzemelerdeki gerinim daha eşit bir şekilde yayıldığından, enerji dönüşümü ve güç üretiminin verimliliğini artırır ve çok düşük frekans aralıklarında 30,31,32,33 çalışmaya izin verir. MFC'lerin (Makro-Fiber Kompozitler) performansı, esneklik, güvenilirlik, dayanıklılık, hasar toleransı, gelişmiş aktüatör verimliliği ve yönlü çalıştırma ve algılama yetenekleri açısından küresel olarak kanıtlanmıştır 34,35,36,37. MFC tabanlı CVS veya CVEH, uygun bir koruyucu kaplama uygulandıktan sonra yamaların beton veya harç silindirleri içinde kapsüllenmesiyle üretilir. Bu dönüştürücüler, dökümü sırasında bir yapıya gömüldükten sonra, CVS/CVEH'nin içine entegre edildiği tüm yapı, birleşik bir sistem olarak işlev görür. Yapı dayanıklı kaldığı sürece CVEH'ler veya CVS (Yapısal Sağlık İzleme Sistemleri) de operasyonel etkinliğini ve uzun ömürlülüğünü koruyacaktır. Bu nedenle, MFC tabanlı CVS ve CVEH sistemleri, yapısal sağlık izleme için üstün dayanıklılık sunar.

Bu çalışmanın amacı, RC yapılarına dahil edilen piezoelektrik dönüştürücülerin (sırasıyla CVEH ve CVS) kavisli ve düz konfigürasyonlarını enerji hasadı ve SHM performansı açısından karşılaştırmaktır. Araştırmada piezo dönüştürücüler arasında açık devre voltajı, empedans eşleştirme koşulları altında güç gelişimi ve her iki konfigürasyon için kapasitörlerde güç depolama olasılığı araştırılmaktadır. EMI tekniğini kullanan kavisli piezo dönüştürücülerin şimdiye kadar keşfedilmemiş hasar tespit potansiyeli de bu çalışmada deneysel olarak araştırılmıştır.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

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

NOT: Bu protokol, sunum yapan kişinin M. Tech. Hindistan Teknoloji Enstitüsü Delhi'deki Akıllı Yapılar ve Dinamikler Laboratuvarı'nda (SSDL) yürütülen proje. Tüm ayrıntılar M. Tech. tez11 ve ilgili yayınlar 12,13'ten değerlendirilebilir.

1. Deney: Malzemeler, imalat ve kurulum

  1. Malzeme
    NOT: Piezoseramikler, yüksek mukavemetleri, sertlikleri ve birleştirme faktörleri nedeniyle SHM ve enerji hasadı alanlarında önemli bir yer edinmiştir. Ancak bu malzemelerin kırılganlığı, kullanımlarını kavisli yüzeylerle sınırlar. Sonuç olarak, Ulusal Havacılık ve Uzay Dairesi (NASA), mevcut çalışma için piezoelektrik dönüştürücü olarak seçilen, özellikle esnek ve yüksek performanslı bir piezo versiyonu, yani MFC'yi geliştirdi.
    1. 300 μm kalınlığında ve taban d31 etkisine sahip M5628-P2 varyantını kullanın.
  2. İmalat ve kurulum
    1. 100 mm çapında ve 30 mm kalınlığında iki adet çimento harcı silindiri dökün.
    2. Düz ve kavisli MFC piezo dönüştürücüleri, döküm sırasında orta derinlik konumundaki harç silindirlerine yerleştirin (Şekil 2A, B).
    3. Döküm sırasında bozulmayı önlemek için MFC yamalarına koruyucu bir standart epoksi yapıştırıcı tabakası uygulayın.
    4. Dönüştürücüleri çevreleyen harç silindirlerini (Şekil 2C, D) 7 gün boyunca kürleyin.
    5. M30 sınıfı bir RC kirişi (1500 mm [L] × 300 mm [B] × 100 mm [D]) dökün.
    6. CVEH ve CVS'yi, döküm sırasında kirişin üst katman sıkıştırma takviyesine bağlayarak orta açıklık konumuna gömün. Üst yüzeylerinin kirişinkiyle çakıştığından emin olun, Şekil 2E'de gösterildiği gibi 29. RC ışınının ve piezo dönüştürücünün özellikleri Tablo 1'de listelenmiştir.
    7. Piezo dönüştürücülerin elektrik bağlantılarının tüm süreç boyunca güvende tutulduğundan emin olun.
    8. Çeşitli deneyler yapmak için RC ışınını 1100 mm'lik etkili bir açıklığa sahip destekli bir duruma yerleştirin.

2. Saf harmonik uyarım altında piezo dönüştürücüler arasında üretilen açık devre voltajının karşılaştırmalı analizi

NOT: Bu bölüm, saf harmonik uyarımlar altında düz ve kavisli piezo dönüştürücüler tarafından üretilen açık devre voltajını karşılaştırır.

  1. Deney düzeneği
    1. Önceki paragrafta belirtildiği gibi, açıklığın ortasında gömülü CVS ve CVEH bulunan bir RC ışını kurun.
    2. Harmonik uyarımı indüklemek için, L'nin ışının etkin açıklığı olduğu destekten L/2 mesafeye yerleştirilmiş portatif bir çalkalayıcı kurun.
    3. Elektrik sinyalleri üretmek için bir fonksiyon üreteci kurun.
    4. Fonksiyon üreteci tarafından üretilen ve çalkalayıcıya iletilen sinyalleri yükseltmek için bir güç amplifikatörü kurun (dolayısıyla çalkalayıcıya ve fonksiyon üretecine bağlı)
    5. Sensörler arasında üretilen açık devre voltajını ölçmek için bir osiloskop kurun. Piezo sensörlerden gelen elektrik kablolarını osiloskopun iki kanalına bağlayın.
    6. İvmeyi ölçmek için çalkalayıcıya daha yakın olan kirişe yerleştirilen g başına 100 mV hassasiyete sahip bir ivmeölçer kurun, burada g yerçekiminden kaynaklanan ivmeyi temsil eder.
    7. İvmeölçerden gelen ölçümleri kaydetmek için bir ICP amplifikatörü kurun (dolayısıyla ivmeölçere ve osiloskopun üçüncü kanalına bağlanır)
      NOT: Deney düzeneği için Şekil 3'e bakın.
  2. Frekans alanı analizi prosedürü
    1. Süpürme modunda portatif çalkalayıcıyı kullanarak RC ışınını heyecanlandırın. Giriş, Fonksiyon üretecine verilecektir: 10 saniye boyunca 100 Hz'den 2.5 Hz'e dinamik tarama uyarımı.
    2. Işının doğal frekansını belirlemek için piezo sensörlerden ve ivmeölçerden alınan yanıtların frekans alanı analizini yapın. Frekans alanı analizi38,39,40 ile ilgili ayrıntılı prosedür için lütfen daha önce yayınlanmış makalelere bakın.
  3. Açık devre voltajı karşılaştırma prosedürü
    1. Çalkalayıcıyı kullanarak ışını 25 Hz ila 85 Hz arasında farklı frekanslarda uyarın. 15 Hz'lik bir adım aralığı benimseyin. Tüm frekanslar için CVS ve CVEH'den gelen yanıtı kaydedin.
    2. Çalkalayıcının konumunu destekten L/3 ve L/6 mesafesine kaydırın ve her çalkalayıcı konumu için yukarıdaki adımı (adım 2.3.1) tekrarlayın.
    3. Her durumda CVS ve CVEH'nin yanıtlarını grafiksel veya analitik olarak karşılaştırın.

3. Piezo dönüştürücüler tarafından üretilen gücün karşılaştırmalı analizi

NOT: Bu bölüm, uygun empedans eşleştirme koşulları için piezo dönüştürücüler tarafından üretilen gücü karşılaştırır.

  1. Deney düzeneği
    1. Adım 2.1.1'de belirtildiği gibi, açıklığın ortasında CVS ve CVEH gömülü bir RC ışını kurun.
      NOT: Deney düzeneği için Şekil 4A'ya bakın.
    2. Eksantrik döner tip çalkalayıcıyı en yakın destekten L/4 mesafeye yerleştirin
    3. Bir hız kontrol cihazı kurun ve çalkalayıcıya bağlayın.
    4. Bir osiloskop kurun. CVS ve CVEH'yi osiloskopun iki kanalına bağlayın.
    5. Işının orta açıklığına g başına 100 mV hassasiyete sahip bir ivmeölçer yerleştirin. ICP amplifikatörüne bağlayın.
    6. İvmeölçerden ölçümleri kaydetmek için bir ICP amplifikatörü kurun.
    7. Güç ölçümü için piezo dönüştürücülere Şekil 4B'de gösterildiği gibi ek bir devre bağlayın. Devre, piezo sensörlere seri olarak bağlanmış R1 ve R2 (R1 = 335 kΩ ve R2 = 340 kΩ) olmak üzere iki dirençten oluşur.
      NOT: Seçilen dirençlerin empedansı, piezo sensörlerininkine (kaynak empedansı) benzer bir aralıkta olacaktır. Önemli bir empedans uyumsuzluğu aşırı ısı dağılımına, önemli güç kaybına ve hatta devre arızasına neden olabilir. Sensörlerin empedansı, bir LCR metre kullanılarak çeşitli frekanslar için ölçülebilir. Mevcut CVS ve CVEH için, 20 Hz ila 80 Hz (adım aralığı = 5 Hz) arasında değişen çeşitli frekanslar için ortalama empedans sırasıyla 32 kΩ ve 35 kΩ'dur.
    8. Bir dijital multimetre kurun ve devrenin çıkış voltajını (V1 ) ölçmek için onu R2 direncine bağlayın.
    9. Veri toplama için dizüstü bilgisayarı dijital bir multimetreye bağlayın.
  2. Prosedür
    1. Çalkalayıcıyı çalıştırın ve RC ışınına titreşim indükleyin. Hız kontrol cihazını kullanarak çalkalayıcının ivmesini ayarlayın.
    2. Her sensör için multimetreyi kullanarak çıkış voltajını (V2) kaydedin.
    3. Çalkalayıcının iki veya daha fazla hızlanması için yukarıdaki adımı tekrarlayın.
      NOT: Çalışmada benimsenen tepe ivmeleri 15.19 m/s2, 17.39 m/s2 ve 21.68 m/s2 idi.
    4. Aşağıda verilen formülü kullanarak çalkalayıcının her ivmesi için her iki sensör tarafından üretilen gücü (P) hesaplayın12,27:
      figure-protocol-1
      figure-protocol-2
      Burada i, devreden geçen akımdır.

4. Piezo dönüştürücülerin güç depolama potansiyeli

NOT: Bu bölüm, genel alan (empedans uyumsuzluğu) koşullarıyla gerçek hayattaki düzensiz titreşimler altında piezo dönüştürücülerin güç depolama veya enerji hasadı potansiyelini analiz etmeye odaklanmaktadır. Piezo dönüştürücüler tarafından üretilen enerjiyi toplamak için 1000 μF'lik bir kapasitör kullanıldı.

  1. Deney düzeneği
    1. Deney aparatını, güç ölçüm devresi hariç, bölüm 3.1'de açıklandığı gibi kurun.
    2. Güç ölçüm devresini basit bir tam köprü doğrultucu devresiyle değiştirin. Deney düzeneği için Şekil 4C, D'ye bakın.
      NOT: Basit bir tam köprü doğrultucu devresinin amacı: Piezo dönüştürücüler tarafından üretilen çıkış voltajı, yönü periyodik olarak tersine çevirdiği için saklanamayan alternatif akım (AC) modundadır. Bu nedenle, AC sinyallerini kararlı bir güç kaynağı olan ve kapasitörlerde veya pillerde depolanabilen doğru akım (DC) moduna dönüştürmek için basit tam köprü doğrultucu devresi kullanılır. Devre, daha düşük bir ileri öngerilim voltajına (0.1 V aralığında) sahip D1 ila D4 etiketli dört Schottky tipi diyottan oluşur41. Diyotlar seri çiftler halinde düzenlenmiştir ve her yarım döngü sırasında yalnızca iki diyot çalışır. Pozitif yarı döngüde, iki diyot, D1 ve D4, negatif yarı döngü sırasında D2 ve D3 diyotlarının kapatılacağı (ters kutuplu) ve bunun tersi de seri olarak iletilecektir. Böylece, tam köprü doğrultucu devresi, kararlı ve pasif devre sistemleri42 sağlar.
  2. Prosedür
    1. Çalkalayıcıyı çalıştırın ve RC ışınına titreşim indükleyin. Hız kontrol cihazını kullanarak çalkalayıcının ivmesini ayarlayın.
    2. Her iki sensör için multimetreyi kullanarak doğrultucu devresinin çıkış voltajını (Vc) kaydedin.
    3. Aşağıda verilen denklemleri kullanarak her iki sensör tarafından kapasitörde depolanan toplam enerji ET ve ortalama güç Port hesapla 12,13:
      figure-protocol-3
      figure-protocol-4
      Burada C kapasitanstır (1000 μF) ve Tc kapasitörlerin toplam şarj süresidir.
    4. Çeşitli hızlanmalar için yukarıdaki adımları tekrarlayın.

5. Piezo dönüştürücülerin hasar tespit potansiyeline göre SHM için uygunluğu

NOT: Bu bölüm, EMI tekniği kullanılarak hasar tespiti potansiyellerini değerlendirerek piezoelektrik dönüştürücülerin SHM için uygunluğunu değerlendirir.

  1. Deney düzeneği:
    1. Önceki bölümlerde belirtildiği gibi aynı RC ışınını yerleştirin.
    2. Elektrik giriş imzasını ölçmek için bir LCR ölçer kurun ve piezo dönüştürücülere bağlayın.
    3. Ayrıca, dizüstü bilgisayarı LCR ölçere bağlayın.
    4. Deney boyunca eşit bir oda sıcaklığı sağlamak için dijital bir termometre yerleştirin.
      NOT: Deney düzeneği için Şekil 5A'ya bakın.
  2. Prosedür
    1. LCR ölçeri kullanarak, süpürme modunda yüksek frekanslarda onları uyarmak için dönüştürücülere harmonik bir elektrik potansiyeli uygulayın.
      Durum 1: Daha kaba frekans aralığı: 1 kHz ila 1000 kHz, 1 kHz adım aralığı
      Durum 2: Daha ince frekans aralığı: 100 kHz ila 300 kHz, 100 Hz adım aralığı
    2. Her iki durum için de LCR ölçer ve dizüstü bilgisayar kullanarak dönüştürücüler tarafından oluşturulan giriş imzasını alın. Yapının sağlıklı aşamasındaki bu imzalara temel imzalar denir.
    3. Her durumda imzalar arasındaki bağıntıyı denetlemek için adımları yineleyin.
    4. Bir delik açarak kirişte hasara neden olun ve 5.2.1. aşama hasar sırasında imzaları elde etmek için 5.2.2 ve 1 adımlarını tekrarlayın.
    5. Daha fazla delik açarak daha fazla hasara neden olun ve hasarın her aşamasında imzaları elde etmek için 5.2.1 ve 5.2.2 adımlarını tekrarlayın. Mevcut çalışmada, Şekil 5B'de gösterildiği gibi üç hasar indüklenmiştir.
    6. Sağlıklı aşama ve hasarlı aşama imzaları arasındaki ortalama karekök sapma (RMSD) değerini karşılaştırarak imzaları görsel ve sayısal olarak karşılaştırın ve analiz edin.
    7. RMSD, aşağıda verilen denklem kullanılarak hesaplanabilir12,13:
      figure-protocol-5
      burada n örneklem büyüklüğüdür, xdi ve xhi sırasıyla hasarlı ve sağlıklı aşamalar altındaki imzalardaki i'inci değerlerdir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

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

Saf harmonik uyarım altında piezo dönüştürücüler arasında üretilen açık devre voltajının karşılaştırmalı analizi
Piezo dönüştürücülerin ve ivmeölçerin zaman alanı yanıtları Şekil 6A,B'de gösterilmektedir. Zaman alanı sinyallerinden, frekans alanı yanıtları Hızlı Fourier Dönüşümü (FFT) yöntemi kullanılarak türetilir ve yanıtlar Şekil 6C,D'de gösterilir. Orta açıklıkta portatif...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

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

Sunulan protokoldeki kritik bir adım, ışın çalkalayıcı sisteminin doğal frekansının doğru bir şekilde belirlenmesini içerir. Bu adım önemlidir çünkü piezoelektrik dönüştürücülerin hem enerji toplama hem de yapısal sağlık izleme (SHM) yetenekleri büyük ölçüde sistemin dinamik davranışına bağlıdır. Süpürme uyarımının kullanılması, ışın çalkalayıcı sisteminin rezonans frekansının tanımlanmasını kolaylaştırdı. Bu prosedür sırasında, CVEH, CVS ve ivmeölçerin frekans alanı yanıtları aynı anda ...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

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

Bu makale, yazarların daha önce yayınlanmış çalışmalarından 11,12,13 uyarlanmıştır ve yalnızca eğitim amaçlı, özellikle video formatı aracılığıyla bilginin ve bilimsel sanatın yayılmasını kolaylaştırma amaçlıdır. Şekil 1'den 12'ye kadar olan kısımlar Elsevier'in gerekli izniyle çoğaltılmıştır.

Teşekkürler

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

Bu çalışma, Hindistan Teknoloji Enstitüsü (IIT) Delhi ve Bilim ve Teknoloji Departmanı [DST/INSPIRE/04/2015/000545] tarafından mali olarak desteklenmiştir. Yazarlar, derginin videosunu oluşturmak için Bay Sameer Hasan ve Bay Pawan'ın verdiği desteği büyük ölçüde takdir etmektedir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
IvmePCB Piezotronik352C34
Agregalar - 10 mmYOKYOK
Agregalar - 20 mmYOKYOK
Kondansator (1000 μ F) YOKYOK
ÇimentoYOKYOK
Dijital multimetre Agilent Teknolojileri34411A
Dijital termometre  La Crosse Teknolojisi WS-9006U 
EpoksiYOKYOK
Fonksiyon üreticisi Agilent Teknolojileri33210A
ICP amplifikatör PCB Piezotronik482C Serisi
LCR metreAgilent TeknolojileriE4980A
Makro fiber kompozit (MFC) Akıllı MalzemeM5628-P2
OsiloskopTektronixTDS 2004B
Taşınabilir shaker LDSV406
Güç amplifikatör LDSPA500L
DirençYOKYOK
Döner tip sallayıcı Crompton Greaves XKF5577Şu anda mevcut değil
KumYOKYOK
Schottky tipi diyotlar Diodes IncorporatedBAT1000
TellerYOKYOK

Kaynaklar

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

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

Kavisli Piezo TransduserlerBetonarmeElektromekanik EmpedansTitre im Enerjisi Hasat sA k Devre GerilimiG Depolama Kondansat rFrekans Alan Analizi

İlgili makaleler