اخیراً مواد پیزوالکتریک به طور گسترده در تشخیص آسیب سازه‌های مختلف از جمله تیرها، صفحات و لوله‌ها به دلیل ویژگی‌های منحصربه‌فرد حس‌گری و محرکی استفاده شده‌اند. امواج در جامدات معمولاً توسط نیروی ضربه ای بر سطح رسانه آغاز می شوند که می‌تواند به عنوان یک پالس مدل شود. ارزیابی عملکرد سازه ها از نظر وضعیت نهایی و حد سرویس دهی، دوام و خرابی همواره موضوع مهمی بوده است. تشخیص زودهنگام ناهنجاری‌هایی مانند نقص یا آسیب در سازه برای تصمیم‌گیری بهینه در رابطه با بازسازی و مقاوم سازی آن ضروری است. این امر منجر به دو موضوع تحقیقاتی مرتبط با هم شده‌است، یعنی نظارت بر سلامت سازه و تعمیر سازه.
بسیاری از تکنیک‌های ارزیابی غیرمخرب عملی و قوی (NDE) برای پایش سلامت سازه در سطح عنصر بر اساس سیگنال‌های انتشار موج توسعه یافته‌اند. این تکنیک‌ها شامل :
- نظارت بر تغییرات در پارامترهای مودال (به عنوان مثال، فرکانس های طبیعی، میرایی مدال، شکل حالت)
- اسکن اولتراسونیک با استفاده از انتشار امواج در سازه ها (به عنوان مثال، تکنیک پالس-اکوی)
- تکنیک های تصویربرداری اخیر با استفاده از تجهیزات پیشرفته مانند مادون قرمز ( بازرسی ترموگرافی)
- اسکن لیزری (بازرسی رادیوگرافی)
با این وجود، تشخیص آسیب در هر دو سطح ساختاری و عنصری هنوز چالش قابل توجهی را ایجاد می‌کند. تکنیک بازرسی اولتراسونیک با استفاده از سیگنال‌های امواج انتشاری را میتوان به عنوان یکی از رایج‌ترین تکنیک‌های مورد استفاده در نظر گرفت.کاربرد آن در دو دهه گذشته به دلیل پیشرفت‌های مربوط در تجهیزات الکترونیکی به سرعت ترویج شده‌است، که این تکنیک را کاربردی، ارزان‌تر و به آسانی در دسترس می‌سازد.
مواد و کاربردهای پیزوالکتریک
پیزوالکتریک پدیده‌ای است که در آن انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی و بالعکس تبدیل می‌شود. طبق تعریف، ماده‌ای که دارای پیزوالکتریک است، هنگامی که فشار مکانیکی به آن وارد شود، بار الکتریکی تولید می‌کند. به همین ترتیب، زمانی که بار الکتریکی روی آن اعمال می‌شود، ماده تغییر هندسی را تجربه می‌کند. مواد طبیعی کمی وجود دارند که پیزوالکتریک را نشان می‌دهند، که سرامیک‌های پیزوالکتریک (سرب زیروکوندات تیتانات یا به طور خلاصه PZT)، پلیمرهای پیزوالکتریک (پلی وینیلیدین فلوراید، مشخص شده به عنوان PVDF) و سرامیک پیزوالکتریک به عنوان سنسورهای پیزوالکتریک و ترکیبات پیزوالکتریک استفاده می شوند.
مزایا و معایب هر نوع ماده را میتوان خلاصه کرد: (1) سرامیک ها ارزان تر و آسان تر از پلیمرها ساخته می شوند. آنها ثابت دی الکتریک نسبتاً بالایی دارند و کوپلینگ الکترومکانیکی خوبی دارند. از آنجایی که سرامیک‌های یکپارچه سفت و شکننده هستند، نمی‌توانند روی سطوح منحنی پوشانده شوند، که انعطاف‌پذیری طراحی در مبدل را محدود می‌کند. (2) پلیمرهای پیزوالکتریک بسیار منعطف هستند، اما دارای محدودیت های جفت الکترومکانیکی کم و ثابت دی الکتریک پایین و هزینه ساخت بالا هستند. (3) کامپوزیت های سرامیک/پلیمر پیزوالکتریک در مقایسه با مواد تک فاز خواص برتری از خود نشان داده‌اند. آنها کوپلینگ بالا، امپدانس کم، حالت های کاذب کم و یک ثابت دی الکتریک متوسط دارند.
ویژگی‌های تبدیل انرژی متقابل پیزوالکتریک مواد پیزوالکتریک را قادر می‌سازد تا به عنوان سنسور ، محرک یا مبدل عمل کنند. هنگامی که آنها به عنوان سنسور استفاده می‌شوند، سیگنال مکانیکی ورودی به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌شود که می‌تواند از طریق تجهیزات الکتریکی ارزیابی شود. هنگامی که آنها به عنوان محرک اعمال می‌شوند، کرنش‌هایی برای کنترل رفتار بستر با توجه به ولتاژ اعمال‌شده تولید می‌شود. در نهایت، هنگامی که آنها به عنوان مبدل استفاده می‌شوند، سیگنال ورودی الکتریکی فرکانس بالا به موج مکانیکی تبدیل می‌شود. اگر فرکانس ورودی الکتریکی باند باریک باشد، باند فرکانس موج مکانیکی خروجی باریک می‌ماند.
E/M
رفتار منحصربه‌فرد مواد پیزوالکتریک باعث می‌شود که آنها به عنوان مبدلی برای تحریک موج روی بستر پیوندشده یا سنسور برای تشخیص موج مکانیکی منتشرشده در بستر باشد. اخیراً تجزیه و تحلیل الکتریکی- مکانیکی جفت‌شده (E/M) سیستم‌های تطبیقی را که توسط یک ویفر پیزوالکتریک متصل به سطح متصل می‌شوند، به صورت تجربی انجام دادند و نشان داد که پاسخ پذیرش E/M به دقت پاسخ دینامیکی سیستم را منعکس می‌کند.
محققان مدل‌سازی نظری روی دینامیک سنسور پیزوالکتریک برای شرایط مرزی مختلف و تعامل آن با ساختار میزبان انجام داند، که نشان می‌دهد که پذیرش E/M یا طیف‌های فرکانس امپدانس می‌توانند به درستی تغییرات در دینامیک محلی ناشی از آسیب‌های ساختاری اولیه را ثبت کنند. در نتیجه در دسترس بودن مواد پیزوالکتریک با اثر جفت الکترومکانیکی قوی، سنسورها و محرک‌های جدید شامل عناصر پیزوالکتریک کاربردهای گسترده‌ای پیدا کرده‌اند و تقاضای بیشتری دارند. به عنوان مثال می توان به موتورهای اولتراسونیک پیزوالکتریک، مبدل های پیزوالکتریک برای نظارت بر سلامت سازه، و کنترل ارتعاش یا سرکوب نویز با استفاده از لایه پیزوالکتریک اشاره کرد. پس از آن، اثرات جفت ساختاری بین ماده پیزوالکتریک و ماده میزبان به موضوعی از اهمیت عملی تبدیل می‌شود.
مواد پیزوالکتریک اجازه انجام تعمیرات فعال را می‌دهند، زیرا استحکام و تعامل آنها با ساختار تعمیرشده می‌تواند برای جبران تغییرات محیطی تنظیم شود. تکه‌های پیزوالکتریک نیز بسیار سبک تر از مواد معمولی هستند و استرس متمرکز کمتری بر ساختار آسیب‌دیده ایجاد می‌کنند.
تجزیه و تحلیل و کاربردهای حسگرها و محرک های مواد پیزوالکتریک
سنسورها و محرک های مواد پیزوالکتریک ساده
نتایج تحلیلی و تجربی محرک های پیزوالکتریک به عنوان عناصر سازه‌های هوشمند، یعنی سازه‌هایی با محرک های توزیع‌شده، سنسورها و شبکه‌های پردازشی ارائه شد. مدل‌های تحلیلی برای پاسخ دینامیکی برای تکه‌هایی از محرک‌های پیزوالکتریک متصل به یک زیرساخت الاستیک یا تعبیه‌شده در یک کامپوزیت چند لایه به دست آمد. مدل‌های آنها قادر به پیش‌بینی پاسخ عضو سازه در یک ولتاژ معین اعمال‌شده به محرک‌ها و ارائه راهنمایی در مورد مکان بهینه محرک‌ها بودند. تجزیه و تحلیل پوسته پوسته شدن برای ارزیابی اثربخشی مواد پیزوالکتریک مختلف در انتقال کرنش به زیر سازه انجام شد. محققان مجموعه ای از دستگاه های پیزو پلیمری را بر اساس تئوری ورقه ورقه کامپوزیت پلیمری پیزوالکتریک توسعه دادند.
با ترکیب‌های مختلف زوایای لایه و الگوهای الکترود، یک ساختار صفحه نازک پیزوپلیمر/فلزی ساخته‌شد که هم تغییر شکل خمشی و هم پیچشی را تحت یک میدان الکتریکی نشان می‌داد. مجموعه‌ای از ساختارهای حسگر پرتو پیچشی نیز گنجانده شده‌اند که می‌توانند بین حالت‌های ارتعاش خمشی و پیچشی تمایز قائل شوند. آنها همچنین آزمایش هایی را انجام دادند و نتایجی را مطابق با پیش بینی های نظری به دست آوردند.
شکل 1. عکس فوری از پاسخ گذرا یک حلقه پیزوالکتریک همراه با انتشار موج
مبدل بین دیجیتالی
مبدل بین دیجیتالی Interdigital transducer (IDT) ابتدا برای بهبود عملکرد کامپوزیت های فیبر پیزوالکتریک و متعاقباً برای تحریک دستگاه های موج سطحی در تجهیزات ارتباطی رادار به عنوان فیلترها و خطوط تاخیر و برخی از مناطق مصرف کننده مانند پیجرها، استفاده شد. کاربردهای آن در جداسازی، تقویت، و ذخیره سیگنال ها و در دیگر کاربردهای پردازش سیگنال در آکوستو-الکترونیک نیز مهم در نظر گرفته‌شد.
لازم به ذکر است که در این کاربردها معمولاً از سه فرض مهم برای ساده سازی مدل های تحلیلی IDT استفاده می شود. اولاً، اثرات پیزوالکتریک به اندازه‌ای کوچک فرض می‌شود که میتوان میدان الکتریکی را ابتدا محاسبه کرد و سپس برای بدست آوردن میدان مکانیکی اعمال کرد. ثانیاً، تعداد نامتناهی انگشت برای پذیرش یک راه حل کاملاً دوره ای فرض می شود. در نهایت، بستر پیزوالکتریک نیمه بی نهایت فرض می شود. بر اساس این سه فرض، ویژگی های پراکندگی انتشار موج در محیط های مختلف پیزوالکتریک به دست می آید.
امروزه یکی از زمینه های کاربردی مهم IDT در پایش سلامت سازه ها می باشد. یک IDT عملی با طول محدود متصل به صفحه فلزی در شکل 2 نشان داده‌شده‌است. IDT یک سطح فیلم پیزوالکتریک نازک است که بر روی بستر پیزوالکتریک یا غیر پیزوالکتریک برای استفاده از تحریک موج یا دریافت سازه ها چسبانده شده‌است. روی سطح ویفر، الگویی از الکترودها طراحی شده‌است که شامل دو مجموعه متناوب از انگشتان است که برای تامین انرژی به منابع برق خارجی متصل هستند.
شکل 2. سطح صفحه جفت‌شده پیزوالکتریک متصل به مبدل بین دیجیتالی
مواد پیزوالکتریک به دلیل خواص استثنایی اتصال مکانیکی و الکتریکی خود، کاربردهای بالقوه زیادی در زمینه نظارت و تعمیرات سلامت سازه دارند. از مطالعات تحقیقاتی مشخص است که مواد پیزوالکتریک دارای ظرفیت های حسی و هیجان انگیز قابل توجهی هستند. می توان نتیجه گرفت که سنسورها و محرک های پیزوالکتریک ساده و IDT قابلیت تشخیص ترک های تیر، صفحه و لوله را با دقت معقولی دارند. علاوه بر این، به عنوان جایگزینی برای مواد معمولی برای تعمیر سازه، مواد پیزوالکتریک دارای ویژگی‌های امیدوارکننده‌ای (مانند وزن سبک) برای غلبه بر مشکلات ناشی از روش‌های تعمیر مرسوم هستند.
