Mesut TEKKALMAZ, Gökhan HAYDARLAR, MEHMET ALPER SOFUOĞLU

Yapısal Sağlık İzlemede Kullanılan Piezoelektrik Sensörlerin Değişen Sıcaklıklarda Davranışının İncelenmesi

Yapısal sağlık izleme (SHM), yapıdaki hasarın yeri ve boyutunu, yapının ömrünü tespit etmek için kullanılan izleme yöntemidir. Bu çalışmada, serbest bir piezoelektrik sensörün davranışı değişen çevre koşullarına maruz kalmış yapılar göz önüne alınarak elektromekanik empedans metodu (EMI) kullanılarak deneysel olarak test edilmiştir ve ANSYS sonlu elemanlar programı kullanılarak simülasyon çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışmada; oda sıcaklığında piezoelektrik sensörün empedans ölçümleri tamamlandıktan sonra, -10 °C ve -45 °C arasındaki empedans ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Sıcaklık düştükçe frekans ve genlik artmıştır. Simülasyon çalışmalarında ise, deneysel çalışmada kullanılan piezoelektrik sensörün ANSYS sonlu elemanlar programı yardımıyla harmonik analiz sonuçları elde edilmiştir. Deneysel çalışmalardan elde edilen sonuçlarda olduğu gibi, sıcaklık düştükçe frekans ve genlik artmıştır. Deneysel çalışmalardan ve simülasyon çalışmalarından elde edilen sonuçların birbirine yakın olduğu görülmüştür.

Anahtar Kelimeler:

Piezoelektrik sensör, elektromekanik empedans, sıcaklık etkisi

Investigation of the Behavior of Piezoelectric Sensors Used in Structural Health Monitoring at Different Temperatures

Structural health monitoring (SHM); is the tracking method used to determine the location and size of the damage to the structure and the life of the structure. In this study, the behavior of a free piezoelectric sensor was experimentally tested using the electromechanical impedance method (EMI), taking into account the structures exposed to varying environmental conditions, and simulation studies were performed using the ANSYS finite element program. In the experimental study; impedance measurements were performed between -10 °C and -45 °C after impedance measurements of the piezoelectric sensor were completed at room temperature. The frequency and amplitude have increased with decreasing temperature. In the simulation studies, harmonic analysis results were obtained by using the ANSYS finite element program of the piezoelectric sensor used in the experimental study. The frequency and amplitude increased as the temperature decreased, as in the results obtained from the experimental studies. The results obtained from experimental and simulation studies were found to be close to each other.

Keywords:

Piezoelectric sensor, electromechanical impedance, temperature effect,

___

[1] Shankar R., “An integrated approach for structural health monitoring”, PhD thesis, Indian Institute of Technology Delhi, (2009).
[2] Aktan A. E., Helmicki A. J. and Hunt V. J., “Issues in health monitoring for intelligent infrastructure”, Smart Materials and Structures, 7(5): 674-692, (1998).
[3] Doebling S. W., Farrar C. R. and Prime, M. B., “A summary review of vibration-based damage identification methods”, The Shock and Vibration Digest, 30(2): 91-105, (1998).
[4] Hooker, M. W., “Properties of PZT-based Piezoelectric Ceramics between -150 and 250 °C”, Technical Report, (1998).
[5] Sherrit S., Yang G., Wiederick H. D. and Mukherjee B. K., “Temperature dependence of the dielectric, elastic and piezoelectric material constants of lead zirconate titanate ceramics”, In Proceedings of the international conference on smart materials, structures and systems, 121-126, (1999).
[6] Baptista F. G., Budoya D. E., De Almeida V. A. and Ulson J. A., “An experimental study on the effect of temperature on piezoelectric sensors for impedance-based structural health monitoring”, Sensors (Basel), 14(1): 1208-1227, (2014).
[7] Wandowski T., Malinowski P. H. and Ostachowicz W. M., 2016, “Delamination detection in CFRP panels using EMI method with temperature compensation, Composite Structures, 151: 99-107, (2016).
[8] Xu G., Xu B., Xu C. and Luo Y., “Temperature effects in the analysis of electromechanical impedance by using spectral element method”, Multidiscipline Modeling in Materials and Structures, 12(1): 119-132, (2016).
[9] Haider M. F., Giurgiutiu V., Lin B. and Yu L., “Irreversibility effects in piezoelectric wafer active sensors after exposure to high temperature”, Smart Materials and Structures, 26(9): 095019, (2017).
[10] https://www.piceramic.com/en/products/piezoceramic-materials/#c15162
[11] http://ansys.net/ansys/tips/Week13 TNT Conversion of Piezoelectric Material Data. pdf
[12] Türker Ö., “PZT/Polimer Esaslı Aktif Titreşim Kontrolüne Uygun Akıllı Kiriş Tasarımı ve İmalatı”, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimeri Enstitüsü, (2009).
[13] Ajitsaria J.K., “Modelling and analysis of PZT Micropower Generator”, PhD Thesis, Auburn University, (2008).
[14] http://www.americampiezo.com
[15] http://www.piezo.com/catalog8.pdf
[16] Giurgiutiu V., “Structural health monitoring with piezoelectric wafer active sensors”, Second Edition, Elsevier, U.S.A., (2014).