Jacek Szelążek
IPPT PAN Warszawa

 

CZUJNIKI  PIEZOELEKTRYCZNE 
STOSOWANE  W MONITOROWANIU STANU TECHNICZNEGO KONSTRUKCJI
I  W  "INTELIGENTNYCH  STRUKTURACH"

Wprowadzenie
Wraz ze stopniem skomplikowania konstrukcji wykrywanie w nich wad metodą ultradźwiękową staje się coraz bardziej czasochłonne i kosztowne. W samolotach czy statkach niektóre miejsca wewnątrz konstrukcji nie są dostępne lub ich udostępnienie do badań wymaga demontażu niektórych elementów. Stąd pomysł, aby odpowiedzialne i wymagające okresowych badań elementy konstrukcji już w czasie produkcji wyposażyć w czujniki umożliwiające monitorowanie ich stanu technicznego. W przypadku samolotu monitorowanie najczęściej oznacza wykrywanie pęknięć w elementach płatowca (na przykład w pobliżu nitów, w silnie obciążonych elementach), w zbiornikach - śledzenie ubytków korozyjnych, a w elementach kompozytowych - poszukiwanie rozwarstwień laminatu.
Standardowe głowice ultradźwiękowe nie nadają się do budowy takich układów monitorujących stąd prace nad rozwojem wyspecjalizowanych czujników mogących nadawać i odbierać lub tylko odbierać fale ultradźwiękowe. W badaniach elementów metalowych są to czujniki naklejane na powierzchnię, na przykład na blachy poszycia samolotu, a do badania elementów z kompozytu opracowywane są specjalne czujniki, które mogą być umieszczane wewnątrz struktury już w czasie jej wytwarzania. W ten sposób budowane są "inteligentne" części maszyn, spełniające nie tylko swoje funkcje mechaniczne, ale również mogące się "samodzielnie" kontrolować. Po angielsku taki sposób badania konstrukcji określany jest jako Smart Health Monitoring (Inteligentne Monitorowanie Stanu).
Istnieją dwa sposoby akustycznego monitorowania stanu konstrukcji: pasywny i aktywny. Sposób pasywny polega na użyciu czujnika jako mikrofonu mogącego wyłapywać drgania pochodzące od rozwijającego się uszkodzenia (rejestrowanie sygnałów emisji akustycznej). Czujniki pracujące w ten sposób działają nieustannie w czasie pracy konstrukcji. W sposobie aktywnym czujniki potrafią nadawać i odbierać impulsy fal (czyli spełniają tę sama rolę, co głowice w defektoskopii ultradźwiękowej). Aktywne systemy badania stanu konstrukcji wykorzystywane są w czasie przerw w pracy konstrukcji. Do układu czujników podłączany jest wtedy specjalny przyrząd (wielokanałowy defektoskop zaprogramowany do pracy z siecią czujników, w które wyposażono konstrukcję).
Celem artykułu jest pokazanie przykładów różnych przetworników projektowanych z myślą o zastosowaniu do monitorowania stanu konstrukcji oraz w inteligentnych strukturach (Smart Structures).
Przykład 1 -czujniki piezoelektryczne zatopione w laminacie.
Przykład pierwszy opisuje zastosowanie do monitorowanie stanu konstrukcji typowych przetworników piezoelektrycznych wykonanych z ceramiki, czyli przetworników podobnych do tych, jakie stosowane są z głowicach do ultradźwiękowych badań defektoskopowych. Zasadniczą różnicą jest jednak to, że w odróżnieniu od klasycznych głowic, które są przykładane do powierzchni elementu w czasie badania, opisywane przetworniki razem z połączeniami elektrycznymi zostały na stałe wbudowane w element.
Przedmiotem badań opisanych w [1] były próbki z wielowarstwowych laminatów węglowo -epoksydowych o wymiarach 500x500 lub 700x700 mm i grubościach od 2 do 4 mm. Autorzy stwierdzili, że dla laminatów, z których wykonane zostały próbki istnieje pewien graniczny poziom energii uderzenia, powyżej którego powstają w laminacie uszkodzenia. Stwierdzili też, że przy powstawaniu uszkodzenia generowany jest sygnał emisji akustycznej o częstotliwości kilkuset kHz. Obserwacja ta pozwoliła na wykorzystanie do rejestrowania uszkodzeń pasywnie działających przetworników czułych na takie właśnie częstotliwości.

Do monitorowania uszkodzeń zastosowano płaskie piezoelektryczne przetworniki ceramiczne o średnicy 5 mm, spolaryzowane radialnie. Wymiary przetworników zostały dobrane tak, aby uzyskać ich maksymalną czułość dla wybranych modów fal płytowych rozchodzących się w badanych próbkach (częstotliwości 400-600 kHz). Po kilka przetworników wraz z przylutowanymi do nich przewodami zostało zalaminowane w środku grubości każdej z próbek. Wykorzystanie kilku przetworników pozwoliło nie tylko na wykrywanie powstających wad, ale również na ich lokalizację. Schemat rozmieszczenia czujników na próbce pokazuje rysunek 1.


Na podstawie odbieranych przez czujniki sygnałów obliczano wielkości <s> określającą stopień uszkodzenia próbki:
  (1)                                       
gdzie:   s - sygnał emisji akustycznej,
            T - czas.

Sygnały elektryczne odbierane przez układ kontrolny przy uderzeniach w próbkę z różną siłą pokazano schematycznie na rysunku 2. Widoczny jest silny sygnał emisji akustycznej odbierany przy uderzeniu z energią 3 J. Jest to energia uderzenia, przy której laminat ulega uszkodzeniu (rozwarstwieniu). Ostatni rysunek pokazuje uzyskaną doświadczalnie na kilku próbkach zależność ocenionego na podstawie wzoru (1) stopnia uszkodzenia próbki ze zmierzoną w sposób niszczący powierzchnią rozwarstwień powstałych w próbkach w wyniku uderzeń. Zebrane dane pochodzą z jednego tylko czujnika i pokazują, że sposób monitorowania stanu laminatu epoksydowo-węglowego pasywnymi czujnikami piezoelektrycznymi pozwala nie tylko na wykrycie uszkodzenia laminatu, ale również na przybliżoną ocenę wielkości powstałego uszkodzenia.

 

Przykład 2 - Smart Layer.

Przykładem układu czujników zaprojektowanego do monitorowania stanu elementów z laminatów lub elementów metalowych jest układ Smart Layer [2]. Jest to arkusz folii z tworzywa sztucznego (Kaptan), na którego powierzchni ułożono małe przetworniki piezoelektryczne i przewody elektryczne. Taka technologia pozwala na dowolne umieszczenie czujników i dowolne prowadzenie przewodów w zależności od geometrii badanego elementu. Folia może być z jednej strony pokryta warstwą klejącą i przyklejona do metalowego elementu o powierzchni rozwijalnej (walec, stożek) lub ułożona między warstwami laminatu w trakcie produkcji elementu kompozytowego. Rysunek 4 pokazuje przykładowy układ 12 przetworników ułożonych na arkuszu folii o wymiarach 12x24 cale. Widoczne są przewody elektryczne, których wszystkie końcówki zbiegają się na jednej z krawędzi arkusza.


Smart Layer może być wykorzysta do różnych celów. Autorzy pracy [2] proponują wykorzystanie jej do monitorowania zmian naprężeń lub odkształceń struktury w funkcji czasu (na podstawie zmian czasów przejścia impulsów), do wykrywania wad (na podstawie analizy zmian impulsów) lub do monitorowania procesu produkcji laminatu (monitorowanie amplitud i zmian czasu impulsów w procesie utwardzania laminatu).
W pracy [3] opisano zastosowanie Smart Layer do monitorowanie rozwoju pęknięć w próbce zbudowanej z dwóch blach ze stopu lekkiego połączonych dwurzędowym szwem nitowym. Schemat próbki z naklejonymi na niej pasami Smart Layer pokazano na rysunku 5. W każdym pasku Smart Layer ułożony był jeden rząd przetworników. Przetworniki pasów przyklejonych między nitami działały jako przetworniki nadawcze a przetworniki dwóch pozostałych pasów - jako przetworniki odbiorcze. Oznacza to, że fala generowana przez przetwornik nadawczy, aby dojść do przetwornika odbiorczego musiały przejść obok nitów. Sygnał nadany przez jeden z nadajników odbierany był przez przetwornik odbiorczy leżący naprzeciwko nadawczego oraz przez dwa inne, sąsiadające z nim.
Opisana próbka poddana została badaniom zmęczeniowym (kierunek działania siły rozciągającej prostopadły do szwu nitowego). Cykliczne obciążenia miały doprowadzić do rozwoju pęknięcia rozpoczynającego się od jednego z otworów złącza nitowego.
Monitorowanie stanu próbki odbywało się w przerwach między kolejnymi cyklami męczenia próbki. W przerwach tych prowadzone były badania z wykorzystaniem Smart Layer, klasyczne badania ultradźwiękowe i wiroprądowe.
Przetworniki nadawcze Smart Layer pobudzane były impulsami o zmiennej częstotliwości (od 400 do 700 kHZ) a sygnały odbierane przez przetworniki odbiorcze analizowane były różnymi metodami poczynając od badania zmian amplitud sygnałów odbieranych przez przetworniki odbiorcze kończąc na analizie falkowej tych sygnałów.

Wyniki badań wykazały, że wykrywalność pęknięć przy wykorzystaniu Smart Layer jest niższa niż wykrywalność wad klasycznymi metodami badań nieniszczących. Analiza wyników wykazała, że jednakowe prawdopodobieństwo wykrycia wady metodami klasycznymi i Smart Layer osiąga się dla pęknięć nie krótszych od 5 mm.
Autorzy pracy [3] twierdzą, że drogą do podniesienia wykrywalności wad układami takimi jak Smart Layer jest lepsze poznanie propagacji fal w strukturach, możliwości dokładniejszego numerycznego modelowania propagacji fal oraz wykorzystanie do badania nie tylko poszczególnych "par" przetworników (nadajnik-odbiornik) lub ich "trójek" (nadajnik- dwa odbiorniki), ale większej ilości sygnałów nadawanych i odbieranych przez różne przetworniki.
Zaletą badania z wykorzystaniem Smart Layer jest możliwość częstego prowadzenia badań, możliwość pełnej automatyzacji badania, niskie koszty i czas badania. Ważną zaletą układów typu Smart Layer jest to, że mogą one być zainstalowane w miejscach niedostępnych dla klasycznych metod badań nieniszczących.
Przykład 3 - matryca przetworników z folii piezoelektrycznej.
W pracy [4] opisane są doświadczenia nad wykorzystaniem do monitorowania stanu struktury wieloelementowej matrycy z przetwornikami z folii piezoelektrycznej. W odróżnieniu od warstwy Smart Layer przetworniki tej matrycy generowały i odbierały fale podłużne rozchodzące się w kierunku normalnym do powierzchni. Matryca zastępuje więc wiele głowic normalnych na fale podłużne ustawionych blisko siebie.
Badania obejmowały wybór rodzaju i grubości folii oraz sposobu jej naklejania na powierzchnię elementu. Zbadano różnego typu folie piezoelektryczne o grubościach od 25 do 100μm i przeprowadzono doświadczenia stosując do naklejania folii na powierzchnię elementu różnego rodzaju kleje i taśmy obustronnie klejące.
Wynikiem tych badań było zbudowanie matrycy składającej się ze 100 kwadratowych przetwroników, każdy o boku 10mm i 2-milimetrowymi odległościami między przetwornikami. Matryca składała się z folii piezoelektrycznej, na którą nałożone zostały elektrody pokrywające powierzchnie przetworników i ścieżki elektryczne. Gotową matrycę naklejano na element stosując taśmę obustronnie klejącą. Widok matrycy pokazano na rysunku 6.

Poszczególne przetworniki matrycy, pracujące metodą echa, działają kolejno obejmując badaniem obszar materiału wyznaczony powierzchnią matrycy (około 18*18 cm). Sprawdzianem działania matrycy było wykorzystanie jej do wykrycia wad w aluminiowej próbce o grubości 15 mm. Na dnie tej próbki wyfrezowane zostały wady sztuczne o głębokości 2 mm, o różnych kształtach, imitujące ubytki grubości. Na powierzchni próbki, ponad wadami sztucznymi, naklejona została matryca. Na rysunku 7 pokazano wyniki badania tej próbki. Pokazuje on kontury wad sztucznych i odpowiednimi kolorami wskazania poszczególnych przetworników. Widoczna jest zgodność wskazań poszczególnych przetworników z rzeczywistymi kształtami wad sztucznych.
We wnioskach autorzy stwierdzają, że wykonana prototypowa matryca dowiodła, że tego typu czujniki mogą być naklejana na płaskie lub rozwijalne powierzchnie elementów konstrukcji i stosowane do monitorowania stanu odpowiedzialnych elementów konstrukcji. W prototypowej matrycy zastosowano stosunkowo duże (10*10mm) przetworniki, co ograniczyło rozdzielczość badania. Rozdzielczość ta może być podniesiona przez wykonanie matrycy składającej się z większej ilości małych przetworników.

Autorzy podają, że wykonana przez nich matryca może również działać jako pasywny czujnik wykrywający i lokalizujący uderzenia w element konstrukcji.
Przykład 4 - czujnik z włókien piezoelektrycznych.
Marzeniem konstruktorów elementów kompozytowych było mechaniczne zintegrowanie z laminatem elektrycznie sterowanych elementów mogących monitorować stan konstrukcji oraz aktywnie wpływać na własności konstrukcji, czyli budowa "inteligentnej struktury" samodzielnie dostosowującej się do warunków i zdolnej do samokontroli. Możliwości takie stwarzają produkowane od niedawna włókna piezoelektryczne. Włókna te posiadają moduł Younga zbliżony do modułu Younga włókien szklanych i ich zatopienie w laminacie nie powinno zmieniać jego własności mechanicznych.
Produkcję włókien piezoelektrycznych i wykonanie z nich czujników opracowano w Instytucie Fraunhofera [5]. Drobny proszek z ceramiki piezoelektrycznej (ziarna o wymiarach 2 - 4 mm) razem z elastycznym spoiwem tworzy żel, z którego wyciskane są długie włókna o średnicy od 15 do 50 mm [6]. Obraz włókna o średnicy około 40 mm pokazany jest na rysunku 8.
Włókna te są następnie spiekane w piecu o kontrolowanej atmosferze i po ostygnięciu tworzą cienkie i elastyczne nitki ze zwartych ziarenek ceramiki piezoelektrycznej. Te nitki układane są następnie w jednej płaszczyźnie, równolegle do siebie, w odległościach około 0,2 mm. Z obu stron, na warstwę włókien nanoszone są elektrody grzebieniowe, które pozwalają na polaryzacje włókien (nadanie im własności piezoelektrycznych) oraz później, w czasie pracy gotowych już czujników czujników, na zbieranie z włókien ładunków elektrycznych powstających w czasie ich odkształcania. Łączną grubość warstwy włókien, dwóch elektrod i dwóch warstw folii osłaniających wynosi 100mm a powstały w taki sposób czujnik jest elastyczny i po dołączeniu do niego przewodów może być umieszczony miedzy warstwami laminatu w czasie wytwarzania kompozytowej struktury.
Schemat budowy czujników z włókien piezoelektrycznych pokazany jest na rysunku 9.
Jednowarstwowe czujniki wykorzystane mogą być jako pasywne czujniki emisji akustycznej oraz do monitorowania odkształceń struktury kompozytowej. W odróżnieniu od okrągłych czujników piezoelektrycznych opisanych w przykładach 1 i 2, czujniki z włókien są czułe na odkształcenia w kierunku równoległym do kierunku ułożenia włókien (podobnie jak klasyczne głowice ultradźwiękowe posiadają kierunkowe charakterystyki).
Czujniki z włókien można sklejać ze sobą warstwami tworząc laminat "nasycony" włóknami piezoelektrycznymi. Czujniki z włókien w takim kompozycie, poza monitorowaniem stanu struktury, działać mogą również jako pasywne tłumiki drgań. W czasie drgania struktury, jej odkształcenia powodują powstawanie ładunków elektrycznych we włóknach a ładunki te odprowadzana są przewodami elektrycznymi poza strukturę. W ten sposób energia mechaniczna drgań zamieniana jest na energię elektryczną, która z kolei zamieniana jest na ciepło już poza strukturą.
Inną cechą struktury z wbudowanymi w nią włóknami piezoelektrycznymi jest możliwość aktywnego tłumienia drgań. Sygnały z czujników odkształcenia informują układ kontrolny o wystąpieniu drgań a układ reaguje wysyłaniem sygnałów elektrycznych docierających do znajdujących się w laminacie włókien piezoelektrycznych, które odpowiednio kurczą się lub wydłużają, przeciwstawiając się drganiom struktury. W ten sposób struktura wyposażona w działające pasywnie i aktywnie czujniki może samodzielnie przeciwdziałać powstającym w niej drganiom. Działające na tej zasadzie układy stosowane są już dzisiaj w samolotach do tłumienia drgań niektórych elementów.
Przewidywane są prace nad wykonaniem włókien z monokryształów piezoelektrycznych. Czujniki z monokryształów będą posiadały wielokrotnie wyższą czułość od włókien wykonanych z drobnych ziaren ceramiki PZT i wielokrotnie większą skuteczność działania w "inteligentnych strukturach".
Przykład 5 - śruba z przetwornikiem piezoelektrycznym.
Wykorzystanie fal ultradźwiękowych do pomiaru sił w śrubach znane jest od dawna. Obecnie oferowanych jest na rynku kilka typów aparatów to takich badań. Problemem w pomiarach jest zapewnienie poprawnego sprzężenia akustycznego głowicy ultradźwiękowej z łbem śruby (nie wszystkie śruby czy szpilki maja płaskie i gładkie czoła) oraz uzyskanie niezniekształconego impulsu odbitego od końca śruby (nie zawsze koniec śruby jest płaski, nie zawsze można go nawet zobaczyć).
Ciekawe rozwiązanie "inteligentnej śruby" przedstawiły NASA Marshall Space Flight Center i firma ULTRAFST [7]. Dzisiaj są to śruby przeznaczone głównie do łączenia różnych elementów konstrukcji w przestrzeni kosmicznej gdzie warunki pracy nie pozwalają na stosowanie ciężkich kluczy dynamometrycznych a jednoczenie konieczna jest kontrola siły, z jaką połączenia śrubowe dociskają łączone elementy. Schemat budowy inteligentnej śruby pokazuje rysunek 10.
Budowa takich śrub stała się możliwa dzięki opracowaniu próżniowej technologii nakładania cienkich warstw piezoelektrycznych na powierzchnie metali. Warstwy takie charakteryzują się dobrą przyczepnością do metalu a połączenie odporne jest na działanie skrajnych temperatur. Stosowane w śrubach warstwy piezoelektryczne mają grubość jedynie około 0,001 cala. W opisanych śrubach przetwornik osadzony jest w specjalnym gnieździe wykonanym w łbie śruby. Gniazdo to chroni go przed uszkodzeniami mechanicznymi.
Ocena stopnie naprężenia śruby dokonywana jest przez pomiar zmiany czasu przejścia impulsu fali podłużnej w śrubie. Czas przejścia od przetwornika do końca śruby i z powrotem do przetwornika zależny jest od naprężenia rozciągającego w trzpieniu śruby (zjawisko elastoakustyczne), od wydłużenia śruby (odkształcenie sprężyste), temperatury i materiału śruby. Im większa siła rozciągająca trzpień śruby tym dłuższy czas przejścia impulsu. Do pomiaru czasu przejścia budowane są specjalne przyrządy z elektrodami stykającymi się z przetwornikiem i łbem śruby. Przyrządy te to wyspecjalizowane aparaty ultradźwiękowe pozwalające na generację fali, odbiór fali odbitej od końca śruby, pomiar czasu przejścia fali o obliczenie siły działającej w badanej śrubie.
W stosunku do znanych ultradźwiękowych technik pomiaru sił w śrubach "inteligentna śruba" ma szereg zalet. Przetwornik osadzony jest na niej na stałe a więc wyeliminowany jest szkodliwy wpływ zmian sprzężenia skutecznego na wynik precyzyjnego pomiaru czasu przejścia (czas ten musi być mierzony z nanosekundową dokładnością). Średnica przetwornika dobrana jest optymalnie do średnicy i długości śruby. Do pomiaru siły w śrubie wystarczające jest przyłożenie do niej specjalnego aparatu bez konieczności stosowania ośrodka sprzęgającego.
Producenci inteligentnych śrub twierdzą, że w niedalekiej przyszłości znajdą one zastosowania nie tylko w technice kosmicznej, ale również w przemyśle samochodowym (połączenia odpowiedzialnych elementów układu kierowniczego, hamulcowego), nuklearnym czy chemicznym. Przy masowej produkcji koszt osadzenia warstwy piezoelektrycznej na śrubie nie powinien przekraczać kilku centów.
Podsumowanie
Przedstawione przykłady pokazują, że cechą charakterystyczną czujników stosowanych do monitorowaniu stanu konstrukcji jest ich "płaskość" umożliwiająca ich naklejanie lub wręcz wklejanie w strukturę. Choć falami, które są przez takie przetworniki nadawane i odbierane są głównie fale Lamba to żaden z opisanych czujników nie ma klina załamującego, jakie stosuje się w znanych z ręcznych badań głowicach skośnych. Zamiast klina i osadzonego na nim przetwornika drgającego grubościowe wykorzystywane są przetworniki o polaryzacji radialnej.
Wszystkie opisane układy są na stałe połączone z badanym elementem. Nie ma wiec problemu ze stałością sprzężenia akustycznego ani z przesuwaniem czujnika. Wieloprzetworonikowe układy mogą być umieszczane w czasie produkcji czy montażu na powierzchniach, które w czasie eksploatacji konstrukcji są normalnie niedostępne. Umożliwia to prowadzenie kontroli stanu struktury nie tylko podczas remontów, gdy części konstrukcji są demontowane, ale również w czasie postojów. Podnosi to prawdopodobieństwo wcześniejszego wykrycia wady niż przy klasycznych, okresowych badaniach.
Do przeprowadzenia badania z wykorzystaniem opisanych układów przetworników konieczne jest posiadanie specjalnego aparatu zaprogramowanego do obsługi danego układu. Zupełnie inne niż w przypadku ręcznych badań ultradźwiękowych są sposoby oceny wielkości wykrywanych wad czy sposoby oceny wykrywanych uszkodzeń.
Pojawiają się zupełnie nowe typy przetworników piezoelektrycznych, które mogą być "zatapianie" w konstrukcjach kompozytowych i mogą służyć nie tylko do monitorowania stanu konstrukcji, ale również do aktywnego tłumienia drgań. Tego typu czujniki, spełniające różne funkcje, budowane są z myślą o zastosowaniach w lotnictwie.
Literatura
[1]. M.Dupont, D.Osmond, R.Gouyon, D.L.Balageas, Permanent Monitoring of Damaging Impacts by a Piezoelectric Sensor Based Integrated System, Proc. of the 2nd International Workshop on Structural Health Monitoring, Stanford University, Stanford, CA, September 8-10,1999, Conf. Structural Health Monitoring 2000, Technomic Publishing Co., Inc, Lancaster-Basel, pp.561-670.
 [2]. M. Lin, Development of SMART Layer for Built-In Structural Diagnostics, Proc. of the 2nd International Workshop on Structural Health Monitoring, Stanford University, Stanford, CA, September 8-10,1999, Conf. Structural Health Monitoring 2000, Technomic Publishing Co., Inc, Lancaster-Basel, pp. 603-611.
[3]. Boller C. i współautorzy, Smart Systems for In-service Crack Monitoring of Aircraft Components, Festkolloquium 25 Jahre FG Werkstoffmechanik der TU Darmstadt, September 28, 2001.
[4]. L. Gaul, S. Hurlebaus, Application of PVDF-films for ultrasonic testing, Proc.Europen COST F3 Conference on SYSTEMS IDENTIFICATION&STRUCTURAL HEALTH MONITORING, Universidad Politechnica de Madrid, Madrid, June 2000, de. JaA. Guemes, Vol. 2, pp. 571-580.
[5].  materiały promocyjne Franuhofer-Institut fuer Silicatforschung ISC, Weurtzburg, Germany, 2001.
[6]. Sporn D., Schonecker A., Composites with piezoelectric thin fibres - first evidence of piezoelectric behavior, Mat. Res. Innovat., Vol.2, pp.303-308, Springer Verlag 1999.
[7]. NASA “Smart Bolts" Likely to Revolucionize Some Industries, May 1997, Marshal Space Flight Center, Technology Transfer Program (www.nasasolutions.com/new/ultrafast.html)

 

Statystyka