Distributed piezoelectric transducers and their applications in structural health monitoring

Abstract

Structural Health Monitoring (SHM) is an upcoming technology, which combines disciplines of smart materials, structural dynamics, structural engineering, Non-Destructive Testing (NDT), sensor and actuator development, signal processing and more. It deals with the development and implementation of techniques where monitoring, inspection and damage detection becomes an integral part of a structure. Piezoelectric materials have been explored and applied in many fields since its first discovery. Recently, with the rapid growth of piezoelectric transducers, they have become an essential part of an SHM system due to many of their prior advantages, for instance, light weight, low cost, ability to be integrated into a structure, easy to apply and so forth. Generally, the conventional piezoelectric transducers used in SHM are discrete piezoelectric ceramic sensors. They are widely accepted in many SHM applications due to the above- mentioned features. However, they are also known for their brittleness, hardness, unable to be applied on a single or multi-curved structural surface, difficult to cover a large area, as well as error performance due to bonding layer failure. These drawbacks compromise the reliability of a SHM system. The research presented here focuses on the investigation and development of a new type of smart material - the distributed piezoelectric transducer, with a target application in SHM fields where the traditional piezoelectric ceramics are not suitable anymore. One of the main focuses is the development of a piezoelectric ceramic and polymer based flexible piezoelectric composite: the piezoelectric paint. The production of a high quality piezoelectric paint is investigated and its material properties are characterized. To enhance the low piezoelectricity, which is the main drawback of a piezoelectric paint, its improvement is studied. The enhanced piezoelectric paint is compared with traditional strain gauges and ceramic sensors. Afterwards, its applications in SHM as strain sensors for strain measurement, modal sensors for modal filtering, vibration sensors for modal analysis are demonstrated. Besides, its thermal properties are studied as well. Since the piezoelectric paint contains a polymer phase, its applications are limited for ambient temperature applications, therefore, another group of piezoelectric material for high temperature SHM applications - Aluminum Nitride (AlN), is explored. This part focuses on a three-layer structure, AlN, Diamond, gamma Titanium Aluminide (γ-TiAl). AlN is deposited on the substrate as distributed Surface Acoustic Wave (SAW) transducer. Numerical calculation of the structure is performed to study the dispersion features of SAW on the three-layer structure. With the help of the Finite Element Method (FEM), the propagation of SAW is demonstrated by modeling and simulation. Structural flaws are simulated to illustrate that with the combination of Interdigital Transducers (IDT), AlN can be used as distributed SAW sensors in high temperature SHM applications.

Structural Health Monitoring (SHM) ist eine vielversprechende Technologie zu Überwachung von Struktur, in der die Disziplinen von smarten Materialien, Strukturdynamik, Bautechnik, zerstorungsfreien Prüfungen, Sensor- und Aktor-Entwicklung, Signalverarbeitung und mehr kombiniert werden. Ein SHM-System befasst sich mit der Entwicklung und Umsetzung von Verfahren, bei denen die Überwachung, Kontrolle und Schadenserkennung ein integraler Bestandteil einer Struktur wird. Seit ihren Entdeckung wurden Piezoelektrische Materialien in vielen Bereiche erforscht und angewendet. Dank ihrer umfangreichen Vorteile, z.B. geringes Gewicht, niedrige Kosten, Fähigkeit zur Strukturintegration, leicht zu verarbeiten, sind sie in letzter Zeit ein wesentlicher Bestandteil eines SHM-Systems geworden. Im allgemeinen werden herkommliche piezoeletrische Wandler - diskrete Piezokeramiksensoren für SHM-Systeme verwendet. Aufgrund der oben genannten Vorteile sind sie in vielen SHM Anwendungen weit verbreitet. Jedoch sind Piezoelektrische Wandler sehr sprode und hart. Dies verhindert ihre Applikation auf ein- oder mehrfach gekrümmten Oberflächen. Außerdem sind sie nicht für die groß flächige Applikation geeignet. Fehler in der Klebschicht, die den piezoelektrischen Wandler mit der Struktur verbindet, führen zu ungewollten Effekten in der Nutzung der Wandler. Diese Nachteile schränken die Zuverlässigkeit eines SHM-Systems ein. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die Erforschung und Entwicklung eines neuartigen smarten Materials - der flächige piezoelektrische Sensor. Zielanwendungen sind SHM-Systeme, für die die traditionellen piezoelektrischen Keramiken nicht mehr geeignet sind. Einer der Schwerpunkte ist die Entwicklung eines piezoelektrischen Verbundmaterials: Piezoelectric-Paint, die auf piezoelektrischer Keramik und Polymeren basiert. Die Herstellung einer hochwertigen Piezoelectric-Paint und die Eigenschaften werden untersucht. Um ihre niedrige Piezoelektrizität zu verbessern, was der Hauptnachteil der Piezoelectric-Paint ist, wird deren Verbesserung untersucht. Die verbesserte Piezoelectric-Paint wird mit traditionellen Dehnungsmessstreifen und Keramiksensoren verglichen. Danach werden verschiedene Anwendungen für SHM-Systeme getestet: als Dehnungssensoren, als modale Sensoren für Filterung, und als Vibrationssensoren für Modalanalyse. Außerdem sind ihre thermischen Eigenschaften untersucht. Da die Piezoelectric-Paint eine Polymerphase enthält, sind ihre Anwendungen für die Umgebungstemperatur beschränkt, daher wird eine weitere Gruppe von Sensoren aus piezoelektrischem Material für Hochtemperatur-Anwendungen untersucht. Dieser Teil der Arbeit konzentriert sich auf einen Dreischichtstruktur, Aluminiumnitrid (AlN), Diamant und γ-Titanaluminid (γ-TiAl). Der flächige Sensor aus AlN wird hierbei auf die Struktur aus Diamant und γ-TiAl aufgebracht. Verteilte Elektroden sind als Interdigital Tranducer (IDT) ausgeführt und ermoglichen die Anregung von Oberflächenwellen, sog. Surface Acoustic Wave (SAW). Die numerische Berechnung der Struktur wird ausgeführt, um die Dispersionseigenschaften von SAW, die sich auf der Dreischichtstruktur ausbreitet, zu studieren. Mit Hilfe der Finite Elemente Methode (FEM), wird die Ausbreitung der SAW durch Modellierung und Simulation demonstriert. Um die Fehlererkennungsfunktion des Sensors im Rahmen einer SHM-Anwendung zu demonstrieren, wird ein struktureller Fehler simuliert.