گروه پژوهشی مکاترونیک

آزمايشگاه مکاترونيک پژوهشکده فناوري هاي نو- دانشگاه صنعتي امير کبير از سال 1386 با هدف پايش بلادرنگ و در سرويس سازه هاي صنعتي به کمک حسگرها و عملگر ها پيزوالکتريک راه اندازي و تجهيز گرديد.  پياده سازي روش پايش بلادرنگ در سازه هاي صنعتي جايگزين يک برنامه­ي زمان بندي پايش مي گردد، ودر سازه هايي که در صورت شکست مي‌تواند خسارت مالي و جاني جبران ناپذيري به دنبال داشته باشد، تنها گزينه در انتخاب جهت ايمني و اطمينان از سلامت سازه به طور مداوم و حين سرويس مي باشد. روش پايش بلادرنگ وضعيت سازه به کمک سنسور هاي پيزوالکتريک در سازه هاي صنعتي از قبيل لوله ها، مخازن تحت فشار، ريل ها و در سازه هاي ديگر از جمله ساختمانها، سد ها، پل ها، تونل ها …..مي تواند پياده سازي شده و به کار گرفته شود.

بدست آوردن اطلاعات درباره سازه هاي در حال کار، با استفاده از روش‌هاي بازرسي بلادرنگ و برخط يکي از اهداف مهم کارخانه‌ها و تيم‌هاي نگهداري مي باشد. از ويژگي هاي اين روش مي توان از موارد زير نام برد:

›         اطلاع از خرابي سازه قبل از وقوع حادثه

›         استفاده بهينه از سازه:  کاهش و به حداقل رساندن زمان توقف کارخانه جهت آزمايش­هاي بازرسي و نگهداري

›         دادن قابليت پيشرفت در توليدات به توليد کننده

›         عدم نياز به زمان­بندي و جايگزين شدن سيستم پايش سلامت دوره اي تجهيزات با سيستم پايش سلامت بلادرنگ و برخط

›         جاگزيني جستجوهاي برنامه ريزي شده يا پيش بيني شده با نگهداري هاي بر پايه عملکرد

›         حداقل سازي درگيري انسان، زمان توقف سازه و خطا هاي انساني و بنابراين بهتر کردن ايمني و قابليت اطمينان تجهيزات

زمینه های تحقیقاتی

پایش سلامت سازه

روش مورد استفاده به منظور پايش سلامت سازه مبتني بر اعمال امپدانس الکترومکانيکي و يا موج لمب بر روي سازه به عنوان يک روش بلادرنگ براي تشخيص وجود و مکان عيب بر روي خطوط لوله، شيرها، مخازن تحت فشار و ديگر تجهيزات صنعتي مي باشد. اين عيوب مي تواند در اثر عوامل متعددي مانند خوردگي، اعمال بار خارج از حد مجاز و يا خستگي در سازه ايجاد گردد.

دما، فشار و رطوبت ناشي از عملکرد سيستم و يا شرايط محيطي، از  عوامل تاثير گذار بر روي روش تشخيص عيب مي باشند. جهت تميز دادن عيب از تاثير اين پارامتر ها، از روش هاي مبتني بر شبکه عصبي و آرايه هاي سنسوري استفاده مي شود.  عمليات تشخيص عيب در سازه با استفاده از انواع مختلفي از حسگرها و عملگرهاي پيزوالکتريک به همراه تجهيزات نمونه برداري و پردازش سيگنال مناسب صورت مي پذيرد.

حسگرها و عملگرهای پیزو الکتریک

خاصيت پيزوالکتريک اولين بارتوسط پيروژاک کوري درسال 1880 کشف شد. ريشه کلمه پيزوبه معني فشاراست. بنابراين معني اصلي کلمه پيزوالکتريسيته مفهوم “الکتريسيته فشاري” راالقامي‌کند.

 اين خاصيت به صورت گسترده درساخت تجهيزات متنوع همچون ترانسديوسرها،عملگرها،تجهيزات موج آکوستيک سطحي وکنترل فرکانس و … کاربرددارد.

حسگرها و عملگرهايي که ازموادباخاصيت پيزوالکتريک،خواص بي‌نظيري همچون وزن کم،شکل‌پذيري وتغييراندک ويژگي‌هايشان درشرايطمحيطي متفاوت ازخود نشان مي‌دهند.

 به همين دلايل براي کاربردهايي نظيرآزمايش‌هايارتعاشات وکنترل،پايش سلامت وکنترل شکل بسياريازسازه‌هامناسب هستند.

يک وصله پيزوالکتريک درصورت اعمال ولتاژدرجهتي خاص دچارکرنش مي‌شود. زماني که اين وصله به يک سازه متصل مي‌گردد،کرنش ايجادشده توسط اعمال ولتاژ به وصله به سازه منتقل  مي‌شودکه منجر به تغيير شکل سازه و حرکت مي‌گردد.

اين رفتار رفتار وصله پيزوالکتريک،عملگري نام دارد.

ولتاژ اعمالي به عملگرمي‌تواندبراساس قانون کنترلي تغييرکندتابه رفتارمناسب درپاسخ سازه منجرشود. بالعکس،اعمال کرنش مکانيکي به يک وصله پيزوالکتريک سبب ايجاد اختلاف پتانسيل روي الکترودهاي آن خواهدشد.

 اين رفتارسبب مي‌شودکه ازموادباخاصيت پيزوالکتريک درحسگري حرکت استفاده شود. استفاده از تیرهای یکسر گیردار پیزوالکتریک در ابعاد میلی‌متری با توجه به حساسیت آن‌ها همچنین سادگی طراحی و سیستم کنترلی‌شان و قیمت ارزان در تیراژهای بالا، روند رو به گسترشی را در سالیان گذشته به همراه داشته‌است. طرح‌هایی که به حسگری توسط این تیرها می‌پردازند پیش‌تر انجام شده یا در حال بررسی است اما در زمینه سنجش چگالی در سیال دوفازی که در صنایع پالایشگاهی و پتروشیمیایی، استخراج و انتقال نفت خام، نیروگاه‌ها، علوم هواشناسی به شدت حضور دارد.

برداشت کننده های انرژی

فرآيند به دست آوردن انرژي از محيط اطراف و تبديل آن به انرژي الکتريکي قابل استفاده را برداشت انرژي گويند. با پيشرفت‌هاي اخيرتکنولوژي در زندگي روزمره، تقاضا براي وسايل الکترونيکي قابل حمل و کم‌مصرف رو به افزايش است. چون اين وسايل قابل حمل هستند، ضروري است که بتوانند منبع ذخيره انرژي خود را نيز حمل کنند. به طور سنتي اين سيستم‌ها از باتري به عنوان منبع انرژي استفاده مي‌کنند.

مشکل اصلي استفاده از باتري‌ها اين است که آنها عمر محدودي دارند وتعويض آ‌ن‌ها مي‌تواند به يک کار تکراري و خسته‌کننده تبديل شود. حتي درمورد وسايلي مانند سنسورهاي بيسيم که مي‌توانند در مناطق غيرقابل‌دسترس، مانند بدنه پل‌ها، بر روي حيوانات براي رديابي آن‌ها و يا همچنين برروي سيستمهاي GPSنصب شوند، تعويض باتري مي‌تواند امري غيرممکنباشد.در چنين مواردي تنها راه تغذيه اين تجهيزات، استفاده از انرژي محيطي، همچون انرژي مکانيکي(ارتعاشات) است. يکجا بودن منبع تغذيه وسنسورها، باعث کاهش تلفات انرژي شده و ميزان سيم کشي‌هاي لازم جهت تغذيه سنسورها را کاهش مي‌دهد.

در ميان مکانيزمهاي مختلفي که براي تبديل انرژي مکانيکي(ارتعاشات) به الکتريسيته وجود دارد(از قبيل الکترومغناطيس، پيزوالکتريک والکترواستاتيک)، مکانيزم پيزوالکتريک به دليل راحتي استفاده از آن، دارابودن خاصيت ذاتي کوپلينگ الکترومکانيکي و همچنين چگالي توان بالا،بيشترين توجه را به خود اختصاص داده است.

متداولترين وسيله برداشت کننده انرژي از ارتعاشات، تير يکسرگيردار بايک يا چند لايه پيزوسراميک (PZT)است که بر روي يک سازه مرتعش قرارميگيرد. کرنش ديناميکي ايجاد شده در لايه هاي پيزوالکتريک منجر به توليدولتاژ الکتريکي ميگردد که به وسيله الکترودهايي که سطح لايه پيزوالکتريکرا مي پوشانند، جمع آوري و ذخيره ميگردد. از لحاظ رياضي فرايند تبديل انرژي مکانيکي(ارتعاشات) به انرژي الکتريکي قابل استفاده را ميتوان به وسيله روابط ساختاري پيزوالکتريک و همچنين روابط مقاومت مصالح تشريح نمود.