This paper addresses a new type of broad and stage-based hybrid carbon fiber reinforced polymer (HCFRP) sensor that is suitable for the sensing of infrastructures. The HCFRP sensors, a type of composite sensor, are fabricated with three types of carbon tows of different strength and moduli. For all of the specimens, the active materials are carbon tows by virtue of their electrical conductivity and piezoresistivity. The measurement principles are based on the micro- and macro-fractures of different types of carbon tows. A series of experiments are carried out to investigate the sensing performances of the HCFRP sensors. The main variables include the stack order and volume fractions of different types of carbon tows. It is shown that the change in electrical resistance is in direct proportion to the strain/load in low strain ranges. However, the fractional change in electrical resistance (${\Delta}R/R_0$) is smaller than 2% prior to the macrofractures of carbon tows. In order to improve the resistance changes, measures are taken that can enhance the values of ${\Delta}R/R_0$ by more than 2 times during low strain ranges. In high strain ranges, the electrical resistance changes markedly with strain/load in a step-wise manner due to the gradual ruptures of different types of carbon tows at different strain amplitudes. The values of ${\Delta}R/R_0$ due to the fracture of high modulus carbon tows are larger than 36%. Thus, it is demonstrated that the HCFRP sensors have a broad and stage-based sensing capability.
Under thermal environment, Magneto-Electro-Elastic (MEE) material exhibits pyroelectric and pyromagnetic effects which can be used for enhancing the performance of MEE sensors. Recently studies have been published on material constants such as pyroelectric constant and pyromagnetic constant for magneto-electro-thermo-elastic smart composite. Hence, the main aim of this paper is to study the pyroelectric and pyromagnetic effects on behavior of MEE plate under different boundary conditions subjected to uniform temperature. A numerical study is carried out using eight noded brick finite element under uniform temperature rise of 100 K. The study focused on the pyroelectric and pyromagnetic effects on system parameters like displacements, thermal stresses, electric potential, magnetic potential, electric displacements and magnetic flux densities. It is found that, there is a significant increase in electric potential due to the pyroelectric and pyromagnetic effects. These effects are visible on electric and magnetic potentials when CFFC and FCFC boundary conditions are applied. Additionally, the pyroelectric and pyromagnetic effects at free edge is dominant (nearly thrice the value in CFFC in comparison with FCFC) than at middle of the plate. This study is a significant contribution to sensor applications.
Magnetoelectric (ME) composites were designed using the PMN-PZT single crystal and Ni foils; the properties and magnetic-field sensitivities of ME composites with different piezoelectric vibration modes (i.e., 31, 32, and 36 modes that depend on the crystal orientation of the single crystal) were compared. In the off-resonance condition, the ME coupling properties of the ME composites with the 32 and 36 piezoelectric vibration modes were better than those of the ME composites with the 31 piezoelectric vibration mode. However, in the resonance condition, the ME coupling properties of the ME composites were almost similar, irrespective of the piezoelectric vibration mode. Additionally, in the off-resonance condition (at 1 kHz), the magnetic-field sensitivity of the ME composites with the 36 piezoelectric vibration mode was up to 2 nT and those of the ME composites with the 31 and 32 piezoelectric vibration modes were up to 5 nT. These magnetic-field sensitivities are similar to those offered by conventional high-sensitivity magnetic-field sensors; the potential of the proposed sensor to replace costly and bulky high-sensitivity magnetic field sensors is significant.
A method based on finite element discretization is developed for optimizing the polarization profile of PVDF film to create the modal transducer for specific modes. Using this concept, one can design the modal transducer in two-dimensional structure having arbitrary geometry and boundary conditions. As a practical means for implementing this polarization profile without repoling the PVDF film the polarization profile is approximated by optimizing electrode patterns, lamination angles, and poling directions of the multi-layered PVDF transducer. This corresponds to the approximation of a continuous function using discrete values. The electrode pattern of each PVDF layer is optimized by deciding the electrode of each finite element to be used or not. Genetic algorithm, suitable for discrete problems, is used as an optimization scheme. For the optimization of each layers lamination angle, the continuous lamination angle is encoded into discrete value using binary 5 bit string. For the experimental demonstration, a modal sensor for first and second modes of cantilevered composite plate is designed using two layers of PVDF films. The actuator is designed based on the criterion of minimizing the system energy in the control modes under a given initial condition. Experimental results show that the signals from residual modes are successfully reduced using the optimized multi-layered PVDF sensor. Using discrete LQG control law, the modal peaks of first and second modes are reduced in the amount of 12 dB and 4 dB, resepctively.
Proceedings of the Korea Committee for Ocean Resources and Engineering Conference
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2006.11a
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pp.41-45
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2006
The fabrication process of fiber placement system of carbon fiber reinforced plastic (CFRP) requires real time process control and reliable inspection to ensure quality by preventing defects such as delamination and void. Therefore, novel non-contact inspection technique is required during the non-destructive evaluation in a fiber placement system. For the inspection of delamination in CFRP, various methods to receive laser-generated ultrasound were applied by using piezoelectric transducer, air-coupled transducer, wavelet transform and scanning laser ultrasonic technique. Laser-generated ultrasound was received with a conventional piezoelectric sensor in contacting manner. Then signal characteristics due to defects were analyzed to find a factor for detecting defects. Air-coupled transducer was used for reception of laser-generated guided wave using linear slit array in order to generate high frequency guided wave. And line scan technique was used to confirm the capability of on-line application. The high frequency component of laser-generated guided wave received with piezoelectric sensor disappeared after propagating through delamination region. Nevertheless, it was failed to receive high frequency guided wave in using air-coupled transducer. The first peak of the frequency spectrum under 100kHz in the delamination region is higher than in the sound region. By using this feature, the line scanned frequency data were acquired in fully non-contact generation and reception of ultrasound. This method was proved as useful technique for detecting delamination in CFRP.
Smart sensors and actuators have recently been developed. In this study, first, small-diameter fiber Bragg grating (FBG) sensors developed by the author, whose cladding and polyimide coating diameters were 40 and $52{\mu}m$, respectively, were embedded inside a laminate without resin-rich regions around sensors and the deterioration of mechanical properties of the composite laminate. The small-diameter FBG sensor was embedded in $0^{\circ}$ ply of a CFRP laminate for the detection of transverse cracks in $90^{\circ}$ ply of the laminate. The reflection spectra from the FBG sensor were measured at various tensile stresses. The spectrum became broad and had some peaks with an increase of the transverse crack density. Furthermore, the theoretical calculation reproduced the change in the spectrum very well. These results show that the small-diameter FBG sensors have a potential to detect the occurrence of transverse cracks through the change in the form of the spectrum, and to evaluate the transverse crack density quantitatively by the spectrum width. On the other hand, shape memory alloy (SMA) films were used to suppress the initiation and growth of transverse cracks in CFRP laminates. Pre-strained SMA films were embedded between laminas in CFRP laminates and then heated to introduce the recovery stress in SMA films and compressive stresses in the weakest plies ($90^{\circ}$ ply). The effects of recovery stresses are demonstrated in the experiments and well predicted using the shear-lag analysis and the nonlinear constitutive equation of SMA films.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.27
no.8
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pp.1388-1397
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2003
Since the reliability of adhesively bonded joints for composite structures is dependent on many parameters such as the shape and dimensions of joints, type of applied load, and environment, so an accurate estimation of the fatigue life of adhesively bonded joints is seldom possible, which necessitates an in-situ reliability monitoring of the joints during the operation of structures. In this study, a self-sensor method for adhesively bonded joints was devised, in which the adhesive used works as a piezoelectric material to send changing signals depending on the integrity of the joint. From the investigation, it was found that the electric charge increased gradually as cracks initiated and propagated in the adhesive layer, and had its maximum value when the adhesively bonded joint failed. So it is feasible to monitor the integrity of the joint during its lifetime. Finally, a relationship between the piezoelectric property of the adhesive and crack propagation was obtained from the experimental results.
Kim, Il-Jin;Jeon, Young-Zip;Choi, Chang-Kyu;Lee, Young-Uk;Choi, Si-Young;Han, Chang-Soo;Han, Sang-Do
Journal of Sensor Science and Technology
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v.18
no.2
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pp.179-183
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2009
Toluene($C_6H_5CH_3$) gas sensors were fabricated using $PtO_x$ loaded with SWNTs by a new deposition method. The nanoparticle powders of SWNTs-$PtO_x$ composite were deposited on Si wafer substrates by a vacuum filtering deposition method. The fabricated sensors were tested against toluene gas which is a kind of the Volatile Organic Compounds. The composition ratio that exhibited the highest response to toluene gases was SWNTs : $PtO_x\;=\;99:1$ in wt% ratio at operating temperature of about $150^{\circ}C$. The response and recovery times of the sensors were as short as less than 1 min., respectively.
Journal of the Korean institute of surface engineering
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v.49
no.4
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pp.382-388
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2016
NiO nanoparticles were synthesized by hydrothermal method for the application to ethanol gas sensor. They were composited with $Co_3O_4$ nanoparticles to improve the sensitivity to ethanol gas. Scanning electron microscopy revealed that the synthesized NiO nanoparticles were plate-shaped with the approximate size and thickness of 60 - 120 nm and 20 nm, respectively. On the other hand, $Co_3O_4$ nanoparticles mixed with NiO was observed to be spherical with the size range of 30 - 50 nm. The sensitivities of NiO sensors composited with $Co_3O_4$ nanoparticles at an optimal ratio of 8 : 2 were enhanced to approximately 1.44 - 1.79 times as high as those of as-synthesized NiO sensors for the ethanol concentration of 10 - 200 ppm at $200^{\circ}C$. The mechanism of the improved ethanol gas sensing of the NiO sensors composited with $Co_3O_4$ nanoparticles was discussed.
The realization of Wireless Multimedia Sensor Networks (WMSNs) has been fostered by the availability of low cost and low power CMOS devices. However, the transmission of bulk video data requires adequate bandwidth, which cannot be promised by single path communication on an intrinsically low resourced sensor network. Moreover, the distortion or artifacts in the video data and the adherence to delay threshold adds to the challenge. In this paper, we propose a two stage Quality of Service (QoS) guaranteeing scheme called Prioritized Multipath WMSN (PMW) for transmitting H.264 encoded video. Multipath selection based on QoS metrics is done in the first stage, while the second stage further prioritizes the paths for sending H.264 encoded video frames on the best available path. PMW uses two composite metrics that are comprised of hop-count, path energy, BER, and end-to-end delay. A color-coded assisted network maintenance and failure recovery scheme has also been proposed using (a) smart greedy mode, (b) walking back mode, and (c) path switchover. Moreover, feedback controlled adaptive video encoding can smartly tune the encoding parameters based on the perceived video quality. Computer simulation using OPNET validates that the proposed scheme significantly outperforms the conventional approaches on human eye perception and delay.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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