Physical changes in a structural system may cause changes in mechanical impedance of the system. Due to the electro-mechanical coupling effect in piezoelectric materials, this change can be monitoring by the electrical impedance of the piezoelectric sensor. In this paper, the variability of electro-mechanical impedance caused by temperature effect is assessed to adjust impedance data used for EMI based damage detection in beams. First experiments on beams are described. Next, experiments were performed under the temperature varying condition, in the range of $3^{\circ}C\;to\;23^{\circ}C$. Finally, the relationship between temperatures and impedance signatures is analyzed empirically temperature-frequency patten for the test structure.
The electro-mechanical impedance(EMI) behavior of piezoelectric sensor embedded in cement mortar was investigated to assess the setting times. EMI signal was continuously measured for 12 hours by the PZT sensor embedded in cement mortar with different ratio of sand. As a result, the setting times by the penetration resistance test were accelerated as the sand ratio increased. However, the setting times by EMI sensing technique were delayed as the sand ratio increased.
This paper proposes a simple and intuitive model-free torque-tracking control for rotary electro-hydraulic actuators. The undesirable natural-velocity-feedback effect is discussed by introducing mechanical impedance into the electro-hydraulic actuation system. The proposed model-free torque control comprises inner- and outer-loop control to achieve two control objectives. Inner-loop control reduces the mechanical impedance passively and optimally. To improve the tracking accuracy, a certain form of proportional-integral-derivative control is applied to the outer loop. The robustness of the proposed closed-loop system against external disturbances is demonstrated by transforming the two-loop control structure into a disturbance observer form. The proposed method is validated on a single joint electro-hydraulic actuator.
In this study, a finite element(FE) analysis on electro-mechanical impedance response of cable-anchor connection interface under various anchor force is presented. In order to achieve the objective, the following approaches are implemented. Firstly, an interface washer coupled with piezoelectric(PZT) material is designed for monitoring cable-force loss. The interface washer is a small aluminum plate on which a PZT patch is surface-bonded. Cable-force loss could be monitored by installing the interface washer between the anchor plate and the anchorage of cable-anchor connection and examining the changes of impedance of the interface washer. Secondly, a FE model for cable-anchor connection is established to examine the effect of cable-force on impedance response of interface washer. Also, the effects of geometrical and material properties of the interface washer on impedance responses under various cable-forces are investigated. Finally, validation of the FE analysis is experimentally evaluated by a lab-scale cable-anchor connection.
This study has been motivated to evaluate the practicality of numerical simulation of impedance monitoring for damage detection in steel column connection. In order to achieve the objective, the following approaches are implemented. Firstly, the theory of electro-mechanical (E/M) impedance responses and impedance-based damage monitoring method are outlined. Secondly, the feasibility of numerical simulation of impedance monitoring is verified for several pre-published experimental examples on steel beams, cracked aluminum beams, and aluminum round plates. Undamaged and damaged steel and aluminum beams are simulated to compare to experimental impedance responses. An aluminum round plate with PZT patch in center is simulated to investigate sensitive range of impedance responses. Finally, numerical simulation of the impedance-based damage monitoring is performed for a steel column connection in which connection bolts are damaged. From the numerical simulation test, the applicability of the impedance-based monitoring to the target steel column connection can be evaluated.
To develop a promising hybrid structural health monitoring (SHM) system, a combined use of structural vibration and electro-mechanical (EM) impedance is proposed. The hybrid SHM system is designed to use vibration characteristics as global index and EM impedance as local index. The proposed health monitoring scheme is implemented into prestressed concrete (PSC) girder bridges for which a series of damage scenarios are designed to simulate various prestress-loss situations at which the target bridges car experience during their service life. The measured experimental results, modal parameters and electro-magnetic impedance signatures, are carefully analyzed to recognize the occurrence of damage and furthermore to indicate its location.
Lee, Jun Cheol;Shin, Sung Woo;Kim, Wha Jung;Lee, Chang Joon
Smart Structures and Systems
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제17권1호
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pp.123-134
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2016
The evolution of the electro-mechanical impedance (EMI) of a piezoelectricity (PZT) sensor was investigated to determine the setting times of cement paste in this study. The PZT sensor coated with non-conductive acrylic resin was embedded in fresh cement paste and the EMI signatures were continuously monitored. Vicat needle test and semi-adiabatic calorimetry test were also conducted to validate the EMI sensing technique. Significant changes in the EMI resonance peak magnitude and frequency during the setting period were observed and the setting times determined by EMI sensing technique were relevant to those measured by Vicat needle test and semi-adiabatic calorimetry test.
This study presents a structural health monitoring (SHM) method for bolted connections by using multi-channel wireless impedance sensor nodes and multiple PZT-interfaces. To achieve the objective, the following approaches are implemented. Firstly, a PZT-interface is designed to monitor bolt loosening in bolted connection based on variation of electro-mechanical(EM) impedance signatures. Secondly, a wireless impedance sensor node is designed for autonomous, cost-efficient and multi-channel monitoring. For the sensor platform, Imote2 is selected on the basis of its high operating speed, low power requirement and large storage memory. Finally, the performance of the wireless sensor node and the PZT-interfaces is experimentally evaluated for a bolt-connection model Damage monitoring method using root mean square deviation(RMSD) index of EM impedance signatures is utilized to estimate the strength of the bolted joint.
Among nondestructive damage detection methods, impedance-based methods have been recognized as an effective technique for damage identification in many kinds of structures. This paper proposes a method to detect cracks in metal structures by combining electro-mechanical impedance (EMI) responses and artificial neural networks (ANN). Firstly, the theories of EMI responses and impedance-based damage detection methods are described. Secondly, the reliability of numerical simulations for impedance responses is demonstrated by comparing to pre-published results for an aluminum beam. Thirdly, the proposed method is used to detect cracks in the beam. The RMSD (root mean square deviation) index is used to alarm the occurrence of the cracks, and the multi-layer perceptron (MLP) ANN is employed to identify the location and size of the cracks. The selection of the effective frequency range is also investigated. The analysis results reveal that the proposed method accurately detects the cracks' occurrence, location, and size in metal structures.
Kim, Jeong-Tae;Park, Jae-Hyung;Hong, Dong-Soo;Cho, Hyun-Man;Na, Won-Bae;Yi, Jin-Hak
Smart Structures and Systems
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제5권1호
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pp.81-94
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2009
A vibration-impedance-based monitoring method is proposed to predict the loss of prestress forces in prestressed concrete (PSC) girder bridges. Firstly, a global damage alarming algorithm using the change in frequency responses is formulated to detect the occurrence of damage in PSC girders. Secondly, a local damage detection algorithm using the change in electro-mechanical impedance features is selected to identify the prestress-loss in tendon and anchoring members. Thirdly, a prestress-loss prediction algorithm using the change in natural frequencies is selected to estimate the extent of prestress-loss in PSC girders. Finally, the feasibility of the proposed method is experimentally evaluated on a scaled PSC girder model for which acceleration responses and electro-mechanical impedances were measured for several damage scenarios of prestress-loss.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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