Providakis, Costas;Tsistrakis, Stavros;Voutetaki, Maristella;Tsompanakis, Yiannis;Stavroulaki, Maria;Agadakos, John;Kampianakis, Eleftherios;Pentes, George
Structural Monitoring and Maintenance
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제2권4호
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pp.319-338
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2015
The electro-mechanical impedance (EMI) technique makes use of surface-bonded lead zirconate titanate (PZT) patches as impedance transducers measuring impedance variations monitored on host structural components. The present experimental work further evaluate an alternative to the conventional EMI technique which performs measurements of the variations in the output voltage of PZT transducers rather than computing electromechanical impedance (or admittance) itself. This paper further evaluates a variant of the EMI approach presented in a previous work of the present authors, suitable, for low-cost concrete structures monitoring applications making use of a credit card-sized Raspberry Pi single board computer as core hardware unit. This monitoring approach is also deployed by introducing a new damage identification index based on the ratio between the area of the 2-D error ellipse of specific probability of EMI-based measurements containment over that of the 2-D error circle of equivalent probability. Experimental results of damages occurring in concrete cubic and beam specimens are investigated under increasing loading conditions. Results illustrate that the proposed technique is an efficient approach for identification and early detection of damage in concrete structures.
In this paper, a novel but practical approach named series/parallel multi-sensing technique was proposed to evaluate the bolt looseness in a bolt group. The smart washers (SWs), which were fabricated by embedding a Lead Zirconate Titanate (PZT) transducer into two flat metal rings, were installed to the bolts group. By series connection of SWs, the impedance signals of different bolts can be obtained through only one sweep. Therefore, once the loosening occurred, the shift of different peak frequencies can be used to locate which bolt has loosened. The proposed multi input single output (MISO) damage detection scheme is very suitable for the structural health monitoring (SHM) of joint with a large number of bolts connection. Another notable contribution of this paper is the proposal of 3-dB bandwidth root mean square deviation (3 dB-RMSD) which can quantitatively evaluate the severity of bolt looseness. Compared with the traditional naked-eye observation method, the equivalent circuit based 3-dB bandwidth can accurately define the calculation range of RMSD. An experiment with three bolted connection specimens that installed the SWs was carried out to validate our proposed approach. Experimental result shows that the proposed 3 dB-RMSD based multi-sensing technique can not only identify the loosened bolt but also monitor the severity of bolt looseness.
A flexible piezoelectric energy harvester(f-PEH) that converts tiny mechanical and vibrational energy resources into electric signals without any restraints is drawing attention as a self-powered source to operate flexible electronic systems. In particular, the nanocomposites-based f-PEHs fabricated by a simple and low-cost spin-coating method show a mechanically stable and high output performance compared to only piezoelectric polymers or perovskite thin films. Here, the non-piezoelectric polymer matrix of the nanocomposite-based f-PEH is replaced by a P(VDF-TrFE) piezoelectric polymer to improve the output performance generated from the f-PEH. The piezoelectric hybrid nanocomposite is produced by distributing the perovskite PZT nanoparticles inside the piezoelectric elastomer; subsequently, the piezoelectric hybrid material is spin-coated onto a thin metal substrate to achieve a nanocomposite-based f-PEH. A fabricated energy device after a two-step poling process shows a maximum output voltage of 9.4 V and a current of 160 nA under repeated mechanical bending. Finite element analysis(FEA) simulation results support the experimental results.
Based on the theory of piezoelasticity, the static performance of a piezoelectric bilayer cantilever fully covered with electrodes on the upper and lower surfaces is studied. Three models are considered, i.e., the sensor model, the driving displacement model and the blocking force model. By establishing suitable boundary conditions and proposing an appropriate Airy stress function, the exact solutions for piezoelectric bilayer cantilevers are obtained, and the effect of ambient thermal excitation is taken into account. Since the layer thicknesses and material parameters are distinguished in different layers, this paper gives unified solutions for composite piezoelectric bilayer cantilevers including piezoelectric bimorph and piezoelectric heterogeneous bimorph, etc. For some special cases, the simplifications of the present results are compared with other solutions given by other researches based on one-dimensional constitutive equations, and some amendments have been found. The present investigation shows: (1) for a PZT-4 piezoelectric bimorph, the amendments of tip deflections induced by an end shear force, an end moment or an external voltage are about 19.59%, 23.72% and 7.21%, respectively; (2) for a PZT-4-Al piezoelectric heterogeneous bimorph with constant layer thicknesses, the amendments of tip deflections induced by an end shear force, an end moment or an external voltage are 9.85%, 11.78% and 4.07%, respectively, and the amendments of the electrode charges induced by an end shear force or an end moment are both 1.04%; (3) for a PZT-4-Al piezoelectric heterogeneous bimorph with different layer thicknesses, the maximum amendment of tip deflection approaches 23.72%, and the maximum amendment of electrode charge approaches 31.09%. The present solutions can be used to optimize bilayer devices, and the Airy stress function can be used to study other piezoelectric cantilevers including multi-layered piezoelectric cantilevers under corresponding loads.
본 논문에서는 압전재의 재료 비선형성을 고려한 경량 압전 복합재 작동기(LIPCA)의 성능 해석을 수행하였다. 성능 해석을 위해 9절점 쉘 요소 정식화에 바탕을 둔 압전 쉘 요소를 이용하였다. LIPCA의 작동 변위를 보다 정확히 예측하기 위하여, 실험을 통해 얻은 압전 변형률 함수와 증분 정식화를 추가하여 기존 선형 유한요소 프로그램을 수정하였다. 이렇게 개발된 재료 비선형 압전 옐 프로그램을 이용하여 LIPCA의 작동변위를 재 계산하였고, 재료 비선형 해석으로 얻은 작동 변위가 선형 해석으로 계산된 작동 변위 보다 측정 변위에 훨씬 근접함을 확인하였다.
Ultra precision positioning mechanism has been widely used on semiconductor manufacturing equipments, optical spectrum analyzers and cell manipulations. Ultra precision positioning mechanism consists of several actuators, sensors, guides and control systems. Its efficiency depends on each performance of components. The object of this study is to design and analyze the micro stage that is one of the equipments embodied in ultra precision positioning mechanism. The micro stage consists of PZT actuators and flexure hinges. The structural design of flexure hinge is optimized by using RSM and FEM. The control factors concerned with the design of flexure hinges of stage and arms are optimized by minimizing the equivalent stress on the hinge and maximizing 1st natural frequency based on RSM and FEM simulation under various kinds of design conditions.
In recent years Sol-Gel processing provides an interesting alternative method for the fabrication of ferroelectric thin layers and powder. PZT powder was prepared from an alkoxide-based solution by a Sol-Gel method. Gelation of synthesized complex solutions, microstructure, thermal analysis and crystallization behaviors of the calcined powder were studied in accordance with a water content and a catalyst. Especially gelation and crystallization behavior were analysed with the change of pH. The gelation time decreased as the pH of the mixed solution increased. For PZT powder with 650.deg. C heat treatment, 100% perovskite phase was formed by using either acidic or basic catalyst. By using either acidic or basic catalyst, we were able to get very fine powders of uniform shape with an average particle size of 0.8-1.mu.m.
For precise micro-grooving and surface machining, a mechanism for creating elliptical vibration cutting (EVC) motion is proposed which uses two parallel piezoelectric actuators. And based on its kinematical analysis, variations of EVC path are investigated as a function of dimensional changes in the mechanism, phase difference and amplitude of excitation sinusoidal voltages. Using the proposed PZT mechanism, various types of two dimensional EVC paths including one dimensional vibration cutting path along the cutting direction and thrust direction can be easily obtained by changing the phase lag, the amplitude of the piezoelectric actuators, and the dimension of the mechanism.
The paraelectric cubic-to-ferroelectric tetragonal phase transition of the thin Pb(Zr, Ti)$O_3$ (PZT) films grown on MgO(001) substrate was investigated in a series of synchrotron x-ray scattering experiments. As the thickness of the film decreases the transition temperature and the amount of the tetragonal distortion were decreased continuously Different from only the c-domains were existent in the thinnest 25nm thick film. Based on this we propose a model for the domain structure of the tetragonal PZT/MgO(100) film that is very different from the ones suggested in literature. We attribute the suppression of the transition to the substrate field that prefers the c-type domains near the interface and suppresses the tetragonal distortion to minimize the film-substrate lattice mismatch.
Kim, Dong-Chan;Choi, Hyeung-Sik;Her, Jae-Gwan;You, Sam-Sang
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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제32권3호
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pp.437-445
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2008
This paper deals with the experimental assessment of the vibration suppression of the smart structures. First. we have presented a new high-speed active control system using the DSP320C6713 microprocessor. A peripheral system developed is composed of a data acquisition system, N/D and D/A converters, piezoelectric (PZT) actuator/sensors, and drivers for fast data processing. Next, we have tested the processing time of the peripheral devices, and provided the corresponding test results. Since fast data processing is very important in the active vibration control of the structures, we have focused on achieving the fast loop times of the control system. Finally, numerous experiments were carried out on the aluminum plate to validate the superior performance of the vibration control system at different control loop times.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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