Sonar is the system that detects objects and finds their location in water by using the echo ranging technique. In order to have excellent performance in variable environment, acoustic characteristics of this system must be analyzed accurately. In this paper, based on the finite element analysis, modeling and analysis of acoustic characteristics of underwater acoustic sensors are preformed. Couplings between piezoelectric and elastic materials, and fluid and structure systems associated with the modeling of piezoelectric underwater acoustic sensors are formulated. In the finite element modeling of unbounded acoustic fluid, IWEE (Infinite Eave Envelop Element) is adopted to take into account the infinite domain. When an incidence wave excites the surface of Tonpilz underwater acoustic sensor, the scattered wave on the sensor is founded by satisfying the radiation condition at the artificial boundary approximately. Based on this scattering analysis, the electrical response of the underwater acoustic sensor under incidence, so called RVS (Receiving Voltage Signal) is founded accurately. This will devote to design Sonar systems accurately.
Journal of the Korean Society of Clothing and Textiles
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v.47
no.3
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pp.577-592
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2023
In this study, nanofiber-based textile sensors were developed for motion detection and monitoring. Poly(vinylidene fluoride) (PVDF) nanofibers containing zinc oxide (ZnO) nanoparticles and silver nanowires (AgNW) were fabricated using electrospinning. PVDF was chosen as a piezoelectric polymer, zinc oxide as a piezoelectric ceramic, and AgNW as a metal to improve electric conductivity. The PVDF/ZnO/AgNW nanocomposite fibers were used to develop a textile sensor, which was then incorporated into an elbow band to develop a wearable smart band. Changes in the output voltage and peak-to-peak voltage (Vp-p) generated by the joint's flexion and extension were investigated using a dummy elbow. The β-phase crystallinity of pure PVDF nanofibers was 58% when analyzed using Fourier transform infrared spectroscopy; however, the β-phase crystallinity increased to 70% in PVDF nanofibers containing ZnO and to 78% in PVDF nanocomposite fibers containing both ZnO and AgNW. The textile sensor's output voltage values varied with joint-bending angle; upon increasing the joint angle from 45° to 90° to 150°, the Vp-p value increased from 0.321 Vp-p to 0.542 Vp-p to 0.660 Vp-p respectively. This suggests that the textile sensor can be used to detect and monitor body movements.
Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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2007.11a
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pp.280-280
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2007
Lead oxide-based ferroelectrics are the most widely used materials for piezoelectric actuators, sensors and transducers due to their excellent piezoelectric properties. Considering lead toxicity, there is great interest in developing lead-free piezoelectric materials, which are biocompatible and environmentally friendlier. Recently alkali oxide materials, including sodium - potassium niobate (NKN), have been given attention in view of their ultrasonic application and also as promising candidates for piezoelectric lead-free system. However, it is difficult to sinter such NKN-based materials via conventional sintering process. In this reason, many researchers have investigated hot press, hot isostatic press or spark-plasma sintering of NKN-based ceramics. In this study, as candidates for lead-free piezoelectric materials, dense (Na,K,Li)(Nb,Sb)$O_3$ systems were developed by conventional sintering process. The microstructures and piezoelectric properties of the (Na,K,Li)(Nb,Sb)$O_3$ systems were investigated as a function of variable compositions. The excellent piezoelectric and electromechanical properties indicate that this system is potentially good candidate as lead-free material for a wide range of electro-mechanical transducer applications.
Highly sensitive pyroelectric IR sensors were fabricated with La-modified $PbTiO_{3}(PLT)$ thin plates compensating for piezoelectric effect. The device was fabricated in a dual form by placing two PLT cells, each of $1{\times}2\;mm^{2}$, side by side with appropriate electrode configuration. The dual element sensor had a signal to noise ratio of about 350 that was much larger than that of single element sensors. Further the dual element sensors exhibited excellent pyroelectric properties such as a large voltage responsivity of 2400 V/W, a pyro-coefficient of $4.6{\times}10^{-8}\;C/cm^{2}K$, a voltage figure of merit of $4.2{\times}10^{-11}\;Ccm/J$, and a small thermal time constant of 8.7 msec. It was confirmed through experiments that the dual element sensor was applicable to detect the two-dimensional moving direction of human beings.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.10
no.6
s.52
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pp.125-132
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2006
This paper presents the feasibility of a lateral mode piezoelectric oscillator to detect damages in civil infrastructures. The lateral mode oscillator sensor is composed of an electronic feedback oscillator circuit and a piezoelectric lateral mode vibrator to be attached to a structure of interest. Damage to the structure causes a change in the impedance spectrum of the structure, which results in a corresponding change of a resonant frequency of the structure. The oscillator sensors can instantly detect the frequency change in a very simple manner. Feasibility of the piezoelectric oscillator sensor was verified in this work with a sample aluminum plate where artificial cracks of different lengths and number were imposed in sequence. Validity of the measurement was confirmed through comparison of the experimental data with the results of finite element analyses of a plate with cracks.
Acoustic emission (AE) monitoring was conducted for mortar specimens under three types of static loading patterns (cubic-splitting, direct-shear and pull-out). Each of the applied loading patterns was expected to produce a particular fracture process. Subsequently, the AEs generated by various fracture or damage processes carried specific information on temporal micro-crack behaviors of concrete for post analysis, which was represented in the form of detected AE signal characteristics. Among various available characteristics of acquired AE signals, frequency content was of great interest. In this study, cement-based piezoelectric sensor (as AE transducer) and home-programmed DEcLIN monitoring system were utilized for AE monitoring on mortar. The cement-based piezoelectric sensor demonstrated enhanced sensitivity and broad frequency domain response range after being embedded into mortar specimens. This broad band characteristic of cement-based piezoelectric sensor in frequency domain response benefited the analysis of frequency content of AE. Various evaluation methods were introduced and employed to clarify the variation characteristics of AE frequency content in each test. It was found that the variation behaviors of AE frequency content exhibited a close relationship with the applied loading processes during the tests.
Kim, Hyung-Chan;Jung, Woo-Suk;Kang, Chong-Yun;Yoon, Seok-Jin;Ju, Byeong-Kwon;Jeong, Dae-Yong
Journal of Sensor Science and Technology
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v.17
no.4
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pp.267-272
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2008
Energy harvesting from the vibration through the piezoelectric effect has been studied for powering the small wireless sensor nodes. As piezoelectric uni-morph cantilever structure can transfer low vibration to large displacement, this structure was commonly deployed to harvest electric energy from vibrations. Through our previous results, when stress was applied on the cantilever, stress was concentrated on the certain point of the ceramic of the cantilever. In this study, for miniaturing the energy harvester, we investigated how the size of ceramics and the stress distribution in ceramic affects energy harvester characteristics. Even though the area of ceramic was 28.6 % decreased from $10{\times}35{\times}0.5mm^3$ to $10{\times}25{\times}0.5mm^3$, both samples showed almost same maximum power of 0.45 mW and the electro-mechanical coupling factor ($K_{31}$) of 14 % as well. This result indicated that should be preferentially considered to generate high power with small size energy harvester.
Nowadays developments in the field of laminated composite structures with piezoelectric have attracted significant attention of researchers due to their wide range of applications in engineering such as sensors, actuators, vibration suppression, shape control, noise attenuation and precision positioning. Due to large number of parameters associated with its manufacturing and fabrication, composite structures with piezoelectric display a considerable amount of uncertainty in their material properties. The present work investigates the effect of the uncertainty on the free vibration response of piezoelectric laminated composite plate. The lamina material properties have been modeled as independent random variables for accurate prediction of the system behavior. System equations have been derived using higher order shear deformation theory. A finite element method in conjunction with Monte Carlo simulation is employed to obtain the secondorder statistics of the natural frequencies. Typical results are presented for all edges simply supported piezoelectric laminated composite plates to show the influence of scattering in material properties on the second order statistics of the natural frequencies. The results have been compared with those available in literature.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.24
no.10
s.181
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pp.2502-2512
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2000
Truss structures are widely used in many space structures, such as large antenna systems, space stations, precision segmented telescopes because they are light in weight and amenable in assembly or deployment. But, due to the low damping capacity, they remain excited for a long time once disturbed. These structural vibrations can reduce life of the structures and cause unstable dynamic characteristics. In this research, vibration suppression experiment has carried out with a three-dimensional 15-member truss structure using two piezoelectric actuators. Piezoelectric actuators which consist of stacks of thin piezoelectric material disks are directly inserted to the truss structure collocated with the strain sensors. Each actuator is controlled digitally in decentralized manner, based on local integral and proportional feedback. The optimal positions of the actuators are determined by the modal damping ratio and the control force. Numerical simulation has carried out to determine optimal position of each actuator.
Piezoelectric materials produce an electric field by deformation, and deform when subjected to an electric field. The coupling nature of piezoelectric materials has acquired wide applications in electric-mechanical and electric devices, including electric-mechanical actuators, sensors and structures. In this paper, a hollow sphere composed of a radially polarized spherically anisotropic piezoelectric material, e.g., PZT_5 or (Pb) (CoW) $TiO_3$ under internal or external uniform pressure and a constant potential difference between its inner and outer surfaces or combination of these loadings has been studied. Electrodes attached to the inner and outer surfaces of the sphere induce the potential difference. The governing equilibrium equations in radially polarized form are shown to reduce to a coupled system of second-order ordinary differential equations for the radial displacement and electric potential field. These differential equations are solved analytically for seven different sets of boundary conditions. The stress and the electric potential distributions in the sphere are discussed in detail for two piezoceramics, namely PZT _5 and (Pb) (CoW) $TiO_3$. It is shown that the hoop stresses in hollow sphere composed of these materials can be made virtually uniform across the thickness of the sphere by applying an appropriate set of boundary conditions.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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