A rotational pulse-echo ultrasonic propagation imager that can inspect cylindrical specimens for material nondestructive evaluations is proposed herein. In this system, a laser-generated ultrasonic bulk wave is used for inspection, which enables a clear visualization of subsurface defects with a precise reproduction of the damage shape and size. The ultrasonic waves are generated by a Q-switched laser that impinges on the outer surface of the specimen walls. The generated waves travel through the walls and their echo is detected by a Laser Doppler Vibrometer (LDV) at the same point. To obtain the optimal Signal-to-Noise Ratio (SNR) of the measured signal, the LDV requires the sensed surface to be at a right angle to the laser beam and at a predefined constant standoff distance from the laser head. For flat specimens, these constraints can be easily satisfied by performing a raster scan using a dual-axis linear stage. However, this arrangement cannot be used for cylindrical specimens owing to their curved nature. To inspect the cylindrical specimens, a circular scan technology is newly proposed for pulse-echo laser ultrasound. A rotational stage is coupled with a single-axis linear stage to inspect the desired area of the specimen. This system arrangement ensures that the standoff distance and beam incidence angle are maintained while the cylindrical specimen is being inspected. This enables the inspection of a curved specimen while maintaining the optimal SNR. The measurement result is displayed in parallel with the on-going inspection. The inspection data used in scanning are mapped from rotational coordinates to linear coordinates for visualization and post-processing of results. A graphical user interface software is implemented in C++ using a QT framework and controls all the individual blocks of the system and implements the necessary image processing, scan calculations, data acquisition, signal processing and result visualization.
The precision of the vibration-sensors, contact or non-contact types, is usually satisfactory for the practical measurement applications, but a sensor is confined to the measurement of a point or a direction. Although the precision and frequency span of the low-cost camera are inferior to these sensors, it has the merits in the cost and in the capability of simultaneous measurement of a large vibrating area. Furthermore, a camera can measure multi-degrees-of-freedom of a vibrating object simultaneously. In this study, the calibration method and the dynamic characteristics of the low-cost machine vision camera as a sensor are studied with a demonstrating example of the two-dimensional vibration of a cantilever beam. The planar image of the camera shot reveals two rectilinear and one rotational motion. The rectilinear vibration motion of a single point is first measured using a camera and the camera is experimentally calibrated by calculating error referencing the LDV (Laser Doppler Vibrometer) measurement. Then, by measuring the motion of multiple points at once, the rotational vibration motion and the whole vibration motion of the cantilever beam are measured. The whole vibration motion of the cantilever beam is analyzed both in time and frequency domain.
Kim Young-Jae;Yoo Young-Seuck;Sim Won-Chul;Park Chang-Sung;Joung Jae-Woo;Oh Yong-Soo
The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers C
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v.55
no.8
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pp.417-422
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2006
This paper presents the effect of driving waveform for piezoelectric bend mode inkjet printhead with optimized mechanical design. Experimental and theoretical studies on the applied driving waveform versus jetting characteristics were performed. The inkjet head has been designed to maximize the droplet velocity, minimize voltage response of the actuator and optimize the firing frequency to eject ink droplet. The head design was carried out by using mechanical simulation. The printhead has been fabricated with Si(100) and SOI wafers by MEMS process and silicon direct bonding method. To investigate how performance of the piezoelectric ceramic actuator influences on droplet diameter and droplet velocity, the method of stroboscopy was used. Also we observed the movement characteristics of PZT actuator with LDV(Laser Doppler Vibrometer) system, oscilloscope and dynamic signal analyzer. Missing nozzles caused by bubbles in chamber were monitored by their resonance frequency. Using the water based ink of viscosity of 4.8 cps and surface tension of 0.025 N/m, it is possible to eject stable droplets up to 20 kHz, 4.4 m/s and above 8 pl at the different applied driving waveforms.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.22
no.9
s.174
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pp.147-154
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2005
A precision hi-directional actuator for a high precision leveling system with $Z{\Theta}_x{\Theta}_y$ motions is proposed and designed in this paper. The actuator is composed of a force generation structure, a guide mechanism, and a symmetric structure. At first, its driving force is generated by a change of flux in air gaps by permanent and changeable flux. The permanent flux is generated by a permanent magnet. The changeable flux is created by variable current flowing through coil. The combination of permanent and changeable flux makes various flux densities in air gaps between moving part and fixed yokes. And then, the difference between flux densities in lower and upper gaps creates forces fur the $bi-direction({\pm}z)$ motion. The guide mechanism of this actuator is composed of two circular plates and one shaft. Reducing motions generated by forces except z-motion, these circular plates endow the actuator with high stiffness for fast settling time. And the function of the shaft is to transfer motion to an object. At last, total body has a symmetric structure to be stable on thermal error. The actuator is designed by MAXWELL 2D and ProMECHANICA. The designed actuator is evaluated by 8nm laser doppler vibrometer, dynamic signal analyzer, and simple PID controller.
Kim, Chung-Joo;Chun, Jeong-Il;Byun, Yong-Kyu;Ro, Kwang-Choon;Chung, Chung-Choo;Jeong, Tae-Gun
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.21
no.11
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pp.1885-1895
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1997
As track density needs to increase to the order of 10, 000 tpi, the suspension has become a critical component in hard disk drives. One of the main obstacles to attain high track density is the structural resonances of the suspension in lateral direction. We investigate the suspension dynamics through the experimental modal analysis and the finite element method. An LDV (Laser Doppler Vibrometer) is employed to measure the response of the suspension which is excited by a shaker and an inpulse hammer for the free condition and the loaded condition, respectively. After comparing the experimental and numerical results, we study how the initial geometry of the bend region affects the suspension dynamics. It is found that the natural frequency of the sway mode decreases as the bend ratio and the bend angle increase. The shape of torsional mode changes as the mass of a slider increases, resulting in a local decrease in the natural frequency.
In this paper, wavelet finite element model (WFEM) updating technique is employed to detect sub-element damage in thin plate structures progressively. The procedure of WFEM-based detection method, which can detect sub-element damage gradually, is established. This method involves the optimization of an objective function that combines frequencies and modal assurance criteria (MAC). During the damage detection process, the scales of wavelet elements in the concerned regions are adaptively enhanced or reduced to remain compatible with the gradually identified damage scenarios, while the modal properties from the tests remains the same, i.e., no measurement point replacement or addition are needed. Numerical and experimental examples were conducted to examine the effectiveness of the proposed method. A scanning Doppler laser vibrometer system was employed to measure the plate mode shapes in the experimental study. The results indicate that the proposed method can detect structural damage with satisfactory accuracy by using minimal degrees-of-freedoms (DOFs) in the model and minimal updating parameters in optimization.
Resonant frequency tuning of micro devices is essential to achieve performance uniformity and high sensitivity. Previously reported frequency tuning methods using electrostatic force or mass deposition are not directly applicable to non-conducting polymer devices and have limitations such as dielectric breakdown or low tunable bandwidth. In this paper, thermally frequency-tunable microactuators with poly-dimethylsiloxane membranes are proposed. Permanent and/or nonpermanent frequency tunings are possible using a simple temperature control of the device. Resonant frequency and Q-factor variations of devices according to temperature change were studied using a micro heater and laser Doppler vibrometer. The initial resonant frequencies determined by polymer curing and hardening temperatures are reversibly tuned by thermal cycles. The measured resonant frequency of 9.7 kHz was tuned up by ${\sim}25%$ and Q-factor was increased from 14.5 to 27 as the micro heater voltage increased from 0 to 70 V.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers
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v.24
no.6
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pp.589-593
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2015
The demand of high cycle fatigue behavior on plate material is increasing because of its various applications. However, the high-cycle fatigue life data of the plate material is very rare compared to the rod material. Thus, in this study, a plate specimen is designed for the ultrasonic fatigue test because it is time efficient as compared to the conventional fatigue test. To apply the ultrasonic fatigue test, the specimen design is required to resonate at 20 kHz. Therefore, the dynamic elastic modulus was determined by measuring the resonance frequency with a piezoelectric element and laser doppler vibrometer (LDV). As a result, the plate specimen is designed and demonstrated using the ultrasonic fatigue testing machine. The ultrasonic fatigue test results were compared with the hydraulic fatigue test results.
Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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v.33
no.4
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pp.276-280
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2020
A linear piezoelectric actuator that utilizes the elliptical motion of the two tips of the actuator is proposed. This device is easy to fabricate owing to its simple structure, consisting of three piezo ceramic benders and is suitable for use in micro robotic applications. A π-shaped structure, which was composed of four piezo ceramic benders, was constructed. Two of the benders were positioned on the center of the actuator, and the joints were attached at the ends of the cantilever. The other two benders were positioned on the side of the actuator and were attached between the joint and the tips. The actuator structure was designed to obtain the first bending mode of the horizontal vibration and the vertical vibration at the same frequency, resulting in elliptical motions at the tips. When two sinusoidal wave voltages with a 90-degree phase difference were applied to the two pairs of the actuator benders, elliptical motions were obtained at the tips. The driving characteristics of the prototype actuator were then measured using a laser doppler vibrometer.
Speech intelligibility of the eavesdropping sound is investigated on a acoustic cavity - glass window coupled system. Using MLS (Maximum Length Sequency) signal as a sound source, acceleration and velocity responses of the glass window are measured by accelerometer and laser doppler vibrometer. MTF (Modulation Transfer Function) is used to identify tile speech transmission characteristics of the cavity and window system. STI (Speech Transmission Index) based upon MTF is calculated and speech intelligibility of the vibration sound of the glass window is estimated. Speech intelligibilities by the acceleration signal and the velocity signal are compared. Finally, intelligibility of the conversation sound is confirmed by the subjective test.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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