In this thesis, the study focuses on the tunable frequency ratio of Sierpinski Gasket fractal antennas and we use the SAW substrate of piezoelectric material. By using the fractal structure and the substrate of piezoelectric material, the goal of the miniaturized antenna is achieved. The proposed antenna can be widely used in wireless communication products. Firstly, we design the Sierpinski Gasket fractal antenna on the FR4 substrate. The asymmetric geometry of Sierpinski Gasket fractal structure is proposed and we choose the proper discontinuity locations to design the three-band and tunable antenna for IEEE 802.11b/g/a wireless communication systems. The preliminary design of the Sierpinski Gasket fractal structure on the piezoelectric substrate allows us to compare simulated and measured results to improve the non-ideal processing factors. Finally, comparing with the existing products, we reduce the size of the miniaturized fractal antenna to 5x5mm^2 on the SAW substrate by coplanar waveguide, coupled-fed, shorting with conductive adhesive and high iteration stage of half-Sierpinski Gasket fractal structure for GPS band and IEEE 802.11b/g applications.

Pjezoelektrinių savybių turinčios medžiagos mechaninį poveikį paverčia elektriniu impulsu (ir atvirkščiai). Įrengimai su šiomis medžiagomis yra kompaktiškesni, jautresni valdymui, jų didesnis naudingumo koeficientas, be to jos nereikalauja ypatingos priežiūros eksploataciniu laikotarpiu. Bet kaip ir visuose mechanizmuose taip ir pjezoelektrinėse porose vyksta dilimas, kuris ardo medžiagos paviršių ir sutrumpina įrenginio darbingumo laiką. Tyrimams atlikti suprojektavome ir pagaminome badymų stendą. Dilimo bandymus atlikome su keleto skirtingo kietumo plieninių medžiagų: HRB 85, HRB 14. Tyrimų metu nustatėme, kad iš negrūdinto plieno (HRB 45), pagamintas bandinys sukuria 30 % didesnę sukimo momento jėgą, nei iš anglinio plieno (HRB 85). Bet jo paviršius 3,5 karto greičiau nudyla, stipriai sumažėja bandinio greitis ir sukimo momentas. / The material with piezoelectric effect transforms mechanical motion into electric impulse (and vice versa). The devices are more compact, sensible to control, having higher coefficient of efficiency and it does not require any special attention for a period of exploitation than other devices. Usually in these kind of devices the process of wane causes the disruption to the surface of the material and piezoelectric mechanism in not an exception. In order to do the research, the stand for samples has been projected and made. Several different substances were used: no temper steel (HRB 85), carbonaceous steel (HRB 45). It was found out that the sample made of steel (HRB 45) creates 30 % bigger power of turning point than created with HRB 85. However, its surface frays 3,5 times faster, the speed of the sample and its turning point slow down.

Este trabalho desenvolveu uma metodologia de otimização da localização de material piezelétrico para avaliar vibrações estruturais. O principal objetivo foi estabelecer um procedimento para a determinação concomitante da localização mais adequada para atuadores e sensores piezelétricos através de uma formulação de um problema de otimização topológica. De acordo com a metodologia proposta, a localização desses atuadores e sensores é determinada através da maximização da controlabilidade e da observabilidade, ambas medidas por intermédio do seu gramiano, definindo onde o material deve ter propriedades piezelétricas. Os resultados do processo de otimização foram avaliados em malha fechada através do uso de dois controladores ótimos (LQR e LQG), utilizados em simulações para atenuar as oscilações estruturais resultantes da aplicação de perturbações externas. O desenvolvimento dos algoritmos de controle foi realizado com a utilização de um modelo modal truncado em seus primeiros modos de vibração. Os resultados mostram a eficácia do processo de otimização topológica quanto à localização de atuadores e sensores na estrutura. Além disso, verificou-se que a localização do material piezelétrico melhora o amortecimento estrutural, sendo importante para o desempenho das técnicas de controle utilizadas. / This work proposes a topology optimization methodology for the location of piezoelectric actuator/sensors for active vibration control. The main objective is to develop a procedure to determine the most suitable location for piezoelectric sensors and actuators using a topology optimization formulation. According to the proposed method, the location of these actuators and sensors is determined the maximization of the controllability and observability, both measured by the gramian matrix, defining where the material should have piezoelectric properties. The results of the optimization process are evaluated in closed loop by using two (LQR and LQG) active controllers, which are used in simulations to attenuate structural oscillations resulting from the application of external disturbances. The development of control algorithms was performed with the use of a modal model truncated to lowest modes. Results show the effectiveness of the topology optimization process as the location of actuators and sensors in the structure. Furthermore, it was found that location of the piezoelectric material improves the structural damping, which is important for the performance of control techniques.

Este trabalho desenvolveu uma metodologia de otimização da localização de material piezelétrico para avaliar vibrações estruturais. O principal objetivo foi estabelecer um procedimento para a determinação concomitante da localização mais adequada para atuadores e sensores piezelétricos através de uma formulação de um problema de otimização topológica. De acordo com a metodologia proposta, a localização desses atuadores e sensores é determinada através da maximização da controlabilidade e da observabilidade, ambas medidas por intermédio do seu gramiano, definindo onde o material deve ter propriedades piezelétricas. Os resultados do processo de otimização foram avaliados em malha fechada através do uso de dois controladores ótimos (LQR e LQG), utilizados em simulações para atenuar as oscilações estruturais resultantes da aplicação de perturbações externas. O desenvolvimento dos algoritmos de controle foi realizado com a utilização de um modelo modal truncado em seus primeiros modos de vibração. Os resultados mostram a eficácia do processo de otimização topológica quanto à localização de atuadores e sensores na estrutura. Além disso, verificou-se que a localização do material piezelétrico melhora o amortecimento estrutural, sendo importante para o desempenho das técnicas de controle utilizadas. / This work proposes a topology optimization methodology for the location of piezoelectric actuator/sensors for active vibration control. The main objective is to develop a procedure to determine the most suitable location for piezoelectric sensors and actuators using a topology optimization formulation. According to the proposed method, the location of these actuators and sensors is determined the maximization of the controllability and observability, both measured by the gramian matrix, defining where the material should have piezoelectric properties. The results of the optimization process are evaluated in closed loop by using two (LQR and LQG) active controllers, which are used in simulations to attenuate structural oscillations resulting from the application of external disturbances. The development of control algorithms was performed with the use of a modal model truncated to lowest modes. Results show the effectiveness of the topology optimization process as the location of actuators and sensors in the structure. Furthermore, it was found that location of the piezoelectric material improves the structural damping, which is important for the performance of control techniques.

Este trabalho desenvolveu uma metodologia de otimização da localização de material piezelétrico para avaliar vibrações estruturais. O principal objetivo foi estabelecer um procedimento para a determinação concomitante da localização mais adequada para atuadores e sensores piezelétricos através de uma formulação de um problema de otimização topológica. De acordo com a metodologia proposta, a localização desses atuadores e sensores é determinada através da maximização da controlabilidade e da observabilidade, ambas medidas por intermédio do seu gramiano, definindo onde o material deve ter propriedades piezelétricas. Os resultados do processo de otimização foram avaliados em malha fechada através do uso de dois controladores ótimos (LQR e LQG), utilizados em simulações para atenuar as oscilações estruturais resultantes da aplicação de perturbações externas. O desenvolvimento dos algoritmos de controle foi realizado com a utilização de um modelo modal truncado em seus primeiros modos de vibração. Os resultados mostram a eficácia do processo de otimização topológica quanto à localização de atuadores e sensores na estrutura. Além disso, verificou-se que a localização do material piezelétrico melhora o amortecimento estrutural, sendo importante para o desempenho das técnicas de controle utilizadas. / This work proposes a topology optimization methodology for the location of piezoelectric actuator/sensors for active vibration control. The main objective is to develop a procedure to determine the most suitable location for piezoelectric sensors and actuators using a topology optimization formulation. According to the proposed method, the location of these actuators and sensors is determined the maximization of the controllability and observability, both measured by the gramian matrix, defining where the material should have piezoelectric properties. The results of the optimization process are evaluated in closed loop by using two (LQR and LQG) active controllers, which are used in simulations to attenuate structural oscillations resulting from the application of external disturbances. The development of control algorithms was performed with the use of a modal model truncated to lowest modes. Results show the effectiveness of the topology optimization process as the location of actuators and sensors in the structure. Furthermore, it was found that location of the piezoelectric material improves the structural damping, which is important for the performance of control techniques.

O chatter é o principal problema de instabilidade nos processos de usinagem, e é causado pelas ondulações deixadas na superfície durante cortes sucessivos, ou chamado processo de regeneração, e é caracterizado pelo ruído e qualidade superficial ruim nas superfícies usinadas. Portanto, a comunidade científica tem se preocupado em desenvolver ações, tanto para a predição do fenômeno, como para desenvolver estratégias para sua redução. Neste trabalho avalia-se numérica e experimentalmente, a utilização de pastilhas piezelétricas acopladas no suporte da ferramenta, e aplicando estratégias de controle passivo e ativo, procurando a redução do chatter em processos de torneamento. A solução passiva consiste em conectar os terminais das pastilhas piezelétricas a um circuito elétrico dissipador de energia. A solução ativa propõe usar uma das pastilhas como sensor e a outra como atuador para aplicar leis de controle de realimentação. Na avaliação numérica foi considerado um modelo eletromecânico de parâmetros distribuídos usando a teoria de viga engastada de Euler-Bernoulli, e as equações constitutivas elétricas e mecânicas do material piezelétrico. A comparação das funções de resposta em frequência (FRFs) do sistema, obtidas numericamente, mostra uma adição de amortecimento ao sistema quando é usado um circuito de dissipação com uma resistência e uma indutância como solução passiva. A avaliação numérica da solução ativa indica que o controle de realimentação de velocidade adiciona amortecimento do sistema. A melhora da estabilidade no processo de torneamento destas duas estratégias é comprovada num diagrama de lóbulos de estabilidade. Na parte experimental foram obtidas as funções de resposta em frequência do sistema suporte da ferramenta, usando um sistema de aquisição de dados, com o fim de comparar as magnitudes da resposta, e foram feitos testes de torneamento com o fim de comparar qualitativamente as qualidades superficiais obtidas nas peças usinadas. A medição das FRFs com circuitos de dissipação indicou uma atenuação da resposta para um sistema com circuito em série, estratégia que foi avaliada em testes de torneamento, e mostrando uma melhora no acabamento superficial. / Chatter is the main problem of instability in machining processes, caused by the modulations left on the surface during the successive cuts, called regeneration process, and is characterized by violent vibrations, noise and poor surface quality on machined surfaces. Thus, the scientific community has been concerned with developing actions for both the phenomenom prediction, and developing strategies to reduce them. This work evaluates numerically and experimentally the use of piezoelectric layers embedded to the tool-holder, and applying active and passive strategies trying to reduce the chatter in turning processes. For the passive case, the conductive electrode pairs of the piezoelectric layers are connected to a shunt circuit which modifies the system dynamics. The active solution proposes to use one of the piezoelectric layers as sensor an the other one as actuator, in order to apply feedback control laws. A numerical evaluation considers an electromechanical distributed parameter model based on Euler- Bernoulli cantilever beam theory, and the electrical and mechanical constitutive equations of the piezoelectric material. A comparison of the system frequency response functions (FRFs), numerically obtained, shows an increase of system damping when a resistive-inductive shunt circuit is used as a passive solution. The numerical evaluation of the active solution shows that the velocity feedback control increases the system damping. The turning process stability improvement using both strategies, is shown in a stability lobe diagram. Frequency response functions of the tool-holder system were obtained experimentally using a data acquisition system, in order to compare the response amplitudes. Turning tests were performed in order to compare surface qualities obtained of machined parts. Measurement of FRFs using series resistive-inductive shunt circuits shows a system response attenuation, later this strategy was evaluated in turning tests, showing an improvement in surface finish.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de uma metodologia para a estimativa de funções de resposta em freqüência angulares (FRFAs). Trata-se de uma técnica que utiliza transdutores piezelétricos (PZT) do tipo bimorph para a medição da curvatura local da estrutura através do potencial elétrico induzido pela extensão e compressão do sensor. A partir da estimativa da curvatura, a rotação pode ser obtida diretamente através de várias técnicas de interpolação (polinomial, formas modais, etc). Apresenta-se a modelagem téorica da qual se deriva as equações que governam a dinâmica de estruturas uni-dimensionais, do tipo viga, e estruturas bidimensionais, do tipo placa, ambas isotrópicas, onde se incorpora o sensor bimorph. Modelos em elementos finitos foram propostos no intuito de avaliar a utilização destes sensores (bimorphs) aplicados à estimativa das FRFAs. Apresentam-se também resultados numéricos e experimentais considerando-se uma viga engastada-livre (cantilever) e resultados numéricos considerando-se uma placa simplesmente apoiada. Um algoritmo genético foi ainda desenvolvido no intuito de determinar a posição e dimensão ótimas dos bimorphs em estruturas do tipo viga. / The present work aims to perform the development of an attractive approach for accurate measurement of angular frequency response functions (AFRFs). It uses bimorph piezoceramic patches to measure the structure\'s local curvature through the measurement of the electric potential induced by the extension and compression of the patch\'s top and bottom stripes, respectively. From this curvature, rotation can be obtained directly by several interpolation techniques (single polynomial, modes basis). Theoretical modeling of the vibration incorporating piezoelectric bimorph sensor is presented and equations governing the dynamics for one-dimensional structures, like a beam, and for two-dimensional structures, like a plate, are derived for isotropic structures. Finite element model for the dynamic analysis were proposed to evaluate bimorphs patches applied to the measurement of angular FRFs. Numerical and experimental results are presented considering a cantilever beam and numerical results for a simply supported plate as tested structured. Also, in this work, a genetic algorithm was used as an adaptive heuristic search algorithm for optimal placement and sizing of the bimorph sensor into beam like structures.

This master thesis deal with analysis of possible alternative energy sources for health monitoring of railway trafic. Mainly focus on energy harvesting via SMART materials, specifically materials with piezoelectric and magnetostrictive properties. First theoretical background and real concepts are introduced, followed by material modelling and simulations. End of thesis cover parameter suggestion and SMART materials comparation and valorizations.

This diploma thesis deals with the possibility of vibration sensing and vibrodiagnostics based on the use of so-called "SMART" materials such as piezoelectric layers or structures. Research studies have examined the general overview of vibrodiagnostic methods and their analysis of the possibility of sensing vibration by piezoelectric structures. This was followed by measuring and evaluating the results using various vibro-diagnostic methods. The results were compared with those obtained by sensing vibration using an accelerometer. We also dealt with the problem of detecting the deformation of the device by sensing vibration with piezoelectric structures. The last part was programming the "Myrio" to capture and evaluate the vibration using Labview.

This thesis focuses on simulation modelling of a piezoelectric MEMS filter, which may be used as a part of cochlear implant. A model of this filter is created in the programme ANSYS. A research on experimental cochlear implants and materials suitable for this application is also included.