O projeto de transdutores piezelétricos envolve modelagens matemáticas e verificações experimentais, que são necessárias para validá-los. Através das análises dos transdutores verificam-se as influências das condições de contorno experimentais e as dificuldades para modelá-las. No entanto, na literatura atual este ponto não é discutido de forma abrangente. Além disso, as propriedades elétricas, piezelétricas e mecânicas dos materiais devem ser conhecidas com precisão para que o modelo represente um transdutor físico. Estas propriedades são fornecidas pelos fabricantes em valores aproximados, porém algumas delas, como por exemplo, o amortecimento mecânico, não são fornecidas, o que dificulta a modelagem. Por estes motivos, este trabalho trata do desenvolvimento de técnicas de verificações experimentais de transdutores piezelétricos, visando esclarecer efeitos relacionados às variações nas condições de contorno devido à fixação de pequenos espelhos e a fixação do próprio transdutor num suporte, e propor formas de incorporar esses efeitos nos modelos matemáticos. Além disso, propõe-se uma metodologia para a determinação do coeficiente de amortecimento das cerâmicas piezelétricas. São apresentadas as técnicas ópticas utilizadas na medição dinâmica e estática de deslocamentos de transdutores piezelétricos, os problemas das influências mecânicas, como vibrações ambientes, nas análises ópticas e as respectivas soluções adotadas. As análises numéricas foram conduzidas com o software de elementos finitos ANSYS e os resultados comparados com as verificações experimentais. Os materiais analisados são piezocerâmicas PZT-5A, piezoatuadores flextensionais, projetados pelo método de otimização topológica e um piezoatuador bilaminar. Nos resultados apresentados são mostrados os desvios e os comentários sobre as possíveis causas. / Piezoelectric transducer design is done by using numerical method and experimental analysis, which are needed to validate it. Transducers analysis allow us to verify the influence of experimental boundary conditions and the difficulties to model them. However, in the current literature this point is not discussed in a comprehensive way. In addiction, electrical, piezoelectric and mechanical material properties must be known with accuracy, to represent a real transducer. Approximately values of these properties are provided by manufacturers, however other property values are not provided, such as for example, mechanical damping, which causes difficulties for modelling. Therefore, this work is about the development of experimental techniques to analyze piezoelectric transducers, aiming to understand the effects related to boundary conditions changes due to stick of small mirrors and the way the transducer is held, and suggest of way to incorporate these effects in mathematical model. In addiction, suggests a methodology to determine the piezoceramics damping coefficient. It is described optical techniques used for displacement measurements of piezoelectric transducer in dynamic and static operation, problems related to mechanical influences in optical analysis, such as environment vibration, and respective applied solutions. Numerical analysis are conducted by using finite element software, ANSYS, and the results are compared with experimental verification. The materials analyzed are piezoceramic PZT-5A, flextensional piezoactuators, designed by using topology optimization and a bimorph pizoactuator. In the present results is shown the deviation and comments about possible cause.

Atuadores Piezelétricos Flextensionais consistem de uma estrutura flexível atuada por cerâmicas piezelétricas (ou “pilhas” de cerâmicas). A estrutura flexível conectada a piezocerâmica deve gerar deslocamentos e forças em diferentes pontos específicos do domínio, para uma direção especificada. Estes atuadores são usados em aplicações de mecânica de precisão, tal como, sistemas microeletromecânicos (MEMS), manipulador de células, interferometria laser, equipamentos de nanotecnologia, equipamentos de microcirurgias, nanoposicionadores, sonda de varredura microscópica, e etc. Porém, devido ao fato destes atuadores consistirem principalmente de um mecanismo flexível, seu projeto é complexo. A estrutura flexível comporta-se como um transformador mecânico pela amplificação para converter, direcionar e amplificar os pequenos deslocamentos gerados pela piezocerâmica (ordem de nanômetros). A estrutura flexível é projetada distribuindo-se flexibilidade e rigidez no domínio de projeto, o que pode ser obtido usando a otimização topológica. Portanto, o objetivo deste trabalho é implementar um método sistemático baseado no método de otimização topológica para projetar atuadores piezelétricos flextensionais. Essencialmente, o método de otimização topológica consiste em encontrar a distribuição ótima de material perfurando o domínio de projeto com infinitos microfuros. O material em cada ponto pode alterar de vazio a total presença de material, também assumindo material intermediário (ou compósito). A implementação do método de otimização topológica é baseado no modelo de material SIMP (Simple Isotropic Material with Penalization). O problema de otimização é posto como a maximização dos deslocamentos gerados (ou força de blocagem) em diferentes pontos e direções especificadas do domínio. Considerando o comportamento linear da piezocerâmica. Alterando a flexibilidade e a rigidez da estrutura flexível conectada a piezocerâmica obtém-se diferentes tipos de atuadores piezelétricos flextensionais, que podem ser projetados para determinadas aplicações. Para ilustrar o método, os exemplos mostrados são modelos bidimensionais (2D), uma vez que a maior parte das aplicações envolve dispositivos planos. Estes atuadores são fabricados usando corrosão química em chapas de cobre abaixo de 200 μm de espessura através do método de litografia. Técnica de corrosão química tem um baixo custo e permite-nos fabricar diversos protótipos para testes. Esta técnica pode ser facilmente utilizada no LNLS (Laboratório Nacional de Luz Síncrotron – Campinas). Análise experimental destes protótipos são procedidas para medição de deslocamentos usando uma Probe Station. Como trabalho futuro, estes protótipos serão construídos em escala de MEMS. / Flextensional Piezoelectric Actuators consist of a flexible structure actuated by piezoelectric ceramics (or a stack of piezoceramics). The flexible structure connected to the piezoceramic must generate displacements and forces in different specified points of the domain, according to a specific direction. These actuators are applied to precision mechanic applications such as microelectromechanical systems (MEMS), cell manipulators, laser interferometers, nanotechnology equipment, microsurgery equipment, nanopositioners, scanning probe microscopy, etc. However, due to the fact these actuators essentially consist of a compliant mechanism their design is complex. The compliant structure behaves as a mechanical transform by amplifying and changing the direction of small output displacements generated by piezoceramics (order of nanometer). The flexible structure is designed by distributing flexibility and stiffness in the design domain, which can be archieved by using topology optimization. Therefore, the objective of this work is to implement a systematic method based on topology optimization method to design flextensional piezoelectric actuators. Essentially, the topology optimization method consists of finding the optimal material distribution in a perforated design domain with infinite microvoids. The material in each point can change from void to full material, also assuming intermediate (or composite) material. The implemented topology optimization method is based on the SIMP (Simple Isotropic Material with Penalization) material model. The optimization problem is posed as maximization of output displacements (or grabbing forces) in different specified directions and points of the domain. A linear behavior of piezoceramic is considered. By changing the flexibility and stiffness of flexible structure connected to the piezoceramics different types of flextensional piezoelectric actuators can be designed for a desired application. To illustrate the method, examples presented herein are limited to two-dimensional (2D) models once in most part of applications of these actuators they are planar devices. These actuators are manufactured by using chemical corrosion on a 200 um thickness copper plate through lithography method. Chemical corrosion technique has a low cost and it allow us to manufacture several prototypes for testing. For this technique, facilities of the micromachining laboratory of National Sincroton Light Laboratory (LNLS - Campinas) are used. Experimental analysis of these prototypes are conducted by measuring displacements using a probe station. As a future work, these prototypes will be built in a MEMS scale.

Atuadores Piezelétricos Flextensionais consistem de uma estrutura flexível atuada por cerâmicas piezelétricas (ou “pilhas” de cerâmicas). A estrutura flexível conectada a piezocerâmica deve gerar deslocamentos e forças em diferentes pontos específicos do domínio, para uma direção especificada. Estes atuadores são usados em aplicações de mecânica de precisão, tal como, sistemas microeletromecânicos (MEMS), manipulador de células, interferometria laser, equipamentos de nanotecnologia, equipamentos de microcirurgias, nanoposicionadores, sonda de varredura microscópica, e etc. Porém, devido ao fato destes atuadores consistirem principalmente de um mecanismo flexível, seu projeto é complexo. A estrutura flexível comporta-se como um transformador mecânico pela amplificação para converter, direcionar e amplificar os pequenos deslocamentos gerados pela piezocerâmica (ordem de nanômetros). A estrutura flexível é projetada distribuindo-se flexibilidade e rigidez no domínio de projeto, o que pode ser obtido usando a otimização topológica. Portanto, o objetivo deste trabalho é implementar um método sistemático baseado no método de otimização topológica para projetar atuadores piezelétricos flextensionais. Essencialmente, o método de otimização topológica consiste em encontrar a distribuição ótima de material perfurando o domínio de projeto com infinitos microfuros. O material em cada ponto pode alterar de vazio a total presença de material, também assumindo material intermediário (ou compósito). A implementação do método de otimização topológica é baseado no modelo de material SIMP (Simple Isotropic Material with Penalization). O problema de otimização é posto como a maximização dos deslocamentos gerados (ou força de blocagem) em diferentes pontos e direções especificadas do domínio. Considerando o comportamento linear da piezocerâmica. Alterando a flexibilidade e a rigidez da estrutura flexível conectada a piezocerâmica obtém-se diferentes tipos de atuadores piezelétricos flextensionais, que podem ser projetados para determinadas aplicações. Para ilustrar o método, os exemplos mostrados são modelos bidimensionais (2D), uma vez que a maior parte das aplicações envolve dispositivos planos. Estes atuadores são fabricados usando corrosão química em chapas de cobre abaixo de 200 μm de espessura através do método de litografia. Técnica de corrosão química tem um baixo custo e permite-nos fabricar diversos protótipos para testes. Esta técnica pode ser facilmente utilizada no LNLS (Laboratório Nacional de Luz Síncrotron – Campinas). Análise experimental destes protótipos são procedidas para medição de deslocamentos usando uma Probe Station. Como trabalho futuro, estes protótipos serão construídos em escala de MEMS. / Flextensional Piezoelectric Actuators consist of a flexible structure actuated by piezoelectric ceramics (or a stack of piezoceramics). The flexible structure connected to the piezoceramic must generate displacements and forces in different specified points of the domain, according to a specific direction. These actuators are applied to precision mechanic applications such as microelectromechanical systems (MEMS), cell manipulators, laser interferometers, nanotechnology equipment, microsurgery equipment, nanopositioners, scanning probe microscopy, etc. However, due to the fact these actuators essentially consist of a compliant mechanism their design is complex. The compliant structure behaves as a mechanical transform by amplifying and changing the direction of small output displacements generated by piezoceramics (order of nanometer). The flexible structure is designed by distributing flexibility and stiffness in the design domain, which can be archieved by using topology optimization. Therefore, the objective of this work is to implement a systematic method based on topology optimization method to design flextensional piezoelectric actuators. Essentially, the topology optimization method consists of finding the optimal material distribution in a perforated design domain with infinite microvoids. The material in each point can change from void to full material, also assuming intermediate (or composite) material. The implemented topology optimization method is based on the SIMP (Simple Isotropic Material with Penalization) material model. The optimization problem is posed as maximization of output displacements (or grabbing forces) in different specified directions and points of the domain. A linear behavior of piezoceramic is considered. By changing the flexibility and stiffness of flexible structure connected to the piezoceramics different types of flextensional piezoelectric actuators can be designed for a desired application. To illustrate the method, examples presented herein are limited to two-dimensional (2D) models once in most part of applications of these actuators they are planar devices. These actuators are manufactured by using chemical corrosion on a 200 um thickness copper plate through lithography method. Chemical corrosion technique has a low cost and it allow us to manufacture several prototypes for testing. For this technique, facilities of the micromachining laboratory of National Sincroton Light Laboratory (LNLS - Campinas) are used. Experimental analysis of these prototypes are conducted by measuring displacements using a probe station. As a future work, these prototypes will be built in a MEMS scale.

O projeto de transdutores piezelétricos envolve modelagens matemáticas e verificações experimentais, que são necessárias para validá-los. Através das análises dos transdutores verificam-se as influências das condições de contorno experimentais e as dificuldades para modelá-las. No entanto, na literatura atual este ponto não é discutido de forma abrangente. Além disso, as propriedades elétricas, piezelétricas e mecânicas dos materiais devem ser conhecidas com precisão para que o modelo represente um transdutor físico. Estas propriedades são fornecidas pelos fabricantes em valores aproximados, porém algumas delas, como por exemplo, o amortecimento mecânico, não são fornecidas, o que dificulta a modelagem. Por estes motivos, este trabalho trata do desenvolvimento de técnicas de verificações experimentais de transdutores piezelétricos, visando esclarecer efeitos relacionados às variações nas condições de contorno devido à fixação de pequenos espelhos e a fixação do próprio transdutor num suporte, e propor formas de incorporar esses efeitos nos modelos matemáticos. Além disso, propõe-se uma metodologia para a determinação do coeficiente de amortecimento das cerâmicas piezelétricas. São apresentadas as técnicas ópticas utilizadas na medição dinâmica e estática de deslocamentos de transdutores piezelétricos, os problemas das influências mecânicas, como vibrações ambientes, nas análises ópticas e as respectivas soluções adotadas. As análises numéricas foram conduzidas com o software de elementos finitos ANSYS e os resultados comparados com as verificações experimentais. Os materiais analisados são piezocerâmicas PZT-5A, piezoatuadores flextensionais, projetados pelo método de otimização topológica e um piezoatuador bilaminar. Nos resultados apresentados são mostrados os desvios e os comentários sobre as possíveis causas. / Piezoelectric transducer design is done by using numerical method and experimental analysis, which are needed to validate it. Transducers analysis allow us to verify the influence of experimental boundary conditions and the difficulties to model them. However, in the current literature this point is not discussed in a comprehensive way. In addiction, electrical, piezoelectric and mechanical material properties must be known with accuracy, to represent a real transducer. Approximately values of these properties are provided by manufacturers, however other property values are not provided, such as for example, mechanical damping, which causes difficulties for modelling. Therefore, this work is about the development of experimental techniques to analyze piezoelectric transducers, aiming to understand the effects related to boundary conditions changes due to stick of small mirrors and the way the transducer is held, and suggest of way to incorporate these effects in mathematical model. In addiction, suggests a methodology to determine the piezoceramics damping coefficient. It is described optical techniques used for displacement measurements of piezoelectric transducer in dynamic and static operation, problems related to mechanical influences in optical analysis, such as environment vibration, and respective applied solutions. Numerical analysis are conducted by using finite element software, ANSYS, and the results are compared with experimental verification. The materials analyzed are piezoceramic PZT-5A, flextensional piezoactuators, designed by using topology optimization and a bimorph pizoactuator. In the present results is shown the deviation and comments about possible cause.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:22:31Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2009-05-25Bitstream added on 2014-06-13T18:08:24Z : No. of bitstreams: 1 menezes_jpc_me_ilha.pdf: 3284910 bytes, checksum: c8578da11e5d14cfc4d1f4eaaafb100b (MD5) / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Atuadores piezoelétricos convertem energia elétrica em energia mecânica, sendo amplamente utilizados como transdutores de deslocamento micrométricos ou sub-micrométricos de elevada precisão. Neste trabalho, atuadores piezoelétricos flextensionais (APFs), projetados pelo método de otimização topológica, são caracterizados em termos de linearidade entre a tensão de excitação e o deslocamento gerado, bem como em termos de resposta em frequência, utilizando-se um interferômetro de Michelson homódino e em malha aberta. Interferômetros homódinos não realimentados têm seu desempenho prejudicado pelo fenômeno de desvanecimento, causado por perturbações ambientais espúrias que incidem aleatoriamente entre seus braços. Nesta dissertação, enfatizam-se métodos de demodulação de fase óptica baseados em relações envolvendo as componentes espectrais do sinal de saída do interferômetro que são imunes ao problema do desvanescimento. Dentre estes, destacam-se métodos clássicos como J1... J4, J1... J4 modificado, J1... J6 neg e J1... J6 pos. Estes métodos permitem a medição direta de deslocamentos microscópicos, sem a necessidade de qualquer procedimento de calibração. Além disso, não são afetados por instabilidades da fonte óptica, da responsividade do fotodiodo e da visibilidade das franjas de interferência. Contudo, apresentam reduzidas faixas dinâmicas de demodulação de fase. A fim de superar esta deficiência, investiga-se um método adicional de detecção direta, baseado na análise do espectro do sinal fotodetectado, exibindo todas as vantagens dos demais métodos, mas que é capaz de estender a faixa dinâmica de demodulação a valores tão elevados quanto 100 rad. Simulações computacionais são executadas com este método, levando-se em consideração o efeito do desvanecimento e tensões de ruído eletrônico do tipo 1/f, evidenciando... / Piezoelectric actuators convert electrical energy into mechanical energy, being widely used as micrometric or sub-micrometric displacement transducer of high accuracy. In this work, piezoelectric flextensional actuators (PFA’s), designed by the topology optimization method, are characterized in terms of linearity between the drive voltage and the corresponding displacement, as well as in terms of frequency response, using a homodyne, open-loop, Michelson interferometer. Homodyne interferometers without feedback have their performance spoiled by signal fading, caused by spurious environmental disturbances that occur randomly between their arms. This thesis emphasizes methods of optical phase demodulation, based on relations involving the spectral components of the interferometer output signal, which are immune to signal fading. Among these methods, it is detailed here the classical ones, such as J1... J4, modified J1... J4, J1... J6 neg e J1... J6 pos. These methods allow direct measurements of microscopic displacements, free of calibration procedures. Besides, they are not affected by optical source oscillations, photodiode responsivity and interferometric fringe visibility. However, they have reduced dynamic range for phase demodulation. In order to overcome this, this work investigates an additional method for direct detection, based on spectral analysis drawback of the photodetected signal. The method has all the advantages of the others, but it is able to span its demodulation dynamic range to values as high as 100 rad. Numerical simulations are done using this method (considering the signal fading and the 1/f electronic noise voltage), showing its viability to characterize PFA’s. Experiments are performed in laboratory, involving tests with different PFA’s. The method validation is carried out with the aid of an electrooptic intensity modulator, whose phase characteristics can... (Complete abstract click electronic access below)

Orientador: Cláudio Kitano / Banca: Mauro Henrique de Paula / Banca: Aparecido Augusto de Carvalho / Resumo: A interferometria a laser é uma técnica consolidada para a caracterização de atuadores piezoelétricos. No entanto, este método requer um alinhamento óptico preciso e uma operação meticulosa. Há um grande interesse no desenvolvimento de sistemas de medição de deslocamento e vibração usando sensores reflexivos em fibra óptica devido a sua inerente simplicidade, tamanho reduzido, largura de banda ampla, limite de detecção extremamente baixo e capacidade de realizar medições sem contato ou afetar o sistema a ser ensaiado. Neste trabalho apresenta-se um arranjo simples do sensor reflexivo para se atingir resolução sub-micrométrica, utilizando-se fibras e componentes ópticos de baixo custo e circuitos eletrônicos simples. O sistema é constituído por duas fibras ópticas adjacentes (uma transmissora e outra receptora) e com extremidades emparelhadas, posicionadas na frente de uma superfície reflexiva vibratória. A luz proveniente de uma fonte óptica (no caso um laser) é acoplada à fibra transmissora e parte dos raios refletidos pela superfície móvel é capturada pela fibra receptora, que conduz a luz para um fotodetector. A tensão de saída do fotodetector é função da distância entre as extremidades das fibras e a superfície reflexiva. Apresenta-se uma formulação teórica da função de intensidade óptica refletida no plano a uma distância qualquer, juntamente com comparações entre características experimentais e teóricas do sensor reflexivo. Finalmente, atuadores piezoelétricos flextensionais, projetados com o método de otimização topológica, são caracterizados experimentalmente através da medição de seus deslocamentos sub-micrométricos, utilizando o sensor reflexivo. As respostas em freqüência dos piezoatuadores flextensionais são levantadas e o fenômeno de erro de trajetória e linearidade são discutidos. / Abstract: The laser interferometer method is a well-established technique for the characterization of piezoelectric actuators. However, this method requires precise optical alignment and meticulous operation. There is great interest in developing displacement and vibration measurement systems using reflective fiber optic displacement sensors (RFODS) because of their inherent simplicity, small size, wide frequency range, extremely low displacement detection limit, and ability to perform measurements without contact or affecting the vibrating system. This work presents a simple arrangement of RFODS to achieve sub-micrometer resolution, using low-cost fibers and optical components, and simple electronic circuits. The system is composed of two adjacent transmitting and receiving fibers at one end, located in front of a reflecting vibrating surface. The transmitting fiber is connected to a laser source, and part of the reflected rays by the moving surface is captured by the receiving fiber, which is connected to a light detector. The output voltage is a function of the distance between probe and vibrating surface. A theoretical formulation of the reflected light intensity function at distal end plane is presented, together with comparisons of experimental and ideal RFODS characteristics. Finally, piezoelectric flextensional actuators (PFAs), designed with the topology optimization method, are experimentally characterized by the measurement of their sub micrometric displacements using a RFODS. The frequency responses of the PFAs are evaluated, and the tracking error phenomenon and linearity are discussed. / Mestre

Orientador: Cláudio Kitano / Banca: Aparecido Augusto de Carvalho / Banca: Demartonne Ramos França / Resumo: Atuadores piezoelétricos convertem energia elétrica em energia mecânica, sendo amplamente utilizados como transdutores de deslocamento micrométricos ou sub-micrométricos de elevada precisão. Neste trabalho, atuadores piezoelétricos flextensionais (APFs), projetados pelo método de otimização topológica, são caracterizados em termos de linearidade entre a tensão de excitação e o deslocamento gerado, bem como em termos de resposta em frequência, utilizando-se um interferômetro de Michelson homódino e em malha aberta. Interferômetros homódinos não realimentados têm seu desempenho prejudicado pelo fenômeno de desvanecimento, causado por perturbações ambientais espúrias que incidem aleatoriamente entre seus braços. Nesta dissertação, enfatizam-se métodos de demodulação de fase óptica baseados em relações envolvendo as componentes espectrais do sinal de saída do interferômetro que são imunes ao problema do desvanescimento. Dentre estes, destacam-se métodos clássicos como J1... J4, J1... J4 modificado, J1... J6 neg e J1... J6 pos. Estes métodos permitem a medição direta de deslocamentos microscópicos, sem a necessidade de qualquer procedimento de calibração. Além disso, não são afetados por instabilidades da fonte óptica, da responsividade do fotodiodo e da visibilidade das franjas de interferência. Contudo, apresentam reduzidas faixas dinâmicas de demodulação de fase. A fim de superar esta deficiência, investiga-se um método adicional de detecção direta, baseado na análise do espectro do sinal fotodetectado, exibindo todas as vantagens dos demais métodos, mas que é capaz de estender a faixa dinâmica de demodulação a valores tão elevados quanto 100 rad. Simulações computacionais são executadas com este método, levando-se em consideração o efeito do desvanecimento e tensões de ruído eletrônico do tipo 1/f, evidenciando... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Piezoelectric actuators convert electrical energy into mechanical energy, being widely used as micrometric or sub-micrometric displacement transducer of high accuracy. In this work, piezoelectric flextensional actuators (PFA's), designed by the topology optimization method, are characterized in terms of linearity between the drive voltage and the corresponding displacement, as well as in terms of frequency response, using a homodyne, open-loop, Michelson interferometer. Homodyne interferometers without feedback have their performance spoiled by signal fading, caused by spurious environmental disturbances that occur randomly between their arms. This thesis emphasizes methods of optical phase demodulation, based on relations involving the spectral components of the interferometer output signal, which are immune to signal fading. Among these methods, it is detailed here the classical ones, such as J1... J4, modified J1... J4, J1... J6 neg e J1... J6 pos. These methods allow direct measurements of microscopic displacements, free of calibration procedures. Besides, they are not affected by optical source oscillations, photodiode responsivity and interferometric fringe visibility. However, they have reduced dynamic range for phase demodulation. In order to overcome this, this work investigates an additional method for direct detection, based on spectral analysis drawback of the photodetected signal. The method has all the advantages of the others, but it is able to span its demodulation dynamic range to values as high as 100 rad. Numerical simulations are done using this method (considering the signal fading and the 1/f electronic noise voltage), showing its viability to characterize PFA's. Experiments are performed in laboratory, involving tests with different PFA's. The method validation is carried out with the aid of an electrooptic intensity modulator, whose phase characteristics can... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:22:35Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2006-04-28Bitstream added on 2014-06-13T18:06:43Z : No. of bitstreams: 1 sakamoto_jms_me_ilha.pdf: 6608858 bytes, checksum: 00cb410d8ba756148ea0f5626f2c8f3b (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / A interferometria a laser é uma técnica consolidada para a caracterização de atuadores piezoelétricos. No entanto, este método requer um alinhamento óptico preciso e uma operação meticulosa. Há um grande interesse no desenvolvimento de sistemas de medição de deslocamento e vibração usando sensores reflexivos em fibra óptica devido a sua inerente simplicidade, tamanho reduzido, largura de banda ampla, limite de detecção extremamente baixo e capacidade de realizar medições sem contato ou afetar o sistema a ser ensaiado. Neste trabalho apresenta-se um arranjo simples do sensor reflexivo para se atingir resolução sub-micrométrica, utilizando-se fibras e componentes ópticos de baixo custo e circuitos eletrônicos simples. O sistema é constituído por duas fibras ópticas adjacentes (uma transmissora e outra receptora) e com extremidades emparelhadas, posicionadas na frente de uma superfície reflexiva vibratória. A luz proveniente de uma fonte óptica (no caso um laser) é acoplada à fibra transmissora e parte dos raios refletidos pela superfície móvel é capturada pela fibra receptora, que conduz a luz para um fotodetector. A tensão de saída do fotodetector é função da distância entre as extremidades das fibras e a superfície reflexiva. Apresenta-se uma formulação teórica da função de intensidade óptica refletida no plano a uma distância qualquer, juntamente com comparações entre características experimentais e teóricas do sensor reflexivo. Finalmente, atuadores piezoelétricos flextensionais, projetados com o método de otimização topológica, são caracterizados experimentalmente através da medição de seus deslocamentos sub-micrométricos, utilizando o sensor reflexivo. As respostas em freqüência dos piezoatuadores flextensionais são levantadas e o fenômeno de erro de trajetória e linearidade são discutidos. / The laser interferometer method is a well-established technique for the characterization of piezoelectric actuators. However, this method requires precise optical alignment and meticulous operation. There is great interest in developing displacement and vibration measurement systems using reflective fiber optic displacement sensors (RFODS) because of their inherent simplicity, small size, wide frequency range, extremely low displacement detection limit, and ability to perform measurements without contact or affecting the vibrating system. This work presents a simple arrangement of RFODS to achieve sub-micrometer resolution, using low-cost fibers and optical components, and simple electronic circuits. The system is composed of two adjacent transmitting and receiving fibers at one end, located in front of a reflecting vibrating surface. The transmitting fiber is connected to a laser source, and part of the reflected rays by the moving surface is captured by the receiving fiber, which is connected to a light detector. The output voltage is a function of the distance between probe and vibrating surface. A theoretical formulation of the reflected light intensity function at distal end plane is presented, together with comparisons of experimental and ideal RFODS characteristics. Finally, piezoelectric flextensional actuators (PFAs), designed with the topology optimization method, are experimentally characterized by the measurement of their sub micrometric displacements using a RFODS. The frequency responses of the PFAs are evaluated, and the tracking error phenomenon and linearity are discussed.

Flextensional actuators assembled in association with piezoceramics feature the amplification of nanometric displacements generated by the ceramics energy conversion. For applications that require high precision positioning or vibration response attenuation, such as hard disc reading or atomic force microscopy, a response tracking control needs to be implemented. Shell and plate piezoactuators with vibration control have been extensively studied in literature, however the design of controlled piezoelectric systems by means of the Topology Optimization Method (TOM) has not been fully explored in literature yet, and is generally focused on the frequency domain transient analysis, which employs a model reduction method for the sake of computational implementation. Dealing with transient analysis of flextensional piezoelectric actuators, an active closed loop control design is more suited for the positioning and vibration problem, which consists on measuring the outputs of the system by the closed loop sensor layer, whose signal is modified by a control gain and eventually inputted into the actuator layer so the system response signal is modulated. Aiming to enhance the active feedback control in piezoelectric actuators (PEAs), this work targets the design of the flextensional microstructure considering an active velocity feedback control (AVFC), where the active piezoelectric sensing and actuating cycles imply in an extra damping to the system. Therefore, the flextensional mechanism compliance shall be distributed within the design domain by the allocation of void regions where there should be the flexible hinges. Such a design can be accomplished by means of the TOM, which employs a systematic analysis of the dynamic model through the finite element method (FEM). In this work, the finite element (FE) system model takes into account the piezoelectric ceramics intermediate nodes, what is denominated as non-collapsed piezoelectric nodes model, and whose induced voltage during the time domain dynamic response contributes to the active control of the system. The topology optimization (TO) problem is formulated for the system vibration suppression at the restoring position and at the actuated position (positioner) subject to material volume and design variables constraints. The TOM implemented is based on the solid isotropic material with penalization (SIMP), the dynamic adjoint sensitivity, and on the optimization solver known as sequential linear programming (SLP). To illustrate the method, bidimensional examples of optimized topologies are numerically obtained by employing different velocity feedback control gains, and the topologies efficiency are compared and contrasted. / Atuadores piezoelétricos flextensionais funcionam como amplificadores nanométricos dos deslocamentos gerados pela piezocerâmica. Em sistemas que necessitam de alta precisão de posicionamento final ou baixa energia de vibração após sofrer um impacto, como na leitura de um disco rígido ou na microscopia de força atômica, requer-se que o atuador conte com um fator de correção de posicionamento, o qual pode ser obtido através de uma lei de controle. A utilização de material piezoelétrico para o controle de vibração em dispositivos de casca e placa foi amplamente abordado na literatura, porém o projeto de sistemas piezoelétricos controlados utilizando-se do Método da Otimização Topológica (MOT) foi pouco explorado e em geral é focado na análise transiente no domínio da frequência, o qual necessita que o problema tenha que ser reduzido para que a implementação computacional torne-se viável. Tratando-se de análise transiente em atuadores piezoelétricos flextensionais pode-se considerar o emprego de um controle ativo, o qual captura informações do dispositivo através de piezo-sensores e as realimenta na forma de um sinal de entrada em piezo-atuadores para modulação do sinal de resposta. Visando aprimorar o efeito do controle ativo em atuadores piezelétricos, este trabalho é voltado para o projeto de sua estrutura flextensional considerando o controle ativo de realimentação de velocidade, em que o ciclo envolvendo sensoreamento e atuação piezoelétricos fornece um amortecimento extra ao sistema. Deseja-se portanto que a flexibilidade do mecanismo flextensional seja distribuída no domínio de projeto pré-definido alocando vazios em regiões ao redor de onde devem estar presentes articulações da estrutura flexível, o que é obtido pelo MOT. Para encontrar a distribuição otimizada de material no domínio de projeto, o MOT emprega a análise sistemática do modelo dinâmico através do Método dos Elementos Finitos (MEF). Neste trabalho a modelagem do sistema para o MEF leva em consideração a presença dos nós intermediários das cerâmicas piezoelétricas, denominada modelagem para nós não colapsados, cuja tensão gerada ao longo da resposta dinâmica temporal influencia no controle ativo do sistema. O problema de Otimização Topológica (OT) é formulado para a atenuação da vibração do sistema em posição neutra e em posição atuada (posicionador) sujeito a restrições de volume e a valores máximo e mínimo que as variaveis de projeto assumem. A implementação do MOT é baseada no modelo de material denominado Material Isotrópico Sólido com Penalização (MISP), no cálculo da sensibilidade dinâmica adjunta, e na rotina de otimização conhecida como Programação Linear Sequencial (PLS). Para ilustrar o método, são projetados dispositivos bidimensionais e diferentes ganhos de controle de realimentação de velocidade são utilizados para obtenção da topologia otimizada, analisando-se a eficiência em cada caso.

Approved for public release, distribution is unlimited / Continuing U.S. Navy interest in the development of light-weight, low-volume, broadband, underwater acoustic projectors and receivers is the principal motivation for this research topic. Acoustic cymbal transducers, so named for their geometric similarity to the percussion instruments, are miniature "class V" flextensional transducers that consist of a piezoelectric ceramic drive element bonded to two opposing cymbal-shaped metal shells. Operating as mechanical transformers, the two metal shells convert the naturally large generative force of a piezoelectric ceramic in the radial mode into increased volume displacement at the metal shell surface to obtain usable source levels and sensitivities in a broad frequency range. The magnified displacement makes the acoustic cymbal element a potential alternative to acoustic transduction technologies presently used to generate and receive Navy sonar frequencies. Potential benefits to utilizing this technology are generating or receiving broadband sound, at sonar frequencies in a thin, low volume, conformable package. Applications of this technology have been limited because air-backed acoustic cymbal elements undergo degradation in performance when exposed to elevated hydrostatic pressure (i.e., deep ocean and extreme littoral water applications). This research shows that consistent and reliable acoustic performance can be achieved with cymbal-based transducers at hydrostatic pressures of interest to the Navy. / Civilian, United States Navy