This study investigates the vibration of a rotating piezoelectric device that consists of a proof mass that is supported by elastic structures with piezoelectric layers. Vibration of the proof mass causes deformation in the piezoelectric structures and voltages to power electrical loads. The coupled electromechanical equations of motion are derived using Newtonian mechanics and Krichhoff's circuit laws. The free vibration behavior is investigated for devices with identical (tuned) and nonidentical (mistuned) piezoelectric support structures and electrical loads. These devices complex-valued have speed-dependent eigenvalues and eigenvectors as a result of their constant rotation. The imaginary parts of the eigenvalues physically represent the oscillation frequencies of the device. The real parts represent the decay or growth rates of the oscillations, depending on their sign. The complex-valued components of the eigenvectors physically represent the amplitudes and phases of the vibration. The eigenvalue behaviors differ for tuned and mistuned devices. Due to gyroscopic effects, the proof mass in the tuned device only vibrates in either forward or backward decaying circular orbits in single-mode free response. This is proven analytically for all tuned devices. For mistuned devices, the proof mass has decaying elliptical forward and backward orbits. The eigenvalues are shown to be sensitive to changes in the electric load resistances. Closed-form solutions for the eigenvalues are derived for open and close circuits. At high rotation speeds these devices experience critical speeds and instability. Closed-form solutions for the critical speeds are derived. Tuned devices have one degenerate critical speed that separates stable speeds from unstable speeds, where flutter instability occurs. Mistuned devices have two critical speeds. The first critical speed separates stable speeds from speeds where divergence instability occurs. Divergence instability continues for small speeds above the second critical speed. At higher supercritical speeds flutter instability occurs. Transitions between stable and unstable eigenvalues are investigated using root locus diagram. This device has atypical eigenvalue behavior near the critical speeds and stability transitions compared to conventional gyroscopic systems.

This study investigates energy harvesting characteristics from a spinning device that consists of a proof mass that is supported by two orthogonal elastic structures with the piezoelectric material. Deformation in the piezoelectric structures due to vibration of the proof mass generates voltages to power electrical loads. The governing equations for this electromechanically coupled device are derived using Newtonian mechanics and Kirchhoff's voltage law. The case where the device rotates at a constant speed and is subjected to sinusoidal base excitation is examined in detail. The energy harvesting behavior is investigated for devices with identical piezoelectric support structures (called tuned devices). Closed-form expressions are derived for the steady state response and power harvested. For nonzero rotation speeds, these devices have multifrequency dynamic response and power harvested due to the combined vibration and rotation of the host system. The average power harvested for one oscillation cycle is calculated for a wide range of operating conditions to quantify the devices' performance. Resonances do not occur for cases when the base excitation frequency is fixed and the rotation speed varies. For cases of fixed rotation speed and varying base excitation frequency, however, resonances do occur. The number and location of these resonances depend on the electrical circuit resistances and rotation speed. Resonances do not occur at speeds or frequencies predicted by resonance diagrams, which are commonly used in the study of rotating system vibration. These devices have broadband speed energy harvesting ability. They perform equally well at high and low speeds; high speeds are not necessary for their optimal performance. The impact of the chosen damping model on energy harvesting characteristics for tuned devices is investigated. Two common damping models are considered: viscous damping and structural (hysteretic) damping. Closed-form expressions for steady state dynamic response and power harvested are derived for models with viscous and structural damping. The average power harvested using the model with structural damping behaves similarly at high speeds and low speeds, and at high resistances and low resistances. For the viscous damping model, however, the average power harvested is meaningfully different at high speeds compared to low speeds, and at high resistances compared to low resistances. The characteristics of devices with nonidentical piezoelectric support structures (called mistuned devices) are investigated numerically. Similar to spinning tuned devices, mistuned devices have multifrequency dynamic response and power harvested. In contrast to tuned devices, high amplitude average power harvested occurs near speeds and base excitation frequencies predicted by resonance diagram.

Made available in DSpace on 2016-01-13T13:26:58Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2015-06-03. Added 1 bitstream(s) on 2016-01-13T13:32:19Z : No. of bitstreams: 1 000846664.pdf: 1874491 bytes, checksum: bdd03a1bc1617531359131d9882c2a49 (MD5) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Esta dissertação de mestrado apresenta um estudo comparativo da sensibilidade de diferentes tipos de transdutores piezelétricos na detecção de dano em sistemas de SHM (Structural Health Monitoring - monitoramento de integridade estrutural) baseados na técnica da impedância eletromecânica (E/M). Foi realizada uma comparação de três transdutores piezelétricos: cerâmica de PZT (Pb-Lead Zirconate Titanate - titanato zirconato de chumbo), dispositivo MFC (Macro Fiber Composite - compósito de macro fibra) e diafragma piezelétrico, comumente conhecido como buzzer. Todos os testes foram realizados em barras de alumínio. A avaliação experimental da sensibilidade dos transdutores de PZT e MFC foi feita de uma maneira alternativa, utilizando o método PLB (Pencil Lead Break - quebra do grafite), o qual é muito simples e utilizado em sistemas de emissão acústica. Tem, como princípio, a quebra de grafite contra a estrutura a ser analisada. Os testes foram realizados em barras de alumínio de diferentes tamanhos. O dano estrutural foi induzido utilizando-se massas metálicas (porcas de aço), as quais foram fixadas, com cola a base de cianoacrilato, nas barras. A avalição dos resultados foi feita a partir da comparação dos índices de dano, obtidos das assinaturas da impedância elétrica dos transdutores de PZT e MFC, acoplados à estrutura a ser monitorada, e nos cálculos da PSD (Power Spectral Density) - densidade espectral de potência), obtida do método PLB e calculada usando o método Welch. Os resultados experimentais indicaram que os transdutores possuem sensibilidades diferentes para a detecção de dano, as quais também dependem da faixa de frequência. Em conclusão, os resultados mostraram uma boa relação entre os índices de dano e a PSD, indicando, dessa forma, que o método PLB pode ser uma boa ferramenta para estimar a sensibilidade na detecção de dano baseada na técnica da impedância E/M / This dissertation presents a comparative study of the sensitivity of different types of piezoelectric transducers for damage detection in structural health monitoring (SHM), systems, based on the electromechanical impedance (EMI) technique. A comparison of three piezoelectric transduces was performed: PZT (Pb-Lead Zirconate Titanate) ceramic, MFC (Macro-Fiber Composite) device and piezoelectric diaphragm, also known as buzzer. The experimental evaluation of the sensitivity of the PZT and MFC transducers was performed in an alternative way using the pencil lead break (PLB) method, which is very simple and used in a acoustic emission (AE) systems. It is based on the break of a lead against the structure to be analyzed. The tests were carried out on aluminum beams of different sizes. The structural damage was induced by metallic mass (steel nts), which were fixed in the beams with cyanoacrylate glue. The evaluation of the results was made by comparing de damage indices obtained from the electrical impedance signatures of the PZT and MFC transducers coupled to the structure to be analyzed and the power spectral density (PSD) calculations obtained using the PLB and the Welch method. The experimental results indicated that the transducers have different sensitivities for the detection of damage, which also depend on the frequency range. The conclusion is that the results showed a good relationship between the damage indices and the PSD, indicating that the PLB method can be a useful tool to estimate the sensitivity in damage detection applications based on the EMI technique / FAPESP: 13/16434-0

Made available in DSpace on 2015-01-26T13:21:17Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2014-02-19Bitstream added on 2015-01-26T13:30:46Z : No. of bitstreams: 1 000801080.pdf: 1482569 bytes, checksum: 38a31bbd5f5d32c0a9910defc00cc91a (MD5) / Neste trabalho propõe-se o monitoramento da integridade estrutural (SHM) em sistemas de tubulações usando-se a técnica da impedância Eletromecânica (EMI), que é uma forma de avaliação não destrutiva (NDE). A técnica EMI tem como base a Função de Resposta em Frequência (FRF) e se destaca por utilizar transdutores piezelétricos de baixo custo. Através da implementação de um sistema de SHM nas tubulações, é possível monitorar a integridade estrutural de forma contínua e reduzir, assim, os riscos de acidentes que podem prejudicar a população e o meio ambiente. A técnica proposta é baseada em transdutores do tipo PZT, que são colados na superfície curva do corpo principal do tubo da estrutura por meio de um adesivo de alta rigidez, e tem como vantagem básica a simplicidade. Os sensores, devidamente posicionados, são excitados em uma determinada faixa de frequência, gerando uma resposta que é medida através da impedância elétrica. O processo de monitoramento da integridade estrutural da tubulação é feito através de medições periódicas da impedância da estrutura e a detecção do dano é baseada nas alterações das respostas. Para detectar o dano, as diferentes medições são analisadas usandose índices de falha métrica tradicionais na área de SHM, como o RMSD RMSD (Root Mean Square Deviation) e o CCDM (Correlation Coefficient Deviation Metric). A técnica utilizada demonstrou capacidade para identificar corretamente a presença de danos no corpo principal dos segmentos de tubos das estruturas utilizadas, mostrando-se viável para detecção de danos em tubulações / In this work proposes the Structural Health Monitoring (SHM) in piping systems using the technique of Electromechanical Impedance (EMI), which is a form of non destructive Evaluation (NDE). The EMI technique is based on the Frequency Response Function (FRF) known for its simplicity and for the use of low cost piezoelectric transducers. Through the implementation of a SHM system on the pipes, if possible to monitor the structural integrity continuously, reducing the risk of accidents to the people and the environment. The proposed technique is based on the PZT transducers type, which are pasted on the curved surface of the main body of the pipe with a high stiffness adhesive. The sensors, properly positioned, are excited in a certain range frequency, generating a response that is measured by the electrical impedance. The process of monitoring the structural integrity of the pipes is done through periodic measurements of the impedance and the detection of damage is based on the responses changes. To detect the damage, the different measurements are analyzed using the traditional metric damage indexes in the area of ? SHM, the RMSD (Root Mean Square Deviation) and the CCDM (Correlation Coefficient Deviation Metric). The technique has demonstrated its ability to correctly identify the presence of damage on the main body of the pipes segments of the structures

Este trabalho investigou o sistema (1 - x )PZT - x PMN, avaliando a influência da composição química e dos parâmetros de sinterização na microestrutura e propriedades elétricas dos corpos cerâmicos obtidos pelo método convencional de mistura de óxidos. Os óxidos usados foram o Nb2O5, ZrO2, TiO2, PbO e MgCO3, cominuídos e homogeneizados em moinho de bolas, por 3 horas. Para o 0,65PZT - 0,35PMN, utilizou-se 28,58% de Nb2O5, 38,93% de ZrO2, 23,29% de TiO2 e 9,2% de MgCO3; para o 0,75PZT-0,25PMN, utilizou-se 20,9% de Nb2O5, 45,34% de ZrO2, 27,13% de TiO2 e 6,62% de MgCO3 e para o 0,85PZT-0,15PMN, usa-se 12,71% de Nb2O5, 52,09% de ZrO2, 31,16% de TiO2 e 4,04% de MgCO3. O pó obtido foi submetido a calcinação a 1200°C por 4 h e, então, acrescentado PbO com um excesso de 2% em massa.à mistura, a qual foi submetida a uma nova calcinação a 800°C durante 2 horas. O pó resultante da calcinação foi conformado por prensagem, utilizando uma prensa uniaxial a 190 MPa, na forma de discos medindo 10 mm de diâmetro e 1,5 mm de espessura. A curva de queima dos corpos cerâmicos consistiu em um novo patamar a 500°C por 4h (e/ou a 800°C por 2h) e outro consecutivo a 1200°C por 4h. As amostras foram caracterizadas pela sua densidade e porosidade aparente (método de Arquimedes), composição de fases (por difração de raio-X), Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e caracterização elétrica (constante dielétrica e capacitância). Os corpos cerâmicos correspondentes à composição 0,75PZT-0,25PMN alcançaram a maior densidade (7,09 ± 0,18 g/cm³) quando calcinados sucessivamente a 500°C e a 800°C, com os maiores valores de capacitância (210 pF a 200 KHz) e de constante dielétrica (1000 na frequência de 1 KHz), com menor evidência de formação de pirocloro e maior de perovskita. Os valores de constante dielétrica encontrados estão dentro do esperado para materiais cerâmicos piezoelétricos do tipo PZT - PMN, aproximadamente 1000 para freqüências de 1KHz. / This work investigated the system (1 - x )PZT - x PMN, evaluating the influence of the chemical composition and the sintering parameters on the microstructure and the electric properties of ceramic bodies obtained by the conventional method of mixture of oxides. The used oxides were Nb2O5, ZrO2, TiO2, PbO e MgCO3, squeezed and homogenized in mill of balls, for 3 hours. For the 0.65PZT-0.35PMN, it was used 28.58% of Nb2O5, 38.93% of ZrO2, 23.29% of TiO2 and 9.2% of MgCO3; for the 0.75PZT-0.25PMN, it was used 20.9% of Nb2O5, 45.34% of ZrO2, 27.13% of TiO2 and 6.62% of MgCO3 and for the 0.85PZT-0.15PMN, it is used 12.71% of Nb2O5, 52.09% of ZrO2, 31.16% of TiO2 and 4.04% of MgCO3. The obtained powder was submitted the calcination for 1200°C for 4 h and, then, increased PbO with an excess of 2% in mass, which was submitted to a new calcination to 800°C for 2 hours. The calcinated powder was conformed by pressing, using a uniaxial press to 190 MPa, in the form of disks measuring a diameter of 10mm and 1.5 mm of thickness. The curve of the burning of the ceramic bodies consisted in a new calcination to 500°C for 4h (and/or to 800°C for 2h) and other consecutive to 1200°C for 4h. The samples were characterized by density and apparent porosity (Method of Arquimedes), composition of phases (by X - rays diffraction), Scanning Electric Microstructure (SEM) and electrical properties characterization (dielectric constant and capacitance). The ceramic bodies corresponding to the composition 0.75PZT-0.25PMN reached the largest density (7.09 ± 0.18 g/cm³) when calcined successively to 500°C and 800°C, with the largest values of capacitance (210 pF to 200 KHz) and dielectric constant (1000 in the frequency of 1 KHz), with smaller evidence of pyrochlore formation and larger of perovskte. The values of dielectric constant found are inside of the expected for the piezoelectric ceramics of the type PZT- PMN, approximately 1000 by frequencies of 1KHz.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:27:13Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2011-09-30Bitstream added on 2014-06-13T18:55:42Z : No. of bitstreams: 1 lagoin_tg_me_ilha.pdf: 875839 bytes, checksum: 9e1bca2b5d2aff33da2301dc0a8a877b (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / As vibrações mecânicas tem se mostrado uma forma efetiva de geração de energia através da deformação de materiais piezelétricos ou movimentação de bobinas eletromagnética. As técnicas de energy harvesting estudam o processo de extração e armazenamento deste tipo de energia até um nível utilizável. Neste caso que a estrutura piezelétrica é deformada devido à condição de operação gerando uma tensão/corrente que pode ser usada como uma fonte natural de energia, principalmente, para operar dispositivos eletrônicos de baixa potência. Entretanto, a energia gerada através do efeito piezelétrico usualmente não é suficiente para operar diretamente a maioria dos circuitos eletrônicos. Assim, o desenvolvimento e implementação de métodos para acumular e armazenar a energia capturada nestes sistemas (materiais inteligentes) até um nível utilizável é a chave para o sucesso desta tecnologia. Este trabalho discute o estudo e avaliação da modelagem teórica-experimental de uma estrutura do tipo viga com PZTs submetida à deformação causada por vibrações mecânicas, buscando avaliar o comportamento do acoplamento eletromecânico do sistema bem como quantificar a eficiência, não só da quantidade de energia gerada pelo material, mas também o seu armazenamento em dispositivos do tipo capacitor. A modelagem da estrutura piezelétrica foi realizada por elementos finitos com o programa ANSYS e validada com testes experimentais. Em seguida foi feito um estudo paramétrico das variáveis do modelo através de um conjunto de simulações numéricas efetuadas para avaliar o potencial elétrico gerado. Para finalizar foram realizados testes experimentais de dois circuitos eletrônicos utilizados para extrair energia de um material piezelétrico / Mechanical vibrations have been shown an effective form of generating energy through deforming piezoelectric materials or moving electromagnetic coil. The energy harvesting techniques studies the processes of extracting and storing this kind of energy until an usable level. In the case that piezoelectric structure is deformed due operation condition it generates a voltage/current that can be used like a natural source of energy, mainly, for operating electronic devices of low power. However, the energy generated through piezoelectric effect usually is not enough to operate directly the most electronic circuits. Therefore, the development and implementation of methods to accumulate and store the energy captured in these systems (smart materials) until an usable level is the key for the success of this technology. This work discusses the study and evaluation of a theoretical-experimental modeling of a beam structure with bounded PZTs submitted to mechanical vibration, aiming at evaluating the behavior of the electro-mechanical coupling of the system, as well as, to quantify the amount of energy generated by the material and the storage of this energy in a capacitive type device. The modeling of piezostructure was performed by finites elements with the program ANSYS and validated with experimental tests. Then a parametric study of model variables was made through a set of numerical simulations carried out to evaluate the electrical potential generated. For finished were performed experimental tests of two electronic circuits used to extract energy from a piezoelectric material

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:27:14Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2011-09-26Bitstream added on 2014-06-13T20:35:23Z : No. of bitstreams: 1 prazzo_ce_me_ilha.pdf: 1585012 bytes, checksum: 3ddb6b2bb4fddee99d49636888c24ded (MD5) / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Esse trabalho discute o uso dos materiais piezelétricos, mais especificamente, o Polyvinylidene Fluoride (PVDF) e o Lead Zirconate Titatane (PZT) na análise modal experimental (AME) de estruturas mecânicas. Materiais piezelétricos, também chamados de materiais inteligentes, têm se consolidado como uma nova tecnologia que mostra um grande potencial de aplicação em diferentes áreas da engenharia. Esse tipo de material exibe um acoplamento entre multi-domínios físicos, como por exemplo o acoplamento eletro-mecânico, o térmo-magnético, etc. O acoplamento eletro-mecânico produz um deslocamento elétrico quando o material é sujeito a uma tensão mecânica (efeito direto) e um deformação mecânica quando esse material é submetido a um campo elétrico (efeito inverso). Assim, principalmente por conta desses efeitos, seu uso no campo da análise modal experimental torna-se uma interessante questão a ser investigada. A incorporação de novas tecnologias nos testes estruturais pode agregar novos conhecimentos e avanços tanto na análise modal baseada na relação entrada-saída da estrutura, quanto na mais recente técnica, a análise modal baseada apenas na resposta das mesmas. Os conceitos teóricos para o desenvolvimento são apresentados e discutidos neste trabalho, onde é mostrada a análise modal de uma viga utilizando tanto sensores e atuadores convencionais quanto os produzidos com materiais inteligentes. Os testes de análise modal da viga foram feitos utilizando diferentes combinações de sensores e atuadores e isso pode mostrar as diferenças da estimativa de modos utilizando materiais piezelétricos. Também é apresentada a formulação da relação entre os modos em deslocamento e os modos com diferença de inclinação obtidos com materiais piezelétricos e, finalmente, uma comparação dos resultados obtidos pelas diferentes técnicas. Os testes apresentados mostram... / This work discusses the use of piezoelectric materials, more specifically, Polyvinylidene Fluoride (PVDF) and Lead Zirconate Titanate (PZT) for experimental modal analysis (EMA) of mechanical structures. Piezoelectric materials also called smart materials have becoming a consolidated new technology that shows a large potential of application for different engineering areas. These materials exhibit a multi physics domain field coupling like mechanical and electrical coupling domains, thermal and magnetic coupling and etc. The electro-mechanical coupling domains of the material produces an electric displacement when the material is subject to a mechanical stress (direct-effect) and a mechanical strain when the material is submitted to an electric field (inverse effect). So, mainly due to these effects, the use in the experimental modal analysis field appears to be an interesting issue to be investigated. The incorporation of this new technology in the structural tests might aggregate new acknowledgments and advances in the well consolidated input-output based modal analysis techniques as well as in the more recent output only-based modal analysis. This work aims to present some contribution in this area by using piezoelectric sensors, instead of the conventional ones like accelerometers for modal analysis of mechanical structures. The theoretical concepts and background for the developing of the work are presented and discussed, it is also presented the modal analysis of a beam like structure using conventional sensors/actuators and piezoelectric materials. The modal analysis tests of the beam are conducted using different kinds of sensors/actuator and they give some insight of the difference of the estimated modes shapes by using piezoelectric materials. It is also presented a formulation that shows the relation between... (Complete abstract click electronic access below)

Thesis (MTech (Mechanical Engineering))--Peninsula Technikon, Cape Town,1999 / Smart structures technology featuring a network of sensors and actuators, real-time control capabilities, computational capabilities and host material will have tremendous impact upon the design, development and manufacture of the next generation of products in diverse industries. The idea of applying smart materials to mechanical and structural systems has been studied by researchers in various disciplines. Among the promising materials with adaptable properties such as piezoelectric polymers and ceramics, shape memory alloys, electrorheological fluids and optical fibers, piezoelectric materials can be used both as sensors and actuators because of their high direct and converse piezoelectric effects. The advantage of incorporating these special types of material into the structure is that the sensing and actuating mechanism becomes part of the structure by sensing and actuating strains directly. This advantage is especially apparent for structures that are deployed in aerospace and civil engineering. Active control systems that rely on piezoelectric materials are effective in controlling the vibrations of structural elements such as beams, plates and shells. The beam as a fundamental structural element is widely used in all construction. The purpose of the present project is to derive a set of approximate governing equations of smart composite beams. The approximate analytical solution for laminated beams with piezoelectric laminae and its control effect will be also presented. According to the review of the related literature, active vibration control analysis of smart beams subjected to an impulsive loading and a periodic excitation are simulated numerically and tested experimentally.

Orientador: Nobuo Oki / Banca: João Antonio Pereira / Banca: Giuliano Pierre Estevam / Resumo: Neste trabalho é investigada a viabilidade energética do emprego de buzzers piezelétricos, circuito retificador de onda completa e conversor DC-DC elevador em um sistemas de power harvesting submetido a esforços mecânicos causados pelo tráfego de veículos e/ou caminhar de pedestres, demonstrando a possibilidade de reutilização dessa energia no carregamento de baterias para alimentação de circuitos autônomos de monitoramento, indicação, iluminação, etc., em locais remotos, eliminando ou estendendo os intervalos necessário entre as recargas desses dispositivos. O gerador piezelétrico é analisado mediante a excitação realizada por um cilindro pneumático simulador de impactos controlado eletronicamente com frequência de 0,5 Hz e 1 Hz, contendo diferentes quantidades de PZTs (2, 4 e 8) e configuração de ligação (série ou paralelo). Os resultados extraídos são referentes à tensão elétrica, corrente, potência e energia armazenada em função do tempo, sendo ainda feitas relações dessas grandezas com diferentes números de PZTs, área que ocupam, força e pressão aplicada sobre os mesmos. Ao final pode-se concluir a viabilidade da utilização de dispositivos simples em sistemas de power harvesting para geração de energia através de excitações na forma pulsada e em baixas frequências, sendo os maiores valores na saída do circuito em termos de potência e corrente para tensão de 5 volts, 108 µW e 21,5 µA (0,53 Kg e 0,83 N/cm2 ), bem como 118,8 µW e 23,6 µA para (2,13 Kg e 3,33 N/cm2 ), obtidos com 8 PZTs, conectados em paralelo e excitados... / Abstract: This paper investigated the energy viability of the use of piezoelectric buzzers, rectifier circuit full-wave and DC-DC-converter in a power harvesting systems subjected to mechanical stress caused by the traffic of vehicles and / or walk for pedestrians, demonstrating the possibility of re-use of energy in charging batteries to power autonomous monitoring circuits, display, illumination, etc., in remote locations, eliminating or extending the intervals needed between charges these devices. The piezoelectric generator is analyzed through excitation carried out by a pneumatic cylinder simulator electronically controlled impacts with a frequency of 0.5 Hz and 1 Hz, containing different amounts of PZTs (2, 4, 8) and connection configuration (parallel or serial) . The extracted results are related to the voltage, current, power and energy stored in function of time, still being made relations of these quantities for the number of PZTs, area they occupy, force and pressure applied on them. At the end we can conclude the feasibility of using simple devices in power harvesting systems to generate energy through excitations in pulsed manner and at low frequencies, with higher values in the circuit output in terms of power and current to voltage 5 volts, 108 µW and 21,5 µA (0,53 Kg and 0,83 N/cm2 ), just like 118,8 µW and 23,6 µA to (2,13 Kg e 3,33 N/cm2 ), obtained with 8 PZTs, connected in parallel and excited to 1 Hz / Mestre

Orientador: João Antonio Pereira / Banca: Walter Katsumi Sakamoto / Banca: Giuliano Pierre Estevam / Resumo: As vibrações mecânicas tem se mostrado uma forma efetiva de geração de energia através da deformação de materiais piezelétricos ou movimentação de bobinas eletromagnética. As técnicas de energy harvesting estudam o processo de extração e armazenamento deste tipo de energia até um nível utilizável. Neste caso que a estrutura piezelétrica é deformada devido à condição de operação gerando uma tensão/corrente que pode ser usada como uma fonte natural de energia, principalmente, para operar dispositivos eletrônicos de baixa potência. Entretanto, a energia gerada através do efeito piezelétrico usualmente não é suficiente para operar diretamente a maioria dos circuitos eletrônicos. Assim, o desenvolvimento e implementação de métodos para acumular e armazenar a energia capturada nestes sistemas (materiais inteligentes) até um nível utilizável é a chave para o sucesso desta tecnologia. Este trabalho discute o estudo e avaliação da modelagem teórica-experimental de uma estrutura do tipo viga com PZTs submetida à deformação causada por vibrações mecânicas, buscando avaliar o comportamento do acoplamento eletromecânico do sistema bem como quantificar a eficiência, não só da quantidade de energia gerada pelo material, mas também o seu armazenamento em dispositivos do tipo capacitor. A modelagem da estrutura piezelétrica foi realizada por elementos finitos com o programa ANSYS e validada com testes experimentais. Em seguida foi feito um estudo paramétrico das variáveis do modelo através de um conjunto de simulações numéricas efetuadas para avaliar o potencial elétrico gerado. Para finalizar foram realizados testes experimentais de dois circuitos eletrônicos utilizados para extrair energia de um material piezelétrico / Abstract: Mechanical vibrations have been shown an effective form of generating energy through deforming piezoelectric materials or moving electromagnetic coil. The energy harvesting techniques studies the processes of extracting and storing this kind of energy until an usable level. In the case that piezoelectric structure is deformed due operation condition it generates a voltage/current that can be used like a natural source of energy, mainly, for operating electronic devices of low power. However, the energy generated through piezoelectric effect usually is not enough to operate directly the most electronic circuits. Therefore, the development and implementation of methods to accumulate and store the energy captured in these systems (smart materials) until an usable level is the key for the success of this technology. This work discusses the study and evaluation of a theoretical-experimental modeling of a beam structure with bounded PZTs submitted to mechanical vibration, aiming at evaluating the behavior of the electro-mechanical coupling of the system, as well as, to quantify the amount of energy generated by the material and the storage of this energy in a capacitive type device. The modeling of piezostructure was performed by finites elements with the program ANSYS and validated with experimental tests. Then a parametric study of model variables was made through a set of numerical simulations carried out to evaluate the electrical potential generated. For finished were performed experimental tests of two electronic circuits used to extract energy from a piezoelectric material / Mestre