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

Thesis Presented for the Degree of Magister Technologiae in the Department of Electrical Engineering Cape Peninsula University of Technology 2006 / Because of the nature of piezoelectric ceramics and the physical construction pf high power piezoelectric transducers, such devices are inherently non-linear and become unpredictable when driven at high power. To drive an ultrasonic transducer or an array thereof efficiently, specific resonant points are used. These poin~s are characterised by the devices' mechanical modes of oscillation. At high electrical power levels, the resonance points of PZT transducers vary. The movement of the resonances points in the frequency domain, coupled with the transducers high Q, is severe enough to seriously hamper the devices' efficiency. The problem is specifically apparent when multiple transducer arrays are driven at power. The electrical fluctuations and interactions of the characteristics of separate transducers cause arrays to be driven efficiently at a single resonance point. To efficiently drive an array of PZT transducers it is necessary to employ a .suitable technique. Although several methods exist in the literature, each is designed for a specific configuration of transducers and dedicated matching circuitry. The fundamental flaw in most methods is that they are conceived with the assumption all PZT transducers are identical and can be driven as such. Inherent nonlinearities caused by poling and construction methods, result in each transducer to be slightly different causing a superposition of resonance frequencies for each transducer array. Existing methods cannot be used to efficiently drive generic transducer arrays and a novel approach has been adopted to accommodate transducer nonlinearities. This novel approach can be described as a culmination of two driving techniques and has been named, Swept Frequency Dwelling (SFD). This thesis examines five different driving techniques and quantifies their effectiveness by means of experimental evaluation proficiencies. The driving techniques are grouped into two categories - straight driving techniques and frequency sweeping techniques - which are compared and evaluated. In conclusion, a novel method for driving ultrasonic transducer arrays was established with the aim of eliminating some detrimental effects of other driving techniques, while exploiting some of their positive attributes and was found to be effective.

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

This study presents a basis for the analytical and experimental procedures as well as design techniques required in achieving adaptive structures for active structural acoustic control (ASAC). Test structures studied in this work included a baffled simply supported beam and a baffled simply supported plate which were subjected to a harmonic input disturbance created physically with a shaker and modelled by a point force input. Structural acoustic control was achieved with piezoelectric actuators bonded to the surface of the test structure. The primary focus of this work was devoted to studying alternative sensing techniques in feed forward control applications. Specifically, shaped distributed structural sensors constructed from polyvinylidene fluoride (PVDF), distributed acoustic near-field sensors constructed from PVDF, and accelerometers were explored as alternatives to microphones which are typically implemented as error sensors in the cost function of the control approach. The chosen control algorithm in this study was the feed forward filtered-x version of the adaptive LMS algorithm. A much lower level of system modelling is required with this method of control in comparison to state feedback control methods. As a result, much of the structural acoustic coupling (i.e. system modelling) must be incorporated into the sensor design. / Ph. D.

Fundamental to the design of intelligent material systems and structures are the realization of attributes of the constitutive transducer materials—the sensors and actuators—and the ability to model the characteristics of these transducers. In this thesis, electromechanical behaviors of the electrostrictive relaxor ferroelectric lead magnesium niobate-lead titinate (PMN-PT) are experimentally characterized and phenomenologically modeled. The dependencies of PMN-PT electromechanical transduction on temperature and frequency, characteristics of relaxor ferroelectrics, and on applied direct-current electric field, an attribute of electrostrictors which enables tunable transduction sensitivities, are investigated and modeled with respect to electrical, sensing, and actuation properties. A general procedure for using the developed constitutive models to quantitatively describe the behavior of PMN-PT is introduced for sensing and for the three types of actuation—servo, on/off, and alternating current. / Master of Science

Orientador: Fabricio Guimarães Baptista / Banca: Luiz Gonçalves Junior / Banca: Mário Anderson de Oliveira / Resumo: A técnica da impedância eletromecânica (E/M) tem sido amplamente estudada nas últimas décadas como um método não destrutivo para detectar danos estruturais em aplicações de monitoramento de integridade estrutural (SHM - structural health monitoring) usando transdutores piezelétricos de baixo custo. Esses transdutores operam simultaneamente como sensor e atuador e são fixados à estrutura monitorada utilizando um adesivo a base de cianoacrilato. Embora muitos estudos tenham relatado a eficácia desse método de detecção, inúmeros problemas práticos têm sido reportados, como os efeitos de ruído e vibração, que precisam ser considerados para permitir o uso eficaz desse método em aplicações reais. Portanto, esta dissertação de mestrado apresenta uma análise experimental dos efeitos do ruído e das vibrações na detecção de danos estruturais em sistemas de SHM baseados na técnica da impedância eletromecânica. Os experimentos foram realizados em uma barra de alumínio usando dois diafragmas piezelétricos, sendo que um deles foi usado para obter as assinaturas de impedância elétrica e o outro foi usado como atuador para introduzir ruído e vibração controlada. Para a simulação de dano foi utilizada uma pequena massa metálica fixada na estrutura com uso de adesivo a base de cianoacrilato. Os efeitos do ruído e da vibração sobre as assinaturas de impedância foram avaliados por meio do cálculo da função de coerência e de índices básicos de dano. Os resultados indicam que a vibração e o ruído ... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The electromechanical impedance (EMI) technique has been extensively studied in recent decades as a non-destructive method for detecting structural damage in structural health monitoring (SHM) applications using low-cost piezoelectric transducers. These transducers operate simultaneously as actuator and sensor and they are fixed to the structure using cyanoacrylate-based glue. Although many studies have reported the effectiveness of this detection method, a lot of practical problems shown up, such as the noise effects and vibration, that need to be addressed to enable this method's effective use in real applications. Therefore, this master's thesis presents an experimental analysis of noise and vibration effects on the structural damage detection in impedance-based SHM systems. The experiments were performed on an aluminum bar using two piezoelectric diaphragms, where one was used to measure the electrical impedance signatures and the other was used as an actuator to introduce noise and controlled vibration. To simulate damage, a small metal mass was fixed to the structure using cyanoacrylate glue. The effects of noise and vibration on the impedance signatures were evaluated by computing the coherence function and basic damage indices. The results indicate that vibration and noise significantly affect the threshold of the lowest detectable damage, which can be compensated by increasing the excitation signal of the piezoelectric transducer that measure the electrical impedance... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Os circuitos ou modelos elétricos equivalentes destinam-se à modelagem de transdutores piezoelétricos, incluindo todo seu comportamento eletromecânico. Os modelos elétricos convencionais e clássicos foram elaborados inicialmente para materiais cerâmicos e cristalinos e só posteriormente adaptados para a simulação de polímeros piezoelétricos. Seguindo estes estudos, este trabalho apresenta um circuito elétrico equivalente para transdutores construídos com a tecnologia dos piezoeletretos termo-formados, desenvolvida no Grupo de Alta Tensão e Materiais da Escola de Engenharia de São Carlos (EESC-USP). Este circuito, baseado em um modelo proposto por Fiorillo (2000) para simular um transdutor curvo de fluoreto de polivinilideno (PVDF), foi aprimorado para melhor representar o comportamento em baixas frequências. Nele existem dois ramos: um mecânico e um elétrico. Os parâmetros do ramo mecânico foram calculados nas proximidades da frequência de ressonância das amostras, enquanto que os componentes do ramo elétrico foram determinados pelos ajustes das curvas de condutância e de susceptância para frequências distantes da ressonância. Esta etapa compreendeu o desenvolvimento de um algoritmo baseado na taxa de variação da condutância pela frequência, o qual permitiu determinar um método para separação do espectro de frequência em uma região próxima e outra distante da frequência de ressonância. Após a determinação de todos os parâmetros do modelo elétrico, circuitos para simulação no software Pspice foram elaborados para cada transdutor. Os resultados das simulações da condutância, da susceptância, do módulo da impedância e do ângulo de fase dos circuitos mostraram relevante concordância com as medições quando comparados grafica e numericamente. Esta última análise foi feita através da expressão de erro relativo percentual médio. Neste trabalho, empregou-se a metodologia fundamentada nas medidas da condutância e da susceptância de diferentes amostras, incluindo filmes de polipropileno (PP), de PVDF e de piezoeletretos de canais tubulares abertos de Teflon®FEP. / Equivalent electric circuits or models are regularly employed in piezoelectric transducers modeling, including its electromechanical behavior. Conventional and classic electric models were initially developed for ceramic and crystalline materials and later adapted for simulating piezoelectric polymers. Following these studies, this work presents an equivalent electric circuit for transducers built with the piezoelectret thermo-formed technology, developed by the High Voltage and Materials Group of São Carlos Engineering School (EESC-USP). This circuit, based on a model proposed by Fiorillo (2000) for simulating a curved polyvinylidene fluoride (PVDF) transducer, was improved to represent the behavior at low frequencies. There are two branches in this circuit: a mechanical and an electrical branches. The mechanical branch parameters were calculated in the vicinity of the resonance frequency, whereas the components of the electrical branch were determined by conductance and susceptance curves fittings for frequencies far from resonance. This stage included the development of an algorithm based on the rate of change of conductance, which allowed determining a method to separate the frequency spectrum in near resonance and far from resonance. After determining all parameters, electrical circuits were designed to perform simulations using Pspice software. The results for conductance, susceptance, impedance magnitude and phase angle simulations presented relevant agreement with measurements when compared graphically and numerically. This latter analysis was done by error relative expression. In this work, the methodology was based on conductance and susceptance measurements for different samples, including porous polypropylene (PP), PVDF and Teflon®FEP piezoelectrets with open-tubular channels films.

Os circuitos ou modelos elétricos equivalentes destinam-se à modelagem de transdutores piezoelétricos, incluindo todo seu comportamento eletromecânico. Os modelos elétricos convencionais e clássicos foram elaborados inicialmente para materiais cerâmicos e cristalinos e só posteriormente adaptados para a simulação de polímeros piezoelétricos. Seguindo estes estudos, este trabalho apresenta um circuito elétrico equivalente para transdutores construídos com a tecnologia dos piezoeletretos termo-formados, desenvolvida no Grupo de Alta Tensão e Materiais da Escola de Engenharia de São Carlos (EESC-USP). Este circuito, baseado em um modelo proposto por Fiorillo (2000) para simular um transdutor curvo de fluoreto de polivinilideno (PVDF), foi aprimorado para melhor representar o comportamento em baixas frequências. Nele existem dois ramos: um mecânico e um elétrico. Os parâmetros do ramo mecânico foram calculados nas proximidades da frequência de ressonância das amostras, enquanto que os componentes do ramo elétrico foram determinados pelos ajustes das curvas de condutância e de susceptância para frequências distantes da ressonância. Esta etapa compreendeu o desenvolvimento de um algoritmo baseado na taxa de variação da condutância pela frequência, o qual permitiu determinar um método para separação do espectro de frequência em uma região próxima e outra distante da frequência de ressonância. Após a determinação de todos os parâmetros do modelo elétrico, circuitos para simulação no software Pspice foram elaborados para cada transdutor. Os resultados das simulações da condutância, da susceptância, do módulo da impedância e do ângulo de fase dos circuitos mostraram relevante concordância com as medições quando comparados grafica e numericamente. Esta última análise foi feita através da expressão de erro relativo percentual médio. Neste trabalho, empregou-se a metodologia fundamentada nas medidas da condutância e da susceptância de diferentes amostras, incluindo filmes de polipropileno (PP), de PVDF e de piezoeletretos de canais tubulares abertos de Teflon®FEP. / Equivalent electric circuits or models are regularly employed in piezoelectric transducers modeling, including its electromechanical behavior. Conventional and classic electric models were initially developed for ceramic and crystalline materials and later adapted for simulating piezoelectric polymers. Following these studies, this work presents an equivalent electric circuit for transducers built with the piezoelectret thermo-formed technology, developed by the High Voltage and Materials Group of São Carlos Engineering School (EESC-USP). This circuit, based on a model proposed by Fiorillo (2000) for simulating a curved polyvinylidene fluoride (PVDF) transducer, was improved to represent the behavior at low frequencies. There are two branches in this circuit: a mechanical and an electrical branches. The mechanical branch parameters were calculated in the vicinity of the resonance frequency, whereas the components of the electrical branch were determined by conductance and susceptance curves fittings for frequencies far from resonance. This stage included the development of an algorithm based on the rate of change of conductance, which allowed determining a method to separate the frequency spectrum in near resonance and far from resonance. After determining all parameters, electrical circuits were designed to perform simulations using Pspice software. The results for conductance, susceptance, impedance magnitude and phase angle simulations presented relevant agreement with measurements when compared graphically and numerically. This latter analysis was done by error relative expression. In this work, the methodology was based on conductance and susceptance measurements for different samples, including porous polypropylene (PP), PVDF and Teflon®FEP piezoelectrets with open-tubular channels films.

This investigation examines a novel means of integrating high-performance AlN piezoelectric thin films with a flexible stainless steel substrate (SUS 304) to fabricate a double-sided piezoelectric transducer. Various sputtering parameters, such as sputtering pressure, substrate temperature, nitrogen concentration, and RF power, were investigated to improve the piezoelectric characteristics of AlN thin films. Scanning electron microscopy and X-ray diffraction of AlN piezoelectric film reveal a rigid surface structure and highly c-axis-preferring orientation. The maximum output power per unit thickness was discussed, and the optimal sputtering parameters were determined. The double-sided piezoelectric transducer is constructed by depositing AlN piezoelectric thin films on both the front and the back sides of SUS 304 substrate. The titanium (Ti) and platinum(Pt) layers were deposited using a dual-gun DC sputtering system between the AlN piezoelectric thin film and the SUS 304 substrate. The optimal deposition parameters for AlN thin films are sputtering pressure of 5 mTorr, substrate temperature of 300 ¢J, nitrogen concentration of 40 %, and RF power of 250 W. The maximum open circuit voltage of the transducer under the vibrational frequency of 80 Hz, vibration amplitude of 4mm, and mass loading of 0.5g, is approximately 20 V, or 5.3 V/£gm. After full-wave rectification and filtering through a 33 nF capacitor, a specific output power of 1.462 £gW/cm2 is obtained from the transducer with a load resistance of 7 M£[.