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: 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

Orientador: Jozué Vieira Filho / Coorientador: Fabricio Guimarães Baptista / Banca: Suely Cunha Amaro Mantovani / Banca: Fabiano Fruett / Resumo: O monitoramento de integridade estrutural (SHM) baseado na técnica da impedância eletromecânica (EMI) tem sido desenvolvido como uma ferramenta promissora para identificação de falhas estruturais. As aplicações típicas de SHM baseadas em EMI geralmente utilizam um analisador de impedância comercial de alto custo ou sistemas de medição baseados na função de resposta em frequência (FRF). Além do custo elevado, as exigências de capacidade de armazenamento e/ou processamento de dados desses instrumentos são características proibitivas para muitas aplicações. Trabalhos recentes mostram que não é preciso conhecer o valor exato da impedância eletromecânica da estrutura para monitorar sua integridade. Assim, neste trabalho é apresentado um sistema de SHM que permite detectar falhas em estruturas monitorando apenas as variações da tensão elétrica do transdutor. O sistema proposto é portátil, autônomo, rápido, versátil, de baixo custo e substitui com eficiência os instrumentos comerciais na fase de detecção de falhas. A identificação do dano é feita comparando-se as variações da tensão rms da resposta no tempo que um transdutor piezelétrico de PZT, colado na estrutura, fornece para cada frequência do sinal de excitação. Portanto, o sistema proposto não é limitado pela frequência de amostragem, dispensa algoritmos da transformada de Fourier e não exige um computador para processamento, operando de forma autônoma. Um protótipo de baixo custo usando circuitos integrados, um sintetizador digital e um microcontrolador foi construído e testado através de experimentos em estruturas de alumínio para a faixa de frequências a partir de 3 kHz até 50 kHz com boa precisão e estabilidade / Abstract: Structural health monitoring (SHM) based on electromechanical impedance (EMI) technique has been developed as a promising tool for identifying structural damage. Typical applications in SHM based on EMI generally use high-cost commercial impedance analyzers or measurement systems based on frequency response function (FRF). Besides the high cost, the requirements for storage and/or data processing of these instruments are prohibitive features for many applications. Recent studies show that the exact value of the electromechanical impedance is not required for damage detection. Thus, this work presents a SHM system that can detect damage in structures only monitoring the changes in the voltage of the transducer. The proposed system is portable, autonomous, fast, versatile, low-cost and replaces efficiently commercial instruments in the damage detection stage. The identification of damage is done by comparing the variations in the rms voltage of time response signals from a piezoelectric transducer, such as PZT, bonded to the structure. Different time response signals are obtained for each frequency of the excitation signal. Therefore, the proposed system is not limited by the sampling frequency, dispenses Fourier transform algorithms and does not require a computer for processing, operating autonomously. A low-cost prototype using integrated circuits, a microcontroller and a digital synthesizer was built and tested through experiments with aluminum structures for frequencies ranging from 3 kHz to 50 kHz with good accuracy and stability / Mestre

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:30:51Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2008-02-26Bitstream added on 2014-06-13T18:47:44Z : No. of bitstreams: 1 marcal_lap_dr_ilha.pdf: 3255431 bytes, checksum: 7faadf9c1d2cab597239196934558007 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Nesta tese, cinco novas técnicas de demodulação de fase óptica são propostas, as quais constituem versões melhoradas do método espectral J1...J4 clássico. As técnicas são adequadas para uso com sistemas interferométricos de dois feixes, homódinos, operando em malha aberta e sob excitação senoidal. As novas técnicas, aqui denominadas de métodos J1/J3A, J1...J3, Jm/Jm+2 e J0...J3, para medição do índice de modulação de fase, e, um novo método de medição da fase quase-estática, são de fácil implementação, não sendo afetadas pelo desvanecimento de sinal detectado, instabilidade da fonte óptica e visibilidade das franjas de interferência, possibilitando medições em tempo real. Os novos métodos espectrais foram avaliados com ruído branco, 1/f2 e fase quase-estática aleatória, usando o Matlab. Além disso, simulações dinâmicas realizadas no Simulink evidenciaram as vantagens dos novos métodos, que também foram testados em dois experimentos distintos: o primeiro foi direcionado à medições de tensões elétricas senoidais, usando um sensor óptico de tensão (SOT), baseado numa célula Pockels de cristal de niobato de lítio; o segundo, foi dedicado à medições de amplitudes de deslocamentos nanométricos de um atuador piezoelétrico flextensional (APF), usando-se um interferômetro de Michelson. Por ser um sistema que pode ser modelado analiticamente, o SOT serviu para validar os novos métodos espectrais. A caracterização de APF’s usando os novos métodos ópticos é a aplicação relevante desta tese. Medições de deslocamentos no APF, desde a faixa subnanométrica até a micrométrica, realizadas usando-se os métodos J0...J3 e Jm/Jm+2, permitiram analisar sua linearidade e resposta em freqüência, as quais foram comparadas com os resultados obtidos com um analisador de impedâncias vetorial. Ambos os resultados experimentais,... / In this work, five novel optical phase demodulation techniques are proposed, which overcome some of the limitations of the J1…J4 classical method. These improved techniques are applied with two beams, homodyne, open loop and sinusoidal phase modulation interferometer systems. These new techniques, named in this work as “J1/J3A, J1...J3, Jm/Jm+2 and J0...J3 methods,” which are applied to phase modulation index measurements, and “the novel method for quasi-static phase measurements,” are of simple implementation, and are unaffected by signal fading, laser source instabilities or changes in fringe visibility. In addition they allow real time measurements. The new methods were evaluated with white noise, 1/f2 noise and random fading, using Matlab/Simulink, making evident their advantages in relation to the classical methods. These methods were also tested in two experiments: the first one, corresponds to an optical voltage sensor (OVS), based on lithium niobate Pockels cell; the second one, refers to the measurement of nanometric displacement amplitudes of a piezoelectric flextensional actuator (PFA), by using a Michelson interferometer. Because the OVS has an analytic response, it was suitable to validate the new spectral methods. The characterization of the PFA by using the new optical methods is the main application of this thesis. PFA displacements, from sub-nanometer up to micrometer range were detected by applying the J0…J3 and Jm/Jm+2 methods. By measuring the PFA displacements, the linearity and frequency response of the PFA were evaluated. To confirm the observed frequencies of resonance an impedance analyzer was used to measure the magnitude and phase of the PFA admittance. Results obtained for the OVS and PFA systems, with the new methods and those produced by the J1...J4, J1...J6-neg, J1...J6-pos and J0...J2 classic methods, ...(Complete abstract, click electronic access below)

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2012 / Made available in DSpace on 2013-06-25T23:15:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 313014.pdf: 3684564 bytes, checksum: ff44c9b7795346809bef5e083cc33fe8 (MD5) / O eixo-ferramenta é um elemento crítico para a rigidez em uma retificadora interna, pois sofre acentuada deformação elástica devido à componente normal da força de retificação, resultando em erros dimensionais e de forma no furo usinado. A fim de minimizar estes erros sem comprometer a produtividade do processo tem-se utilizado o controle da força normal, através do qual um controlador impõe um recuo ao eixo-ferramenta, reduzindo seu tempo de relaxação. Neste trabalho foi verificada a influência da deflexão do eixo-ferramenta sobre o comportamento do erro de forma na retificação interna do assento de cilindros de bicos injetores. Foi estabelecida uma relação entre a componente radial da força normal medida por um sistema com transdutores piezelétricos e o correspondente ângulo do assento para peças retificadas com diferentes valores de velocidade de avanço do rebolo. Esta relação foi comparada a outra, fornecida por um modelo analítico de viga em balanço engastada, com geometria e material idênticos ao do suporte de fixação do rebolo. As medições de força apresentaram elevado nível de incerteza devido à pequena magnitude das forças do processo, às forças de inércia decorrentes da movimentação dos eixos da máquina, à baixa sensibilidade dos transdutores e à baixa repetibilidade do procedimento de calibração. As medições de força evidenciaram, para a maioria das peças retificadas, um contato inesperado entre os carros porta-ferramenta e porta-peça antes da etapa de retificação em vazio, cuja causa não foi elucidada. Os sinais de força das peças não influenciadas por este contato apresentaram média 23% maior e dispersão 60% menor que os demais, além de permitirem uma interpretação visual mais fácil. Por outro lado, não foi perceptível uma influência significativa sobre o erro de forma. A utilização da oscilação de processo resultou em reduções de 41% e 54% na força e erro de forma, respectivamente. O modelo analítico propõe um limite de 1,95 N na força normal para que o erro de forma permaneça dentro da tolerância, valor atestado pelos dados experimentais. Confirmou-se matematicamente a relação linear entre o deslocamento da linha elástica da viga e a componente radial da força normal. A rigidez estimada a partir dos dados experimentais é 36% menor que a proposta pelo modelo analítico.<br> / Abstract : Tool spindle is a critical component for the internal grinding machine rigidity, whereas it suffers a substantial elastic deformation due to the normal grinding force, what leads to dimensional and form errors on the machined parts. In order to minimize those errors without losing process productivity the normal grinding force control has been adopted, through a controller imposes a backward movement on the tool spindle, reducing its recovery time. This work analyses the influence of the tool spindle deflection over the form error on the internal grinding of unit-injectors. It was established a relationship between the radial component of the normal force measured by a system with piezoelectric transducers and the corresponding seat angle for grinded parts with several feed rates. Such relationship was compared with another one, obtained by an analytic model of a bending beam with the same geometry and material of the tool shaft. The force measurements showed a high uncertainty level due to the small process forces, inertial forces caused by the machine axis movements, low transducer sensibility and low repeatability of the calibration procedure. The force measurements demonstrated for the majority of grinded pieces an unexpected contact between tool spindle and workpiece spindle prior to the spark-in, whose reason was not discovered. The force signals from the pieces that were not influenced by this contact exhibited a 23% higher mean and a 60% lower variance than the another ones besides an easier visual interpretation. On the other hand no significant influence on the form error was noticed. The use of process oscillation permitted a drawback from 41% on the normal grinding force and 54% on the form error. The analytical model points to an upper limit from 1,95 N for the normal grinding force so that the form error remains within the tolerance - what was attested by the force measurements. It was mathematically proven the linear relationship between normal grinding force and bending beam displacement. The rigidity estimated from the experimental data is 36% lower than that one proposed by the analytical model.

Made available in DSpace on 2014-12-02T11:16:56Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2014-09-15Bitstream added on 2014-12-02T11:20:51Z : No. of bitstreams: 1 000799830.pdf: 4517190 bytes, checksum: 4566f2d205fed1f4cb035a7c44ec4214 (MD5) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Esta tese apresenta o estudo e implementação de técnicas de inspeção de estruturas delgadas tipo placa utilizando arrays de transdutores piezelétricos e ondas acústicas guiadas, associados a métodos de formação e composição de imagens. A detecção de danos em estruturas através de ondas guiadas e arrays de transdutores é um campo de pesquisa de grande importância, principalmente em áreas como a aeroespacial e de geração de energia, que utilizam estruturas delgadas e que exigem inspeção eficaz e completa, visando confiabilidade e segurança. O emprego de ondas acústicas guiadas permite inspecionar grandes áreas utilizando sensores sem a necessidade de realizar varreduras pela peça, de maneira não-destrutiva. Além disso, apresenta sensibilidade a diversos tipos de defeitos, como furos, corrosão, variação de espessura e defeitos superficiais. São estudados aspectos de propagação de ondas, diferentes modos de propagação e dispersão, assim como as principais características dos arrays e a formação de imagens. Os estudos teóricos são acompanhados por simulações usando os softwares MATLAB e PZFlex para obtenção dos modos de propagação das ondas, interação com defeitos e diagramas de radiação dos transdutores, cujos resultados são validados por meio da análise experimental em placas de materiais isotrópicos (alumínio). Montou-se um array linear de transdutores piezelétricos com 16 elementos na borda de uma placa de alumínio com defeitos artificiais. Os sinais provenientes de todas as possíveis combinações dos pares transmissor-receptor foram adquiridos para a utilização de técnicas de abertura sintética. A primeira contribuição deste trabalho é um método para detecção dos defeitos baseado na fase instantânea dos sinais. Substituindo-se a informação de amplitude dos sinais pela fase instantânea (IP) no método de formação de imagem, ... / This thesis presents the study and implementation of non-destructive testing techniques of platelike structures using piezoelectric array transducers and guided acoustic waves, associated with beamforming techniques and image compounding methods. Damage detection in structures using guided waves and arrays is a promising research area, especially in the aerospace and energy fields, where the use of plate-like structures demands thorough inspection due to the high safety levels of operation. Guided acoustic waves techniques can be used to inspect relatively large areas without the necessity of moving the transducers, in a non-destructive way. There are different propagation modes that can be coupled to the plate, and each mode is sensitive to specific types of defects, like notches, delamination and surface defects. Wave propagation, different propagation modes and dispersion characteristics, as well as arrays characteristics and imaging algorithms, are studied. MATLAB and PZFlex simulations are used to get further insight in the theoretical aspects, to obtain dispersion curves, interaction with defects and array response. Experimental results validate the simulations with isotropic materials (aluminum). A 16-elements piezoelectric linear array is mounted at the border of an aluminum plate with artificial defects. The signals related to all combinations of transmit-receive pairs are obtained with burst excitation, for use with synthetic aperture (SA) techniques. The first contribution of this work is a method for defect detection based on the instantaneous phase of the aperture data. The instantaneous phase (IP) image is obtained by replacing the amplitude information by the instantaneous phase in the conventional SA beamforming. From the analysis of the IP image, a threshold level is proposed in terms of the number of signals used for imaging. This threshold is applied to the IP image, resulting ... / FAPESP: 10/02240-0 / FAPESP: 10/16400-0 / FAPESP: 13/00330-0

Orientador: Ricardo Tokio Higuti / Co-orientador: Oscar Martinez-Graullera / Banca: Claudio kitano / Banca: Samuel da Silva / Banca: Nicolas Leonardo Pérez Alvarez / Banca: Joaquim Miguel Maia / Resumo: Esta tese apresenta o estudo e implementação de técnicas de inspeção de estruturas delgadas tipo placa utilizando arrays de transdutores piezelétricos e ondas acústicas guiadas, associados a métodos de formação e composição de imagens. A detecção de danos em estruturas através de ondas guiadas e arrays de transdutores é um campo de pesquisa de grande importância, principalmente em áreas como a aeroespacial e de geração de energia, que utilizam estruturas delgadas e que exigem inspeção eficaz e completa, visando confiabilidade e segurança. O emprego de ondas acústicas guiadas permite inspecionar grandes áreas utilizando sensores sem a necessidade de realizar varreduras pela peça, de maneira não-destrutiva. Além disso, apresenta sensibilidade a diversos tipos de defeitos, como furos, corrosão, variação de espessura e defeitos superficiais. São estudados aspectos de propagação de ondas, diferentes modos de propagação e dispersão, assim como as principais características dos arrays e a formação de imagens. Os estudos teóricos são acompanhados por simulações usando os softwares MATLAB e PZFlex para obtenção dos modos de propagação das ondas, interação com defeitos e diagramas de radiação dos transdutores, cujos resultados são validados por meio da análise experimental em placas de materiais isotrópicos (alumínio). Montou-se um array linear de transdutores piezelétricos com 16 elementos na borda de uma placa de alumínio com defeitos artificiais. Os sinais provenientes de todas as possíveis combinações dos pares transmissor-receptor foram adquiridos para a utilização de técnicas de abertura sintética. A primeira contribuição deste trabalho é um método para detecção dos defeitos baseado na fase instantânea dos sinais. Substituindo-se a informação de amplitude dos sinais pela fase instantânea (IP) no método de formação de imagem, ... / Abstract: This thesis presents the study and implementation of non-destructive testing techniques of platelike structures using piezoelectric array transducers and guided acoustic waves, associated with beamforming techniques and image compounding methods. Damage detection in structures using guided waves and arrays is a promising research area, especially in the aerospace and energy fields, where the use of plate-like structures demands thorough inspection due to the high safety levels of operation. Guided acoustic waves techniques can be used to inspect relatively large areas without the necessity of moving the transducers, in a non-destructive way. There are different propagation modes that can be coupled to the plate, and each mode is sensitive to specific types of defects, like notches, delamination and surface defects. Wave propagation, different propagation modes and dispersion characteristics, as well as arrays characteristics and imaging algorithms, are studied. MATLAB and PZFlex simulations are used to get further insight in the theoretical aspects, to obtain dispersion curves, interaction with defects and array response. Experimental results validate the simulations with isotropic materials (aluminum). A 16-elements piezoelectric linear array is mounted at the border of an aluminum plate with artificial defects. The signals related to all combinations of transmit-receive pairs are obtained with burst excitation, for use with synthetic aperture (SA) techniques. The first contribution of this work is a method for defect detection based on the instantaneous phase of the aperture data. The instantaneous phase (IP) image is obtained by replacing the amplitude information by the instantaneous phase in the conventional SA beamforming. From the analysis of the IP image, a threshold level is proposed in terms of the number of signals used for imaging. This threshold is applied to the IP image, resulting ... / Doutor

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:27:14Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2005-10-31Bitstream added on 2014-06-13T19:55:36Z : No. of bitstreams: 1 carvalhal_r_me_ilha.pdf: 892699 bytes, checksum: 6654a8de1bfad0655527d3268f00f2f1 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Este trabalho apresenta o desenvolvimento analítico da modelagem de estruturas flexíveis do tipo treliça com o objetivo de atenuação de vibrações através do uso de técnicas de controle ativo. Atuadores de pilha piezelétricos são usados para exercer as forças de controle na estrutura, os quais substituem barras inteiras ou somente uma parte delas. Estes tipos de atuadores, também, satisfazem a necessidade de obtenção de estruturas leves. O posicionamento ótimo desses atuadores e de sensores é encontrado através da norma Hx, que é usada como função objetivo. Como técnica de controle é aplicado o Controle no Espaço Modal Independente (IMSC), no qual os estados são estimados por um estimador modal e são realimentados de acordo com a teoria de controle ótimo, o Regulador Linear Quadrático (LQR). O IMSC é eficiente computacionalmente mesmo aplicado a sistemas de alta ordem e também reduz os efeitos de spillover. Uma melhoria do IMSC, o Controle Modal Eficiente (EMC) também é apresentado com o propósito de reduzir as amplitudes das forças de controle. O modelo matemático da estrutura inteligente é obtido a partir do Método dos Elementos Finitos (MEF) considerando o acoplamento eletromecânico entre os atuadores de pilhas piezelétricos e a estrutura base. O projeto de uma treliça espacial, o posicionamento ótimo dos atuadores e sensores e o controle ativo de vibração são apresentados em simulações numéricas. Os resultados mostram que ambos os controladores aumentam o amortecimento da estrutura e, ainda, o EMC reduz as amplitudes das forças de controle. / This work presents the analytic development of the modeling of flexible truss structures with the aim to suppress the mechanical vibration using active control techniques. Piezoelectric stack actuators are used to produce control force in the structure, which can replace an entire bar or can be coupled to structural members. They also satisfy the necessity to obtain lighter structures. The optimal placement of actuators and sensors is found through the Hã norm as objective function. As control technique is presented the Independent Modal Space Control (IMSC), in which a modal estimator is used and the Linear Quadratic Regulator (LQR) feedback the estimated states according the optimal control theory. IMSC is computationally efficient also applied in high order system and reduces the negative effects of the control and observer spillover. An improvement in the IMSC is the Efficient Modal Control (EMC) that is proposed to reduce the amplitudes of control forces. The mathematical model of the intelligent structure is obtained from Finite Elements Method (FEM) considering the electromechanical coupling between the piezoelectric stack actuators and the base structure. The design of a space truss structure, the optimal placement of active members and the active damping vibration control is numerically implemented. Two control techniques are tested and compared: IMSC and EMC. Results show that the controllers increase the damping of the structure noticeably. The EMC controller provides better performance, reducing the amplitudes of control forces.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:22:31Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2011-08-05Bitstream added on 2014-06-13T20:09:42Z : No. of bitstreams: 1 souza_fs_me_ilha.pdf: 685362 bytes, checksum: 69b1ef9da6ea6cde4e9978452b127ff7 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Este trabalho descreve um sistema de extração de potência de power harvesting utilizando transdutores piezelétricos. Com o objetivo de extrair a máxima potência e assim ter um maior rendimento do sistema, foram projetados e testados alguns circuitos eletrônicos. Um circuito de controle com componentes discretos e de baixo consumo foi projetado para controle da chave do retificador chaveado e bias-flip. A energia extraída será utilizada para alimentar um sistema de aquisição de dados e um sensor de temperatura associado a este sistema. O sistema de power harvesting é constituído por uma estrutura mecânica, transdutor piezelétrico, circuito retificador e um conversor CC-CC. Na estrutura mecânica está localizado o transdutor piezelétrico e este transdutor proporciona a conversão de energia mecânica em energia elétrica. Para efeito deste estudo considera-se que o transdutor piezelétrico comporta-se como uma fonte de tensão alternada, que será retificada e armazenada em um supercapacitor, para depois ser utilizada na alimentação do sistema de aquisição de dados. Os conversores CC-CC são utilizados para maximizar a quantidade de energia obtida do transdutor piezelétrico e fornecer tensão ao supercapacitor. No entanto, uma das limitações desses sistemas é a baixa quantidade de energia gerada por esses dispositivos. Assim, para que haja uma minimização das perdas dos circuitos eletrônicos e possa se extrair a máxima potência possível do piezelétrico obtendo um melhor rendimento do sistema, este trabalho investigará a utilização dos circuitos retificadores em ponte, retificador em ponte chaveado, retificador bias-flip e o conversor buck-boost, além de utilizar a energia armazenada para alimentar um sistema de aquisição de dados associados a um sensor de temperatura... / This work describes several circuits for power extracting of power harvesting systems using piezoelectric transducers. In order to extract the maximum power and to achieve the maximum performance of these systems some electronic circuits were projected and tested. A control circuit with discrete components and low power consumption is designed to control switch of the switch-only and bias-flip rectifier. The goal is that the energy extracted is used to supply power electronic devices. That will be, in this work, a temperature sensor that is placed in a difficult access area. The power harvesting system is composed by a mechanical structure, a piezoelectric transducers, a rectifier and a DC-DC converter. The piezoelectric transducers were placed in the mechanical structure, these transducers are responsible to convert mechanical energy into electrical energy. In this work the piezoelectric transducer was considered an AC voltage source. This voltage will be rectified and then stored in supercapacitor, to be used in electronic circuits. The DC-DC converters were used to achieve maximum power from piezoelectric transducer and to supply voltage to the supercapacitor. However, one of the limitations of these systems is the low amount of power generated by the transducer. This way, it is mandatory to reduce the losses at the electronic components and extract the maximum power possible from the piezoelectric to improve the performance. This work investigates the full-bridge rectifier, switch-only rectifier, bias-flip rectifier and buck- boost converter, besides it aims to use the stored energy to supply a temperature sensor. Using the flip-bias rectifier improves the power up to 200%, and the switch-only rectifier by 150% in relation to full-bridge rectifier. And the efficiency changed from 35% (full-bridge)... (Complete abstract click electronic access below)

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:22:31Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2012-02-29Bitstream added on 2014-06-13T19:08:03Z : No. of bitstreams: 1 cortezledesma_ne_me_ilha.pdf: 1539297 bytes, checksum: df4862f51083b9bb17731d2587b77d15 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / O monitoramento de integridade estrutural (SHM) baseado na técnica da impedância eletromecânica (EMI) tem sido desenvolvido como uma ferramenta promissora para identificação de falhas estruturais. As aplicações típicas de SHM baseadas em EMI geralmente utilizam um analisador de impedância comercial de alto custo ou sistemas de medição baseados na função de resposta em frequência (FRF). Além do custo elevado, as exigências de capacidade de armazenamento e/ou processamento de dados desses instrumentos são características proibitivas para muitas aplicações. Trabalhos recentes mostram que não é preciso conhecer o valor exato da impedância eletromecânica da estrutura para monitorar sua integridade. Assim, neste trabalho é apresentado um sistema de SHM que permite detectar falhas em estruturas monitorando apenas as variações da tensão elétrica do transdutor. O sistema proposto é portátil, autônomo, rápido, versátil, de baixo custo e substitui com eficiência os instrumentos comerciais na fase de detecção de falhas. A identificação do dano é feita comparando-se as variações da tensão rms da resposta no tempo que um transdutor piezelétrico de PZT, colado na estrutura, fornece para cada frequência do sinal de excitação. Portanto, o sistema proposto não é limitado pela frequência de amostragem, dispensa algoritmos da transformada de Fourier e não exige um computador para processamento, operando de forma autônoma. Um protótipo de baixo custo usando circuitos integrados, um sintetizador digital e um microcontrolador foi construído e testado através de experimentos em estruturas de alumínio para a faixa de frequências a partir de 3 kHz até 50 kHz com boa precisão e estabilidade / Structural health monitoring (SHM) based on electromechanical impedance (EMI) technique has been developed as a promising tool for identifying structural damage. Typical applications in SHM based on EMI generally use high-cost commercial impedance analyzers or measurement systems based on frequency response function (FRF). Besides the high cost, the requirements for storage and/or data processing of these instruments are prohibitive features for many applications. Recent studies show that the exact value of the electromechanical impedance is not required for damage detection. Thus, this work presents a SHM system that can detect damage in structures only monitoring the changes in the voltage of the transducer. The proposed system is portable, autonomous, fast, versatile, low-cost and replaces efficiently commercial instruments in the damage detection stage. The identification of damage is done by comparing the variations in the rms voltage of time response signals from a piezoelectric transducer, such as PZT, bonded to the structure. Different time response signals are obtained for each frequency of the excitation signal. Therefore, the proposed system is not limited by the sampling frequency, dispenses Fourier transform algorithms and does not require a computer for processing, operating autonomously. A low-cost prototype using integrated circuits, a microcontroller and a digital synthesizer was built and tested through experiments with aluminum structures for frequencies ranging from 3 kHz to 50 kHz with good accuracy and stability