Resumo: O monitoramento da integridade estrutural (SHM) de sistemas mecânicos trata-se de uma tecnologia emergente que combina modernos sensores com inteligentes algoritmos computacionais para analisar a condição da estrutura em tempo real ou quando for necessário. Segurança, alto desempenho em operação e redução nos custos de manutenção são alguns dos principais benefícios concedidos pela tecnologia SHM. Deste modo, esta tecnologia vem encontrando aceitação crescente na indústria, principalmente na aeronáutica e petrolífera onde os custos de manutenção são muito elevados. Dentre as técnicas de monitoramento desenvolvidas, a dos observadores de estado se destacou. No entanto, esta técnica SHM possui algumas restrições que motivam o interesse pelo desenvolvimento de uma nova abordagem para a mesma. Neste contexto, este trabalho alia os já conhecidos observadores de estado com as características do domínio modal a fim de determinar o modo de vibrar mais afetado pela presença de um dano qualquer no sistema monitorado. A partir do conhecimento desta informação é possível projetar, por exemplo, sistemas de controle e manutenção mais eficientes. Contudo, nesta dissertação são apresentadas aplicações numéricas e experimentais em diferentes sistemas mecânicos a fim de detalhar e demonstrar a técnica SHM via Observador de Estado Modal, inicialmente proposta aqui. Algumas destas aplicações contam ainda com sensores e atuadores piezelétricos acoplados as estruturas. Os resultados encontrados mostram pontos favoráveis e desfavoráveis da técnica proposta / Abstract: Structural Health Monitoring (SHM) is an emerging technology that combines modern sensors with intelligent algorithms to analyze the structural condition in real time or specific time. Security, high operation performance and maintenance reduction costs are some of the key benefits provided by this technology. Not surprisingly, the SHM techniques have recently received increased attention in aircraft and oil industries. Among the developed SHM techniques, state observers had special attention. However, this technique presents some restrictions that motivate the development of a new SHM approach through state observers. In this context, this work associates the already known state observers with features obtained in the modal domain to determine the vibration modes that are more affected by damage presence in the monitored structure. That information makes possible the design of efficient maintenance and control systems. In order to analyze the Modal State Observer technique, firstly presented here, numerical and experimental applications in different mechanical systems are presented. In some applications are used sensors and piezoelectric actuators coupled in the structures. The results lead to the conclusion that the Modal State Observer is a potential useful SHM tool / Orientador: Gilberto Pechoto de Melo / Coorientador: Vicente Lopes Junior / Banca: Luiz de Paula do Nascimento / Banca: Valder Steffen Junior / Mestre

Orientador: José Manoel Balthazar / Banca: Airton Nabarrete / Banca: Angelo Marcelo Tusset / Banca: Vinicius Piccirillo / Banca: Atila Madureira Bueno / Abstract: Recently, the interest and research about energy harvesting has been increasing substantially in the technical-scientific community. With the great world demand for electrical energy, many researchers, in Brazil and in the World, have concentrated their efforts to seek new energy sources. In addition, with the technological advances is possible to use low-power consumption devices, that are, most of time, powered by a battery, which are limited energy sources having the necessity of recharging or substituting them periodically. In the energy harvesting process, the electrical energy is obtained through the conversion of mechanical energy created by a vibrating source in the environment using a transducer. Among the most common energy transduction mean, the use of piezoelectric materials has been of great interest in the energy harvesting matter due to its ease of application and its use to harvest energy in a wide range of frequencies. Vibration sources in the environment may occur in structures by vehicle traffics, a train movement, sea waves and even people. With that, the objective of this work is to study the energy harvesting using a nonlinear two-degrees-of-freedom portal frame platform with a nonlinear piezoelectric material coupled to one of its columns and externally base-excited. The nonlinear platform possesses two-to-one internal resonance between its two vibration modes. The nonlinearities of the piezoelectric material is considered as a nonlinear mathematical r... (Complete abstract click electronic access below) / Resumo: Recentemente, o interesse e a pesquisa de coleta de energia têm aumentado substancialmente no meio técnico-científico. Com a grande demanda mundial por energia elétrica, muitos pesquisadores, no Brasil e no Mundo, têm concentrado seus esforços na busca de novas fontes de energia. Além disso, com os avanços da tecnologia, é possível utilizar dispositivos de baixo consumo de energia, que são, na maioria das vezes, alimentados por uma bateria, que são fontes de energia finita havendo a necessidade da recarga ou troca periodicamente, das mesmas. No processo de coleta de energia, a energia elétrica é obtida através da conversão de energia mecânica criada por uma fonte de vibração do meio ambiente através de um transdutor. Entre os mais comuns meios de transdução de energia, o uso de materiais piezoelétricos vêm sendo de grande interesse em meio a coleta de energia devido sua facilidade de aplicação e seu uso para coleta de energia em um amplo intervalo de frequências. Fontes de vibração do meio ambiente podem ser causadas em estruturas através do movimento de veículos, um trêm, ondas do mar e até o deslocamento de pessoas. Com isso, este trabalho tem como objetivo estudar a coleta de energia utilizando uma plataforma aporticada não-linear de dois graus de liberdade contendo um material piezoelétrico não-linear acoplado a uma de suas colunas e excitado externamente em sua base. A plataforma não-linear possui ressonância interna 2:1 entre seus modos de vibrar. A não-linearidade do... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Doutor

Orientador: Vicente Lopes Júnior / Banca: Luiz de Paula do Nascimento / Banca: Marcus Antonio Viana Duarte / Resumo: 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. / Abstract: 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. / Mestre

Orientador: Cláudio Kitano / Banca: Ricardo Tokio Higuti / Banca: Ailton Akira Shinoda / Banca: Agnaldo Aparecido Freschi / Banca: Gefeson Mendes Pacheco / Resumo: 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, ...(Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: 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) / Doutor

Resumo: Este trabalho tem como propósito utilizar técnicas de controle robusto para atenuação ativa de vibração mecânica em estruturas acopladas a atuadores e sensores piezelétricos. Os controladores são projetados segundo o enfoque de otimização convexa, com os requisitos envolvendo desigualdades matriciais lineares (LMIs). A proposta é ilustrar duas sínteses diferentes de realimentação via LMIs. A primeira é o projeto de controladores por realimentação de estados, estimados por um observador, considerando incertezas paramétricas do tipo politópicas. A segunda metodologia é baseada no controle H8 via realimentação do sinal de saída, considerando incertezas dinâmicas limitadas por norma. Os sensores/atuadores são posicionados em pontos ótimos utilizando-se a norma H8 como índice de desempenho. Os modelos matemáticos utilizados na síntese dos controladores foram obtidos a partir do método dos elementos finitos considerando o acoplamento eletromecânico entre os atuadores/sensores e a estrutura base ou a partir de métodos de identificação. Neste contexto, este trabalho também discute e exemplifica o algoritmo de realização de autosistemas (ERA). Três exemplos são solucionados para exemplificar a metodologia implementada: uma estrutura tipo placa, uma viga engastada-livre e a supressão ativa de flutter em um aerofólio 2-D, problema de grande interesse na indústria aeronáutica. Os resultados mostraram uma significante atenuação da vibração estrutural na faixa de freqüência de interesse e o atendimento dos requisitos impostos na fase de projeto. / Abstract: The proposal of this work is to use robust control techniques in order to suppress mechanical vibration in structures with pieozoelectric sensors and actuators coupled. The controllers are designed by convex optimization and the constraints are dealt through linear matrix inequalities (LMIs) frameworks. Two different methodologies to feedback the system by using LMIs are explained. The first one is the observer-based state-feedback considering polytopic uncertainties. The second one is the H output feedback control considering norm-bound uncertainties. The sensors/actuators are located in optimal placements by using H norm as performance index. The mathematical models used in the controller design were obtained by finite element methods considering eletromechanical effects between the host structure and piezoelectric sensors/actuators patches or by using identification methods. In this sense, it is also discussed the eigensystem realization algorithm (ERA). Three different applications are proposed and solved in order to illustrate the applicability of the methodology: a cantilever plate; a cantilever beam; and an active flutter suppression in a 2-D airfoil, a problem of considered interest in the aeronautic industry. The results showed the vibration suppression in the bandwidth of interest when submited to the requirements imposed by practical situations. / Orientador: Vicente Lopes Junior / Coorientador: Edvaldo Assunção / Banca: Vicente Lopes Junior / Banca: Marcelo Carvalho Minhoto Teixeira / Banca: Edilson Hiroshi Tamai / Mestre

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

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:24:47Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2004-03-22Bitstream added on 2014-06-13T18:21:16Z : No. of bitstreams: 1 tebaldi_a_me_ilha.pdf: 2161680 bytes, checksum: 3d261c29fd3aac533dd79cedd2e48b90 (MD5) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / A tecnologia de materiais inteligentes se tornou uma área de crescente interesse para o desenvolvimento de estruturas que podem incorporar atuadores e sensores capazes de detectar falhas. Extensivas investigações têm sido focadas na tecnologia que integra materiais inteligentes no monitoramento das condições de sistemas. Vários estudos têm sido realizados na área de identificação de sistemas mecânicos e há uma tendência de introduzir otimização em projetos de monitoramento de sinais que permitirá automatização do processo e caracterização de falhas para sistemas complexos. O problema de identificação de variáveis ou detecção de falhas em sistemas mecânicos é uma classe de problemas inversos e, portanto, não apresenta uma solução única. O problema inverso consiste em determinar as causas baseando-se na observação dos efeitos. Nos problemas inversos os parâmetros de falha (comprimento de trinca e/ou localização) podem ser calculados no domínio da freqüência ou do tempo. A metodologia proposta neste trabalho utiliza dados no domínio da freqüência, e utiliza, em uma primeira etapa, o método da impedância elétrica para se determinar a localização das falhas. Numa segunda etapa é realizada a quantificação da intensidade de falhas, usando algoritmos genéticos. Algoritmos genéticos (AG) são processos de otimização baseados nos princípios de evolução natural. Um AG simula um processo de adaptação em uma população inicial de indivíduos através de operadores genéticos artificiais em cada geração. Em condições de otimização, cada indivíduo da população é codificado em um cromossomo, que representa uma solução genérica para o problema, enquanto a adaptação individual é avaliada por uma função de aptidão. / Smart material technology has become an area of increasing interest for the development of structures that are able to incorporate actuator and sensor capabilities for fault detection. Extensive investigations have been focused on integrating smart material technology into health monitoring systems. Several studies have been accomplished in the area of identification of mechanical systems and there is a tendency of introducing optimization in projects of signals monitoring, which would allow automation in the process and characterization of faults, even for complex systems. The problem of variables identification or damage detection in mechanical systems is a class of inverse problem and, therefore, it doesn't present a unique solution. The inverse problem consists in determining the causes based on some observation of their effects. In inverse problems the damaged parameters (crack length and/or location) can be calculated in frequency or time domain. The proposal methodology is based on frequency domain, and it uses, in a first stage, the method of electric impedance to determine the location of the faults. Later on takes place the quantification of the fault intensities, in a second stage, by using genetic algorithms. Genetic algorithms (GA) are optimization processes based on principles of natural evolution. A GA simulates an adaptation process taking an initial population of individuals and applying artificial genetic operators in each generation. In optimization conditions, each individual of the population is coded in a string or chromosomes, which represents a trial solution for a certain problem, while the individual adaptation is evaluated through a fitness function.

Orientador: Vicente Lopes Júnior / Banca: Paulo Carlos Kaminski / Banca: Walter Katsumi Sakamoto / Resumo: A tecnologia de materiais inteligentes se tornou uma área de crescente interesse para o desenvolvimento de estruturas que podem incorporar atuadores e sensores capazes de detectar falhas. Extensivas investigações têm sido focadas na tecnologia que integra materiais inteligentes no monitoramento das condições de sistemas. Vários estudos têm sido realizados na área de identificação de sistemas mecânicos e há uma tendência de introduzir otimização em projetos de monitoramento de sinais que permitirá automatização do processo e caracterização de falhas para sistemas complexos. O problema de identificação de variáveis ou detecção de falhas em sistemas mecânicos é uma classe de problemas inversos e, portanto, não apresenta uma solução única. O problema inverso consiste em determinar as causas baseando-se na observação dos efeitos. Nos problemas inversos os parâmetros de falha (comprimento de trinca e/ou localização) podem ser calculados no domínio da freqüência ou do tempo. A metodologia proposta neste trabalho utiliza dados no domínio da freqüência, e utiliza, em uma primeira etapa, o método da impedância elétrica para se determinar a localização das falhas. Numa segunda etapa é realizada a quantificação da intensidade de falhas, usando algoritmos genéticos. Algoritmos genéticos (AG) são processos de otimização baseados nos princípios de evolução natural. Um AG simula um processo de adaptação em uma população inicial de indivíduos através de operadores genéticos artificiais em cada geração. Em condições de otimização, cada indivíduo da população é codificado em um cromossomo, que representa uma solução genérica para o problema, enquanto a adaptação individual é avaliada por uma função de aptidão. / Abstract: Smart material technology has become an area of increasing interest for the development of structures that are able to incorporate actuator and sensor capabilities for fault detection. Extensive investigations have been focused on integrating smart material technology into health monitoring systems. Several studies have been accomplished in the area of identification of mechanical systems and there is a tendency of introducing optimization in projects of signals monitoring, which would allow automation in the process and characterization of faults, even for complex systems. The problem of variables identification or damage detection in mechanical systems is a class of inverse problem and, therefore, it doesn't present a unique solution. The inverse problem consists in determining the causes based on some observation of their effects. In inverse problems the damaged parameters (crack length and/or location) can be calculated in frequency or time domain. The proposal methodology is based on frequency domain, and it uses, in a first stage, the method of electric impedance to determine the location of the faults. Later on takes place the quantification of the fault intensities, in a second stage, by using genetic algorithms. Genetic algorithms (GA) are optimization processes based on principles of natural evolution. A GA simulates an adaptation process taking an initial population of individuals and applying artificial genetic operators in each generation. In optimization conditions, each individual of the population is coded in a string or chromosomes, which represents a trial solution for a certain problem, while the individual adaptation is evaluated through a fitness function. / Mestre

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:30:32Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2010-01-08Bitstream added on 2014-06-13T18:40:52Z : No. of bitstreams: 1 baptista_fg_dr_ilha.pdf: 1105245 bytes, checksum: d9df8c940603a26591e01168eaac4aaa (MD5) / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / A técnica da impedância eletromecânica (E/M) tem sido amplamente pesquisada para o desenvolvimento de sistemas de SHM (Structural Health Monitoring – monitoramento de integridade estrutural) em diversas aplicações. Embora existam muitos trabalhos que indiquem a eficiência e a viabilidade dessa técnica, alguns problemas práticos em aplicações reais ainda precisam ser investigados. A medição da impedância elétrica, etapa básica da técnica, geralmente é realizada por instrumentos comerciais volumosos, pesados e de alto custo, características proibitivas para muitas aplicações. A seleção da faixa de frequência em que a impedância deve ser medida para assegurar boa sensibilidade ao dano é feita por métodos de tentativa e erro ou por metodologias que utilizam dados medidos em uma quantidade considerável de testes. Além disso, o dimensionamento dos transdutores é feito sem um embasamento teórico, independentemente das características da estrutura monitorada. Neste trabalho é proposto um sistema de medição de impedância elétrica rápido, versátil e de baixo custo que substitui com eficiência os instrumentos comerciais. A partir de um circuito eletromecânico equivalente, o efeito de carregamento do transdutor devido à estrutura monitorada foi analisado. A análise do efeito de carregamento permite dimensionar corretamente o transdutor de acordo com a estrutura monitorada e assegurar um bom desempenho do sistema. O circuito eletromecânico também foi utilizado para determinar, teoricamente, as faixas de frequência em que o transdutor tem boa sensibilidade e auxiliar na seleção da faixa de frequência adequada para a detecção de danos estruturais. Todas as metodologias propostas foram verificadas através de experimentos em estruturas de alumínio e houve uma boa concordância entre os resultados teóricos e experimentais / The electromechanical (E/M) impedance technique has been widely studied for the development of Structural Health Monitoring (SHM) systems in various applications. Although there are many studies indicating the effectiveness and feasibility of this technique, some practical issues in real applications yet should be investigated. The electrical impedance measurement, basic stage of the technique, is usually performed by bulky, heavy and expensive instruments; these features are prohibitive for many applications. The selection of the frequency range in which the electrical impedance must be measured to ensure good sensitivity for damage detection is performed by trial and error methods or by methodologies that use measured data in a considerable amount of tests. Furthermore, the design of the transducer is done without theoretical basis, regardless the characteristics of the host structure. In this work, a fast, versatile and low-cost electrical impedance measurement system was developed; the proposed system successfully replaces the conventional instruments. From an equivalent electromechanical circuit, the transducer loading effect due to the host structure was analyzed. The analysis of the loading effect allows the correct design of the transducer according to the host structure for ensure a good performance of the system. The electromechanical circuit was also used to theoretically determine the frequency ranges in which the transducer has good sensitivity and assist in the selection of the suitable frequency range for structural damage detection. All proposed methodologies were validated by experimental tests on aluminum structures and there was a good match between the theoretical and practical results

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:27:14Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2005-02-21Bitstream added on 2014-06-13T19:55:35Z : No. of bitstreams: 1 silva_s_me_ilha.pdf: 1382147 bytes, checksum: 3fda6ad8742fdeab5c8e0db680440cbe (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Este trabalho tem como propósito utilizar técnicas de controle robusto para atenuação ativa de vibração mecânica em estruturas acopladas a atuadores e sensores piezelétricos. Os controladores são projetados segundo o enfoque de otimização convexa, com os requisitos envolvendo desigualdades matriciais lineares (LMIs). A proposta é ilustrar duas sínteses diferentes de realimentação via LMIs. A primeira é o projeto de controladores por realimentação de estados, estimados por um observador, considerando incertezas paramétricas do tipo politópicas. A segunda metodologia é baseada no controle H8 via realimentação do sinal de saída, considerando incertezas dinâmicas limitadas por norma. Os sensores/atuadores são posicionados em pontos ótimos utilizando-se a norma H8 como índice de desempenho. Os modelos matemáticos utilizados na síntese dos controladores foram obtidos a partir do método dos elementos finitos considerando o acoplamento eletromecânico entre os atuadores/sensores e a estrutura base ou a partir de métodos de identificação. Neste contexto, este trabalho também discute e exemplifica o algoritmo de realização de autosistemas (ERA). Três exemplos são solucionados para exemplificar a metodologia implementada: uma estrutura tipo placa, uma viga engastada-livre e a supressão ativa de flutter em um aerofólio 2-D, problema de grande interesse na indústria aeronáutica. Os resultados mostraram uma significante atenuação da vibração estrutural na faixa de freqüência de interesse e o atendimento dos requisitos impostos na fase de projeto. / The proposal of this work is to use robust control techniques in order to suppress mechanical vibration in structures with pieozoelectric sensors and actuators coupled. The controllers are designed by convex optimization and the constraints are dealt through linear matrix inequalities (LMIs) frameworks. Two different methodologies to feedback the system by using LMIs are explained. The first one is the observer-based state-feedback considering polytopic uncertainties. The second one is the H output feedback control considering norm-bound uncertainties. The sensors/actuators are located in optimal placements by using H norm as performance index. The mathematical models used in the controller design were obtained by finite element methods considering eletromechanical effects between the host structure and piezoelectric sensors/actuators patches or by using identification methods. In this sense, it is also discussed the eigensystem realization algorithm (ERA). Three different applications are proposed and solved in order to illustrate the applicability of the methodology: a cantilever plate; a cantilever beam; and an active flutter suppression in a 2-D airfoil, a problem of considered interest in the aeronautic industry. The results showed the vibration suppression in the bandwidth of interest when submited to the requirements imposed by practical situations.