This paper presents a feasibility study of flexible piezoelectric paint for use in wide-band low-profile surface-mount or embeddable ultrasonic sensor for in situ structural health monitoring. Piezoelectric paint is a piezoelectric composite with 0-3 connectivity. Because of its ease of application, piezoelectric paint can be readily fabricated into sensing element with complex pattern. This study examines the characteristics of piezoelectric paint in acoustic emission signal and ultrasonic guided wave sensing. A series of ultrasonic tests including pitch catch and pencil break tests were performed to validate the ultrasonic wave sensing capability of piezoelectric paint. The results of finite element simulation of ultrasonic wave propagation, and acoustic emission generated by a pencil lead break on an aluminum plate are also presented in this paper along with corresponding experimental data. Based on the preliminary experimental results, the piezoelectric paint appears to offer a promising sensing material for use in real-time monitoring of crack initiation and propagation in both metallic and composite structures.
Journal of the Microelectronics and Packaging Society
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v.31
no.1
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pp.1-6
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2024
Spiders detect even tiny vibrations through their vibrational sensory organs. Leveraging their exceptional vibration sensing abilities, they can detect vibrations caused by prey or predators to plan attacks or perceive threats, utilizing them for survival. This paper introduces a nanoscale crack-based sensor mimicking the spider's sensory organ. Inspired by the slit sensory organ used by spiders to detect vibrations, the sensor with the cracks detects vibrations and pressure with high sensitivity. By controlling the depth of these cracks, they developed a sensor capable of detecting external mechanical signals with remarkable sensitivity. This sensor achieves a gauge factor of 16,000 at 2% strain with an applied tensile stress of 10 N. With high signal-to-noise ratio, it accurately recognizes desired vibrations, as confirmed through various evaluations of external force and biological signals (speech pattern, heart rate, etc.). This underscores the potential of utilizing biomimetic technology for the development of new sensors and their application across diverse industrial fields.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.24
no.12
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pp.2891-2898
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2000
The objective of this paper is to develop a fiber-optic acoustic emission(AE) sensor applicable to on-line monitoring systems which is suitable for long-distance signal transmission. An AE sensor was developed by use of a fiber-optic cantilever and an extrinsic Fabry-Perot interferometer(EEPI). The efficiency of signal processing was improved by driving the high frequency AE signals into the low frequency ones. In order to verify the developed sensor, the tensile and the pencil lead fracture(PLF) tests were performed including the experiment showing the Kaiser effect. Form tests, AE signals were successfully detected in the elastic-plastic deformation range, especially higher signals at the crack propagation. The developed sensor was expected to be used for an on-line monitoring of crack propagation in mechanical system.
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2001.05a
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pp.250-253
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2001
Recently, based on the smart structure concept, optical fiber sensors have been increasingly applied to monitor the various engineering and civil structural components. Repairs based on adhesively bonded fiber reinforce composite patches are more structurally efficient and much less damaging to the parent structure than standard repairs based on mechanically fastened metallic patches. As a result of the high reinforcing efficiency of bonded patches fatigue cracks can be successfully repaired. However, when such repairs are applied to primary structures, it is needed to demonstrate that its loss can be immediately detected. This approach is based on the "smart patch" concept in which the patch system monitors its own health. The objective of this study is to evaluate the potentiality of application of transmission-type extrinsic Fabry-Perot optical fiber sensor (TEFPI) to the monitoring of crack growth behavior of composite patch repaired structures. The sensing system of TEFPI and the data reduction principle for the detection of crack detection are presented. Finally, experimental results from the tests of center-cracked-tension aluminum specimens repaired with bonded composite patch is presented and discussed.
This study presents early crack detection of steel fiber-reinforced concrete (SFRC) under varying temperature and humidity conditions using an instantaneous electrical impedance acquisition system. SFRC has the self-sensing capability of electrical impedance without sensor installation thanks to the conductivity of embedded steel fibers, making it possible to effectively monitor cracks initiated in SFRC. However, the electrical impedance is often sensitively changed by environmental effects such as temperature and humidity variations. Thus, the extraction of only crack-induced feature from the measured impedance responses is a crucial issue for the purpose of structural health monitoring. In this study, the instantaneous electrical impedance acquisition system incorporated with SFRC is developed. Then, temperature, humidity and crack initiation effects on the impedance responses are experimentally investigated. Based on the impedance signal pattern observation, it is turned out that the temperature effect is more predominant than the crack initiation and humidity effects. Various crack steps are generated through bending tests, and the corresponding impedance damage indices are extracted by compensating the dominant temperature effect. The test results reveal that propagated cracks as well as early cracks are successfully detected under temperature and humidity variations.
A styrylpyrylium salt (DHSP) was synthesized and then photodimerized to obtain a cyclobutane-type dimer (DHSP dimer). Methacryloyl group was incorporated into DHSP dimer to obtain DMSP dimer. Based on FT-IR analysis of a crosslinked DMSP dimer, it was considered that the cyclobutane structure reversed to styryl C=C bonds upon crack formation. Fluorescence measurement of DHSP in solid state (excitation at 385 nm) showed emission centered at 626 nm, while DHSP dimer revealed very weak emission. Fluorescent emission from microcracks in a film of crosslinked DMSP dimer was observed upon exposure to $330{\sim}385\;nm$ light.
Unlike conventional Eddy Current Test (ECT), Pulsed Eddy Current (PEC) uses a multiple-frequency current pulse through the excitation coil. In the present study, the detection of subsurface cracks using a specially designed probe that allows the detection of a deeper crack with a relatively small current density has been attempted using the PEC technique. The tested sample is a piece of 304 stainless steel (SS304) with a thickness of 30mm. Small electrical discharge machining (EDM) notches were put in the test sample at different depths from the surface to simulate the subsurface cracks in a pipe. The designed PEC probe consists of an excitation coil and a Hall sensor and can detect a subsurface crack as narrow and shallow as 0.2 mm wide and 2 mm deep. The maximum distance between the probe and the defect is 28 mm. The peak amplitude of the detected pulse is used to evaluate the cracks under the sample surface. In time domain analysis, the greater the crack depth the greater the peak amplitude of the detected pulse. The experimental results indicated that the proposed system has the potential to detect the subsurface cracks in stainless steel plates.
The large-scale structures have the possibility that there are defects such as cracks due to stress concentration caused by geometric discontinuities in the structure. In this respect, the assessment of fatigue life and the development of structural health monitoring(SHM) are very important. Fatigue design of structure is typically accomplished either using a set of stress cycle (S-N) data obtained from fatigue tests or using the fracture mechanics approach. The stress intensity factor(SIF) is required for the estimation of fatigue crack propagation life from the linear elastic fracture mechanics (LEFM) perspective. In this study, Macro Fiber Composie(MFC) sensor for the measurement of SIF of two dimensional cracks is used. The SIF based on the piezoelectric constitutive law and fracture mechanics are calculated. The measured values of the SIF are later used for the prediction of the crack propagation life. In this study, the measured value of the SIF and the fatigue life are compared with the theoretical results.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.21
no.3
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pp.241-247
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2011
Although intensive development continues on innovative sensor systems, there is still considerable uncertainty in deciding on the number of sensors required and their locations in order to obtain adequate information on structural behavior. This paper is concerned with the sensor locations on a beam-structure for prognostic structural health monitoring. The purpose of this study is to investigate how to determine optimal sensor placement(OSP) from the sensitivity information of a known failure mode. The sensitivity of the forced vibration response of a beam to the variation of stiffness due to a crack is calculated analytically and used to determine the optimal sensor locations for the specified failure mode. The results of this method compared with the results of different OSP methods. The results have shown that the proposed method on optimal sensor placement is very effective in structural health monitoring.
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2002.05a
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pp.39-43
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2002
As the concept of the smart structure, monitoring of acoustic emission (AE) can be applied to inspect the fracture of the entire structure in operating condition using built-in sensors. The objective of this study is to find the characteristics of matrix crack signals in composites due to the different specimen shapes. To detect matrix crack signals, we performed tensile tests by changing the thickness, width and length of the specimen. For the quantitative evaluation, time frequency analysis such as short-time Fourier transform (STFT) was used to characterize the matrix crack signals from PZT sensor. The experimental result shows the distinctive signal features in frequency domain due to the different specimen shapes.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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