In this paper, a novel but practical approach named series/parallel multi-sensing technique was proposed to evaluate the bolt looseness in a bolt group. The smart washers (SWs), which were fabricated by embedding a Lead Zirconate Titanate (PZT) transducer into two flat metal rings, were installed to the bolts group. By series connection of SWs, the impedance signals of different bolts can be obtained through only one sweep. Therefore, once the loosening occurred, the shift of different peak frequencies can be used to locate which bolt has loosened. The proposed multi input single output (MISO) damage detection scheme is very suitable for the structural health monitoring (SHM) of joint with a large number of bolts connection. Another notable contribution of this paper is the proposal of 3-dB bandwidth root mean square deviation (3 dB-RMSD) which can quantitatively evaluate the severity of bolt looseness. Compared with the traditional naked-eye observation method, the equivalent circuit based 3-dB bandwidth can accurately define the calculation range of RMSD. An experiment with three bolted connection specimens that installed the SWs was carried out to validate our proposed approach. Experimental result shows that the proposed 3 dB-RMSD based multi-sensing technique can not only identify the loosened bolt but also monitor the severity of bolt looseness.
Recently, researchers in the field of structural health monitoring (SHM) have been rigorously striving to replace the conventional NDE techniques with the smart material based SHM techniques, employing smart materials such as piezoelectric materials. For instance, the electromechanical impedance (EMI) technique employing piezo-impedance (lead zirconate titanate, PZT) transducer is known for its sensitivity in detecting local damage. For practical applications, various external factors such as fluctuations of temperature and loading, affecting the effectiveness of the EMI technique ought to be understood and compensated. This paper aims at investigating the damage monitoring capability of EMI technique in the presence of axial stress with fixed boundary condition. A compensation technique using effective frequency shift (EFS) by cross-correlation analysis was incorporated to compensate the effect of loading and boundary stiffening. Experimental tests were conducted by inducing damages on lab-sized aluminium beams in the presence of tensile and compressive forces. Two types of damages, crack propagation and bolts loosening were simulated. With EFS for compensation, both cross-correlation coefficient (CC) index and reduction in peak frequency were found to be efficient in characterizing damages in the presence of varying axial loading.
This study presents a numerical investigation on the sensitivity of electromechanical (EM) impedance responses to inner damaged concrete of a prestressed anchorage zone. Firstly, the Ottosen yield criterion is selected to simulate the plasticity behavior of the concrete anchorage zone under the compressive loading. Secondly, several overloading cases are selected to analyze inner damage formations in the concrete of the anchorage zone. Using a finite element (FE) model of the anchorage zone, the relationship between applied forces and stresses is analyzed to illustrate inner plasticity regions in concrete induced by the overloading. Thirdly, EM impedance responses of surface-mounted PZT (lead-zirconate-titanate) sensors are numerically acquired before and after concrete damage occurrence in the anchorage zone. The variation of impedance responses is estimated using the RMSD (root-mean-square-deviation) damage metric to quantify the sensitivity of the signals to inner damaged concrete. Lastly, a novel PZT skin, which can measure impedance signatures in predetermined frequency ranges, is designed for the anchorage zone to sensitively monitor the EM impedance signals of the inner damaged concrete. The feasibility of the proposed method is numerically evaluated for a series of damage cases of the anchorage zone. The results reveal that the proposed impedance-based method is promising for monitoring inner damaged concrete in anchorage zones.
A unimorph piezoelectric cantilever generator with an interdigitated electrode (IDE) was developed for vibration energy harvester applications driven in the longitudinal mode. Hard lead zirconate titanate (PZT) ceramic with a high $Q_m$ of 1,280 was used as the piezoelectric active material. Ten PZT sheets produced by tape casting were laminated and co-fired with an Ag/Pd IDE at $1,050^{\circ}C$ for 2 h. The approximately $280{\mu}m$-thick co-fired PZT laminate with the IDE was attached to a stainless steel substrate with an adhesive epoxy for the fabrication of an IDE unimorph cantilever. Its energy harvesting characteristics were evaluated: an output power of $1.1{\mu}W$ at 120 Hz across the resistive load of $700k{\Omega}$ was obtained, corresponding to a normalized power factor of $4.1{\mu}W/(G^2{\cdot}cm^3)$.
Park, Hyun-Jun;Sohn, Hoon;Yun, Chung-Bang;Chung, Joseph;Kwon, Il-Bum
Smart Structures and Systems
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제6권5_6호
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pp.749-765
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2010
There are on-going efforts to utilize guided waves for structural damage detection. Active sensing devices such as lead zirconate titanate (PZT) have been widely used for guided wave generation and sensing. In addition, there has been increasing interest in adopting wireless sensing to structural health monitoring (SHM) applications. One of major challenges in wireless SHM is to secure power necessary to operate the wireless sensors. However, because active sensing devices demand relatively high electric power compared to conventional passive sensors such as accelerometers and strain gauges, existing battery technologies may not be suitable for long-term operation of the active sensing devices. To tackle this problem, a new wireless power transmission paradigm has been developed in this study. The proposed technique wirelessly transmits power necessary for PZT-based guided wave generation using laser and optoelectronic devices. First, a desired waveform is generated and the intensity of the laser source is modulated accordingly using an electro-optic modulator (EOM). Next, the modulated laser is wirelessly transmitted to a photodiode connected to a PZT. Then, the photodiode converts the transmitted light into an electric signal and excites the PZT to generate guided waves on the structure where the PZT is attached to. Finally, the corresponding response from the sensing PZT is measured. The feasibility of the proposed method for wireless guided wave generation has been experimentally demonstrated.
터널과 같은 지하공간 구조물에 있어서 록볼트는 숏크리트와 함께 주요 지보재 중의 하나이며, 그러므로 록볼트 시공품질 정도에 따라 이러한 지중구조물의 안정성에 큰 영향을 미치게 된다. 본 연구의 목적은 록볼트를 따라 전파되는 유도파에 대하여 푸리에 및 웨이브렛 변환을 이용하여 록볼트의 건전도를 평가하는데 있다. 각기 다른 결함비율을 가진 다섯 개의 록볼트 시험체를 제작하여 콘크리트 블록에 매설한 후, PZT($Pb[Zr_xTi_{1-x}]O_3$: lead zirconate titanate) 엘리먼트로 유도파를 발생시키고 AE(acoustic emission) 센서를 이용하여 신호를 측정하였다. 수집된 신호는 푸리에 변환을 이용하여 주파수 영역에서 분석하였고, 가버 웨이브렛을 사용한 웨이브렛 변환을 이용하여 시간-주파수영역에서 분석하였다. 푸리에 변환을 이용하여 얻은 스펙트럼을 분석하면 록볼트의 결함비율이 증가함에 따라 고주파 대역 에너지의 비율이 증가하는 것을 알 수 있다. 또한, 시간-주파수 영역에서의 각 파군별 최대 에너지가 나타나는 지점의 시간차는 각 반사파군 간의 이동 시간차를 나타내며, 이를 통해 계산된 유도파의 에너지 속도는 록볼트의 공동결함비율이 증가함에 따라 증가하는 것으로 나타났다. 본 연구는 스펙트럼 비와 에너지 속도가 록볼트의 건전도 평가에 있어서 하나의 지표가 될 수 있음을 보여준다.
본 논문에서는 d33 모드로 구동하여 우수한 성능을 가지는 RF-MEMS 스위치의 구현을 위한 희생층과 구조층의 조합으로서 DLC와 포토레지스트를 제안하였다. 포토레지스트의 경화현상을 방지하기 위하여 DLC 구조층은 상온에서 RF-PECVD 방법을 이용하여 증착하였다. 그리고 PZT 압전층은 RF 마그네트론 스퍼터링 방법을 이용하여 상온에서 구조층 위에 증착하였으며, 희생층의 제거 후 결정화를 위하여 급속 열처리 (RTA) 장비를 이용하여 후 열처리하였다. PZT의 결정화 과정과 DLC의 기계적 성질의 변화를 다양한 온도조건에 따라 분석한 결과 DLC는 PZT의 결정화 온도까지 영률과 강도면에서 우수한 특성을 나타냄을 확인하였다. 또한 포토레지스트를 사용함으로서 공정을 단순화하고 낮은 비용으로 제작이 가능하였다.
The piezoelectric energy harvesting characteristics of a trapezoidal cantilever generator with lead zirconate titanate (PZT) laminate were investigated with various Ag inner electrodes. The piezoelectric mode of operation was a transverse mode by using a planar electrode pattern. The piezoelectric cantilever generator was fabricated using trapezoidal cofired-PZT/Ag laminates by five specimens of 2, 3, 4, 7, and 13 layers of Ag. As the number of Ag electrodes increased, impedance and output voltage at resonant frequency significantly decreased, and capacitance and output current showed an increasing tendency. A maximum output power density of $7.60mW/cm^3$ was realized for the specimen with seven Ag layers in the optimal condition of acceleration (1.2 g) and resistive load ($600{\Omega}$), which corresponds to a normalized power factor of $5.28mW/g^2{\cdot}cm^3$.
Conventional piezoelectric lead-zirconate-titanate (PZT) senor has high sensitivity, but it is very brittle. Recently polymer films such as polyvinylidene fluoride (PVDF) and poly(vinylidene fluoridetrifluoroethylene) (P(VDF-TrFE)) copolymer have been used as a sensor. The advantages of polymer sensor are the flexibility and mechanical toughness. Simple process and possible several shapes are also additional advantages. Polymer sensor can be directly embedded in a structure. In this study, nondestructive damage sensitivity of single basalt fiber/epoxy composites was investigated with sensor type and thermal damage using AE and oscilloscope. And AE waveform for epoxy matrix with various damage types was compared to each other. The damage sensitivity of two polymer sensors was rather lower than that of PZT sensor. The damage sensitivity of PVDF sensor did not decrease until thermal damage temperature at $80^{\circ}C$ and they decreased significantly at $110^{\circ}C$ However, the damage sensitivity of P(VDF-TrFE) sensor at $110^{\circ}C$ was almost same in no damage sensor. For both top and side impacts, the difference in arrival time increased with increasing internal and surface damage density of epoxy matrix.
본 논문에서는 졸-침투와 직접-패턴 공정을 이용하여 향상된 압전 후막의 전기적 특성과 우수한 패터닝 특성을 동시에 만족할 수 있는 제작 방법을 제시한다. 저온(< $850^{\circ}C$) 공정 후 후막의 고밀도 및 직접-패턴의 목적을 달성하기 위해서, 감광성 티탄산 지르콘산 연 ($Pb(Zr,Ti)O_3$, PZT) 졸을 스크린인쇄된 PZT 후막 내부로 침투시켰다. 직접-패턴된 PZT막은 포토크롬마스크와 UV 조사에 의해서 일정한 간격으로 인쇄된 후막 위에 성공적으로 형성되었다. 스크린인쇄된 후막은 분말형태의 기공성 구조를 갖고 있어 조사된 UV빛이 산란되기 때문에, 감광성 졸-침투 공정을 할 때 PZT 후막의 특성을 증가시키기 위한 공정의 최적화가 필요하다. 침투된 감광성 PZT 졸의 농도, 조사된 UV 시간 및 용매 현상 시간을 최적화한 결과, 0.35 M의 PZT 농도, 4 분의 UV 조사시간과 15 초의 용매 현상시간으로 졸-침투된 PZT 후막은 $800^{\circ}C$ 소결 온도에서 입자들의 성장에 의해 치밀화 정도가 증가되었다. 또한 PZT후막의 강유전 특성(잔류분극 및 항복 전압)도 향상되었다. 특히 잔류분극값은 스크린인쇄된 후막보다 약 4배정도 증가되었다. 이렇게 제작된 후막은 어레이타입의 압전형 마이크로미터크기의 센서 및 액츄에이터 등에 응용 가능성을 제시할 수 있었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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