This paper presents a systematic investigation of the effect of sensor location on the data quality and subsequently, on the effectiveness of machine health monitoring. Based on an analysis of the signal propagation process from the defect location to the sensor, numerical simulations using finite element modeling were conducted on a bearing test bed to determine the signal strength at several representative sensor locations. The results showed that placing sensors closely to the machine component being monitored is critical to achieving high signal-to-noise ratio, thus improving the data quality. Using millimeter-sized piezoceramic plates, the obtained results were evaluated experimentally. A comparison with a set of commercial vibration sensors verified the developed structural dynamics-based sensor placement strategy. It further demonstrated that the proposed shock wave-based sensing technique provided an effective alternative to vibration measurement, while requiring less space for sensor installation.
International Journal of Precision Engineering and Manufacturing
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제4권1호
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pp.37-42
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2003
Active control of flexural vibrations of smart laminated composite beams has been carried out using piezoceramic sensor/actuator and viscoelastic material. The beams with passive constrained layer damping have been analyzed by formulating the equations of motion through the use of extended Hamilton's principle. The dynamic characteristics such as damping ratio and modal damping of the beam are calculated for various fiber orientations by means of iterative complex eigensolution method. This paper addresses a design strategy of laminated composite under flexural vibrations to design structure with maximum possible damping capacity.
The piezoelectric transverse $d_{15}$ shear sensing mechanism is firstly assessed experimentally for a cantilever smart sandwich plate made of a piezoceramic axially poled patched core and glass fiber reinforced polymer composite faces. Different electrical connections are tested for the assessment of the sensor performance under a varying amplitude harmonic (at 24 Hz) force. Also, the dynamic response of the smart sandwich composite structure is monitored using different acquisition devices. The obtained experimentally sensed voltages are compared to those resulting from the benchmark three-dimensional piezoelectric coupled finite element simulations using a commercial code where realistic features, like equipotential conditions on the patches' electrodes and mechanical updating of the clamp, are considered. Numerically, it is found that the stiffness of the clamp, which is much softer than the ideal one, has an enormous influence on the sensed voltage of its adjacent patch; therefore, sensing with the patch on the free side would be more advantageous for a cantilever configuration. Apart from confirming the latter result, the plate benchmark experimental assessment showed that the parallel connection of its two oppositely poled patches has a moderate performance but better than the clamp side patch acting as an individual sensor.
Many analytical and experimental studies on the active suppression of nonlinear panel flutter by using piezoceramic patch have been carried out. However, these active control methods have a few important problems; a large amount of power is required to operate actuators, and additional apparatuses such as sensor systems and controller are needed. In this study passive suppression schemes for nonlinear flutter of composite panel, which is believed to be more robust suppression system than active control in practical operation, are proposed by using piezoelectric inductor-resistor series shunt circuit. Toward the end, a finite element equation of motion for an electromechanically coupled system is proposed using the Hamilton's principle. To achieve the best damping effect, optimal shape and location of the piezoceramic(PZT) patches are determined by using genetic algorithms. The results clearly demonstrate that the passive damping scheme by using piezoelectric shunt circuit can effectively attenuate the flutter.
This study deals with the active vibration control system for an all-clamped rectangular plate with piezoceramic actuators and sensors. A line nonent algorithm (LMA) with the distributed modal sensitivity(DMS) is proposed to reduce the structural vibrations effectively and to select the optimal locations and the optimal directions (skewed angles) of uniform piezoelectric actuators or sensors. Experimental results show that eachmode can attenuated byabout 10 .approx. 13 dB in case a piezoelectric actuator generate the psuedo-random disturbances that excite the plate modes.
This paper is concerned with the active vibration controller design for the grid structure based on the positive position feedback (PPF) and the strain rate feedback (SRF) control. A new control methodology by the combination of the PPF and SRF control can suppress all the modes of the structure theoretically and can be easily implemented with analog circuits. The underlying concept for the design of the new controller is that the SRF controller stabilizes the modes higher than the second mode and the PPF controller stabilizes the fundamental mode which is destabilized by the SRF controller. In order for the new controller to be implemented succesfully, the collocated control is necessary. To this end, the piezoceramic sensor and actuator are located as close as possible, thus realizing the nearly collocated control. The combined PPF and ARF controller proves its effectiveness by experiments.
A method for damage detection in a plate structure is presented based on strain waves that are generated by impact or damage in the structure. Strain responses from continuous sensors, which are long ribbon-like sensors made from piezoceramic fibers or other materials, were used with a neural network technique to estimate the damage location. The continuous sensor uses only a small number of channels of data acquisition and can cover large areas of the structure. A grid type structural neural system composed of the continuous sensors was developed for effective damage localization in a plate structure. The ratios of maximum strains and arrival times of the maximum strains obtained from the continuous sensors were used as input data to a neural network. Simulated damage localizations on a plate were carried out and the identified damage locations agreed reasonably well with the exact damage locations.
The flexural vibration of aluminum beams with active and passive constrained-layer damping has been investigated experimentally to design structure with maximum possible damping capacity. Piezoelectric film is used as sensor and piezoceramic as actuator for negative velocity feedback control. This paper shows the effectiveness of active constrained-layer damping treatment through experiment, and we have carried out an experiment to study effect of beam thickness.
Ultrasonic motors provide high torques and quick responses compared to their magnetic counterparts; therefore, they are widely used in small-scale applications such as mobile phones, microrobots, and auto-focusing modules in digital cameras. To determine the feasibility of lead-free piezoceramics for ultrasonic motor applications, we fabricated a ring-type piezoceramic with a KNN-based lead-free piezoceramic (referred to as CZ5), intended for use in an auto-focusing module of a digital camera. The vibration of the lead-free stator was observed at 45.1 kHz. It is noteworthy that the fully assembled lead-free ultrasonic motor exhibited a revolution speed of 5-7 rpm, even though impedance matching with neighboring components was not considered. This result suggests that the tested KNN-based piezoceramic has great potential for use in ultrasonic motor applications, requiring minimal modifications to existing lead-based systems.
In this study, the acoustic transducer of a thin circular disc-type with PZT/Metal was designed. The dielectric and piezoelectric properties of $0.5wt\%$$MnO_2$ and NiO doped 0.1Pb($Mg_{1/3}$$Nb_{2/3}$)$O_3$-$0.45PbTiO_3$-$0.45PbZrO_3$ ceramics were investigated aiming at acoustic transducer applications. The vibration characteristics for the laminated circular plate was analyzed for the various thickness and diameter of the piezoceramic layer and metal layer. The acoustic characteristics which is radiated from the acoustic transducer within the finite space was simulated using the finite element method. It has been observed that the characteristics of the sound pressure ard impedance response calculated for the various models of the size and geometry of acoustic transducer.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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