Piezoelectric energy harvesting has attracted increasing attention over the last decade as a means for generating sustainable and long-lasting energy from wasted mechanical energy. To develop self-powered wearable devices, piezoelectric materials should be flexible, stretchable, and bio-eco-friendly. This study proposed the fabrication of stretchable piezoelectric composites via dispersing perovskite-structured BaTiO3 nanoparticles inside an Ecoflex polymeric matrix. In particular, the stretchable piezoelectric sensor array was fabricated via a simple and cost-effective spin-coating process by exploiting the piezoelectric composite comprising of BaTiO3 nanoparticles, Ecoflex matrix, and stretchable Ag coated textile electrodes. The fabricated sensor generated an output voltage of ~4.3 V under repeated compressing deformations. Moreover, the piezoelectric sensor array exhibited robust mechanical stability during mechanical pushing of ~5,000 cycles. Finite element method with multiphysics COMSOL simulation program was employed to support the experimental output performance of the fabricated device. Finally, the stretchable piezoelectric sensor array can be used as a self-powered touch sensor that can effectively detect and distinguish mechanical stimuli, such as pressing by a human finger. The fabricated sensor demonstrated potential to be used in a stretchable, lead-free, and scalable piezoelectric sensor array.
A new three-dimensional thin shell element for a structure containing an integrated distributed piezoelectric sensor and actuator is Proposed. The assumed strain formulation and the bubble function are introduced to improve the performance of the shell element. A finite element formulation gives a general tool that can predict the static or dynamic responses of the shell with piezoelectric sensor/actuator. The verification through the calculation of the static response for the piezoelectric bimorph beam shows that the results agree with those from the theoretical analysis very well. Dynamic response of a shell shows that the reduction of vibration is possible with the introduction of the piezoelectric shell sensor and actuator. However. the curvature of sensor/actuator is an obstacle for application, since the flexible PVDF is not strong enough and the PZT with curvature should be made specially.
In this study, coupled mode piezoelectric devices for AE sensor application with excellent displacement and piezoelectric characteristics were simulated using ATILA FEM program, and then fabricated. Displacements and electromechanical coupling factors of the piezoelectric devices were investigated. The simulation results showed that excellent displacement and electromechanical coupling factor were obtained when the ratio of diameter/thickness was 1.0. The piezoelectric device of ${\Phi}/T$= 1.0 exhibited the optimum values of fr= 406 kHz, displacement= $6.11{\times}10^{-8}[m]$, $k_{eff}$= 0.648. The results show that the coupled vibration mode piezoelectric device is a promising candidate for the application of AE sensor piezoelectric device.
This paper deals with the development of a contact-type counting device using a piezoelectric polymer film as a sensor. The piezoelectric and vibration characteristics of the film under a bending vibration were investigated theoretically and experimentally. A counting device, which includes filters, an amplifier, an analog-digital converter, and a display, was designed and fabricated. The performance of the piezoelectric polymer sensor was evaluated in the sense of the responses to contact force, contact frequency, and contact speed. The life and the temperature effect were also investigated for the piezoelectric film sensor.
This paper deals with the development of a contact-type counting device using a piezoelectric polymer film as a sensor. The piezoelectric and vibration characteristics of the film under a bending vibration were investigated theoretically and experimentally. A counting device, which includes filters, an amplifier, an analog-digital converter, and a display, was designed and fabricated. The performance of the piezoelectric polymer sensor was evaluated in the sense of the responses to contact force, contact frequency, and contact speed. The life and the temperature effect were also investigated for the piezoelectric film sensor.
In this study, in order to develop coupled vibration mode piezoelectric devices for Acoustic Emission (abbreviated as AE) sensor application with outstanding displacement and piezoelectric properties have been simulated by ATILA FEM program. And, From the results of ATILA simulation, the AE sensor specimen, obtained superior electromechanical coupling factor and displacement, when the size of specimen is $3.45mm{\Phi}{\times}3.45mm$ with ratio of diameter/thickness(${\Phi}/T$)= 1.0. Therefore, AE sensor was fabricated by (Na,K,Li)(Nb,Ta) $O_3$(abbreviated as NKL-NT) system piezoelectric ceramics using coupled vibration mode. The piezoelectric properties of NKL-NT ceramics was exhibited that piezoelectric constant($d_{33}$), piezoelectric voltage constant($g_{33}$) and electro mechanical coupling factor($k_p$) have the excellent values of 261[pC/N], 40.10[$10^{-3}Vm/N$], and 0.44, respectively. The manufactured piezoelectric device with ratio of ${\Phi}/T$= 1.0 indicated the optimum values of resonant frequency(fr)= 556.5[kHz], antiresonant frequency(fa)=631.1[kHz], and effective electromechanical coupling factor(keff)= 0.473. The maximum sensitivity of the coupled vibration mode AE sensor was 55[dB] at the resonant frequency of 75[kHz]. The results show that the coupled vibration mode piezoelectric device is a promising candidate for the application AE sensor piezoelectric device.
In this study, the setting times of concrete was evaluated using the electro-mechanical (EMI) behavior of piezoelectric sensor embedded in the concrete. Penetration resistance test was also performed to compare with EMI sensing technique. As a result, the setting times of concrete can be measured more effectively than penetration resistance test through the EMI sensing technique using the piezoelectric sensor.
A cantilever type piezoceramic vibration sensor was developed that could make up for the short-comings of current vibration sensors, such as high price, low sensitivity, and complex structure. For the design, in conjunction with piezoelectric constitutive equations, we derived full analytic response equations of the piezoelectric bimorph sensor to external forces. The external forces were supposed to take the form of either step or sinusoidal force. Based on the results, actual piezoelectric vibration sensors were fabricated and tested for verification of the theoretical results. Further, comparison of the performance of the developed sensor was made with that of a commercially available representative vibration sensor so that quantitative evaluation of its sensitivity could be made. The sensor developed in this work showed excellent sensitivity and thermal stability in addition to the merits of simple structure and low fabrication cost in comparison with conventional mass-loaded piezoelectric sensors.
압전 페인트 센서는 압전 세라믹의 주성분인 압전 파우더와 에폭시의 결합으로 이루어진 페인트형 센서이다. 이 센서는 일반 페인트와 같이 구조물에 도포되기 때문에 다른 어느 센서보다 구조물에 부착이 용이하다. 본 연구에서는 압전 페인트센서가 도포된 구조물의 충격 감지 정도를 판단하고자 하였다. 특히, 철도차량을 대상으로 연구를 진행하고자 하였다. 철도차량 운용 중에 발생하는 자갈 비산으로 인해 발생하는 충격손상이 많이 보고되고 있고, 이러한 충격손상을 방지하고자 차량 하부구조물 전체 표면에 발생하는 충격신호를 실시간으로 감지할 필요가 있다. 철도차량이 운행되는 환경을 고려하여 압전 페인트시편을 $-20{\sim}60^{\circ}C$의 열사이클 환경에 노출시켜 센서의 감도 변화를 측정하였다. 알루미늄 시편에 압전 페인트센서를 도포하여 감도 측정을 수행한 결과, 열사이클 환경 전후에 감도 차이가 크지 않음을 확인하였고 이를 통해 환경 노출 후에도 압전 페인트센서로 충격 감지가 가능함을 확인하였다.
A micro positioning system using piezoelectric actuators have very wide application region such as ultra-precision machine tool optical device measurement system. In order to keep a high precision displacement resolution it to useful to take a position sensor and feedback of the error. From the practical point of view high-resolution displacement sensor systems are very expensive and it is difficult to make such a sensitive sensor work properly in a poor operational environment of industry. In this study a piezo-electric micro-depth control system which does not require position sensor but piezoelectric voltage feedback has been developed. It is driven by hysteresis-considering reference input voltage calculated in advance and actuator/sensor characteristics of piezoelectric materials. From the result of experiments a fast and stable response of micro-depth control system has been achieved and an efficient technique to control the piezoelectric actuator suggested.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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