The development of a digital signal processor based prototype is described in relation to continuing efforts for realizing a fully self-contained active sensor system utilizing impedance-based structural health monitoring. The impedance method utilizes a piezoelectric material bonded to the structure under observation to act as both an actuator and sensor. By monitoring the electrical impedance of the piezoelectric material, insights into the health of the structured can be inferred. The active sensing system detailed in this paper interrogates a structure utilizing a self-sensing actuator and a low cost impedance method. Here, all the data processing, storage, and analysis is performed at the sensor location. A wireless transmitter is used to communicate the current status of the structure. With this new low cost, field deployable impedance analyzer, reliance on traditional expensive, bulky, and power consuming impedance analyzers is no longer necessary. A complete power analysis of the prototype is performed to determine the validity of power harvesting being utilized for self-containment of the hardware. Experimental validation of the prototype on a representative structure is also performed and compared to traditional methods of damage detection.
Song, Woo-Seog;Lee, Seung-Bae;Shin, Dong-Shin;Na, Yang
Journal of Mechanical Science and Technology
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제20권11호
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pp.1993-2001
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2006
The piezoelectric bimorph film, which, as an actuator, can generate more effective displacement than the usual PVDF film, is used to control the turbulent boundary-layer flow. The change of wall pressures inside the turbulent boundary layer is observed by using the multi-channel microphone array flush-mounted on the surface when actuation at the non-dimensional frequency $f_b^+$:=0.008 and 0.028 is applied to the turbulent boundary layer. The wall pressure characteristics by the actuation to produce local displacement are more dominantly influenced by the size of the actuator module than the actuation frequency. The movement of large-scale turbulent structures to the upper layer is found to be the main mechanism of the reduction in the wall- pressure energy spectrum when the 700$700{\nu}/u_{\tau}$-long bimorph film is periodically actuated at the non- dimensional frequency $f_b^+$:=0.008 and 0.028. The biomorph actuator is triggered with the time delay for the active forcing at a single frequency when a 1/8' pressure-type, pin-holed microphone sensor detects the large-amplitude pressure event by the turbulent spot. The wall-pressure energy in the late-transitional boundary layer is partially reduced near the convection wavenumber by the open-loop control based on the large amplitude event.
This is the first research on the smart control and vibration analysis of a Graphene nanoplatelets (GPLs) Reinforced Composite (GPLRC) porous cylindrical shell covered with piezoelectric layers as sensor and actuator (PLSA) in the framework of numerical based Generalized Differential Quadrature Method (GDQM). The stresses and strains are obtained using the First-order Shear Deformable Theory (FSDT). Rule of the mixture is employed to obtain varying mass density and Poisson's ratio, while the module of elasticity is computed by modified Halpin-Tsai model. The external voltage is applied to sensor layer and a Proportional-Derivative (PD) controller is used for sensor output control. Governing equations and boundary conditions of the GPLRC cylindrical shell are obtained by implementing Hamilton's principle. The results show that PD controller, length to radius ratio (L/R), applied voltage, porosity and weight fraction of GPL have significant influence on the frequency characteristics of a porous GPLRC cylindrical shell. Another important consequence is that at the lower value of the applied voltage, the influence of the smart controller on the frequency of the micro composite shell is much more significant in comparison with the higher ones.
Characteristics of a wireless sensor powered by the IDE (interdigitated electrode) embedded piezoelectric cantilever generator were analyzed in order to evaluate its potential for use in wireless sensor applications. The IDE embedded piezoelectric cantilever was designed and fabricated to have a self-resonance frequency of 126 Hz and acceleration of 1.57 G, respectively, for the mechanical resonance with a practical conveyor system in a thermal-power plant. It produced maximum output power of 2.81 mW under the resistive load of $160{\Omega}$ at 126 Hz. The wireless sensor module is electrically connected to a rectifier capacitor with capacity of 0.68 farad and 3.8 V for power supply by the piezoelectric cantilever generator. The unloaded capacitor could be charged as a rate of approximately $365{\mu}V/s$ while the capacitor exhibited that of 0.997 mV/min. during communication under low duty cycle of 0.2%. Therefore, it is considered that the fabricated IDE embedded piezoelectric cantilever generator can be used for wireless sensor applications.
Active control of forced vibration response of a fixed-fixed beam implementing PZT sensor/actuator was conducted. Among various control scheme, PPF control was chosen due to its amenability and natural robustness. For a single frequency excitation, the PPF control provided reasonable controllability with the appropriate damping ratio of the compensator. Without increasing actuator voltage, best controllability can be obtained by the exact tuning between the natural frequency of the structure and the cut-off frequency of the compensator. Even the multi-frequency excitation, the PPF provided good vibration suppression for corresponding mode of interest, even though residual modes should be controlled with independent compensators for each mode.
A boundary control method that controls interior state by actively controlling the boundary conditions in boundary value problems is proposed for the vibration control of flexible beam by using piezoelectric actuators. The governing equations are derived based on the Euler beam theory and the reduced order model is obtained by modal truncation. The spillover effects caused by the uncontrolled high frequency modes are analyzed and the method selecting a suitable sensor location is also proposed. The lag compensator in digital form is realized by using a microcomputer and its peripheral devices. The efficiency of the proposed control scheme is demonstrated experimentally and compared with the simulation results.
This papers describes the preparation and experimental results of a micro mass detection devices based on cantilever and a diffuser-type micro pump using screen printing thick-film technologies and Si micro-machining. PZT-PCW thick films were prepared by new hybrid method based on the screen printing. By applying these PZT-PCW piezoelectric thick films on actuator, a cantilever for mass detection sensor and a micropump for microfluidic element are successfully fabricated. Resonant frequency and displacement of PZT-PCW thick film actuator in air and in liquid are measured by laser vibrometer system as a function of actuator size. The resonant frequency of PZT-PCW thick film actuator in liquid decreases order of 1/2-1/4 due to damping effect. The sensitivity of cantilever is characterized by Au deposition method which has the mass loading effect such as adsorption of protein. The Sensitivity of PZT-0.12PCW thick film cantilever is proportional to detecting area.
제어로봇시스템학회 1993년도 한국자동제어학술회의논문집(국제학술편); Seoul National University, Seoul; 20-22 Oct. 1993
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pp.202-207
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1993
A theoretical and experimental study is presented for the force holding control of a miniature robotic ringer which is driven by a pair of piezoelectric unimorph cells. In the theoretical analysis, one finger is modeled as a flexible cantilever with a tactile force sensor at the tip and the mate of the finger is a solid beam supposed with sufficient stiffness. Further, the force sensor is modeled by a one-degree-of-freedom, mass-spring system and the output of sensor is then described by the sensor stiffness multiplied by the relative displacement. The problem investigated in this paper is that two typical holding tasks of the human finger are picked up and applied to the robotic finger. One is the work holding a stationary object with a prescribed, time-varying force and the other one is to keep the contacted force constant even if the object is in motion. The simple PID feedback control scheme is used to control the minute gripping force of order 0.01 Newton. It is shown both experimentally and theoretically that the artificial finger with the piezoelectric actuator works well in the minute force holding of the tiny object.
This paper presents the robust control simulation of a composite beam using self-sensing actuators(SSA). The self-sensing actuator is a new concept for intelligent material, where a single piezoelectric element simultaneously functions as both a sensor and an actuator. In a practical implementation of the self-sensing actuator an electrical bridge circuit is used to measure strain. The circuit could provide significant information about strain in the element if it were well-balanced. Our aim is design a robust controller which guarantees that the performance of a self-sensing actuator is robust against perturbation of the bridge balance and to confirm the advantages of this technique. Simulation results show that the self-sensing actuator driven by the designed controller exhibits excellent performance in suppressing the vibration of a composite beam.
This paper presents the study on damage diagnosis of an intelligent cantilevered beams using PZT actuator and PVDF sensor This study provides the theoretical and experimental verification to examine structural damage. Time domain analysis for the non-destructive detection of damage is presented by parameterized partial differential equations and Galerkin approximation techniques. The time histories of the vibration response of structure were used to identify the presence of damage. Furthermore, this systematic approach permits one to use the piezomaterials to both excite and sense the vibration of structures. We also carried out the experimental verification about reliability of theoretical methods fur detecting the damage of a composite beam with PZT actuator and PVDF sensor. Experimental results are presented from tests on cantilevered composite beams which is damaged at different location and different dimensions. The results were compared with the simulation results. Good agreement between the results was found for the time shifts and amplitude difference in transients response of the cantilevered beam.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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