Piezoceramic transducers have been widely used in the health monitoring of civil structures. However, in most cases, they are used as sensors either to measure strain or receive stress waves. This paper proposes a method of using piezoelectric transducers as strain gauges and acoustic emission (AE) sensors simultaneously. The signals received by piezoceramic transducers are decomposed into different frequency components for various analysis purposes. The low-frequency signals are used to measure strain, whereas the high-frequency signals are used as acoustic emission signal associated with local damage. The b-value theory is used to process the AE signal in piezoceramic transducers. The proposed method was applied in the bending failure experiments of two reinforced concrete beams to verify its feasibility. The results showed that the extracted low-frequency signals from the piezoceramic transducers had good agreement with that from the strain gauge, and the processed high-frequency signal from piezoceramic transducers as AE could indicate the local damage to concrete. The experimental results verified the feasibly of structural health monitoring using piezoceramic transducers as strain gauges and AE sensors simultaneously, which can advance their application in civil engineering.
Lee, Ku Tak;Park, Jung Soo;Cho, Jeong Ho;Jeong, Young Hun;Paik, Jong Hoo;Yun, Ji Sun
Journal of the Korean Ceramic Society
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v.52
no.4
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pp.237-242
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2015
$Bi_{0.5}(Na_{0.78}K_{0.22})_{0.5}TiO_3$ (BNKT) lead-free piezoelectric ceramics modified by $LaMnO_3$ (LM) were fabricated by conventional solid-state method. The crystal structure and the morphology of the lead free ceramics were analyzed by XRD (X-ray diffraction) and FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscopy). The LM modified BNKT ceramics have a phase transition from ferroelectric tetragonal to non-polar pseudo-cubic. Despite decreases in the remnant polarization ($P_r$) and coercive field ($E_c$) in the P-E hysteresis loops, the electric-field induced strain properties were significantly enhanced by the LM modification. The highest value of $S_{max}/E_{max}=412pm/V$ at an applied electric field of 5 kV/mm was found in BNKT-0.01LM ceramic.
When designing an underwater Piezoelectric Energy Harvester (PEH), Vortex Induced Vibration (VIV) is generated throughout the cantilever through a change in curvature, and the generation of VIV increases the vibration displacement of the curved cantilever PEH, which is an important factor in increasing actual power. The material of the curved PEH selected a Polyvinyline Di-Floride (PVDF) piezoelectric film, and the flow velocity is set at 0.1 m/s to 0.50 m/s for 50 mm, 130 mm, and 210 mm with various curvatures. The strain energy change of PEH by VIV was observed. The smaller the radius of curvature, the larger the VIV, and as the flow rate increased, more VIV appeared. Rapid shape transformation due to the small curvature was effective in generating VIV, and strain energy, normalized voltage, average power, etc. To increase the amount of power of the PEH, it is considered that the average power will increase as the number of curved PEHs increases as well as the steep curvature is improved.
The contribution of the non-$180^{\circ}C$ domains to the electric-field-induced strains (EFI-strains) of PZT ceramics was evaluated by an XRD method and by an interferometric method. The XRD intensity ratio of 200 and 002 diffraction peaks of tetragonal PZT was measured under strong electric fields. The amount of the $90^{\circ}$ domain reorientation was evaluated and the strain due to the domain reorientation was calculated. It was confirmed that the EFI-strain of PZT ceramics was equal to the sum of the strain calculated from the d$_33$ constant determined by the resonance-antiresonance method and the strain due to the $90^{\circ}$ domain reorientation. The amount of the $90^{\circ}$domain reorientation has a linear relation with the c/a ratio in the "soft" PZT ceramics. A Mech-Zehnder interferometer was constructed to measure the EFI-strains vs. electric-field curves of PZT ceramics as a function of frequency. The EFI-strain vs. electric-field curve showed a hysteresis due to the effect of the non-$180^{\circ}$ domain reorientation when the applied voltage was high and its frequency was low. The apparent piezoelectric constant increased from the d$_33$ value determined by the resonance-antiresonance method with decreasing frequency. This deviation was attributed to the non-$180^{\circ}$ domain contribution.tribution.
We have carried out laboratory measurements of P-wave velocity and deformation strain during $CO_2$ injection into a porous sandstone sample, in dry and water-saturated conditions. The rock sample was cylindrical, with the axis normal to the bedding plane, and fluid injection was performed from one end. Using a piezoelectric transducer array system, we mapped fluid movement during injection of distilled water into dry sandstone, and of gaseous, liquid, and supercritical $CO_2$ into a water-saturated sample. The velocity changes caused by water injection ranged from $5.61\;to\;7.52\%$. The velocity changes caused by $CO_2$ injection are typically about $-6\%$, and about $-10\%$ for injection of supercritical $CO_2$, Such changes in velocity show that the seismic method may be useful in mapping $CO_2$ movement in the subsurface. Strain normal to the bedding plane was greater than strain parallel to the bedding plane during $CO_2$ injection; injection of supercritical $CO_2$ showed a particularly strong effect. Strain changes suggest the possibility of monitoring rock mass deformation by using borehole tiltmeters at geological sequestration sites. We also found differences associated with $CO_2$ phases in velocity and strain changes during injection.
The Transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers
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v.60
no.3
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pp.594-599
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2011
A SAW strain sensor based on Shear Horizontal wave with an 92 MHz central frequency was developed. It consists of SAW sensor, PCB substrate and bonding material (Loctite 401). External force applied to PCB substrate bonded to a piezoelectric substrate induces strain at the substrate surface, which causes changes in the elastic constant and density of the substrate and hence the propagation velocity of the SAW. The change in the velocity of the SAW result in a frequency shift of the sensor and by measuring a frequency shift, we can extract the strain induced by the external force. The $41^{\circ}$ YX $LiNbO_3$ was used because it has a Leaky shear horizontal(SH) wave propagation mode and a high electromechanical coupling coefficient ($K^2$=17.2%). And to compare with Rayleigh wave mode, $128^{\circ}$ YX $LiNbO_3$ was used. And to make a stable and low insert loss, Split IDT structure was used. The obtained sensitivity and linearity of the SAW strain sensor in the case of Split IDT were measured to be 17.2 kHz / % and 0.99, respectively.
Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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v.30
no.3
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pp.157-161
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2017
$(1-x)Bi_{0.5}(Na_{0.78}K_{0.22})_{0.5}TiO_3-xLaFeO_3$ ceramics were fabricated using a solid state reaction method. The microstructural, ferroelectric and piezoelectric properties were characterized using X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscope (SEM), and polarization hysteresis loops (P-E). XRD results indicated that BNKT ceramic crystal structure modified by $LaFeO_3$ was transformed from a ferroelectric tetragonal to a non-polar pesudo-cubic phase with increased $LaFeO_3$ content. The improved piezoelectric properties resulted from the addition of $LaFeO_3$ up to 3 mol%. The $LaFeO_3$ 3mol% sample showed markedly improved piezoelectric and strain behaviors in comparison with pure BNKT ceramic.
Park, Jung Soo;Lee, Ku Tak;Cho, Jeong Ho;Jeong, Young Hun;Paik, Jong Hoo;Yun, Ji Sun
Journal of the Korean Ceramic Society
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v.51
no.6
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pp.527-532
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2014
$0.97Bi_{0.5+x}(Na_{0.78}K_{0.22})_{0.5-3x}TiO_3-0.03LaFeO_3$ lead-free piezoelectric ceramics were fabricated by a solid state reaction method. $LaFeO_3$ additives were added to $Bi_{0.5}(Na_{0.78}K_{0.22})_{0.5}TiO_3$ for volatile compensation of bismuth and sodium ions in the sintering process. To create A-site vacancies, the mole ratio and charge valence of A-site ions ($Bi^{3+}$, $Na^+$ and $K^+$) were controlled. The improved piezoelectric properties were observed by addition of $LaFeO_3$ and control of A-site vacancies. In particular, a $d_{33}^*(S_{max}/E_{max})$ value of 614pm/V and an electric field induced strain of 0.33% was observed in $0.97Bi_{0.505}(Na_{0.78}K_{0.22})_{0.485}TiO_3-0.03LaFeO_3$ ceramic.
In the present work, the buckling analysis of micro sandwich plate with an isotropic/orthotropic cores and piezoelectric/polymeric nanocomposite face sheets is studied. In this research, two cases for core of micro sandwich plate is considered that involve five isotropic Devineycell materials (H30, H45, H60, H100 and H200) and an orthotropic material also two cases for facesheets of micro sandwich plate is illustrated that include piezoelectric layers reinforced by carbon and boron-nitride nanotubes and polymeric matrix reinforced by carbon nanotubes under temperature-dependent and hydro material properties on the elastic foundations. The first order shear deformation theory (FSDT) is adopted to model micro sandwich plate and to apply size dependent effects from modified strain gradient theory. The governing equations are derived using the minimum total potential energy principle and then solved by analytical method. Also, the effects of different parameters such as size dependent, side ratio, volume fraction, various material properties for cores and facesheets and temperature and humidity changes on the dimensionless critical buckling load are investigated. It is shown from the results that the dimensionless critical buckling load for boron nitride nanotube is lower than that of for carbon nanotube. It is illustrated that the dimensionless critical buckling load for Devineycell H200 is highest and lowest for H30. Also, the obtained results for micro sandwich plate with piezoelectric facesheets reinforced by carbon nanotubes (case b) is higher than other states (cases a and c).The results of this research can be used in aircraft, automotive, shipbuilding industries and biomedicine.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.22
no.4
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pp.372-376
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2012
The most common type of the piezoelectric energy harvester is the cantilevered beam since it is attached to the host structure and tuned to the frequency of the base excitation easily. However, the excessive strain at the fixed end of cantilevered beam causes some problems such as fatigue and durability. The use of higher vibration modes of the cantilevered beam may reduce the concentration of the strain at the fixed end since the strains of higher modes are distributed along the span. The results show that the use of high vibration mode is not efficient for power generation, but it reduces the excessive strain lever at typical region to prevent the failure by fatigue.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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