A simple interferometric method to measure the calibration factor and displacement amplification in piezoelectric flextensional actuators

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Interferometria óptica aplicada à medição de amplitudes de vibração nanométricas em piezoatuadores flextensionais

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Novas técnicas de detecção de fase óptica em interferômetros homódinos aplicadas à caracterização de atuadores piezoelétricos flextensionais

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Novas configurações de interferômetros de quadratura e de técnicas de detecção de fase óptica baseadas em phase unwrapping

Pós-graduação em Engenharia Elétrica - FEIS

Estudo e desenvolvimento de um sensor de chuva piezoelétrico para automóveis

A presença de sistemas eletrónicos nos veículos automóveis tem vindo a aumentar de forma considerável nos últimos 30 anos, tornando possível o aumento dos padrões de eficiência, segurança e conforto dos mesmos. Os sistemas de acionamento automático dos limpa-para-brisas, baseados em sensores de chuva óticos, têm registado um crescimento quase exponencial nos últimos 10 a 15 anos; no ano 2000, apenas 5 % dos veículos novos produzidos na Europa estavam equipados com este sistema, hoje é um equipamento amplamente difundido na oferta automóvel existente. O presente trabalho consistiu no estudo de uma solução para deteção de chuva em veículos automóveis com a aplicação de um sensor piezoelétrico, tendo em vista a obtenção de uma solução mais versátil e aplicável em vários pontos do veículo. As reduzidas dimensões, a elevada sensibilidade do sensor e a facilidade de aplicação nas superfícies de ensaio foram fatores que motivaram a escolha deste tipo de equipamento como elemento sensorial. As hipóteses definidas para o procedimento laboratorial basearam-se nas conclusões obtidas em estudos anteriormente desenvolvidos no campo dos sensores de chuva para automóveis e nas capacidades dos materiais piezoelétricos para medição de pluviosidade. Os sensores foram instalados sob as superfícies do veículo que apresentavam, simultaneamente, uma maior exposição à pluviosidade, quando este está em movimento, e um menor risco de sofrer danos. Os resultados obtidos permitiram concluir que a utilização deste tipo de sensores permite detetar elevados níveis de pluviosidade e em superfícies com considerável capacidade de deformação elástica. A sua implementação futura em veículos automóveis exige mais algum trabalho de melhoria dos processos de fixação dos sensores e do condicionamento de sinal utilizados.

Estudo de um atuador planar

Um novo atuador planar eletromagnético multifase foi investigado. Este tipo de atuador pode ser utilizado em sistemas que requeiram movimento bidirecional sobre o plano como, por exemplo, em máquinas operatrizes industriais. O dispositivo em estudo possui uma armadura plana, estacionária, sem ranhuras e um carro com mobilidade planar. O núcleo da armadura é composto de uma chapa de material ferromagnético macio, em torno da qual estão montados os dois enrolamentos da armadura, que são ortogonais entre si. Cada enrolamento está dividido em seções ou fases. O carro, que possui dois ímãs permanentes de NdFeB de alto produto energético, está mecanicamente conectado a um sistema de suspensão, composto de rolamentos lineares e de trilhos, que permitem o seu deslocamento sobre a superfície da armadura, com dois graus de liberdade. Quando os ímãs permanentes estão localizados sobre as fases do enrolamento da armadura energizado com corrente, uma força eletromagnética planar de propulsão atuará sobre o carro, provocando seu deslocamento paralelamente à superfície da armadura. O atuador planar foi modelado analítica e teoricamente, com vistas a prever seu comportamento estático. O primeiro protótipo construído foi testado com a finalidade de avaliar suas características estáticas de funcionamento e de validar os modelos analítico e numérico. Os valores de densidade de fluxo no entreferro, de força normal e de força planar de propulsão, obtidos através dos ensaios, apresentaram uma boa aproximação em relação aos valores obtidos através dos modelos teóricos Tanto nos modelos teóricos, como no protótipo construído, foram avaliados dois casos distintos: no caso 1 foram utilizados no carro ímãs permanentes de 6,0 mm de comprimento axial e no caso 2, ímãs permanentes de 8,0 mm de comprimento axial. Os testes indicaram que a sensibilidade média do atuador planar para o caso 1 é de 3,61 N/A e para o caso 2 é de 5,37 N/A, quando as duas fases do enrolamento x localizadas sob os ímãs permanentes, foram percorridas por corrente.

Dynamic analysis of a new piezoelectric flextensional actuator using the J1-J4 optical interferometric method

Piezoelectric actuators are widely used in positioning systems which demand high resolution such as scanning microscopy, fast mirror scanners, vibration cancellation, cell manipulation, etc. In this work a piezoelectric flextensional actuator (PFA), designed with the topology optimization method, is experimentally characterized by the measurement of its nanometric displacements using a Michelson interferometer. Because this detection process is non-linear, adequate techniques must be applied to obtain a linear relationship between an output electrical signal and the induced optical phase shift. Ideally, the bias phase shift in the interferometer should remain constant, but in practice it suffers from fading. The J1-J4 spectral analysis method provides a linear and direct measurement of dynamic phase shift in a no-feedback and no-phase bias optical homodyne interferometer. PFA application such as micromanipulation in biotechnology demands fast and precise movements. So, in order to operate with arbitrary control signals the PFA must have frequency bandwidth of several kHz. However as the natural frequencies of the PFA are low, unwanted dynamics of the structure are often a problem, especially for scanning motion, but also if trajectories have to be followed with high velocities, because of the tracking error phenomenon. So the PFA must be designed in such a manner that the first mechanical resonance occurs far beyond this band. Thus it is important to know all the PFA resonance frequencies. In this work the linearity and frequency response of the PFA are evaluated up to 50 kHz using optical interferometry and the J1-J4 method.

Colheita de energia usando dispositivos baseados em materiais piezoelétrico

Recently, research on energy harvesting has increased substantially. Many researchers have concentrated their efforts to find the best configuration for these systems and to optimize their output power. In the process of energy harvesting, the electric energy is obtained by converting mechanics energy created by an environment vibration source by a transducer, for example, a thin piezoceramic film. That vibration source is, for example, a beam suffering some mechanic force able to generate a vibration in it, an oscillating beam is the best properly used example. Different mechanisms of electromechanical coupling have been developed to harvesting devices, and a particular interest has been given to the use of models that transform the mechanical vibration into electrical current using a piezoelectric element. In this paper we propose a model to energy harvesting from vibrations, from an oscillating beam, including non-linearities in the piezoelectric coupling and a non-ideal excitation in the material. From this model, it was developed a system to obtain some results about the harvested power by the material. It was demonstrated that the power captured was influenced by the effect of the nonlinearities of the piezoelectric coupling, modifying the system dynamic behavior

Nanodisplacement measurements of piezoelectric flextensional actuators using a new interferometry homodyne method

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Nano-displacement measurements of a new piezoelectric flextensional actuator by using a high dynamic range interferometry homodyne method

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Interferometric measurements of nanometric displacements in a Piezoelectric Flextensional Actuator by using the new J1...J5 method

In this work, nanometric displacement amplitudes of a Piezoelectric Flextensional Actuator (PFA) designed using the topology optimization technique and operating in its linear range are measured by using a homodyne Michelson interferometer. A new improved version of the J1...J4 method for optical phase measurements, named J1...J5 method, is presented, which is of easier implementation than the original one. This is a passive phase detection scheme, unaffected by signal fading, source instabilities and changes in visibility. Experimental results using this improvement were compared with those obtained by using the J1... J4, J1...J6(pos) and J1...J 6(neg) methods, concluding that the dynamic range is increased while maintaining the sensitivity. Analysis based on the 1/f voltage noise and random fading show the new method is more stable to phase drift than all those methods. © 2012 IEEE.

Analysis of linearity and frequency response of a novel piezoelectric flextensional actuator using a homodyne interferometer and the J(1)-J(4) method

Piezoelectric transducers are widely used in high-resolution positioning systems. This paper reports the experimental analysis of a novel piezoelectric flextensional actuator (PFA), which is designed by using the topology-optimization method through a low-cost homodyne Michelson interferometer. By applying the J(1) - J(4) method for signal demodulation, which provides a linear and direct measurement of dynamic optical phase shift independent of fading, the nanometric displacements of the PFA were determined. Linearity and frequency response of the PFA were evaluated up to 50 kHz. PFA calibration factor and amplification rate were determined for the PFA operating in the quasi-static regime. To confirm the observed frequencies of resonance, an impedance analyzer is also utilized to measure the magnitude and phase of the PFA admittance.

Comparative study of two autogenous graft techniques using piezosurgery for sinus lifting

PURPOSE: Maxillary sinus lifting is a technique, in which, a possible complication is sinus membrane perforation. The aim of this study was to compare two techniques using ultrasound surgery to perform autogenous graft for maxillary sinus lifting. METHODS: Ten rabbits were used in the study, one of them did not undergo surgery. The other nine rabbits had their maxillary sinuses filled with autogenous bone grafts collected from the external skull diploe in particulate form on the right side, and shaved on the left side, both with ultrasonic device. Data on bone density in left and right maxillary sinus, obtained by computed tomography in transverse and longitudinal sections, recorded 90 days after the grafts, were statistically compared. RESULTS: There were no statistically significant differences between the two techniques that used shaved and particulate bone collected by means of ultrasonic device from rabbit skulls. CONCLUSION: Assessment of operative procedures led to the conclusion that piezoelectric ultrasound was shown to be a safe tool in the surgical approach to the maxillary sinus of rabbits, allowing sinus membrane integrity to be maintained during surgical procedures.

Prensa electromagnética com recuperação de energia para corte e moldagem de chapas e tubos de AL

Foi desenvolvido um conversor de potência e atuador mecânico para a moldagem e corte, por ação de pressão magnética, de chapas e tubos de Al, com uma energia máxima de descarga de 10kJ. O conversor é composto por duas malhas de descarga em paralelo e duas malhas de recuperação de energia. O circuito é capaz de gerar uma corrente de pico de 50kA com uma taxa de variação máxima de 2kA/s através de um atuador, recuperar até 32% da sua energia inicial e diminuir o tempo de carga dos bancos de condensadores no mesmo valor, reduzindo assim a potência da fonte de alimentação primária Foram construídos vários atuadores de forma a otimizar o processo, considerando as várias funções pretendidas, como a deformação ou corte de chapas e compressão de tubos. O circuito elétrico aproximado desenvolvido em Matlab/Simulink foi validado, considerando apenas o funcionamento da malha primária sem o atuador e a dinâmica associada, sendo capaz de simular as respostas do sistema para várias situações específicas, tornando-se numa ferramenta para otimização do mesmo. Experimentalmente, os resultados obtidos provam ser possível cortar chapas Al de 0,5 e 0,8mm, com apenas 13% da energia total do circuito, e comprimir tubos de Al com 2mm de espessura e 50mm de diâmetro com apenas 2,4kJ. A topologia do circuito e a construção da máquina tiveram em conta vários aspetos que melhoram a proteção de pessoas e equipamentos e devida à sua configuração este é capaz de suportar variações de capacidade nos bancos de condensadores e variações de indutância nas bobinas de recuperação de energia sem se danificar.

Low-cost vibration sensors: tendencies and applications in condition monitoring of machines and structures

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica