A Modified Positive Velocity and Position Feedback scheme with delay compensation for improved nanopositioning performance

Acknowledgments This paper was sponsored by the Spanish FPU12/00984 Program (Ministerio de Educacion, Cultura y Deporte). It was also sponsored by the Spanish Government Research Program with the Project DPI2012-37062-CO2-01 (Ministerio de Economia y Competitividad) and by the European Social Fund.

Atenuação de vibrações em pás de helicópteros utilizando circuito piezelétrico semi-passivo

O uso de materiais inteligentes em problemas de controle de vibração tem sido investigado em diversas pesquisas ao longo dos últimos anos. Apesar de que diferentes materiais inteligentes estão disponíveis, o piezelétrico tem recebido grande atenção devido à facilidade de uso como sensores, atuadores, ou ambos simultaneamente. As principais técnicas de controle usando materiais piezoelétricos são os ativos e passivos. Circuitos piezelétricos passivos são ajustados para uma frequência específica e, portanto, a largura de banda efetiva é pequena. Embora os sistemas ativos possam apresentar um bom desempenho no controle de vibração, a quantidade de energia externa e hardware adicionado são questões importantes. As técnicas SSD (Synchronized Switch Damping) foram desenvolvidas como uma alternativa aos controladores passivos e controladores ativos de vibração. Elas podem ser técnicas semi-ativas ou semi-passivas que introduzem um tratamento não linear na tensão elétrica proveniente do material piezelétrico e induz um aumento na conversão de energia mecânica para energia elétrica e, consequentemente, um aumento no efeito de amortecimento. Neste trabalho, o controle piezoelétrico semi-passivo de uma pá piezelétrica engastada é apresentado e comparado com outros controladores. O modelo não linear electromecânico de uma pá com piezocerâmicas incorporados é determinado com base no método variacional-assintótico (VAM). O sistema rotativo acoplado não linear é resolvido no domínio do tempo, utilizando um método de integração alfa-generalizado afim de garantir a estabilidade numérica. As simulações são realizadas para uma vasta gama de velocidades de rotação. Em primeiro lugar, um conjunto de resistências (variando desde a condição de curto-circuito para a condição de circuito aberto) é considerada. O efeito da resistência ótima (que resulta em máximo amortecimento) sobre o comportamento do sistema é investigado para o aumento da velocidade de rotação. Mais tarde, a técnica SSDS é utilizada para amortecer as oscilações da pá com o aumento da velocidade de rotação. Os resultados mostram que a técnica SSDS pode ser um método útil para o controle de vibrações de vigas rotativas não lineares, tais como pás de helicóptero.

Estudo da intensificação da coalescência de emulsões de água em óleo com a aplicação de onda estacionária de ultrassom.

Considerando que o petróleo quando extraído dos poços em águas profundas chega a ter teor de água superior a 50% e que antes de ser enviado à refinaria deve ter uma quantidade de água inferior a 1%, torna-se necessário o uso de técnicas de redução da quantidade de água. Durante a extração do petróleo formam-se emulsões de água em óleo que são muito estáveis devido a um filme interfacial contendo asfaltenos e/ou resinas ao redor das gotas de água. Nesse trabalho é apresentada a utilização de ondas estacionárias de ultrassom para realizar a quebra dessas emulsões. Quando gotículas de água com dimensões da ordem de 10m, muito menores que o comprimento de onda, são submetidas a um campo acústico estacionário em óleo, a força de radiação acústica empurra as gotículas para os nós de pressão da onda. Uma célula de coalescência com frequência central ao redor de 1 MHz, constituída por quatro camadas sendo uma piezelétrica, uma de acoplamento sólido, uma com o líquido e outra refletora, foi modelada empregando o método da matriz de transferência, que permite calcular a impedância elétrica em função da frequência. Para minimizar o efeito do gradiente de temperatura entre a entrada e a saída da cavidade da célula, quando está em operação, foram utilizados dois transdutores piezelétricos posicionados transversalmente ao fluxo que são excitados e controlados independentemente. Foi implementado um controlador digital para ajustar a frequência e a potência de cada transdutor. O controlador tem como entrada o módulo e a fase da corrente elétrica no transdutor e como saída a amplitude da tensão elétrica e a frequência. Para as células desenvolvidas, o algoritmo de controle segue um determinado pico de ressonância no interior da cavidade da célula no intervalo de frequência de 1,09 a 1,15 MHz. A separação acústica de emulsões de água em óleo foi realizada em uma planta de laboratório de processamento de petróleo no CENPES/PETROBRAS. Foram testados a variação da quantidade de desemulsificante, o teor inicial de água na emulsão e a influência da vazão do sistema, com uma potência de 80 W. O teor final de água na emulsão mostrou que a aplicação de ultrassom aumentou a coalescência de água da emulsão, em todas as condições testadas, quando comparada a um teste sem aplicação de ultrassom. Identificou-se o tempo de residência no interior da célula de separação como um fator importante no processo de coalescência de emulsões de água e óleo. O uso de desemulsificante químico é necessário para realizar a separação, porém, em quantidades elevadas implicaria no uso de processos adicionais antes do repasse final do petróleo à refinaria. Os teores iniciais de água na emulsão de 30 e 50% indicam que o uso da onda estacionária na coalescência de emulsões não tem limitação quanto a esse parâmetro. De acordo com os resultados obtidos em laboratório, essa técnica seria indicada como uma alternativa para integrar um sistema de processamento primário em conjunto com um separador eletrostático.

The effect of carbon nanofillers on the performance of electromechanical polyaniline-based composite actuators

Different types of crystalline carbon nanomaterials were used to reinforce polyaniline for use in electromechanical bilayer bending actuators. The objective is to analyze how the different graphitic structures of the nanocarbons affect and improve the in situ polymerized polyaniline composites and their subsequent actuator behavior. The nanocarbons investigated were multiwalled carbon nanotubes, nitrogen-doped carbon nanotubes, helical-ribbon carbon nanofibers and graphene oxide, each one presenting different shape and structural characteristics. Films of nanocarbon-PAni composite were tested in a liquid electrolyte cell system. Experimental design was used to select the type of nanocarbon filler and composite loadings, and yielded a good balance of electromechanical properties. Raman spectroscopy suggests good interaction between PAni and the nanocarbon fillers. Electron microscopy showed that graphene oxide dispersed the best, followed by multiwall carbon nanotubes, while nitrogen-doped nanotube composites showed dispersion problems and thus poor performance. Multiwall carbon nanotube composite actuators showed the best performance based on the combination of bending angle, bending velocity and maximum working cycles, while graphene oxide attained similarly good performance due to its best dispersion. This parallel testing of a broad set of nanocarbon fillers on PAni-composite actuators is unprecedented to the best of our knowledge and shows that the type and properties of the carbon nanomaterial are critical to the performance of electromechanical devices with other conditions remaining equal.

Piezoelectric polymer transducers for dynamic pressure measurements. Final report.

National Highway Traffic Safety Administration, Washington, D.C.

Stress history measurements with piezoelectric crystals : preliminary report /

"U.S. Atomic Energy Commission Plowshare Program ; Project Gnome, Carlsbad, New Mexico, December 10, 1961"--Cover.

Liquid rocket actuators and operators

Cover title.

The electrical admittance of a homogeneous polarized fully electroded circular disc, loss-less and mechanically free : analysis, including Rayleigh correction, data for routine determination of elastic modulus and Piezoelectric coupling, and discussion of limitation of correction, anisotrophy parameters involved, and deductions concerning dimensional standarization /

"ONR Contract No. Nonr-1055(00)."

Direct support, general support, and depot maintenance manual : actuators, electro-mechanical, rotary TG-78/ASW-12(V), TG-78A/ASW-12(V), TG-78B/ASW-12(V), TG-79/ASW-12(V), TG-79A/ASW-12(V) ... and calibration units MX-2917/ASW-12(V), MX-2918/ASW-12(V), and MX-2919/ASW/12(V).

Includes index.

Analysis of the thermal stress behaviour of functionally graded hollow circular cylinders

This paper presents an analysis of the thermomechanical behavior of hollow circular cylinders of functionally graded material (FGM). The solutions are obtained by a novel limiting process that employs the solutions of homogeneous hollow circular cylinders, with no recourse to the basic theory or the equations of non-homogeneous thermoclasticity. Several numerical cases are studied, and conclusions are drawn regarding the general properties of thermal stresses in the FGM cylinder. We conclude that thermal stresses necessarily occur in the FGM cylinder, except in the trivial case of zero temperature. While heat resistance may be improved by sagaciously designing the material composition, careful attention must be paid to the fact that thermal stresses in the FGM cylinder are governed by more factors than are its homogeneous counterparts. The results that are presented here will serve as benchmarks for future related work. (C) 2003 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Modelling the input-output behaviour of piezoelectric structural health monitoring systems for composite plates

This paper investigates the input-output characteristics of structural health monitoring systems for composite plates based on permanently attached piezoelectric transmitter and sensor elements. Using dynamic piezoelectricity theory and a multiple integral transform method to describe the propagating and scattered flexural waves an electro-mechanical model for simulating the voltage input-output transfer function for circular piezoelectric transmitters and sensors adhesively attached to an orthotropic composite plate is developed. The method enables the characterization of all three physical processes, i.e. wave generation, wave propagation and wave reception. The influence of transducer, plate and attached electrical circuit characteristics on the voltage output behaviour of the system is examined through numerical calculations, both in frequency and the time domain. The results show that the input-output behaviour of the system is not properly predicted by the transducers' properties alone. Coupling effects between the transducers and the tested structure have to be taken into account, and adding backing materials to the piezoelectric elements can significantly improve the sensitivity of the system. It is shown that in order to achieve maximum sensitivity, particular piezoelectric transmitters and sensors need to be designed according to the structure to be monitored and the specific frequency regime of interest.

Optimally distributed actuator placement and control for a slewing single-link flexible manipulator

A method is proposed for determining the optimal placement and controller design for multiple distributed actuators to reduce the vibrations of flexible structures. In particular, application of piezoceramic patches to a horizontally-slewing single-link flexible manipulator modeled using the assumed modes method is investigated. The optimization method uses simulated annealing and allows placement of any number of distributed actuators of unequal length, although piezoceramics of fixed equal lengths are used in the example. It also designs an linear-quadratic-regulator controller as part of the optimization procedure. The measures of performance used in the investigation to determine optimality are the total mass of the system and the time integral of the absolute value of the hub and tip position error. This study also varies the relative weightings for each of these performance measures to observe the effects on the controller designs and piezoceramic patch positions in the optimized solutions.

Transient bending of a piezoelectric circular plate

Thin, piezoelectric circular plates are frequently used as active components in transducer and smart materials applications. This paper reports on the exact, explicit solution for the transient motion of a piezoelectric circular plate, built-in or simply supported on the edge and electrically grounded over the entire surface. Expressed by elementary Bessel functions and obtained via exact inverse Laplace transforms, the solution enables the efficient calculation of accurate system parameters. (C) 2004 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Modal characteristics of a flexible beam with multiple distributed actuators

A flexible structure with surface-bonded piezoceramic patches is modelled using Timoshenko beam theory. Exact mode shapes and natural frequencies associated with the flexural motion are computed for various piezoceramic distributed actuator arrangements. The effects of patch placement and of shear on the modal characteristics are demonstrated using a cantilevered beam as an example. Perfect bonding of the piezoceramic to the beam substructure is assumed, and for the purposes of this paper only passive piezoceramic properties are considered. The modelling technique and results obtained in a closed form are intended to assist investigations into the modelling and control of active structures with surface-bonded piezoceramic actuators. (C) 2003 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Random vibration of the functionally graded laminates in thermal environments

This work deals with the random free vibration of functionally graded laminates with general boundary conditions and subjected to a temperature change, taking into account the randomness in a number of independent input variables such as Young's modulus, Poisson's ratio and thermal expansion coefficient of each constituent material. Based on third-order shear deformation theory, the mixed-type formulation and a semi-analytical approach are employed to derive the standard eigenvalue problem in terms of deflection, mid-plane rotations and stress function. A mean-centered first-order perturbation technique is adopted to obtain the second-order statistics of vibration frequencies. A detailed parametric study is conducted, and extensive numerical results are presented in both tabular and graphical forms for laminated plates that contain functionally graded material which is made of aluminum and zirconia, showing the effects of scattering in thermo-clastic material constants, temperature change, edge support condition, side-to-thickness ratio, and plate aspect ratio on the stochastic characteristics of natural frequencies. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.