Controle activo de estruturas adaptativas com sensores e actuadores piezoeléctricos

Nos últimos anos o estudo de estruturas inteligentes tem atraído vários investigadores devido às suas potenciais vantagens numa larga gama de aplicações, tais como controle de forma, supressão de vibrações, atenuação de ruído e detecção de dano. O uso de materiais “inteligentes” tal como os materiais piezoeléctricos na forma de lâminas ou “patches”, embebidas ou coladas na superfície de estruturas construídas de materiais compósitos, permite assim obter estruturas que por um lado são adaptativas e por outro revelam excelentes propriedades mecânicas, aumentando assim bastante o desempenho e a fiabilidade de sistemas estruturais. Os materiais piezoeléctricos têm a propriedade de gerar uma carga eléctrica sob a acção duma carga mecânica e o reverso, isto é, aplicando um campo eléctrico nos elementos piezoeléctricos da estrutura, esta deforma-se. Neste trabalho, é apresentado um modelo de elementos finitos, baseado na teoria clássica de placas, desenvolvido para a análise do controle activo em estática e dinâmica lineares de estruturas integrando sensores e actuadores piezoeléctrico na forma de lâminas, os quais introduzem um grau de liberdade referente ao potencial eléctrico, por cada camada piezoeléctrica do elemento finito. É utilizado método de Newmark para a solução iterativa das equações de equilíbrio. Apresentam-se os resultados obtidos em três exemplos ilustrativos.

Sensores, actuadores y dispositivos electrónicos para la edificación

En este trabajo se presentan las líneas de investigación, y resultados, de Sensores y actuadores y Dispositivos electrónicos del Grupo de Sensores y Actuadores. Estas líneas de investigación están orientadas al desarrollo y aplicación de tecnologías, dentro del ámbito de la edificación, enfocadas a la mejora de la eficiencia energética. Se llevan a cabo, principalmente, en la Escuela Universitaria de Arquitectura técnica, y para ello se dispone de los medios asociados al Grupo de Sensores y Actuadores y situados en el laboratorio de Automatismos de la Escuela Universitaria de Arquitectura técnica

Diseño y realización de una interfaz electrónica para actuadores magnetorreológicos

El propósito del proyecto es el diseño y realización de una interfaz electrónica para actuadores magnetorreológicos. Se hará especial hincapié en una comparativa con respecto al único módulo actual y comercialmente disponible orientado a obtener los mismos resultados y manejar la misma clase de actuadores magnetorreológicos. El presente proyecto nace de la necesidad de tener una interfaz electrónica para manejar una cierta variedad de actuadores magnetorreológicos. Se necesita pues, una tarjeta electrónica que pueda funcionar tanto conectada a un ordenador como sin conectar a él. Además, debe reunir unas características de funcionamiento muy específicas que la hacen imposible de encontrar actualmente en el mercado. Por ello este proyecto se ha estructurado en hacer una basta introducción a los sistemas magnetorreológicos, para luego centrarse en el diseño mediante software y hardware, necesarios para la construcción de dicha interfaz, terminando con la demostración de su funcionamiento y ubicación dentro del mercado actual, dejando así abierta una vía de trabajo futuro.

BatNet: red inalámbrica de sensores y actuadores basada en 6LoWPAN

El objetivo de las ciudades inteligentes consiste en mejorar la calidad de vida de sus ciudadanos mediante la integración de nuevos elementos arquitectónicos, innovaciones tecnológicas e infraestructuras de información y comunicación (TIC).

Gestión dinámica de redes de sensores y actuadores

Este proyecto fin de carrera tiene como finalidad el diseño y la implementación de un sistema de monitorización y gestión dinámica de redes de sensores y actuadores inalámbricos (Wireless Sensor and Actuator Networks – WSAN) en base a la información de configuración almacenada en una base de datos sobre la cual un motor de detección vigila posibles cambios. Este motor informará de los cambios a la herramienta de gestión y monitorización de la WSAN para que sean llevados a cabo en la red desplegada. Este trabajo se enmarca en otro más amplio cuya finalidad es la demostración de la posibilidad de reconfigurar dinámicamente una WSAN utilizando los mecanismos propios de las Líneas de Productos Software Dinámicos (DSPL, por sus siglas en inglés). Se ha diseñado e implementado el software que proporciona los métodos necesarios para la comunicación y actuación sobre la red de sensores y actuadores inalámbricos, además de permitir el control de cada uno de los dispositivos pertenecientes a dicha red y que los dispositivos se incorporen a dicha red de manera autónoma. El desarrollo y pruebas de este proyecto fin de carrera se ha realizado utilizando una máquina virtual sobre la que se ha configurado convenientemente una plataforma que incluye un emulador de red de sensores y actuadores de tecnología SunSpot (Solarium) y todas las herramientas de desarrollo y ejecución necesarias (entre ellas, SunSpot SDK 6.0 y NetBeans). Esta máquina virtual ejecuta un sistema operativo Unix (Ubuntu Server 12.4) y facilita el rápido despliegue de las herramientas implementadas así como la integración de las mismas en desarrollos más amplios. En esta memoria se describe todo el proceso de diseño e implementación del software desarrollado, las conclusiones obtenidas de su ejecución y una guía de usuario para su despliegue y manejo. ABSTRACT. The aim of this project is the design and implementation of a system to monitor and dynamically manage a wireless sensor and actuator network (WSAN) in consistence with the configuration information stored in a database whose changes are monitored by a so-called monitoring engine. This engine informs the management and monitoring tool about the changes, in order for these to be carried out on the deployed network. This project is a part of a broader one aimed at demonstrating the ability to dynamically reconfigure a WSAN using the mechanisms of the Dynamic Software Product Lines (DSPL). A software has been designed and implemented which provides the methods to communicate with and actuate on the WSAN. It also allows to control each of the devices, as well as their autonomous incorporation to the network. Development and testing of this project was done using a virtual machine that has a conveniently configured platform which includes a SunSpot technology WSAN emulator (Solarium) as well as all the necessary development and implementation tools (including SunSpot 6.0 SDK and NetBeans). This virtual machine runs a Unix (Ubuntu Server 12.4) operating system and makes it easy to rapidly deploy the implemented tools and to integrate them into broader developments. This document explains the whole process of designing and implementing the software, the conclusions of execution and a user's manual.

Calorimetría ultrarrápida en películas delgadas de aleaciones ferromagnéticas con memoria de forma

Las aleaciones ferromagnéticas con memoria de forma son de gran interés debido a su capacidad de experimentar la transformación martensítica termoelástica y la transición de orden magnético. Estas aleaciones pueden elongarse hasta un 10% en el caso de monocristales. Esto, junto con la posibilidad de inducir la deformación de forma remota mediante el campo magnético, hacen que puedan ser empleadas como sensores o actuadores magnéticos.

Automatización de un proceso de laminación en caliente.

[ES]En la situación actual, en que las empresas han tenido que automatizar los procesos a nivel mundial para hacer frente a los nuevos retos de la competitividad, pone de manifiesto la necesidad de nuevas tecnologías para innovar y redefinir sus procesos. Este proyecto se centra en la aplicación de las nuevas tecnologías en un proceso de laminación en caliente para así a aumentar la capacidad de producción y la calidad de la empresa. Para ello, en primer lugar, se analiza la planta y el proceso a automatizar, se señalan los problemas y se procede a estudiar la solución más adecuada. Después de seleccionar la solución, se colocan sensores y actuadores a lo largo del proceso en función de los pasos a seguir por la fabricación. Con todo ello se ha diseñado una secuencia de control para que el proceso sea autónomo. Además, se diseña un algoritmo para controlar el arranque de los motores, reduciendo así el consumo de energía. En conclusión, se desea mejorar un viejo proceso de producción a través de la automatización y las nuevas tecnologías. Breve descripción del trabajo (cinco líneas). Esta descripción debe destacar los puntos más relevantes del trabajo: su objetivo principal, los métodos a emplear para su desarrollo y los resultados que se pretenden conseguir, o que se han conseguido.

Análisis cinemático de una máquina de cinemática híbrida XY3PRS.

[Es]El objetivo principal de este Trabajo Fin de Grado consiste en calcular los movimientos que son necesarios en los actuadores de la plataforma de un mecanismo de cinemática paralela, a fin de poder localizar la pieza en la posición adecuada para poder llevar a cabo la operación de microfresado de la misma. Para desarrollar el proyecto se necesitará un software de programación como es Matlab. Este trabajo surge de la necesidad de dar soporte a un proyecto mayor que consiste en el diseño de un manipulador de cinemática paralela cuyas juntas funcionan por deformación. Se pretende que mientras la herramienta se encuentra inmóvil, se consiga el microfresado de moldes para la fabricación de microlentes mediante el movimiento del manipulador. Se ha resuelto la cinemática inversa y se ha calculado el espacio de trabajo. En este documento se van a presentar las tareas, el presupuesto y los riesgos del proyecto así como unos anexos en los que se incluirá el código de la programación.

Levantamiento de una base de datos para el diagnóstico de fallas en motores de combustión interna ciclo Otto con sistema MPFI mediante el análisis del sensor MAP

En el presente documento se presenta el desarrollo de la creación de una base de datos para el diagnóstico de fallas en los motores de combustión interna MPFI mediante el análisis del sensor MAP (Manifold Absolute Pressure), a través del cual se puede determinar y diagnosticar fallas en sensores, actuadores y sistemas auxiliares.

Electromechanical properties of engineered lead free potassium sodium niobate based materials

K0.5Na0.5NbO3 (KNN), is the most promising lead free material for substituting lead zirconate titanate (PZT) which is still the market leader used for sensors and actuators. To make KNN a real competitor, it is necessary to understand and to improve its properties. This goal is pursued in the present work via different approaches aiming to study KNN intrinsic properties and then to identify appropriate strategies like doping and texturing for designing better KNN materials for an intended application. Hence, polycrystalline KNN ceramics (undoped, non-stoichiometric; NST and doped), high-quality KNN single crystals and textured KNN based ceramics were successfully synthesized and characterized in this work. Polycrystalline undoped, non-stoichiometric (NST) and Mn doped KNN ceramics were prepared by conventional ceramic processing. Structure, microstructure and electrical properties were measured. It was observed that the window for mono-phasic compositions was very narrow for both NST ceramics and Mn doped ceramics. For NST ceramics the variation of A/B ratio influenced the polarization (P-E) hysteresis loop and better piezoelectric and dielectric responses could be found for small stoichiometry deviations (A/B = 0.97). Regarding Mn doping, as compared to undoped KNN which showed leaky polarization (P-E) hysteresis loops, B-site Mn doped ceramics showed a well saturated, less-leaky hysteresis loop and a significant properties improvement. Impedance spectroscopy was used to assess the role of Mn and a relation between charge transport – defects and ferroelectric response in K0.5Na0.5NbO3 (KNN) and Mn doped KNN ceramics could be established. At room temperature the conduction in KNN which is associated with holes transport is suppressed by Mn doping. Hence Mn addition increases the resistivity of the ceramic, which proved to be very helpful for improving the saturation of the P-E loop. At high temperatures the conduction is dominated by the motion of ionized oxygen vacancies whose concentration increases with Mn doping. Single crystals of potassium sodium niobate (KNN) were grown by a modified high temperature flux method. A boron-modified flux was used to obtain the crystals at a relatively low temperature. XRD, EDS and ICP analysis proved the chemical and crystallographic quality of the crystals. The grown KNN crystals exhibit higher dielectric permittivity (29,100) at the tetragonal-to-cubic phase transition temperature, higher remnant polarization (19.4 μC/cm2) and piezoelectric coefficient (160 pC/N) when compared with the standard KNN ceramics. KNN single crystals domain structure was characterized for the first time by piezoforce response microscopy. It could be observed that <001> - oriented potassium sodium niobate (KNN) single crystals reveal a long range ordered domain pattern of parallel 180° domains with zig-zag 90° domains. From the comparison of KNN Single crystals to ceramics, It is argued that the presence in KNN single crystal (and absence in KNN ceramics) of such a long range order specific domain pattern that is its fingerprint accounts for the improved properties of single crystals. These results have broad implications for the expanded use of KNN materials, by establishing a relation between the domain patterns and the dielectric and ferroelectric response of single crystals and ceramics and by indicating ways of achieving maximised properties in KNN materials. Polarized Raman analysis of ferroelectric potassium sodium niobate (K0.5Na0.5)NbO3 (KNN) single crystals was performed. For the first time, an evidence is provided that supports the assignment of KNN single crystals structure to the monoclinic symmetry at room temperature. Intensities of A′, A″ and mixed A′+A″ phonons have been theoretically calculated and compared with the experimental data in dependence of crystal rotation, which allowed the precise determination of the Raman tensor coefficients for (non-leaking) modes in monoclinic KNN. In relation to the previous literature, this study clarifies that assigning monoclinic phase is more suitable than the orthorhombic one. In addition, this study is the basis for non-destructive assessments of domain distribution by Raman spectroscopy in KNN-based lead-free ferroelectrics with complex structures. Searching a deeper understanding of the electrical behaviour of both KNN single crystal and polycrystalline materials for the sake of designing optimized KNN materials, a comparative study at the level of charge transport and point defects was carried out by impedance spectroscopy. KNN single crystals showed lower conductivity than polycrystals from room temperature up to 200 ºC, but above this temperature polycrystalline KNN displays lower conductivity. The low temperature (T < 200 ºC) behaviour reflects the different processing conditions of both ceramics and single crystals, which account for less defects prone to charge transport in the case of single crystals. As temperature increases (T > 200 ºC) single crystals become more conductive than polycrystalline samples, in which grain boundaries act as barriers to charge transport. For even higher temperatures the conductivity difference between both is increased due to the contribution of ionic conduction in single crystals. Indeed the values of activation energy calculated to the high temperature range (T > 300 ºC) were 1.60 and 0.97 eV, confirming the charge transport due to ionic conduction and ionized oxygen vacancies in single crystals and polycrystalline KNN, respectively. It is suggested that single crystals with low defects content and improved electromechanical properties could be a better choice for room temperature applications, though at high temperatures less conductive ceramics may be the choice, depending on the targeted use. Aiming at engineering the properties of KNN polycrystals towards the performance of single crystals, the preparation and properties study of (001) – oriented (K0.5Na0.5)0.98Li0.02NbO3 (KNNL) ceramics obtained by templated grain growth (TGG) using KNN single crystals as templates was undertaken. The choice of KNN single crystals templates is related with their better properties and to their unique domain structure which were envisaged as a tool for templating better properties in KNN ceramics too. X-ray diffraction analysis revealed for the templated ceramics a monoclinic structure at room temperature and a Lotgering factor (f) of 40% which confirmed texture development. These textured ceramics exhibit a long range ordered domain pattern consisting of 90º and 180º domains, similar to the one observed in the single crystals. Enhanced dielectric (13017 at TC), ferroelectric (2Pr = 42.8 μC/cm2) and piezoelectric (d33 = 280 pC/N) properties are observed for textured KNNL ceramics as compared to the randomly oriented ones. This behaviour is suggested to be due to the long range ordered domain patterns observed in the textured ceramics. The obtained results as compared with the data previously reported on texture KNN based ceramics confirm that superior properties were found due to ordered repeated domain pattern. This study provides an useful approach towards properties improvement of KNN-based piezoelectric ceramics. Overall, the present results bring a significant contribution to the pool of knowledge on the properties of sodium potassium niobate materials: a relation between the domain patterns and di-, ferro-, and piezo-electric response of single crystals and ceramics was demonstrated and ways of engineering maximised properties in KNN materials, for example by texturing were established. This contribution is envisaged to have broad implications for the expanded use of KNN over the alternative lead-based materials.

Optimização de estruturas laminadas adaptativas com controlo activo

Neste trabalho apresenta-se um modelo de elementos finitos, baseados na teoria clássica das placas, desenvolvido para a análise de controlo activo em dinâmica de estruturas de tipo placa/casca integrando sensores e actuadores piezoeléctricos. O controlo é iniciado através de uma optimização prévia do núcleo laminado de modo a diminuir a amplitude da vibração. É usado um algoritmo de controlo baseado na ligação entre as lâminas piezoeléctricas sensoras e actuadoras para obter um mecanismo de controlo da resposta dinâmica da estrutura. A resolução por elementos finitos usa um elemento placa/casca triangular plano de 3 nós, e em cuja formulação se introduz um grau de liberdade referente ao potencial eléctrico, por cada camada piezoeléctrica do elemento finito. Apresentam-se os resultados obtidos em dois exemplos ilustrativos.

Análise geometricamente não-linear de estruturas adaptativas piezolaminadas

Neste trabalho apresenta-se um modelo de elementos finitos, baseado na teoria clássica de placas, para a análise linear e não-linear de estruturas do tipo placa/casca integrando sensores e actuadores piezoeléctricos. É usado um simples e eficiente elemento placa/casca triangular plano de 3 nós, e em cuja formulação se introduz um grau de liberdade referente ao potencial eléctrico, por cada camada piezoeléctrica do elemento finito. É utilizada a formulação Lagrangeana actualizada associada à tecnica de Newton - Raphson para a solução iterativa das equações de equilibrio .O modelo pode ser aplicado a cascas piezolaminadas com geometria e carregamento arbitrários. Apresentam-se vários exemplos ilustrativos cujos resultados mostram a eficiencia do modelo proposto.

Placas elasto-electro-magnéticas

Neste trabalho apresenta-se um modelo de elementos finitos, baseado na teoria clássica de placas, para a análise linear e não-linear de estruturas do tipo placa/casca integrando sensores e actuadores piezoeléctricos. É usado um simples e eficiente elemento placa/casca triangular plano de 3 nós, e em cuja formulação se introduz um grau de liberdade referente ao potencial eléctrico, por cada camada piezoeléctrica do elemento finito. É utilizada a formulação Lagrangeana actualizada associada à tecnica de Newton - Raphson para a solução iterativa das equações de equilibrio .O modelo pode ser aplicado a cascas piezolaminadas com geometria e carregamento arbitrários. Apresentam-se vários exemplos ilustrativos cujos resultados mostram a eficiencia do modelo proposto.

Optimal dynamic control of laminated adaptive structures using a higher order model and a genetic algorithm

This paper deals with a finite element formulation based on the classical laminated plate theory, for active control of thin plate laminated structures with integrated piezoelectric layers, acting as sensors and actuators. The control is initialized through a previous optimization of the core of the laminated structure, in order to minimize the vibration amplitude. Also the optimization of the patches position is performed to maximize the piezoelectric actuator efficiency. The genetic algorithm is used for these purposes. The finite element model is a single layer triangular plate/shell element with 24 degrees of freedom for the generalized displacements, and one electrical potential degree of freedom for each piezoelectric element layer, which can be surface bonded or embedded on the laminate. To achieve a mechanism of active control of the structure dynamic response, a feedback control algorithm is used, coupling the sensor and active piezoelectric layers. To calculate the dynamic response of the laminated structures the Newmark method is considered. The model is applied in the solution of an illustrative case and the results are presented and discussed.