Development of characterization techniques of piezoelectric transducers.

O projeto de transdutores piezelétricos envolve modelagens matemáticas e verificações experimentais, que são necessárias para validá-los. Através das análises dos transdutores verificam-se as influências das condições de contorno experimentais e as dificuldades para modelá-las. No entanto, na literatura atual este ponto não é discutido de forma abrangente. Além disso, as propriedades elétricas, piezelétricas e mecânicas dos materiais devem ser conhecidas com precisão para que o modelo represente um transdutor físico. Estas propriedades são fornecidas pelos fabricantes em valores aproximados, porém algumas delas, como por exemplo, o amortecimento mecânico, não são fornecidas, o que dificulta a modelagem. Por estes motivos, este trabalho trata do desenvolvimento de técnicas de verificações experimentais de transdutores piezelétricos, visando esclarecer efeitos relacionados às variações nas condições de contorno devido à fixação de pequenos espelhos e a fixação do próprio transdutor num suporte, e propor formas de incorporar esses efeitos nos modelos matemáticos. Além disso, propõe-se uma metodologia para a determinação do coeficiente de amortecimento das cerâmicas piezelétricas. São apresentadas as técnicas ópticas utilizadas na medição dinâmica e estática de deslocamentos de transdutores piezelétricos, os problemas das influências mecânicas, como vibrações ambientes, nas análises ópticas e as respectivas soluções adotadas. As análises numéricas foram conduzidas com o software de elementos finitos ANSYS e os resultados comparados com as verificações experimentais. Os materiais analisados são piezocerâmicas PZT-5A, piezoatuadores flextensionais, projetados pelo método de otimização topológica e um piezoatuador bilaminar. Nos resultados apresentados são mostrados os desvios e os comentários sobre as possíveis causas.Piezoelectric transducer design is done by using numerical method and experimental analysis, which are needed to validate it. Transducers analysis allow us to verify the influence of experimental boundary conditions and the difficulties to model them. However, in the current literature this point is not discussed in a comprehensive way. In addiction, electrical, piezoelectric and mechanical material properties must be known with accuracy, to represent a real transducer. Approximately values of these properties are provided by manufacturers, however other property values are not provided, such as for example, mechanical damping, which causes difficulties for modelling. Therefore, this work is about the development of experimental techniques to analyze piezoelectric transducers, aiming to understand the effects related to boundary conditions changes due to stick of small mirrors and the way the transducer is held, and suggest of way to incorporate these effects in mathematical model. In addiction, suggests a methodology to determine the piezoceramics damping coefficient. It is described optical techniques used for displacement measurements of piezoelectric transducer in dynamic and static operation, problems related to mechanical influences in optical analysis, such as environment vibration, and respective applied solutions. Numerical analysis are conducted by using finite element software, ANSYS, and the results are compared with experimental verification. The materials analyzed are piezoceramic PZT-5A, flextensional piezoactuators, designed by using topology optimization and a bimorph pizoactuator. In the present results is shown the deviation and comments about possible cause

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

A interferometria laser constitui uma técnica consagrada para caracterizar atuadores piezoelétricos. Neste trabalho, utilizase um interferômetro de Michelson de baixo custo para mensurar o fator de calibração e a amplificação de deslocamento de um novo atuador piezoelétrico flextensional (APF), projetado através da técnica de otimização topológica. Um método simples, baseado na excitação do APF com sinal triangulare com baixa profundidade de modulação de fase óptica, permite realizara calibração absolutado interferômetro. Deslocamentos do APF para várias tensões de excitação são mensurados e a amplificação do deslocamento da piezocerâmica é determinada. A linearidade e a resposta em frequência do APF, até a frequência de 20 kHz, são avaliadasLaser interferometry is a well-established technique for the characterization of piezoelectric actuators. In this work, by using a low cost Michelson interferometer, the measurement of the calibration factor and the displacement amplification of a novel piezoelectric flextensional actuator (PFA), designed by using the topology optimization method, is performed. A simple method, based on small phase modulation depth when the PFA is driven by a triangular waveform, allows the absolute interferometer calibration. The free-displacement of the PFA for various drive voltages is measured and the displacement amplification is determined. The linearity and frequencyresponse of the PFA are evaluated up to 20 kHzFundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES

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