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Dissertations / Theses on the topic 'Piezoelettrico'
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1
Martino, Valerio. "Accoppiamento piezoelettrico-supercondensatore per wearable energy harvesting." Master's thesis, Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, 2021.
Find full textAbstract:
Durante il progetto presentato, ci si è focalizzati sulla natura piezoelettrica di alcuni materiali isolanti; nello specifico sul comportamento di un provino piezoelettrico commerciale in PZT e sul suo interfacciamento a un supercondensatore. Si sono svolti diversi test empirici per ricavarne le caratteristiche del provino e il suo comportamento da trasduttore.
L'obiettivo raggiunto è stato quello di caricare un supercondensatore da 20mF attraverso la carica estratta da un pacchetto di 15 provini in parallelo soggetti a una forza sinusoidale.
Infine, si è iniduviduata e simulata una sofisticata tecnica per migliorare il trasferimento di potenza nota come : "“Synchronized Switch Harvesting on Inductor"; sono stati proposte 2 configurazioni oltre a quella base che non prevede l'utilizzo di SSHI e se ne sono dedotti i vantaggi a seguito di simulazioni svolte su Simulink.
2
Tronetti, Stefano. "Valutazioni di efficienza energetica per sistemi di energy harvesting piezoelettrico." Bachelor's thesis, Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, 2013. http://amslaurea.unibo.it/5199/.
Full textAbstract:
Questa tesi presenta considerazioni sull'efficienza energetica di circuiti di conversione di potenza da trasduttori piezoelettrici attivati in maniera sincrona con le vibrazioni. Viene valutato l'effetto dell'inversione della carica elettrica residua al termine di ogni ciclo di conversione e viene analizzata un'architettura a due stadi sviluppata dall'Università di Bologna in grado di garantire una migliore efficienza, particolarmente idonea alla carica di supercondensatori. Le valutazioni sono state effettuate mediante simulazioni circuitali e gli schemi analizzati offrono incrementi significativi di prestazioni, maggiormente evidenti con vibrazioni di bassa intensità.
3
Neri, Riccardo. "Studio di materiali piezoelettrici e loro accoppiamento con sistemi di accumulo elettrico." Master's thesis, Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, 2021.
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La tesi tratta di "energy harvesting" da piezoelettrici, in particolare della caratterizzazione elettromeccanica di un dischetto commerciale di PZT, del circuito elettrico-elettronico necessario per interfacciare il generatore piezoelettrico ad un sistema di accumulo elettrico (condensatore/supercondensatore); è anche presentata una configurazione a "stack" con due dischetti commerciali connessi elettricamente in parallelo. Sono inoltre riportati alcuni semplici modelli che riescono a simulare il comportamento capacitivo del generatore piezoelettrico. Per concludere è presentato un caso di "energy harvesting" dove l'energia elettrica sviluppata dal provino piezoelettrico è accumulata in un condensatore.
4
Malavolti, Matteo. "Progetto di un convertitore flyback sincrono per applicazioni di energy harvesting piezoelettrico." Bachelor's thesis, Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, 2014. http://amslaurea.unibo.it/6528/.
Full textAbstract:
In questo elaborato è stata trattata la caratterizzazione tramite simulazioni e prove in laboratorio di un circuito in grado di estrarre e accumulare energia elettrica, la quale viene generata da vibrazioni meccaniche tramite l'uso di dispositivi piezoelettrici.
Partendo da una tipologia di circuito già esistente è stata studiata una variante nel sistema di conversione dell'energia, in questo caso il convertitore implementato è un convertitore di tipo flyback.
Dopo aver studiato il circuito in dettaglio, è stata realizzata una prima simulazione circuitale mediante software Ltspice. Sono stati quindi analizzati gli andamenti delle tensioni di uscita e di ingresso durante
il processo di carica della capacità, applicando in ingresso differenti tensioni.
Infine i dati ottenuti sono stati elaborati in un foglio elettronico per poter ricavare l'andamento del rendimento.
5
Scardovi, Samuele. "Studio e sperimentazione del comportamento vibratorio di una lamella azionata da un attuatore piezoelettrico." Master's thesis, Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, 2013. http://amslaurea.unibo.it/4890/.
Full textAbstract:
Studio di una lamella di acciaio di dimensioni relativamente ridotte, a cui è incollato un attuatore piezoelettrico che ne causa la vibrazione, sfruttando il fenomeno della risonanza. Tale struttura possiede numerose peculiarità geometriche e di funzionamento che ne determinano il comportamento dinamico. Ci si prefigge l’obiettivo di studiare, con l’ausilio di prove sperimentali, il comportamento vibratorio del sistema, al fine di realizzare un modello agli elementi finiti che ne simuli il funzionamento e che sia impiegabile nella previsione degli effetti di modifiche strutturali e dinamiche.
6
D'Anniballe, Riccardo. "Sviluppo e caratterizzazione elettromeccanica di un sensore piezoelettrico nanofibroso per applicazioni in laminati compositi." Master's thesis, Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, 2018.
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Nell’elaborato di tesi magistrale, dal titolo “Sviluppo e caratterizzazione elettromeccanica di un sensore piezoelettrico nanofibroso per applicazioni in laminati compositi”, si è studiata la possibilità di produrre un laminato composito sensorizzato con finalità di Structural Health Monitoring (SHM). Lo studio si è concentrato sui materiali piezoelettrici che risultano particolarmente adatti per finalità di sensing in quanto rispondono ad uno stimolo meccanico con una variazione nel livello di polarizzazione elettrica. Nel lavoro di tesi è descritto il processo produttivo in tutte le sue fasi per la realizzazione di un sensore piezoelettrico che ricalchi la struttura del GLARE (Glass Reinforced Aluminium Laminate). Si tratta di un laminato avanzato per applicazioni aerospaziali strutturali costituito da fogli di alluminio intervallati da strati di pre-preg in fibra di vetro (GFRP-Glass Fiber Reinforced Polymers). La sensorizzazione è stata ottenuta attraverso l’utilizzo di nanofibre piezoelettriche di P(VDF-TrFE), realizzate tramite la tecnica dell’elettrofilatura, e integrate nel laminato, permettendo un monitoraggio costante di tutta la struttura. Obiettivo principale della tesi è stato quello di realizzare un modello matematico-circuitale equivalente del sensore, in grado di prevedere la risposta del sensore per qualsiasi tipologia di forza in ingresso. In particolare, si è sviluppato uno studio sull’effetto della variazione dei parametri circuitali del sistema di acquisizione, che in alcune condizioni permette di rilevare carichi quasi-statici, nonostante il sensore piezoelettrico sia adatto principalmente alla rilevazione di carichi dinamici
7
Dall'ara, Jacopo. "Caratterizzazione sperimentale di trasduttori piezoelettrici mediante circuiti equivalenti elettromeccanici." Bachelor's thesis, Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, 2014. http://amslaurea.unibo.it/7667/.
Full textAbstract:
Attualmente la costante diffusione delle sensor network e lo sviluppo di apparati elettronici a basso consumo di energia hanno fatto in modo di motivare la ricerca nel campo dell’elettronica che tenta di spiegare il concetto dell'energy harvesting per raccogliere energia dall'ambiente circostante. I sistemi che raccolgono quella energia che normalmente va persa sono di diversi tipi.
8
Bordoni, Lorenzo. "Studio e realizzazione di provini piezoelettrici flessibili per applicazioni di sensoristica." Master's thesis, Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, 2020.
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L’obiettivo del progetto europeo MyLeg è quello di realizzare una nuova generazione di protesi transfemorali motorizzate che possano essere utilizzate in modo intuitivo e affidabile. L’aspetto innovativo riguarda la presenza di un impianto osteointegrato e di sensori mioelettrici impiantabili su muscoli innervati per estendere le capacità cognitive dell’utente, aumentando la percezione della gamba protesica e la capacità di movimento.
Il lavoro di Tesi si focalizza su uno dei tantissimi aspetti del progetto, che riguarda lo sviluppo di un sensore piezoelettrico flessibile da integrare nella pianta del piede protesico, con la funzione di rispondere alla pressione esercitata nelle differenti zone con un segnale elettrico ad essa proporzionale. In particolare sono stati studiati diversi tipi di materiale per il corpo del sensore, dai siliconi alle resine epossidiche, valutandone aspetti funzionali e strutturali, e l’ottimizzazione della struttura del dispositivo per migliorarne le prestazioni.
9
Casadei, Lorenzo. "Sviluppo di un sistema di caratterizzazione elettroacustica per materiali piezoelettrici nanofibrosi." Master's thesis, Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, 2020.
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Nell'elaborato di tesi vengono descritti il processo per la realizzazione di membrane piezoelettriche nanofibrose e lo sviluppo di un sistema di caratterizzazione elettroacustica per materiali piezoelettrici nanofibrosi. Viene successivamente trattata la caratterizzazione delle membrane prodotte utilizzando prima una sorgente vibrazionale sinusoidale e successivamente una sorgente vibrazionale impulsiva.
10
RICCI, YURI. "Sviluppo e ingegnerizzazione di microfoni piezoelettrici stampati." Doctoral thesis, Università degli studi di Modena e Reggio Emilia, 2021. http://hdl.handle.net/11380/1244340.
Full textAbstract:
Questa tesi presenta uno studio di microfoni piezoelettrici (PE) fabbricati con tecniche di stampa 3D. Lo studio è stato condotto nell’ambito di un progetto di interesse industriale, motivato dai vantaggi delle tecniche di stampa rispetto ai metodi di produzione tradizionali, quali basso costo, alta flessibilità e produttività. La ricerca esplorativa in merito ai vantaggi e ai limiti delle tecniche di stampa per lo sviluppo di microfoni piezoelettrici ha dato origine ad una architettura che sfrutta un design concettuale basato su una struttura a pilastri. La progettazione è stata perfezionata mediante modelli multifisici equivalenti e simulazioni con il metodo degli elementi finiti (FEM), al fine di fornire prestazioni competitive in termini di sensibilità, larghezza di banda o entrambi. Quando possibile, la convalida è stata eseguita con misurazioni sperimentali sui prototipi fabbricati.
Il design proposto implementa una nota strategia di miglioramento della sensibilità che coinvolge sia una struttura meccanica a pilastri che la sagomatura degli elettrodi del film piezoelettrico. È stato progettato un microfono PE con un singolo pilastro per la stampa 3D. Le parti meccaniche del sensore sono stampate in un unico elemento, consentendo una fabbricazione semplificata dello stesso. È stato condotto uno studio originale per analizzare la propagazione acustica nell’apertura anulare del microfono e derivare un modello circuitale equivalente. Quindi, è stato sviluppato e validato un modello multifisico completo del microfono, fornendo un utile strumento per un ulteriore sviluppo tecnologico. Il processo di ingegnerizzazione ha portato alla fabbricazione di un prototipo tagliato al laser. Il sensore è caratterizzato da sensibilità e larghezza di banda apprezzabili, collocandosi tra i primi esempi funzionanti di microfono PE stampato in 3D.Abstract: This thesis presents a study of piezoelectric (PE) microphones fabricated using 3D-printing. The study was conducted as part of a project of industrial interest, motivated by the advantages of printing techniques over traditional manufacturing methods, namely low cost, high flexibility, and throughput. The exploratory research regarding the advantages and limitations of printing techniques for piezoelectric microphone development resulted in an architecture exploiting a pillar-based design concept. The design is refined according to equivalent multiphysics models and Finite Element Method (FEM) simulations, in order to provide competitive performance in terms of sensitivity, bandwidth, or both. When possible, validation is performed with experimental measurements on fabricated prototypes. The proposed design implements a known sensitivity enhancement strategy, involving both a pillar-based mechanical structure and the electrode patterning of the piezoelectric film. A PE microphone with a single pillar is designed for 3D-printing. The mechanical parts of the sensor are printed as a single element, allowing for simple device fabrication. An original study is conducted to analyze the acoustic propagation in the microphone annular aperture and derive an equivalent circuit model. Then, a complete multiphysics model of the microphone is developed and validated, providing a useful tool for further technological development. A laser-trimmed prototype is fabricated as a result of the engineering process. The sensor is characterized by appreciable sensitivity and bandwidth and is among the first working examples of 3D-printed PE microphones.
11
Gentile, Federico. "Sviluppo di una rondella piezoelettrica per la stima della pressione nel cilindro." Master's thesis, Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, 2020. http://amslaurea.unibo.it/20058/.
Full textAbstract:
In-cylinder pressure measurement allows for the obtainment of fundamental information for the reduction of pollutant emissions and for the control of the combustion process, especially in applications characterized by unstable combustion such as LTC (Low Temperature Combustion), where an on-board combustion monitoring system is required.
The aim of this thesis was the development of a piezoelectric sensor installed under the spark plug, which would allow to perceive a variation of the forces acting on the surfaces of the piezoelectric material due to the pressure variations inside the cylinder, generating a measurable voltage signal. The most convenient solution has been developed, with the miniaturization of the sensor as much as possible without compromising its functionality.
The tests carried out with the first prototypes showed a significant correlation with the reference pressure sensor but also showed issues affecting the accuracy of measurement. Such issues are most likely caused by thermic stress both of the assembly and the piezoelectric element, which lead to a non-linear transmission of forces and a variation of piezoelectric properties. For this reason, a new algorithm has been proposed, which is capable of compensating for potential errors in the evaluation of combustion indexes.
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Falbo, Giorgia. "Studio ed ottimizzazione di una rete di sensori piezoelettrici per la verifica dell'integrità strutturale." Bachelor's thesis, Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, 2017. http://amslaurea.unibo.it/14729/.
Full textAbstract:
Miglioramento di un nodo sensore per il monitoraggio strutturale. Analisi delle onde generate all'interno di un materiale durante la propagazione di cricche. Ottimizzazione del sistema di acquisizione per consentire la trasmissione di dati in seguito all'acquisizione. Assegnazione di un porzione di memoria interna per il salvataggio dei dati raccolti, per la gestione di eventi multipli. Trasmissione dei dati, in seguito all'interrogazione del sensore, con conseguente gestione del tipo di trasmissione, in funzione del numero di dati.
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Speranza, Marco. "Produzione e sviluppo di membrane nanofibrose per energy harvesting e sensing." Master's thesis, Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, 2018.
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L’innovazione cui mira la tesi, e le conseguenti prove effettuate, è quella di abbandonare l’idea di un’esecuzione di un processo di elettrofilatura convenzionale e di spingersi verso “condizioni estreme” di setup, quali distanze ravvicinate e campi elettrici molto elevati al fine di ottenere una polarizzazione del materiale direttamente in fase di realizzazione del provino, evitando così la necessità di un post-trattamento.
Al fine di valutare le migliori condizioni operative del processo di elettrofilatura si è dapprima provveduto alla simulazione del setup sperimentale attraverso un software agli elementi finiti con fisica elettrostatica.
Il primo step sperimentale ha visto la caratterizzazione della migliore soluzione polimerica (miscela di solvente e polimero) per una buona filatura, variando e combinando tra loro diverse tipologie di solventi con diverse percentuali in peso/volume di polimero.
Successivamente si è valutato il materiale da utilizzare per la deposizione in matrice tramite processo di spin coating delle nanofibre filate, affinchè avesse una buona interazione con la membrana e al tempo stesso caratteristiche termiche, meccaniche, ed elettriche elevate.
Prima di analizzare la risposta delle membrane sono stati effettuati diversi cicli di scarica in temperatura, per assicurare la rimozione di eventuali cariche elettrostatiche dovute al processo di produzione stesso.
È stata dunque analizzata la risposta in tensione dei provini all’oscilloscopio mediante sollecitazioni meccaniche di tipo impulsivo, sia “a vuoto”, sia in seguito all’applicazione di carichi diversi tramite misura a quattro morsetti.
È stata tracciata la curva di potenza al variare dei carichi e sono state svolte ulteriori prove dinamiche tramite applicazioni di carichi controllati in forza e frequenza, valutando anche in queste condizioni il carico ottimale.
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Tonini, Alberto. "Progettazione di una apparecchiatura per elettrofilatura con elettrodo di alta tensione rotante." Master's thesis, Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, 2018.
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Il presente elaborato di tesi si pone come obiettivo principale la progettazione di un sistema innovativo per elettrofilatura, che sfrutta un elemento rotante per produrre film composti da nanofibre polimeriche. Il risultato di questo processo possiede proprietà piezoelettriche, che gli permettono di trovare un ampio spettro di applicazioni nella branca della sensoristica e del recupero energetico da attività antropiche. Questo prodotto viene abitualmente realizzato con una tecnica che ha solo recentemente ritrovato applicazioni interessanti. Essa prende il nome di elettrofilatura perché sfrutta elevati campi elettrici per generare fibre polimeriche di centinaia di nanometri di diametro a partire da una soluzione liquida. Sono state eseguite simulazioni mediante l’ausilio del software Comsol Multiphysics®, con il principale obiettivo di eseguire un confronto sui valori di campo elettrico fra gli elettrodi nelle due tecnologie. Si espongono quindi i passaggi relativi alla progettazione e costruzione del generatore di fibre senza ago. L’idea iniziale di un disco metallico liscio, viene rimpiazzata dalla scelta di una ruota dentata che soddisfa meglio i requisiti necessari alla produzione di fibre di buona qualità. Le fibre ottenute sono state dapprima osservate al microscopio elettronico a scansione e in seguito impregnate in un materiale elastomero. Infine è stata verificata la risposta piezoelettrica dei provini, andando a misurare la tensione erogata in seguito a sollecitazioni meccaniche di tipo impulsivo e sinusoidale mediante banco vibrante.
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Menichetti, Andrea. "Implementazione di un circuito estrattore di carica quasi-sincrono da trasduttori piezoelettrici." Bachelor's thesis, Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, 2014. http://amslaurea.unibo.it/7025/.
Full textAbstract:
La tecnologia odierna, orientata sempre di più verso il “low-power”, ha permesso di poter sviluppare sistemi elettronici in grado di autoalimentarsi senza alcun bisogno di sorgenti di energia tradizionali. Questo è possibile, ad esempio, utilizzando trasduttori piezoelettrici, in grado di trasformare l’energia meccanica, provocata ad esempio da una vibrazione, in un’altra forma di energia che, in tal caso, risulta essere una grandezza elettrica.
Il settore principale in cui viene impiegato questo componente è quello dell’Energy Harvesting, ovvero un campo dell’elettronica in cui si cerca di estrarre dall'ambiente circostante bassissime quantità di energia mediante tecniche opportune, cercando di ridurre i consumi dei circuiti di controllo annessi e renderli, in maggior parte, il più possibile autosufficienti.
L’obiettivo è quello di implementare alcune tecniche di recupero dell’energia mediante circuiti gestiti a microcontrollore e valutare se tali metodiche portino a risultati accettabili in grado di soddisfare quelli che sono i requisiti che il mondo dell’Energy Harvesting richiede.
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Castaldini, Roberto. "Realizzazione di sensori di posizione mediante integrazione di nanofibre piezoelettriche coassiali allineate." Master's thesis, Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, 2020.
Find full textAbstract:
La realizzazione di sensori piezoelettrici di posizione basati su nano-fibre coassiali allineate e l’ottimizzazione del processo sono stati gli argomenti centrali del progetto di tesi svolto, con l’obiettivo di rendere i processi necessari alla produzione di tali sensori il più possibile replicabili e “industrializzabili”, aprendo la via ad una loro possibile applicazione in ambito biomedicale.
Lo scopo dell’attività è stato quello di realizzare sensori flessibili in PDMS in grado di registrare in ingresso una sollecitazione meccanica fornendo in uscita un segnale in tensione che possa essere erogato da due zone differenti del sensore stesso, permettendo così la possibilità di sfruttare la diversa entità dei due segnali per poter individuare con precisione la zona ove è avvenuta la sollecitazione.
Tradizionalmente, i sensori piezoelettrici vengono realizzati con nano-fibre semplici, ovvero costituite da un solo polimero: tali sensori forniscono in output una differenza di potenziale registrata fra due elettrodi che raccolgono la totalità delle fibre presenti all’interno del sensore stesso. L’ulteriore passaggio che si è voluto compiere in questo senso è stato quello di elettrofilare nano-fibre piezoelettriche coassiali, caratterizzate da un core polimerico conduttivo in PEDOT:PSS ed uno shell esterno piezoelettrico in PVDF-TrFE, con lo scopo di ottenere un sensore con risoluzione maggiore rispetto a quelli tradizionali. Un ulteriore step che si è compiuto nella produzione dei sensori è stato infine quello di impiegare una miscela conduttiva di PDMS e carbon black come soluzione per ottenere gli elettrodi.
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Marzioli, Alice. "Studio e analisi di circuiti di energy harvesting a switch sincronizzato per trasduttori piezoelettrici." Bachelor's thesis, Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, 2015. http://amslaurea.unibo.it/9242/.
Full textAbstract:
In questa tesi sono stati simulati i modelli circuitali relativi alle tecniche di estrazione SECE, Q-SECE e SSHI. Sono state graficate e analizzate le caratteristiche di trasferimento di potenza. Tramite simulazioni LTspice, è stata calcolata l'energia estratta con tecnica SECE e Q-SECE ed è stato ricavato un miglioramento delle prestazioni di energia di +30% con la tecnica Q-SECE. Un'analisi simile è stata fatta per il calcolo dell'energia in uscita anche per il modello SSHI-parallel.
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Dosio, Davide. "Energy harvesting da trasduttori piezoelettrici mediante estrazione di carica quasi-sincrona." Bachelor's thesis, Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, 2013. http://amslaurea.unibo.it/6042/.
Full textAbstract:
In questo documento è stata proposta una soluzione per l'estrazione di carica da un trasduttore piezoelettrico mediante un circuito di conversione quasi-sincrono. Il trasduttore piezoelettrico può essere considerato un ottimo dispositivo per convertire l’energia derivante dalle vibrazioni; la soluzione proposta di estrazione di carica in maniera quasi-sincrona permette un processo di energy harvesting con prestazioni nettamente migliori rispetto al caso di conversione sincrona per casi di trasduttori fortemente accoppiati.
19
Ganzerla, Mattia. "Studio ed ottimizzazione del processo di elettrofilatura di PVDF-TrFE 80/20 e caratterizzazione delle nanofibre." Master's thesis, Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, 2018.
Find full textAbstract:
Il seguente elaborato di tesi è stato svolto presso il DEI, Dipartimento di Ingegneria dell’Energia Elettrica e dell’Informazione “Guglielmo Marconi”, nel Laboratorio di Innovazione Tecnologica (LIT).L’obiettivo primario delle attività sperimentali svolte è la caratterizzazione delle nanofibre piezoelettriche ottenute in seguito ad un processo di elettrofilatura ottimizzato in modo da poter operare con le maggiori tensioni possibili.L’effetto piezoelettrico è la proprietà che caratterizza una famiglia di materiali dielettrici, detti appunto piezoelettrici, con struttura cristallina a simmetria non centrale, di rispondere ad una sollecitazione esterna tramite generazione di una differenza di potenziale, dunque, sono in grado di convertire l’energia meccanica in energia elettrica.
Questa particolare proprietà li ha resi, al giorno d’oggi, materiali molto interessanti e trovano applicazione soprattutto nel campo dell’energy harvesting e del sensing.
In questa tesi si studia uno dei modi di produzione di materiali piezoelettrici, l’elettrofilatura.
Mediante questa tecnica si producono nanofibre cui generalmente va applicato un processo di post-polarizzazione per ottimizzare la proprietà piezoelettrica: in questa trattazione viene processata l’elettrofilatura con collettore posto ad una tensione negativa e con ago relativamente vicino, in modo d’avere campi elettrici elevati e creare fibre piezoelettriche senza la necessità di un trattamento di post polarizzazione.
Come ultimo passo è stata valutata l’interazione tra nanofibre e matrice di PDMS e sono state effettuate prove di compatibilità tra diversi materiali al fine di implementare degli elettrodi sul provino.
20
Ciampelli, Jacopo. "Studio teorico e realizzazione pratica di un amplificatore di carica per misure piezoelettriche." Bachelor's thesis, Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, 2017. http://amslaurea.unibo.it/13112/.
Full textAbstract:
Le misure piezoelettriche consentono di sfruttare la caratteristica tipica di alcuni materiali cristallini (effetto piezoelettrico), di generare cariche elettriche se sottoposti a deformazione meccanica; da qui l’esigenza di uno specifico circuito per l’acquisizione ed il condizionamento del segnale (amplificatore di carica). Lo scopo dell’elaborato è lo studio teorico di un amplificatore di carica in configurazione Charge Mode per sensori di pressioni piezoelettrici e, in base a questo, la realizzazione di un prototipo. Per testare l’amplificatore è stato utilizzato il sensore di pressione 2200C1 (Dytran Instruments, Inc.). La realizzazione del prototipo è stata preceduta da una fase di simulazione in ambiente SPICE con il software NI Multisim (National Instruments) supponendo inizialmente ideale l’amplificatore operazionale (Op-amp) e successivamente passando ad una configurazione reale. Quest’ultima ha richiesto l’introduzione di una serie di parametri reali dell’amplificatore operazionale, quali le correnti di polarizzazione e la tensione di offset in ingresso, da cui è emerso come questi determinino una tensione di offset additiva in uscita. Lo studio ha portato alla scelta dell’Op-amp TLV2772 (Texas Instruments), successivamente introdotto in fase di simulazione. L’amplificatore di carica è stato interfacciato direttamente ad un computer attraverso la scheda di acquisizione dati NI myDAQ (National Instruments), ed i risultati elaborati con il software NI labVIEW (National Instruments). E’ stata valutata la risposta in frequenza ed, in seguito, la risposta ad un gradino di pressione applicato al sensore piezoelettrico. E’ stata misurata la costante di tempo del circuito sia osservando i diagrammi di Bode nel dominio delle frequenze, sia attraverso la misura del tempo di salita nel dominio dei tempi (utilizzando un apposito codice realizzato in ambiente NI labVIEW). I risultati sperimentali ottenuti sono in accordo con quelli stimati in fase di simulazione.
21
Franco, Vittorio. "Sviluppo di un materiale composito a matrice polimerica termoplastica contenente nanofibre piezoelettriche." Master's thesis, Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, 2018.
Find full textAbstract:
Obiettivo della seguente tesi è stato quelli di realizzare e studiare un innovativo materiale composito termoplastico a matrice polimerica con nanofibre piezoelettriche.
Il materiale inizialmente ipotizzato ed infine realizzato consta di una matrice di polietilene a bassa densità (LDPE, low density polyethilene) e di uno strato di nanofibre di PVDF-TrFE con caratteristiche piezoelettriche prodotto mediante il processo elettrofilatura. Tra la moltitudine di configurazioni analizzate, quella che ha portato ai risultati migliori consiste in uno spessore del provino di circa 200 μm, realizzato integrando due strati esterni di LDPE di 100 μm con uno strato intermedio di nanofibre, realizzate mediante elettrofilatura, tra i 90 μm e 100 μm, con un processo di riscaldamento in un forno con l’utilizzo di un sacco da vuoto. In seguito ad un’analisi qualitativa al microscopio ottico (SEM), sono state eseguite delle prove di sollecitazione meccanica impulsiva per valutare una possibile risposta piezoelettrica in seguito all’impatto di un grave. Attraverso il metodo PEA (pulsed electric acoustic) è stata rilevato un accumulo di carica negativa nella zona centrale del provino, quella occupata dalle nanofibre. I risultati derivanti dalla spettroscopia dielettrica, invece, hanno confermato la natura isolante del LDPE presente nel campione. L'analisi con il metodo calorimetrico (DSC) ha mostrato la presenza di un picco relativo alla temperatura di Curie provando come le nanofibre inglobate nel materiale siano piezoelettriche.
In conclusione, il materiale prodotto può essere utile per applicazioni di sensing o isolamento elettrico ma a bassissima tensione.
22
Schifini, Gabriele. "Analisi spettrale di segnali acquisiti con accelerometri MEMS." Master's thesis, Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, 2017. http://amslaurea.unibo.it/13603/.
Full textAbstract:
L'approccio più comune nel monitoraggio dell'integrità delle strutture (SHM) consiste nell'esecuzione di misure accelerometriche della risposta delle strutture monitorate a stimoli naturali o artificiali. Tali misure possono essere usate, in particolare, per effettuare un'analisi modale, ovvero estrarre i modi di oscillazione principali e confrontarli con quelli relativi allo stato iniziale di integrità dell'edificio. I sensori maggiormente utilizzati in ambito di SHM sono gli accelerometri piezoelettrici e i MEMS capacitivi. Questi ultimi hanno un costo notevolmente inferiore rispetto ai primi, ma presentano anche un'elevata rumorosità intrinseca, la quale richiede tecniche di analisi spettrale più sofisticate. In questo lavoro di tesi ho considerato due casi reali e ho confrontato i risultati forniti da un modello autoregressivo (AR) tradizionale che utilizza il metodo di Burg con quelli offerti dal modello AR+noise, nel quale viene considerato un errore di osservazione additivo. Il primo set di dati è stato raccolto simultaneamente da un accelerometro MEMS capacitivo e da un accelerometro piezoelettrico percuotendo una trave reticolare in alluminio con un martello ed effettuando 10 ripetizioni dello stimolo. Il secondo set di dati, invece, è stato acquisito ponendo un accelerometro MEMS capacitivo all'interno della torre presente nella facoltà di ingegneria di Bologna e misurando così le oscillazioni causate dal vento. All'interno della tesi sono discussi i vantaggi ed i limiti nell'applicazione dei suddetti modelli ai due casi di studio.
23
Martellini, Marcello. "Dispositivo ad elettreti per la raccolta di energia dal calpestio." Master's thesis, Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, 2017.
Find full textAbstract:
Il progetto riguarda la realizzazione di un dispositivo per una pavimentazione a recupero energetico dal calpestio attraverso l'uso di film di elettreti.
Si inserisce dapprima una sezione introduttiva dedicata ad una comparazione con i diretti rivali: i materiali piezoelettrici.
Si prosegue con la giustificazione della scelta del materiale elettroattivo commerciale adoperato, una sua caratterizzazione morfologica ed una descrizione accurata dello stesso. Oltre a prove termiche per la determinazione della massima temperatura di esercizio, si pongono prove qualitative di capacita' e prove sulla quantita' di carica: statiche e dinamiche.
Le prove riguardanti la generazione di carica massima generata a seguito di sollecitazioni meccaniche son fatte riferendosi alla sensitivita' nominale del materiale al fine di stabilire la configurazione di utilizzo: connessione elettrica degli strati, numero di strati, tipologie di elettrodi, formato dei provini...
La realizzazione di un dimostratore secondo la tecnica di prototipazione rapida conclude il progetto di tesi mettendo in atto quanto capito e testato.
Valutazioni economico energetiche e considerazioni per uno sviluppo futuro fanno da contorno per una futura ultimazione e ottimizzazione.
24
Pari, Federico. "Progetto di una scheda PCB per applicazioni di Energy Harvesting a bassissime tensioni." Bachelor's thesis, Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, 2015. http://amslaurea.unibo.it/9284/.
Full text
25
Mercadelli, Elisa <1982>. "Multilaminati piezoelettrici a gradiente funzionale." Doctoral thesis, Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, 2010. http://amsdottorato.unibo.it/2822/1/mercadelli_elisa_tesi.pdf.
Full textAbstract:
Aim of this thesis was the production of porosity-graded piezoelectric ceramics for ultrasonic applications by tape casting and screen printing. The study and optimization of each single step of the tape casting process allowed to produce flat and crack-free multilayers of Pb0.988(Zr0.52Ti0.48)0.976Nb0.024O3 (PZTN) of uniform and graded porosity. The multilayers of thickness ranging between 400 and 800 µm were produced stacking optimized green layers with different amount of pore former. The functionally graded materials showed porosity ranging between 10 and 30% with piezoelectric properties suitable for the specific ultrasonic applications.
Screen printing inks of PZTN for deposition onto four different substrates were studied and optimized. Thick films with thickness ranging between 4 and 20 µm were produced tailoring the screen printing parameters and number of depositions.
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Mercadelli, Elisa <1982>. "Multilaminati piezoelettrici a gradiente funzionale." Doctoral thesis, Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, 2010. http://amsdottorato.unibo.it/2822/.
Full textAbstract:
Aim of this thesis was the production of porosity-graded piezoelectric ceramics for ultrasonic applications by tape casting and screen printing. The study and optimization of each single step of the tape casting process allowed to produce flat and crack-free multilayers of Pb0.988(Zr0.52Ti0.48)0.976Nb0.024O3 (PZTN) of uniform and graded porosity. The multilayers of thickness ranging between 400 and 800 µm were produced stacking optimized green layers with different amount of pore former. The functionally graded materials showed porosity ranging between 10 and 30% with piezoelectric properties suitable for the specific ultrasonic applications.
Screen printing inks of PZTN for deposition onto four different substrates were studied and optimized. Thick films with thickness ranging between 4 and 20 µm were produced tailoring the screen printing parameters and number of depositions.
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ANGELICI, Marco. "Vibrazioni non lineari in mezzi piezoelettrici finiti." Doctoral thesis, La Sapienza, 2004. http://hdl.handle.net/11573/916891.
Full text
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Trapasso, Giorgia. "Accoppiamento tra supercondensatori e materiali piezoelettrici per Energy Harvesting." Master's thesis, Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, 2020.
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L’energy harvesting è la progettazione di elementi atti alla conversione, condizionamento e accumulo dell’energia.
La struttura comprende il generatore e l’accumulatore ed un accoppiamento con circuitazioni.
Per la conversione si è optato per un disco piezoelettrico di PZT.
Per l’accumulo la scelta è caduta su un supercondensatore.
Per l’accoppiamento si è scelto un ponte di Graetz ed un condensatore elettrico per filtro.
Per valutare l'output si è proceduto a testare mediante pressatura meccanica e misurazione con oscilloscopio.
Tale step risulta importante per la scelta del circuito di condizionamento in quanto, quest’ultimo è intrinsecamente fornito di perdite.
Quando le tensioni risultano insufficienti si è soliti adottare un array di più dischi. La sperimentazione con un singolo disco risulta accettabile per range di tensione superiori agli 0.6 V, se il ponte raddrizzatore scelto contiene diodi classici, e range superiori a 0.3 V per diodi Schottky.
La ricarica del condensatore deve avvenire fissando un intervallo di tempo e la scarica, possibilmente nello stesso intervallo, risulta uno strumento utile per valutare l’energia realmente estratta.
È una valutazione importante in quanto il dispositivo di accumulo possiede delle perdite tra cui l’energia residua. .
Tal fenomeno porta ad avere una potenza disponibile inferiore a quella teorica.
La scelta dei parametri circuitali, assieme alle caratteristiche di generatore e storage, permette di valutare l’impedenza del circuito. L’ottimo dell’estrazione si raggiunge quando l’impedenza del sistema eguaglia il coniugato dell’impedenza di carico (o di storage). La scelta dei parametri può partire dalla ricerca di questa uguaglianza.
Grazie allo studio sperimentale a breve termine, si settato i parametri lavorativi, si individuano i punti di lavoro e si dimensionano i sottosistemi.
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Piddiu, Lorenzo. "Ottimizzazione del processo di polarizzazione su provini piezoelettrici nanofibrosi." Master's thesis, Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, 2021.
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In questo elaborato di tesi viene studiata e approfondita la risposta piezoelettrica di provini nanofibrosi di PVDF-TrFE e PZT, con l’obiettivo di ottimizzare il processo di polarizzazione dei materiali piezoelettrici. Tipicamente i processi di polarizzazione di provini piezoelettrici avvengono tramite l’applicazione di un campo elettrico DC. Durante l’attività di tesi sono state eseguite prove di polarizzazione in AC sui provini, per provare a migliorarne la risposta piezoelettrica rispetto ai processi di polarizzazione tradizionali. Le prove sono state eseguite mediante l’uso di una scheda di acquisizione dati fornita dalla National Instruments al posto del generatore di funzione, in modo da avere la possibilità di controllare il segnale da remoto tramite il software LabVIEW.
In seguito è stato calcolato il coefficiente piezoelettrico d33, rappresentante il rapporto tra la carica accumulata sulle facce opposte del provino a causa di una sollecitazione meccanica, e la sollecitazione stessa. Ciò è stato fatto sia con un apparato denominato LinMot sia con uno strumento chiamato PiezoMeter. L’elaborazione dei dati ottenuti ha permesso di visualizzare i migliori risultati in termini di frequenza e numero di cicli.
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Franchini, Federico. "Studio e realizzazione di provini piezoelettrici flessibili per applicazioni di sensoristica." Master's thesis, Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, 2020.
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L’obiettivo del lavoro di Tesi è stato quello di produrre dal punto di vista sperimentale un sensore piezoelettrico mediante l’utilizzo di materiali e processi innovativi. È stato inoltre sviluppato un modello elettromeccanico sfruttando il software COMSOL Multiphysics®, che ha permesso di validarne sul piano teorico l’efficienza e fattibilità. I sensori piezoelettrici sfruttano la proprietà di alcuni materiali, di indurre una ridistribuzione delle cariche interne a seguito dell’applicazione di una sollecitazione di tipo meccanico. Inoltre, per garantire la flessibilità e la resistenza che caratterizzano la pelle artificiale, devono essere composti da materiali con proprietà meccaniche simili al silicone. Perciò in questo elaborato è stata studiata la creazione di sensori flessibili, partendo proprio dalle gomme siliconiche. Il primo passo è stata la produzione di elettrodi flessibili con l’integrazione di un materiale conduttivo in una matrice polimerica, per creare così un polimero conduttivo. Il materiale conduttivo scelto è il Carbon Black. Miscelando il Carbon Black con il Polidimetilsilossano o PDMS, appartenente alla famiglia delle gomme siliconiche, si ottiene una integrazione fra i due materiali e sottoponendoli ad un processo di cura termoindurente si ottiene un materiale conduttivo della stessa consistenza del silicone. Come materiale piezoelettrico, è stato utilizzato il PVDF-TrFE, copolimero ferromagnetico, sottoforma di tappetino di nanofibre in grado di avere polarizzazione spontanea anche in assenza di un campo elettrico. Il sensore è prodotto come sovrapposizione di strati curati assieme. La seconda parte di questo elaborato con lo sviluppo di un modello elettromeccanico che sfrutta il software COMSOL Multiphysics® ha permesso la realizzazione di un sensore simile a quello realizzato sperimentalmente. I risultati computati dal software sono poi stati confrontati con i risultati del sensore reale, sottoponendo entrambi allo stesso tipo di forza.
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Tanganelli, Gianmarco. "Studio dell'effetto della polarizzazione sulla risposta elettrica di provini piezoelettrici ceramici nanofibrosi." Master's thesis, Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, 2020.
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In questo elaborato di tesi sono studiate e approfondite le caratteristiche piezoelettriche del PZT prodotto sottoforma di tappetini nanofibrosi. È poi stata studiata e massimizzata la risposta piezoelettrica delle nanofibre integrate in tre diversi tipi di matrice tramite processi di ottimizzazione della polarizzazione.
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Mazzotti, Andrea. "Caratterizzazione di un circuito per l'estrazione di carica sincrona da trasduttori piezoelettrici." Bachelor's thesis, Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, 2013. http://amslaurea.unibo.it/6425/.
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L'elaborato di tesi tratta la caratterizzazione del rendimento di un circuito convertitore di energia elettrica in energia meccanica. La conversione viene svolta con una procedura più complessa, ma più efficiente rispetto alla conversione classica. Il circuito studiato è soggetto alle problematiche legate all'energy harvesting, tuttavia ha il vantaggio di non necessitare di alimentazione esterna.
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Vignudelli, Elisabetta <1987>. "La preparazione del sito implantare tramite tecnica piezoelettrica o convenzionale: studio clinico pilota." Doctoral thesis, Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, 2017. http://amsdottorato.unibo.it/8207/1/Vignudelli%20Elisabetta%20tesi.pdf.
Full textAbstract:
La chirurgia piezoelettrica è una tecnica che permette il taglio selettivo dei soli tessuti duri diminuendo in maniera significativa il rischio di danno iatrogeno a strutture vascolo nervose. Studi recenti su animali sembrano ipotizzare inoltre la capacità della piezochirugia di migliorare e anticipare le fasi iniziali del processo di guarigione ossea e di osteintegrazione. Da qui l’obiettivo dello studio che è stato la valutazione quantitativa e qualitativa della rigenerazione ossea ottenuta in seguito a preparazione del sito implantare tramite tecnica piezoelettrica e tecnica convenzionale.
Lo studio ha compreso il trattamento di 12 siti edentuli adatti ad essere riabilitati con terapia implantare. Durante le normali procedure di chirurgia implantare tali siti ricevevano anche l’inserimento di una fixture implantare aggiuntiva di dimensioni ridotte: nel Gruppo Test l’inserimento ti tale fixture è avvenuto con preparazione del sito implantare con tecnica piezoelettrica; nel gruppo controllo con tecnica a fresa convenzionale.
Dopo 28 giorni (T1) le fixture aggiuntive sono state espiantate e per ogni gruppo è stata valutata la rigenerazione ossea ottenuta con analisi istologica e immunoistochimica con marcatori SATB2 e CD31.
Tutti i campioni sia del gruppo test che del gruppo controllo mostrano un quadro istologico sovrapponibile. In ogni campione di ciascun gruppo si osserva la presenza di osso trabecolare residuo in vari stadi di necrobiosi associato ad aspetti di osteo-rigenerazione in diversi fasi che portano alla formazione di osso trabecolare. La valutazione dei marcatori SATB2 e CD31 Non ha mostrato differenze significative tra i due gruppi (P>0.05).
I risultati preliminari di questo studio sembrano mostrare che l’osteo-rigenerazione che si verifica in seguito a preparazione del sito implantare con tecnica piezoelettrica o tecnica convenzionale risulti similare facendo ipotizzare quindi che la rigenerazione ossea di entrambe le tecniche segua le medesime fasi e tempistiche biologiche.Piezoelectric surgery is a promising technique for the selective cut of the hard tissues that significantly decrease the risk of iatrogenic damage to nerve vessel structures during oral and implant surgery. In addition some recent studies suggested that ultrasonic implant site preparation seems to have the potential to modify biologic events during the osseointegration initial phases. Hence the objective of the study that was the histological quantitative and qualitative evaluation of bone regeneration obtained following the preparation of the implant site using piezoelectric technique or drill technique. The study included 12 edentulous sites suitable for rehabilitation with implant therapy. During the normal implant surgery procedures, these sites also received the insertion of a small additional implant fixture: in the Test Group, the additional fixture was inserted with piezoelectric implant site preparation, otherwise in the control group with drill preparation. After 28 days (T1) the additional fixtures were trephined and histologic and immunohistochemical analysis with SATB2 and CD31 markers were performed to detect any differences between the two study group (P>0.05). All samples of both test group and control group showed similar histologic features. In each sample of both groups there were the presence of residual trabecular bone in different stages of necrobiosis associated with osteo-regeneration aspects. Evaluation of the SATB2 and CD31 markers did not show significant differences between the two groups. Preliminary results of this study seem to show that osteo-regeneration occurring following implant site preparation with piezoelectric or conventional technique is similar, suggesting that bone regeneration of both techniques follows the same biological phases and times .
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Presutti, Matteo. "Realizzazione di microsensori di posizione mediante integrazione di nanofibre piezoelettriche coassiali." Master's thesis, Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, 2021.
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L’obiettivo di questa tesi è stata la realizzazione di un microsensore di posizione matriciale in grado di individuare, sfruttando l’effetto piezoelettrico delle nanofibre, il preciso punto di impatto di una sollecitazione meccanica applicata sulla sua superficie.
Il funzionamento del sensore si basa sulla sovrapposizione di due strati di nanofibre coassiali allineate, ottenute mediante elettrofilatura coassiale e successivamente integrate all’interno di una matrice protettiva. Le nanofibre sono posizionate lungo le due direzioni dello spazio x e y e ciascuna di esse costituisce singolarmente un sensore vero e proprio, fornendo la possibilità di raggiungere sensibilità molto elevate nell’individuazione della posizione.
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Dibiase, Marco. "Progetto di sensori piezoelettrici per la rilevazione della direzione d'arrivo di onde ultrasoniche guidate." Master's thesis, Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, 2018.
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Una nuova procedura di design è stata utilizzata per progettare sensori piezoelettrici per il rilevamento della direzione d’arrivo di onde ultrasoniche. Tale procedura fa utilizzo della Trasformata di Radon e la sua inversa. Gli obiettivi raggiunti sono stati la minimizzazione dell’incertezza con cui è stimata la direzione di arrivo, stimata che sia la differenza in tempo di arrivo fra due sensori, e annullamento dell’effetto negativo del wave mode tuning. Un terzo sensore è stato progettato col fine di eliminare l’ipotesi di conoscenza della velocità di gruppo nel materiale, ovvero eliminare completamente la procedura di calibrazione dei sensori. I risultati numerici hanno confermato la validità del modello proposto completamente per il modo A0 delle onde ultrasoniche di Lamb, parzialmente per il modo S0.
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Tarli, Paolo. "Studio, messa a punto e realizzazione di nanofibre coassiali piezoelettriche con tecnica elettrospinning." Master's thesis, Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, 2017.
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L'elettrofilatura è una tecnica innovativa che permette di realizzare materiali dalle elevate prestazioni, che possono essere ulteriormente incrementate e variate utilizzando un "upgrade" di questo processo, ovvero l'elettrofilatura coassiale o "core-shell". Impiegando polimeri aventi particolari proprietà è possibile sfruttare tale processo per produrre materiali performanti e dalle caratteristiche altamente innovative. L'attività di ricerca presentata in questo elaborato è stata incentrata sullo studio, la realizzazione e l'ottimizzazione del processo di elettrofilatura coassiale al fine di riuscire a produrre nanofibre core-shell conduttive-piezoelettriche. Per poter raggiungere tale obiettivo è stato necessario acquisire le conoscenze e le competenze utili alla messa a punto, alla gestione e all’ottimizzazione di processi di elettrofilatura a singolo ago prima e ad ago coassiale poi. Suddividendo il lavoro in diverse fasi, si è arrivati gradualmente a comprendere quali fattori influissero maggiormente su tale processo produttivo, fino al raggiungimento degli obiettivi preposti. Restano tuttavia ancora dei margini di miglioramento, soprattutto per quanto riguarda la percentuale di nanofibre coassiali prodotte sul totale. A tal fine, saranno necessarie ulteriori investigazioni future.
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Zaccarini, Mattia. "Studio e realizzazione di un sensore di posizione mediante nanofibre coassiali piezoelettriche allineate." Master's thesis, Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, 2019.
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L’obiettivo dell’elaborato di tesi si basa sullo studio, l’analisi e la realizzazione di un sensore di posizione piezoelettrico, formato da nanofibre coassiali allineate mediante la tecnica dell’elettrofilatura coassiale. Per la realizzazione di fibre coassiali sono stati utilizzati il polimero conduttivo PEDOT:PSS per il core ed il polimero piezoelettrico PVDF-TrFE per lo shell. Il vantaggio di avere nanofibre coassiali allineate secondo una direzione preferenziale, piuttosto che con deposizione casuale, è dovuto alla necessità di realizzare un sensore di posizione che consenta, a seguito dell’applicazione di una sollecitazione esterna, l’estrapolazione di un segnale in uscita (tensione) misurabile tramite un oscilloscopio.
Ottimizzato il processo di elettrofilatura coassiale senza il controllo della deposizione si è perfezionato il processo di elettrofilatura coassiale allineata, al fine di ottenere fibre coassiali con un ottimo grado di allineamento. Il progetto di tesi procede con la realizzazione di un tappetino, dell’ordine di qualche centimetro quadrato, costituito da poche fibre coassiali, le quali si andranno poi a depositare su un supporto. Si prosegue poi con l’analisi e l’ottimizzazione del contatto elettrico tra le fibre e l’elettrodo metallico. Infine, si è studiato come realizzare un sensore tattile piezoelettrico formato da una matrice costituita da singole fibre dal diametro di circa 1μm. Tale dispositivo, confrontando i diversi valori di potenziale in uscita, sarà in grado di percepire esattamente la posizione di applicazione della sollecitazione esterna, consentendo una possibile implementazione in svariate applicazioni in ambito sensoristico.
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Gliori, Emanuele. "Ottimizzazione e controllo del processo di elettrofilatura per la realizzazione di sensori piezoelettrici ad alte prestazioni." Master's thesis, Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, 2018.
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Le attività svolte sono state incentrate sulla ottimizzazione e sul controllo del processo di elettrofilatura di soluzioni polimeriche per la realizzazione di membrane nanofibrose piezoelettriche per applicazioni Sensing ed Energy Harvesting ad alte prestazioni.
Uno degli scopi di questa tesi è stato quello di realizzare un sistema di controllo in Arduino per la gestione dei generatori di alta tensione e per il monitoraggio di temperatura e umidità all’interno di un ambiente controllato, tentando quindi di isolare il processo di elettrofilatura dall’influenza dell’ambiente esterno.
È stata eseguita una ottimizzazione del processo di elettrofilatura standard per il nuovo materiale e sono state caratterizzate le fibre ottenute attraverso l’utilizzo di Microscopia Ottica e SEM, per valutarne il diametro, l’uniformità e l’omogeneità.
Sono state realizzate membrane piezoelettriche elettrofilate con una tecnica “limite”, cercando di spingere al massimo il campo elettrico aumentando la tensione applicata e riducendo la distanza. Con questo sistema è possibile ottenere fibre che presentano caratteristiche piezoelettriche notevoli senza bisogno di ulteriori processi di post-polarizzazione.
Simulazioni del campo elettrico sono state eseguite attraverso il software Comsol per valutare l’effetto della geometria, della distanza e dei parametri di processo sulla distribuzione e sull'intensità del campo elettrico nello spazio.
Le membrane elettrofilate con processo standard e in condizioni limite sono state successivamente integrate in matrici di PDMS e Resina epossidica, predisponendole per una possibile integrazione in altri compositi, sono state eseguite analisi SEM per valutare la qualità dell'impregnazione.
Sono state eseguite prove di sollecitazione meccanica impulsiva e sinusoidale per valutare la risposta elettromeccanica dei dispositivi piezoelettrici ottenuti e per confrontare il risultato dell’impiego di diversi materiali di impregnazione.
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Landi, Laura. "Progetto e implementazione di circuiti a switch sincronizzato per la conversione di micropotenze da trasduttori piezoelettrici." Master's thesis, Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, 2021. http://amslaurea.unibo.it/24534/.
Full textAbstract:
Una delle principali caratteristiche dei trasduttori per energy harvesting piezoelettrici è il fatto che la loro impedenza d'uscita è principalmente capacitiva. Questo consente di elaborare schemi di conversione dell'energia basati su circuiti risonanti attivati in modo sincrono con le vibrazioni, che risultano in grado di aumentare notevolmente la potenza di uscita rispetto alle comuni interfacce passive. Questa tesi si è posta come obiettivo la progettazione e implementazione di un circuito per energy harvesting da vibrazioni basato sulla tecnica Synchronized Switch Harvesting on Inductor (SSHI) che garantisse un'elevata efficienza di conversione. Dovendo gestire potenze in ingresso tipicamente di debole entità, l'architettura proposta è stata ottimizzata per minimizzare la dissipazione di potenza interna al convertitore. Il circuito proposto è stato infine validato sperimentalmente tramite allestimento di un setup di misura dedicato.
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Malerba, Gioacchino. "Progetto di un nodo sensore attivo a basso voltaggio per analisi ad ultrasuoni." Bachelor's thesis, Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, 2019. http://amslaurea.unibo.it/17355/.
Full textAbstract:
In questo elaborato è descritto il progetto di un nodo sensore attivo piezoelettrico adatto per applicazioni nell'ambito del monitoraggio strutturale, in particolare per l'analisi ad ultrasuoni. Tale tecnica si avvale di almeno una coppia di sensori: un pulsatore attivo e un ricevitore passivo. A tal proposito, i più utilizzati sono i trasduttori piezoelettrici, i quali trovano un largo impiego anche nell'ambito biomedico.
Le attrezzature commerciali utilizzate in questo campo allo stato dell'arte hanno grande ingombro, costi elevati e un alto voltaggio. Tuttavia, tramite un'analisi preliminare sulla struttura da monitorare è possibile individuare le zone di maggiore stress e quindi inserire i sensori in modo mirato, riducendo l'ingombro e il peso dell'elettronica utilizzata.
In questo contesto si inserisce il lavoro di tesi, il cui obiettivo è il progetto di un nodo sensore attivo piccolo, leggero, a basso costo e a basso consumo di potenza, idoneo per essere installato permanentemente sulle strutture. Si è passati dalla definizione del problema alle possibili implementazioni circuitali utilizzando il software LTspice, fino alla scelta finale dei componenti fisici che sintetizzassero il blocco di driver/demodulatore, rispettivamente pilotando l'elemento piezoelettrico e demodulando il segnale PWM generato dal microcontrollore.
Dopo aver utilizzato un induttore (flottante) per svolgere l'adattamento di impedenza, sono stati testati due componenti di natura induttiva: doppio circuito di Antoniou e doppio giratore. Nella fase successiva sono state disaccoppiate la funzione di driver e demodulatore, realizzate prima da un VFA e un filtro passa-basso e poi, nello step finale, da un CFOA e un filtro passa-basso.
Come risultato finale è stato ottenuto un nodo sensore attivo, la cui tensione di uscita è caratterizzata da una dinamica pari a 6 V circa e una frequenza di risonanza di 20 KHz.
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Sanzani, David. "Progetto di un circuito di elaborazione dati per l'analisi reologica di singoli oggetti in tempo reale." Bachelor's thesis, Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, 2012. http://amslaurea.unibo.it/4039/.
Full textAbstract:
Questo elaborato propone lo studio di un sistema ed il conseguente sviluppo di un’architettura elettronica versatile, capace di effettuare analisi reologiche in tempo reale su singoli oggetti di varia natura, sfruttando diversi metodi e tecnologie elettroniche a disposizione. Un caso particolare su cui ci si è soffermati per sviluppare il sistema riguarda l’implementazione di tecniche innovative di produzione e selezione dei prodotti agricoli. L'elaborato presenta dunque un sistema elettronico capace di effettuare l’analisi reologica con tecniche acustiche di singoli oggetti. Il sistema è stato progettato e costruito per essere versatile ed adattabile a diverse tipologie di applicazioni, mantenendo costi ridotti per renderlo adatto ad eventuali applicazioni industriali.
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Diodati, Giulia. "Realizzazione e caratterizzazione di materiali polimerici elettroattivi per lo sviluppo di un sistema di pavimentazione a recupero energetico." Master's thesis, Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, 2017.
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Il presente lavoro di tesi è stato svolto presso il Dipartimento di Ingegneria dell’Energia Elettrica e dell’Informazione “Guglielmo Marconi” della Facoltà di Ingegneria dell’Università di Bologna, nel Laboratorio di Innovazione Tecnologica.
Le attività svolte si sono focalizzate sulla realizzazione e caratterizzazione di materiali polimerici elettroattivi al fine di sviluppare un prototipo di pavimentazione a recupero energetico, cioè in grado di generare energia elettrica in seguito alla sollecitazione meccanica del passo umano. Questa tecnologia è un idea innovativa e rientra nella più ampia materia dell’Energy Harvesting, cioè lo studio di soluzione alternative in grado di sfruttare fonti di energia che altrimenti andrebbero dissipate, come appunto il calpestio umano.
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Forni, Riccardo. "Simulazione e testing di soluzioni energy harvesting per nodi sensore miniaturizzati." Bachelor's thesis, Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, 2019. http://amslaurea.unibo.it/18582/.
Full textAbstract:
Lo Structural Health Monitoring è una disciplina che si occupa di damage detection, ovvero di rilevare danneggiamenti all'interno di diversi tipi di strutture. I campi applicativi sono molteplici, dalle infrastrutture civili ai macchinari industriali fino alle navicelle spaziali. In alcuni contesti la manutenzione della sensoristica è critica, in particolare la sostituzione delle batterie, ove presenti.
Fare energy harvesting significa sfruttare l'energia presente nell'ambiente circostante per alimentare, almeno parzialmente, uno o più dispositivi.
Questo elaborato si pone come obiettivo di valutare se, e in che modi, sia possibile integrare una tecnologia energy harvesting in una rete per l'indagine dell'integrità strutturale (SHM) basata su nodi sensore sviluppati all'interno di ARCES dal gruppo Lab-SHM dell'Università di Bologna. Sono stati analizzati i consumi di un nodo sensore piezoelettrico per analisi ad emissioni acustiche ed ultrasuoni. Il consumo massimo di potenza registrato è stato di 75 mA in condizioni di funzionamento dinamico.
Sulla base delle caratteristiche del nodo sensore è stato scelto un modulo di harvesting, l' LTC3588-1 di Linear Technology. Il comportamento del modulo è stato prima simulato, attraverso LTSpice, in relazione a diversi tipi di trasduttori in ingresso poi caratterizzato e testato all'interno di un circuito costruito su breadboard.
Utilizzando un prototipo del nodo sensore al quale è stata collegata l'uscita dell' LTC, si è riusciti ad alimentare il nodo con l'harvesting fotovoltaico. Il pannello, se adeguatamente irraggiato, è in grado di tenere accesso il modulo e il nodo. L'alimentazione fornita è risultata sufficiente anche per eseguire comandi di acquisizione attraverso il sensore piezoelettrico.
Al contrario i risultati per i trasduttori piezoelettrici hanno evidenziato che queste tecnologie non sono in grado di fornire sufficiente energia al sistema nello stato attuale.
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Carboni, Cherolain. "Studio e realizzazione di un prototipo di pavimentazione a recupero energetico." Master's thesis, Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, 2016. http://amslaurea.unibo.it/12349/.
Full textAbstract:
L'obiettivo del seguente progetto di Tesi è la realizzazione di un prototipo di pavimentazione che recupera l’energia dissipata derivante dalle sollecitazioni meccaniche del calpestio umano, tematica in forte sviluppo tecnologico nell'ambito dell'Energy Harvesting.
Ai fini della scelta del materiale che possa meglio essere implementato nella realizzazione del dispositivo, sono stati studiati polimeri che esibiscono un comportamento da piezoelettrete, ovvero hanno la peculiarità di poter trasdurre un impulso meccanico in una risposta elettrica.
In particolare, sono state realizzate membrane polimeriche nanofibrose con caratteristiche da piezoelettrete utilizzando una tecnologia innovativa eco-friendly e low cost: l'elettrofilatura, che permette la produzione di fibre continue a partire da un getto elettrostaticamente carico di una soluzione polimerica.
In seguito alla caratterizzazione elettrica e morfologica, le membrane realizzate in laboratorio sono state confrontate con un elettrete commerciale: le prime presentano efficienze di conversioni limitate, ma mostrano ampi margini di ottimizzazione in seguito a studi maggiormente approfonditi.
Poiché la membrana commerciale ha prestazioni più elevate, è stata implementata nella realizzazione del dimostratore, in seguito a prove di caratterizzazione elettrica, test di invecchiamento termico e analisi morfologiche.
Il dispositivo è stato realizzato mediante una stampante 3D per velocizzarne la fase di prototipazione ed è stato sottoposto a diverse prove sperimentali al fine di valutarne le prestazioni energetiche e i parametri che necessitano miglioramenti per ottenere un'ottimizzazione prestazionale.
Il pavimento a recupero energetico è una tecnologia che permette di generare energia pulita promuovendo lo sviluppo di sistemi innovativi per ridurre i consumi.
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ANNESSI, ALESSANDRO. "Design of a metamaterial-based hand held vibration probe." Doctoral thesis, Università Politecnica delle Marche, 2022. https://hdl.handle.net/11566/299641.
Full textAbstract:
Le misure vibrazionali sono un punto di riferimento nella dinamica strutturale. Lo stesso vale anche per la diagnostica dei guasti e la valutazione della qualità del prodotto in vari campi dell'industria, dalle linee di produzione dei componenti ai prodotti finiti. Queste misure sono solitamente eseguite utilizzando accelerometri piezoelettrici collegati alla struttura in esame. Il collegamento è solitamente realizzato tramite adesivi o cera d'api, magneti o perni filettati. Tuttavia, il processo di installazione di questi sensori può richiedere molto tempo e, in alcuni casi, può essere irreversibile o addirittura non consentito. Le sonde vibrazionali di tipo hand-held sono state ampiamente utilizzate in passato, anche se le loro prestazioni (ad es. gamma di frequenze di lavoro e accuratezza complessiva) risultano inferiori rispetto alle installazioni fisse. Tuttavia, la diffusione dei robot nell'ambito dell'industria 4.0, caratterizzata dall'obiettivo di produzione a zero difetti, ha motivato un nuovo interesse per questo tipo di soluzione.
Le sonde di misura vibrazionali tipo hand-held sono costituite da componenti che devono garantirne la linearità entro un determinato intervallo di frequenza e il contatto costante con la struttura in prova. Inoltre, le vibrazioni spurie, dovute alla manipolazione da parte di un operatore umano o di un robot, devono essere evitate introducendo un elemento di disaccoppiamento. Normalmente, vengono impiegati materiali convenzionali come la gomma e il silicone, per via del loro comportamento viscoelastico. Tuttavia, questi materiali possono subire modifiche al loro comportamento dinamico quando soggetti a condizioni ambientali diverse. Lo scopo di questa tesi è dimostrare il vantaggio nell'adottare metastrutture come elementi di disaccoppiamento nelle sonde vibrazionali di tipo hand-held. La metastruttura sviluppata si basa su una ripetizione periodica di celle unitarie caratterizzate da una forte separazione modale. Ne consegue, quindi, un ampio intervallo di frequenze di funzionamento.Vibrational measurements are a landmark in structural dynamics. This is true also for fault diagnosis and product quality assessment in various fields of industry, from production lines of components to finite products. These measurements are usually performed using piezoelectric accelerometers attached to the structure under investigation. The connection is usually made using adhesive or bees-wax, magnets or threaded pins. However, the process of installing these sensors can be time-consuming and, in some cases, irreversible or even not allowed. Hand-held vibration probes were widely used in the past, even though their performances (i.e. working frequency range and overall accuracy) were lower compared to fixed installations. However, the spread of robots in the framework of industry 4.0, characterized by the zero defect manufacturing target, caused a new interest in this solution. Hand-held vibration measurements probes are made of components that must guarantee linearity within certain frequency range as well as constant contact with the structure being tested. Furthermore, spurious vibrations, due to the handling by a human operator or a robot, need to be avoided introducing a decoupling element. Normally, conventional materials, like rubber and silicon, are exploited, taking advantage of their viscoelastic behavior. However, these materials may undergo changing on their dynamic behavior when subject to different environmental conditions. The aim of this thesis is to demonstrate de advantage of adopting metastructures as decoupling elements in hand-held probes. The design of the metastructure developed is based on a periodic repetition of unit cells characterized by a strong mode separation and, thus, a wide frequency bandgap.
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QUATTROCCHI, ANTONINO. "Sviluppo di metodologie sperimentali per il controllo attivo delle vibrazioni e la riduzione del rumore vibro-acustico." Doctoral thesis, 2017. http://hdl.handle.net/11570/3105010.
Full textAbstract:
Il presente lavoro di tesi è incentrato sullo studio e sullo sviluppo di un metodo di controllo attivo del rumore e delle vibrazioni attraverso sensori e attuatori a film piezoelettrico (patch PZT) e algoritmi in ambiente Labview basati su regolatori PID. A tal proposito sono state analizzate diverse problematiche sui vari aspetti del controllo attivo delle vibrazioni e del rumore, proponendo una metodologia originale, basata sul metodo dei coefficienti di convergenza, per il rilievo di difetti mediante onde ultrasoniche di superficie generate e misurate con patch piezoelettriche.
Gli attuatori piezoelettrici sono spesso adoperati all’interno di sistemi complessi per controllare le condizioni di funzionamento. Tali trasduttori sono soggetti a riscaldamento, a causa delle correnti che si muovono al loro interno. Il principale problema può presentarsi in strutture dove l’effetto termico può alterare le corrette operazioni, specialmente quando l’attività dell’attuatore è continua. In questa tesi è stato implementato un modello conduttivo di tipo termo-elettro-meccanico, capace di descrivere il riscaldamento di attuatori piezoelettrici annegati. In particolare esso permette di valutare la temperatura della patch PZT, misurando quelle delle superfici esterne del sistema. Per questo scopo, la distribuzione termica delle facce dell’attuatore è stata acquisita mediante termografia IR e punti rappresentativi sono stati investigati con termocoppie superficiali. Il modello è stato validato analizzando il provino costituito da una struttura polimerica con una patch PZT inglobata. Un modello di misura dell’incertezza è stato calcolato per mettere in evidenza le variabili più rilevanti ed è stato presentato il caso studio di una patch PZT, annegata all’interno di un pannello in composito.
I sensori piezoelettrici sono dispositivi in grado di percepire lo stato vibrazionale di strutture più o meno complesse. Le loro caratteristiche intrinseche devono mostrare adeguatezza nell’acquisire correttamente i segnali da misurare, per cui risultano fondamentali la loro posizione, le loro dimensioni, il loro peso ed in generale le caratteristiche meccaniche ed elettriche utili alla loro funzione. Nella maggior parte dei casi tutto è finalizzato alla rilevazione della risonanza della struttura in esame. Questa rappresenta certamente l’effetto principale da eliminare per ottenere un corretto controllo di vibrazione e rumore, tuttavia può essere fruttata per giungere a risultati vantaggiosi. Molti dispositivi piezoelettrici sono in grado di adoperare la vibrazione per produrre energia elettrica. Tale tecnica è chiamata Energy Harvesting (EH) e si basa sulla generazione di piccole potenze elettriche, mediante l’utilizzo di fenomeni dovuti ad interazioni indirette sistema-harvester. In tal maniera è possibile posizionare un elemento piezoelettrico su un sistema vibrante e sfruttare la vibrazione prodotta per innescare la risonanza ed in modo passivo sviluppare corrente e tensione. In questo lavoro di tesi sono stati caratterizzati un generatore piezoelettrico risonante a sbalzo (RPG), in grado di operare in configurazione d31 ed un circuito di raddrizzamento e di regolazione (RRC) ad esso collegabile. I comportamenti elettrici e vibrazioni sono stati indagati attraverso prove di laboratorio per evidenziare la potenza massima generabile, i parametri dinamici, il campo di deformazione associata, l'efficienza dell’RPG ed i tempi di carica e scarica dell’RRC. I risultati mostrano che esiste una potenza ottimale per un carico specifico ed essa si massimizza in corrispondenza della frequenza di risonanza. Infatti in queste condizioni meccaniche, la potenza si accresce di diversi ordini di grandezza e vantaggi simili sono ottenuti nell’efficienza. Gli stessi sono stati raggiunti impiegando l’RCC, incrementando i tempi di funzionamento. L'obiettivo principale di questo studio è quello di migliorare le prestazioni di un tradizionale risuonatore piezoelettrico a sbalzo e verificarne la fattibilità per casi reali.
Il controllo attivo del rumore e delle vibrazioni è stato messo a punto avvalendosi dei sensori e degli attuatori piezoelettrici precedentemente studiati, al fine di creare un sistema automatizzato in grado di sopperire all’obiettivo attraverso implementazione software. L’architettura hardware è stata facilmente impiantata su una semplice struttura, incollando i trasduttori sulle sue superfici. In seguito questi sono stati collegati ad un sistema di acquisizione/ controllo/generazione dei segnali di vibrazione. In ambito software sono stati sviluppai applicativi, utilizzando LabVIEW™, in grado di attuare opportune strategie di condizionamento dei segnali, avvalendosi del principio di sovrapposizione degli effetti. L’obiettivo del lavoro è quello di ridurre le vibrazioni alla risonanza, acquisendo i segnali e generando onde uguali e contrare, quindi con stesso modulo e opposta fase, permettendo di approntare la cosiddetta sovrapposizione distruttiva, prodotta attraverso controllo ad anello chiuso.
L’ultima parte di questa tesi è incentrata sul proporre l’uso delle patch piezoelettriche come sensori ed attuatori attraverso la tecnica del Match Coefficient Approach (MCA) per l’identificazione di difetti prossimi alla superficie di strutture metalliche. Il setup utilizzato per l’applicazione di questa innovativa metodologia coincide con quello adoperato per il controllo attivo delle vibrazioni e del rumore; di conseguenza esso permette ambivalentemente di svolgere monitoraggio strutturale e controllo attivo. In questo caso è stato fatto uno studio preliminare con il quale è stato proposto un algoritmo in ambiente Matlab™ per applicare lo schema di ricostruzione delle immagini attraverso Synthetic Aperture Focus (SAF), opportunamente modificato mediante la tecnica del Matched Field Processing (MFP), utilizzata per la localizzazione delle sorgenti acustiche per emissioni subacquee e dei terremoti. Per verificare l’efficienza della proposta è stato studiato il caso di una piastra sottile metallica con fori, spallature e difetti su cui sono stati incollati trasduttori piezoelettrici allo scopo di identificare tali disuniformità della superficie.
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DI, MODUGNO Filomena. "Modelling, simulation and experimental validation of the behaviour of a piezoelectric cantilever beam in Energy Harvesting and non-destructive diagnostic fields." Doctoral thesis, 2017. http://hdl.handle.net/11589/102568.
Full textAbstract:
L'inquinamento ambientale è, al giorno d'oggi, uno dei più grandi problemi mondiali da risolvere ed è strettamente collegato ad altre importanti problematiche, quali, ad esempio, l'aumento del numero di pazienti affetti da malattie ad esso correlate. Malgrado ciò, la percentuale di impiego di fonti di energia notoriamente inquinanti è ancora molto elevata rispetto alla percentuale riservata alle energie 'pulite' e rinnovabili, il che ha indotto i ricercatori a condurre numerosi studi sulle energie alternative. L'obiettivo di questi studi si concilia bene con la filosofia di una scienza che studia la conversione dell'energia sprecata nell'ambiente in forme di energia diverse e più utili: questa scienza si chiama Energy Harvesting (EH). E' possibile recuperare energia da fonti ambientali naturali quali il sole, il vento e le vibrazioni naturali. L'energia prodotta da alcune di queste fonti alternative può essere convertita in energia elettrica attraverso processi non inquinanti che utilizzano opportuni dispositivi, chiamati energy harvester; essi funzionano da veri e propri generatori quando sono sottoposti all'effetto delle vibrazioni.
Il processo di conversione dell'energia ambientale in energia elettrica comporta spesso l'utilizzo di smart materials quali, ad esempio, i materiali piezoelettrici. Questi materiali hanno la proprietà di sviluppare cariche elettriche nel momento in cui sono sottoposti a sollecitazioni meccaniche (effetto piezoelettrico diretto): le cariche prodotte possono essere immagazzinate e conservate utilizzando un circuito elettrico. Una vasta gamma di dispositivi realizzati con materiali piezoelettrici è stata sviluppata nel campo dell'EH. In particolare, stanno suscitando notevole interesse i trasduttori piezoelettrici sollecitati da vibrazioni naturali, come quelle indotte dalla pioggia o dal vento.
La presente tesi ha lo scopo di fornire un contributo alla produzione di energia pulita ed 'economica', utilizzando piccoli dispositivi piezoelettrici: sollecitando gli harvester piezoelettrici con opportune vibrazioni naturali è possibile alimentare dispositivi a bassa potenza.
L'obiettivo principale della tesi è quello di capire come possa reagire un cantilever beam piezoelettrico sotto l'effetto di opportune vibrazioni, quali, ad esempio, quelle indotte dal passaggio di un fluido (aria o acqua), o da un movimento meccanico quale quello provocato dal passaggio di un vagone ferroviario sulle rotaie. L'analisi vibrazionale è stata effettuata utilizzando sia un opportuno apparato sperimentale che un ambiente di simulazione, al fine di validare le simulazioni con i dati sperimentali. Tale validazione conferisce affidabilità al processo di simulazione che può quindi essere esteso per analizzare situazioni non facilmente riproducibili in laboratorio. Inoltre, l'ambiente di simulazione offre la possibilità di ottimizzare i vari elementi costitutivi (forme, spessori e materiali costituenti) dei cantilever beam, permettendo così la progettazione di un cantilever beam piezoelettrico 'ottimale', specifico per la situazione considerata. Il potenziale elettrico sviluppato da tali dispositivi può essere conservato e riutilizzato, secondo i principi dell'EH. Inoltre, i dispositivi così progettati possono essere utilizzati anche come sensori nel campo della diagnostica non distruttiva.
La modellizzazione, la simulazione, l'ottimizzazione e la validazione sperimentale del comportamento dei cantilever beam piezoelettrici sono state realizzate in svariati casi di studio, la cui descrizione propone il dispositivo utilizzato in situazioni diverse, aventi un crescente grado di difficoltà. Per ogni caso di studio è stata descritto un adeguato modello matematico. Sono state fornite anche opportune informazioni in merito alla struttura delle matrici costitutive di ogni materiale piezoelettrico considerato.
Tutte le simulazioni presentate nella tesi sono stati realizzate utilizzando COMSOL Multiphysics, un software che utilizza il metodo agli elementi finiti (FEM) per risolvere modelli matematici. Il FEM è uno dei metodi numerici più utilizzati per calcolare soluzioni approssimate di problemi descritti matematicamente da equazioni alle derivate parziali (PDE). E' spesso utilizzato per ‘semplificare’ problemi reali che coinvolgono interazioni di non semplici fenomeni fisici, realizzate utilizzando oggetti aventi geometrie e condizioni al contorno di non semplice analisi.
La presente tesi si conclude con lo studio di fattibilità di un'applicazione reale, in cui un sistema autoalimentato, basato su un dispositivo piezoelettrico, può continuamente monitorare lo stato di salute della boccola di una carrozza ferroviaria, e quindi contribuire alla sicurezza dei passeggeri ferroviari.Environmental pollution is one of the biggest world problems nowadays and is closely connected to other important problems. The percentage of employment of polluting sources of energy is still high compared with that referred to clean ones. In recent years, several studies into alternative energies have been developed. The aim of renewable energies fits well with the philosophy of a science that studies the conversion of energy wasted in the environment into different and more useful forms: this science is called Energy Harvesting (EH). It is possible to harvest energy capturing it from environmental sources such as solar, thermal, wind-kinetic energy and natural vibrations. The energy produced by some of these alternative sources of energy, such as wind and vibrational energy, is converted into electrical energy through non-polluting processes and are used directly by energy harvesters devices that work as generators under the effect of vibrations. The conversion process of environmental energy into electrical power often involves smart materials such as piezoelectric materials, which develop electrical charge when subject to mechanical stress (direct piezoelectric effect): this charge can be stored by means of an electrical circuit. A wide range of devices made of piezoelectric materials has been developed in the EH field, for various large and small-scale applications. Great interest has been directed to piezoelectric transducers stressed by natural vibrations, such as those induced by rain or wind. This dissertation is aimed at contributing to the production of clean and inexpensive energy, using small piezoelectric devices stressed by natural vibrations and useful to provide energy to low-power devices. The objective is to understand how a piezoelectric cantilever beam reacts under the effect of vibrations that could be induced by a flowing fluid, such as air or water, or by mechanical movement, such as that of a train on the rails. The vibrational analysis was carried out both using experimental apparatus and in a simulation environment, in order to validate the simulations with experimental data. This validation lends reliability to the simulation process that can be extended to analyse situations not easily testable in the laboratory. Furthermore, the simulation environment offers the opportunity of looking for the optimization of several constitutive elements of cantilever beams, such as their shapes, thicknesses and materials they are made of, so allowing the design of an ‘optimal’ cantilever beam, specific for the situation considered. The electrical potential developed by such devices can be stored and reused following the principles of EH. Moreover, these so designed devices can be used as sensors in the field of Non-destructive testing. The modelling, simulation, optimization and experimental validation of the behaviour of the piezoelectric cantilever beam are carried out with some different case studies, describing the harvester device in situations with an increasing degree of difficulty. An appropriate mathematical model was described for each case study. Useful information is provided about the structure of the constitutive matrices of each piezoelectric material considered. All the simulations presented in the dissertation were realised using Comsol Multiphysics, software that uses the Finite Element Method (FEM) to solve mathematical models. The FEM is one of the most popular numerical methods used to calculate approximated solutions for problems described mathematically by Partial Differential Equations (PDEs). It is often used to ‘simplify’ real-world problems that involve complicated physics, geometry and boundary conditions. Finally, this dissertation presents a feasibility study for a real application, in which a self-powered system based on a piezoelectric device can constantly monitor the state of health of the axle-box of a railway carriage and hence contribute to the safety of rail passengers.