Anais do XIX Congresso Brasileiro de Automática, CBA 2012.
UM NOVO MÉTODO PARA MONITORAMENTO DE INTEGRIDADE ESTRUTURAL USANDO
MICROCONTROLADOR
NICOLÁS CORTEZ1,2, JOZUE VIEIRA FILHO1, FABRICIO G. BAPTISTA3
1
Laboratório de Processamento de Sinais e Instrumentação - Departamento de Engenharia Elétrica - UNESP
Avenida Brasil, 56 – Centro
CEP 15385-000 - Ilha Solteira – SP
[email protected], [email protected]
2
Departamento de Matemática y Física - Universidad Nacional de San Cristóbal de Huamanga - PERÚ
Portal Independencia, 57 – Ayacucho – Huamanga – Perú
3
Departamento de Engenharia Elétrica, UNESP
Av. Eng. Luiz Edmundo Carrijo Coube, 14-01
CEP 17033-360 - Bauru - SP
[email protected]
Abstract This paper presents a new method to detect damage in structures based on the electromechanical impedance (EMI)
principle. The system follows the variations in the output voltage of piezoelectric transducers and does not compute the impedance
itself. The proposed system is portable, autonomous, versatile, and could efficiently replace commercial instruments in different
SHM applications. The identification of damage is performed by simply comparing the variations of RMS voltage from response
signals of piezoelectric transducers, such as PZT (Pb-lead Zirconate Titanate) patches bonded to the structure, obtained for different
frequencies of the excitation signal. The proposed system is not limited by the sampling rate of analog-digital converters, dispenses
Fourier transform algorithms, and does not require a computer for processing, operating autonomously. A low-cost prototype based
on microcontroller and digital synthesizer was built and experiments were carried out on an aluminum structure and excellent results have been obtained.
Keywords Structural health monitoring, piezoelectric transducers, electromechanical impedance, measurement instruments, microcontroller, direct digital synthesizer.
Resumo Neste trabalho é apresentado um novo método para detecção de danos em estruturas baseado no princípio da impedância
eletromecânica (EMI). O sistema segue as variações na tensão de saída de transdutores piezelétricos e não calcula a impedância em
si. O sistema proposto é portátil, autônomo, versátil e pode substituir com eficiência os instrumentos comerciais em diferentes aplicações de monitoramento de integridade estrutural (SHM: Structural Health Monitoring). A identificação dos danos é realizada pela
simples comparação das variações de tensão eficaz (RMS) de sinais de resposta de transdutores piezelétricos, tais como cerâmicas
de Zirconato Titanato de Chumbo (PZT: Pb-lead Zirconate Titanate) coladas à estrutura, obtidas para diferentes frequências do sinal de excitação. O sistema proposto não é limitado pela taxa de amostragem de conversores analógico-digitais, dispensa algoritmos
da transformada de Fourier e não requer um computador para processamento, operando de forma autônoma. Um protótipo de baixo
custo, baseado em microcontrolador e sintetizador digital, foi construído e experimentos foram realizados sobre uma estrutura de
alumínio, obtendo-se excelentes resultados.
Palavras-chave Monitoramento de integridade estrutural, transdutores piezelétricos, impedância eletromecânica, instrumentos de
medição, microcontrolador, sintetizador digital direto.
1
Introdução
Muitas estruturas físicas na engenharia continuam
sendo utilizadas apesar do longo tempo de vida e da
possibilidade de apresentarem danos que podem afetar
o desempenho ou colocar em risco a segurança dos
usuários. Portanto, o monitoramento de integridade
estrutural (SHM: Structural Health Monitoring) que
utilizam técnicas apropriadas de detecção de dano tem
avançado nos últimos anos e provocado mudanças em
alguns paradigmas. Sendo uma área de pesquisa muito
importante do ponto de vista econômico e de segurança, têm atraído um grande número de pesquisadores
acadêmicos e industriais.
O objetivo principal de um sistema de SHM é monitorar uma estrutura e detectar danos incipientes, se possível, em suas condições normais de operação usando
técnicas de avaliação não destrutivas (NDE: NonDestructive Evaluation). Tal procedimento pode minimizar custos de reparo e manutenção e proporcionar
um maior nível de segurança aos usuários, evitando
possíveis falhas catastróficas. Nesse contexto, méto-
ISBN: 978-85-8001-069-5
dos de SHM baseados na impedância eletromecânica
(EMI: Electro-Mechanical Impedance) têm sido considerados mais promissores, mostrando eficiência e
simplicidade, além de usar componentes de baixo
custo, tais como os transdutores piezelétricos de PZT
(Pb-lead Zirconate Titanate – Titanato Zirconato de
Chumbo).
O princípio básico da técnica da EMI é baseado no
efeito piezelétrico. Assim, quando um transdutor de
PZT é colado na estrutura a ser monitorada, existe
uma interação entre a impedância mecânica da
estrutura e a impedância eléctrica do transdutor. Como
consequência, alterações na impedância mecânica da
estrutura causadas por danos, tais como fissuras ou
corrosão, podem ser detectadas através da medição da
impedância eléctrica do transdutor operando em uma
faixa de frequência apropriada (Cawley, 1984;
Giurgiutiu and Rogers, 1997; Liang, Sun and Rogers,
1994; Park, Sohn, Farrar and Inman, 2003).
As aplicações típicas de SHM, geralmente, utilizam
analisadores de impedância comerciais de alto custo
ou sistemas de medição de impedância baseados na
929
Anais do XIX Congresso Brasileiro de Automática, CBA 2012.
função de resposta em frequência (FRF: Frequency
Response Function). Esses sistemas são muitas vezes
proibitivos para muitas aplicações por precisarem de
dispositivos DAQ (Data Acquisition) com elevadas
taxas de amostragem, processador digital de sinais
(DSP: Digital Signal Processor), grandes capacidades
de armazenamento ou um PC (Personal Computer –
microcomputador pessoal) para processar informação.
Este trabalho visa contribuir com o desenvolvimento e
implementação de uma nova abordagem para sistemas
de SHM microcontrolado baseado no principio da
EMI. Para monitorar a estrutura, o método proposto
apresenta a vantagem de não realizar a medição da
impedância elétrica, mas apenas registrar as variações
da tensão eficaz (RMS) nos transdutores de PZT colados na estrutura. Com base nessa nova abordagem, foi
desenvolvido um sistema de SHM portátil, autônomo,
versátil, de reposta rápida e não limitado pela taxa de
amostragem de conversores analógico-digitais (A/D).
O sistema proposto foi avaliado experimentalmente e
comparado com um sistema de referência. Os testes
mostram um sistema eficiente que gera resultados tão
satisfatórios quanto os obtidos com o sistema de referência.
2
Monitoramento estrutural (SHM) baseado na
impedância eletromecânica
Muitos centros de pesquisa continuam utilizando
instrumentos comerciais de alto custo, tais como os
analisadores de impedância HP4192A, HP4194A da
Hewlett-Packard, para desenvolver sistemas de SHM
baseados na impedância eletromecânica. Apesar de
serem precisos, esses instrumentos são pesados, volumosos, tem muitos recursos que não são usados em
sistemas de SHM e permitem a medição da impedância elétrica de apenas um transdutor.
Visando superar esses inconvenientes, muitos pesquisadores têm proposto sistemas alternativos de medição. Um estudo pioneiro nessa área foi conduzido por
Peairs, Park and Inman (2004). Os autores utilizaram
um circuito simples e de baixo custo, baseado em
amplificador operacional, e um analisador de espectro
para obter a impedância elétrica no domínio da frequência. Recentemente, esse método foi melhorado
por Panigrahi, Bhalla and Gupta (2010), sendo que um
gerador de função foi usado para excitar gradualmente
o transdutor com sinais senoidais puros de frequência
variável e um osciloscópio foi usado para medir a
resposta da saída em cada frequência de excitação.
Um analisador de impedância, ligado a um transdutor
de PZT através de um simples resistor, foi proposto
por Xu and Giurgiutiu (2005). Nesse sistema, o sinal
de excitação é fornecido por um gerador de função
controlado através de uma interface GPIB (General
Purpose Interface Bus). Os sinais de excitação e de
resposta são amostrados de forma síncrona usando um
dispositivo DAQ através de uma interface baseada em
LabVIEW. Portanto, esses sistemas exigem ainda
instrumentos comerciais.
ISBN: 978-85-8001-069-5
Kim, Grisso, Ha and Inman (2007) propuseram um
sistema de SHM baseado em um DSP. Para excitar a
estrutura foi usado um trem de pulsos retangulares
digitais de várias frequências gerado mediante modulação por largura de pulso (PWM: Pulse Width Modulation). Essa abordagem foi usada com um novo algoritmo que elimina o uso de conversores analógicodigital (A/D) e digital-analógico (D/A), mas a faixa e
o passo de frequência em que a impedância pode ser
analisada são limitados pela pouca memória do DSP e
pela complexidade computacional do algoritmo. Portanto, para viabilizar o uso do sistema, um analisador
de impedância comercial de alto custo ainda é necessário. Recentemente, um método para obter um valor
aproximado da parte real da impedância elétrica de
transdutores piezelétricos, baseado em DSP e para
aplicações de SHM, foi proposto por Neto et al.
(2011). O sinal de excitação é gerado por meio de um
sintetizador digital direto (DDS) e o sinal de resposta
em amplitude e fase é obtido por um sistema baseado
em DSP e alguns circuitos auxiliares. Além disso, o
sistema precisa de um PC e uma interface baseada em
LabVIEW para monitorar a estrutura.
Recentemente, muitos sistemas compactos de SHM
foram desenvolvidos usando soluções integradas em
chip único. Por exemplo, Min, Park, Yun and Song
(2010) apresentam um método baseado no dispositivo
de medição de impedância integrado no chip AD5933
da Analog Devices. Embora esse dispositivo seja
muito compacto e de baixo custo, tem algumas limitações para muitas aplicações de SHM, tais como frequência máxima de operação limitada a 100 kHz e
número total de incrementos de frequência limitado a
511 por varredura.
Um sistema de medição portátil para medição de impedância baseado em um DSP foi proposto por Radil,
Ramos and Serra (2008). O sinal de excitação, gerado
através de um DDS, é aplicado a uma impedância de
referência em série com uma impedância desconhecida. Os sinais de resposta correspondentes são amostrados simultaneamente através de dois conversores
A/D para serem registrados pelo DSP. O sistema implementa no DSP algoritmos FFT (Fast Fourier
Transform) e de sine-fitting que determinam, no domínio da frequência, os componentes necessários para
obter e impedância desconhecida.
Wang and You (2008) apresentaram um método para
monitorar o módulo da impedância elétrica de um
transdutor piezelétrico através de um circuito ponte.
Como sinal de excitação, foi usado um sinal de clock.
Além do circuito ponte, é necessário um dispositivo
DAQ conectado a um PC executando LabVIEW.
Um método de medição de impedância baseado na
FRF obtida a partir da FFT dos sinais de excitação e
resposta, usando um circuito auxiliar simples, foi
proposto por Baptista and Vieira Filho (2009). Um PC
executando LabVIEW é usado para sintetizar um sinal
tipo chirp, que é usado para excitar o PZT colado à
estrutura monitorada. O sinal de resposta do transdutor piezelétrico é amostrado de forma sincronizada
com o sinal de excitação usando-se um dispositivo
DAQ. Esse sistema, considerado eficiente, foi aperfei930
Anais do XIX Congresso Brasileiro de Automática, CBA 2012.
çoado por Baptista, Vieira Filho and Inman (2011), no
qual novas opções, como monitoramento em tempo
real de vários sensores e compensação para os efeitos
de compensação de temperatura, foram incluídas.
Uma característica comum a todos os métodos de
SHM baseados na EMI é a necessidade de um sinal de
referência denominado de “baseline”, que nada mais é
do que a impedância eletromecânica obtida com a
estrutura considerada íntegra. A detecção do dano é
feita fazendo-se medições a posteriori e usando-se
métricas específicas para comparar as diferentes
medidas.
3
Detecção de dano baseada na variação da tensão rms do transdutor piezelétrico
A impedância elétrica é uma grandeza bidimensional
e é representada em termos das partes real (resistência) e imaginária (reatância) ou magnitude e fase.
Assim, a impedância é uma função de valores complexos que depende da frequência.
Considerando um transdutor de PZT colado à estrutura e submetido a uma frequência de excitação ( f exc ),
a impedância resultante pode ser dada por:
Z (ω ) =
V pzt (ω )
I pzt (ω )
,
(1)
sendo V pzt (ω ) a tensão fasorial de excitação, I pzt (ω )
a corrente fasorial e ω = 2π f exc a frequência angular.
Se a tensão de excitação é um sinal de onda senoidal
puro, a magnitude da impedância ( Z (ω ) ) pode ser
dada por (Nilsson and Riedel, 2011):
Z (ω ) =
V pzt _ rms (ω )
I pzt _ rms (ω )
,
(2)
sendo V pzt _ rms (ω ) a tensão RMS e I pzt _ rms (ω ) a corrente RMS.
Na Figura 1 tem-se um circuito simples que permite
implementar um sistema capaz de relacionar a impedância eletromecânica e a tensão RMS do sinal de
resposta do PZT, que é diretamente relacionada à
integridade estrutural.
Rs
Vexc (ω)
Vpzt (ω)
i
Z PZT / Estrutura
Figura 1. Circuito utilizado para obter o sinal de resposta do transdutor de PZT.
quência suficientemente elevada, a magnitude da
impedância é dada, aproximadamente, por:
Z (ω ) ≅
V pzt _ rms (ω )
Vexc _ rms (ω ) − V pzt _ rms (ω )
RS ,
(3)
sendo que RS é um resistor limitador de corrente,
Z (ω ) a magnitude da impedância eletromecânica, e
Vexc _ rms (ω ) e V pzt _ rms (ω ) são as tensões RMS do sinal
de excitação e reposta, respectivamente.
Resolvendo a Equação (3) para a tensão RMS do
transdutor ( V pzt _ rms (ω ) ), obtém-se:
V pzt _ rms (ω ) ≅
Z (ω )
Vexc _ rms (ω )
Z (ω ) + RS
(4)
A partir da Equação (4), considerando-se um regime
permanente e um sinal de excitação com amplitude
constante para cada frequência (ω), pode-se concluir
que a tensão RMS ( V pzt _ rms (ω ) ) do transdutor é alterada apenas se a magnitude da impedância eletromecânica ( Z (ω ) ), que está diretamente relacionada com
a condição física da estrutura monitorada, também o
for. Portanto, a tensão RMS do transdutor é sensível a
qualquer mudança na impedância mecânica da estrutura e essa abordagem é suficiente para detectar danos
estruturais. Tal abordagem elimina a necessidade de
medição exata da impedância, como acontece nos
métodos previamente discutidos.
A partir desse conceito, foi possível desenvolver um
sistema de SHM simples e baseado no principio da
EMI monitorando apenas a tensão RMS do transdutor
PZT em uma faixa de frequência apropriada. Essa
metodologia foi confirmada experimentalmente e os
resultados indicam que a tensão RMS do sinal de
resposta do transdutor fornece uma assinatura excelente e sensível para a detecção de danos.
4
Proposta do sistema de SHM microcontrolado
A arquitetura do sistema de SHM baseado na tensão
RMS do transdutor usando um microcontrolador é
mostrada na Figura 2. O sinal de excitação é gerado
por um dispositivo DDS que fornece, por vez, uma
onda sinusoidal de frequência constante até o sistema
atingir o regime permanente. Isto é necessário para
medir a tensão RMS do transdutor e detectar com
precisão variações na sua resposta, que são alteradas
por presença de danos.
Depois de ter medido a tensão RMS em uma frequência inicial, a frequência de saída do DDS é aumentada,
passo a passo, e o processo de medição se repete até
que a faixa inteira de frequências seja concluída.
Sendo o transdutor PZT um dispositivo predominantemente capacitivo e considerando que o sinal de
excitação é uma onda sinusoidal pura com uma fre-
ISBN: 978-85-8001-069-5
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Anais do XIX Congresso Brasileiro de Automática, CBA 2012.
Microcontrolado
Buffering, Filtragem
Gerador senoidal
r
e Amplificação
µC
DDS
SPI
Interface
RS-232
PortC
PC
PIC
R
Circuito de medição
CAD
PZT/Estrutura
PZT
SPI
PortC
Memória
externa
Vref
LCD
Teclado básico
PortB
PortD
Figura 2. Sistema de SHM proposto.
A faixa de frequências adequada é um problema crítico e depende da estrutura e do tipo de dano a ser detectado (Baptista and Vieira Filho, 2010; Peairs,
Tarazaga and Inman, 2007).
A onda senoidal gerada pelo dispositivo DDS é sintetizada e não é pura. Como resultado, existem harmônicos da frequência fundamental e o sinal de saída
deve passar por um circuito de condicionamento antes
de ser aplicado ao transdutor. O circuito de condicionamento consiste de um buffer e um filtro passabaixas (LPF), como mostrado na Figura 3. O buffer
impede o efeito de carregamento e o filtro proporciona
uma onda sinusoidal suave com amplitude apropriada
para a excitação do transdutor.
As características do filtro dependem do dispositivo
DDS e da faixa de frequência em que a estrutura será
monitorada. O circuito mostrado na Figura 1 é o
mesmo utilizado para excitar o transdutor de PZT. O
valor apropriado da resistência em série depende das
características do transdutor e da amplitude do sinal
de excitação.
Figura 3. Circuito de condicionamento de sinal.
O diagrama da Figura 4 é basicamente um retificador
de precisão, sendo que o buffer impede o efeito de
carregamento devido à alta impedância do transdutor.
Como mencionado anteriormente, o dispositivo DDS
deve gerar um sinal com frequência constante durante
um determinado período de tempo o suficiente para
atingir o estado estacionário e fornecer um nível DC
correspondente à tensão RMS do transdutor. Para o
circuito específico do sistema proposto, o tempo de
espera é de 10ms.
A tensão RMS do transdutor é digitalizada usando-se
um conversor analógico-digital (A/D) integrado ao
microcontrolador. O microcontrolador também controla o dispositivo DDS e seu firmware inclui o gerenciamento da arquitetura completa do sistema de SHM,
tais como: a entrada de dados através do teclado, o
que permite ao usuário escolher a faixa de frequências, a resolução e outros parâmetros; gerar e armazenar uma assinatura básica - baseline; fazer os cálculos
dos índices de dano e apresentar os resultados em um
display de cristal líquido (LCD). Portanto, o sistema
opera de forma autônoma.
Um fluxograma simplificado do firmware do microcontrolador é mostrado na Figura 5.
De acordo com o fluxograma, o sistema estabelece
inicialmente as configurações básicas do microcontrolador e do dispositivo DDS. Em seguida, o usuário
define o modo de aquisição de dados que pode ser o
"modo baseline" ou "modo monitoramento". Seja qual
for o modo escolhido, o sistema executa um ciclo de
varredura de frequências. Para cada frequência de
excitação, a tensão RMS correspondente no PZT é
armazenada numa memória externa. Considerando
que o objetivo deste estudo é monitorar as variações
na tensão RMS para detectar danos, não é necessário
converter os valores de tensão binários armazenados
na memória para os seus correspondentes valores
decimais, nem realizar qualquer ajustamento de escala.
Quando a aquisição de dados é concluída em toda a
faixa de frequências, o sistema executa o cálculo dos
índices de falha métrica comparando as assinaturas de
tensão RMS obtidas no "modo monitoramento" com
as assinaturas obtidas no "modo baseline".
O circuito de medição mostrado no diagrama da Figura 4 permite a conversão AC-DC do sinal de resposta
do transdutor, fornecendo na saída a tensão RMS
correspondente para cada frequência de excitação
gerada pelo dispositivo DDS.
Início
Configuração do PIC
Configuração do DDS
(gerador senoidal)
Modo de aquisição
Gera sinal Vexc (fi,t)
Outra aquisição?
Aquisição de Vpzt_rms_i
Cálculo de RMSD e CCDM
Armazena Vpzt_rms_i
em memória externa
Detecto dano?
Sim
Não
Pausa
Não
Sim
Não
Figura 4. Obtenção da tensão RMS do transdutor PZT.
Sim
Tx de dados para PC
Fim da varredura?
Fim
Figura 5. Fluxograma simplificado do firmware.
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932
Anais do XIX Congresso Brasileiro de Automática, CBA 2012.
O método proposto foi avaliado usando-se duas métricas clássicas de comparação entre os dados monitorados e o “baseline”: o desvio da raiz média quadrática
(RMSD: Root Mean Square Deviation) (Giurgiutiu
and Rogers, 1998) e a métrica do desvio do coeficiente de correlação (CCDM: Correlation Coefficient
Deviation Metric) (Marqui et al., 2008). O índice
RMSD é baseado na norma euclidiana e é obtido
como segue:
N
(Vn ,d − Vn ,h ) 2
n
Vn ,h 2
RMSD = ∑
,
Para avaliar a sensibilidade na detecção de danos do
método proposto, foram realizados testes em uma
placa de alumínio de 500 x 30 x 2 mm. Foram simulados danos estruturais colando uma porca de aço de 14
x 4 mm e 2 g em diferentes distâncias do transdutor. O
transdutor utilizado foi uma cerâmica de PZT colada
na extremidade da viga. Na Figura 6 é apresentado o
arranjo experimental.
(5)
100 mm
100 mm
100 mm
100 mm
PZT
Porca de aço
Placa de alumínio
RS232
RMS para a estrutura em estado íntegro (modo baseline) e com possíveis falhas, respectivamente. Os cálculos são realizados amostra por amostra, n, no conjunto
de N amostras.
O índice CCDM é dado por:
LCD
DDS
Amplificador & LPF
PIC
onde Vn ,h e Vn ,d representam as assinaturas de tensão
Conversor AC-DC
Teclado básico
+5V
GND
-5V
Figura 6. Arranjo experimental.
N
CCDM = 1 −
∑ (V
n ,h
− Vh )(Vn ,d − Vd )
, (6)
n
N
∑ (V
n ,h
n
− Vh )
2
N
∑ (V
n ,d
− Vd )
2
n
sendo Z h e Z d as médias da impedância na faixa de
frequência considerada obtidas antes e depois do dano, respectivamente, dadas por:
=
Zh
1 N
1
=
Z n ,h ;
Zd
∑
N n
N
N
∑Z
n ,d
(7)
n
Depois que os índices RMSD e CCDM são calculados, os resultados são exibidos no LCD. Um limiar
pode ser definido de acordo com a intensidade dos
danos a serem detectados e, em caso de dano, os dados podem ser transferidos para um computador através de uma interface RS-232 para uma análise mais
detalhada. O tempo de espera entre cada ciclo pode
ser ajustado pelo usuário de acordo com a aplicação.
5
Arranjo experimental
Para confirmar a viabilidade do método proposto,
um protótipo foi montado utilizando uma placa de
desenvolvimento baseada no microcontrolador
PIC16F877A da Microchip. Além disso, usou -se um
DDS AD5932 da Analog Devices, uma memória
EEPROM 25LC1024 da Microchip e um filtro Butteworth (LPF) com ganho de tensão de 8, o que fornece
um sinal de excitação com 2,3 V de amplitude. O
resistor limitador de corrente ( RS ) foi escolhido de
1 kΩ. Esses componentes são listados aqui apenas
para referência, a escolha dos componentes apropriados depende de cada aplicação.
ISBN: 978-85-8001-069-5
O arranjo experimental descrito é usualmente usado
na literatura para avaliar e comparar sistemas de
SHM. Um incremento de massa (porca de aço) é comumente utilizado para simular danos tais como trincas, corrosão, e outros. Esse incremento provoca
alterações na impedância mecânica da estrutura e tem
como vantagem não causar dano permanente na estrutura a ser analisada.
Além do cálculo dos índices RMSD e CCDM, as
assinaturas da tensão RMS foram transferidas para um
PC e comparadas com as assinaturas de impedância
convencionais obtidas utilizando um sistema de referência (Baptista and Vieira Filho, 2009) baseado em
um dispositivo DAQ e um PC executando uma aplicação na plataforma LabVIEW.
6
Resultados
A análise dos dados deve ser realizada numa faixa de frequências que garanta boa sensibilidade para a
detecção de danos e repetitividade entre as medições,
o que depende do transdutor e da estrutura. Para os
testes apresentados neste estudo, após análise de diferentes faixas, verificou-se que a faixa de frequências
de 17 – 33 kHz, com passos de 4 Hz, proporciona
bons resultados. Uma comparação qualitativa entre a
assinatura da tensão RMS e a assinatura da impedância convencional obtidas com o método proposto e
com o sistema de referência, respectivamente, para a
estrutura íntegra é apresentada na Figura 7.
O mesmo arranjo e as mesmas condições foram usados para os dois sistemas. Para uma melhor comparação gráfica, o valor numérico da tensão RMS foi multiplicado por um fator de 2,1.
De acordo com os resultados apresentados na Figura
7, observa-se que as duas assinaturas revelam tendências semelhantes. Portanto, a tensão RMS do transdutor varia de acordo com as frequências naturais da
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Anais do XIX Congresso Brasileiro de Automática, CBA 2012.
estrutura monitorada, realçado pelos picos de ressonância. Os resultados experimentais são consistentes
com a análise teórica, pois a Equação (4) indica que a
tensão RMS está diretamente relacionada com a impedância.
Figura 7. Comparação qualitativa entre assinatura da tensão RMS e
assinatura da impedância.
A sensibilidade para a detecção de danos foi avaliada
simulando-se danos localizados em diferentes distâncias do transdutor. Na Figura 8 apresentam-se as assinaturas da tensão RMS obtidas na condição de estrutura íntegra (baseline) e em condições de falhas simuladas, obtidas colando-se uma pequena porca a distâncias de 10, 20, 30 e 40 cm do transdutor. Apenas uma
faixa estreita de frequência é exibida para permitir
uma comparação mais detalhada entre as assinaturas.
Observam-se variações significativas na forma das
assinaturas em comparação com o baseline, especialmente para danos perto do transdutor. Essas variações
indicam que a assinatura da tensão RMS é sensível a
danos.
Conforme mostrado na Figura 9, os valores dos índices mantiveram-se praticamente constantes durante as
cinco medições para cada condição. Portanto, o sistema proposto apresenta uma excelente repetitividade e
é significativamente sensível para detectar danos. A
média dos índices RMSD obtidos para o dano localizado a uma distância de 30 cm do transdutor é cerca
de 30 vezes maior do que a media dos índices obtidos
para a estrutura integra. No caso de dano localizado a
uma distância de 40 cm do transdutor, essa relação é
cerca de 20 vezes.
Analisando-se os índices CCDM obtidos e apresentados na Figura 10, fica evidente que a relação entre os
índices obtidos na condição de dano e íntegra é perto
de 750 para danos localizados a uma distância de
30 cm do transdutor e perto de 420 para danos a uma
distância de 40 cm do transdutor. Assim, a obtenção
de uma excelente repetitividade e as elevadas proporções entre os índices indicam que danos menores do
que os simulados neste estudo poderiam ser eficazmente detectados definindo-s um limiar apropriado, o
qual depende de cada aplicação específica.
Figura 10. Índices CCDM e testes de repetitividade para o método
proposto.
Portanto, os resultados experimentais mostram conclusivamente a viabilidade do sistema proposto. A
tensão RMS do transdutor é uma assinatura excelente
para a detecção de danos, com excelente repetitividade e sensibilidade.
Figura 8. Assinaturas da tensão RMS obtidas para a estrutura integra e para danos em diferentes distâncias do transdutor.
A fim de proporcionar uma análise quantitativa sobre
a sensibilidade, na Figura 9 apresentam-se os índices
RMSD obtidos em diferentes momentos usando o
sistema proposto para a estrutura íntegra e para danos
localizados a distâncias de 30 e 40 cm do transdutor.
Além disso, as medições para cada condição foram
repetidas cinco vezes para verificar a repetitividade do
sistema e descartar um diagnóstico falso positivo da
estrutura.
7
Conclusões
Neste artigo, apresentou-se uma nova abordagem
para sistemas de SHM baseados no princípio da EMI.
O método proposto não realiza a medição da impedância elétrica do transdutor como no caso dos sistemas convencionais propostos na literatura, mas de
forma inovadora monitora apenas as variações na
tensão RMS do transdutor. Isso permite o desenvolvimento de sistemas mais simples em hardware e
software. Por ser a tensão RMS um nível DC, o método não possui limites de taxa de amostragem, o que é
inovador.
O sistema foi avaliado experimentalmente e os resultados mostram conclusivamente a sua viabilidade.
Além disso, o sistema proposto pode ser otimizado
para incluir outras características tais como o controle
de redes de transdutores e comunicação sem fio.
Figura 9. Índices RMSD e testes de repetitividade para o método
proposto.
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Agradecimentos
Os autores agradecem ao CNPq e à FAPEMIG pelo
financiamento parcial deste trabalho, através do
INCT-EIE; à Fundação Capes e à FAPESP (Processo
2011/20354) pelos suportes financeiros; á Fundação
de Ensino, Pesquisa e Extensão de Ilha Solteira pelo
soporte financeiro. Os autores também agradecem aos
Professores Dr. Inman (Department of Aerospace
Engineering, University of Michigan) e Dr. Lopes
Junior (Departamento de Engenharia Mecânica,
Universidade Estadual Paulista (UNESP) pelas
colaboraçções na área de SHM.
Referências Bibliográficas
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new impedance measurement system for PZTbased structural health monitoring. IEEE
Transactions
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BAPTISTA, F. G. and VIEIRA FILHO, J. (2010).
Optimal frequency range selection for PZT
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IEEE Sensors Journal 2010, Vol. 10, No. 8, pp.
1297–1303.
BAPTISTA, F. G., VIEIRA FILHO, J. and INMAN,
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