Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática
Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014
DETECÇÃO DE DANO BASEADA NA IMPEDÂNCIA E/M COM TRANSDUTORES
PIEZELÉTRICOS DE BAIXO CUSTO
VINICIUS A. D. ALMEIDA, LUCAS C. MENDES, FABRICIO G. BAPTISTA
Faculdade de Engenharia, UNESP – Univ Estadual Paulista, Campus de Bauru, Depto. de Engenharia
Elétrica, Laboratório de Transdutores e Aquisição de Dados
17033-360, Bauru, SP, Brasil
E-mails: [email protected], [email protected],
[email protected]
Abstract⎯ This study aims to experimentally analyze the feasibility of piezoelectric diaphragms, commonly known as buzzers,
as transducers in structural health monitoring (SHM) systems based on the electromechanical (E/M) impedance technique. The
sensitivity of the buzzer to detect structural damage is compared with two other commonly used piezoelectric transducers through
the analysis of electrical impedance signatures and damage metric indices. The results indicate that the buzzer has a good sensitivity and the advantage of a considerably lower cost.
Keywords⎯ piezoelectric transducers, SHM, electromechanical impedance, damage detection, low-cost.
Resumo⎯ O objetivo deste estudo é analisar experimentalmente a viabilidade dos diafragmas ou pastilhas piezelétricas, comumente conhecidas como buzzers, como transdutores em sistemas de SHM (structural health monitoring - monitoramento de integridade estrutural) baseados na técnica da impedância eletromecânica (E/M). A sensibilidade do buzzer para a detecção de dano
estrutural é comparada com outros dois transdutores piezelétricos comumente utilizados através da análise das assinaturas de impedância elétrica e dos índices de falha métrica. Os resultados indicam que o buzzer tem uma boa sensibilidade e a vantagem de
ter um custo consideravelmente menor.
Palavras-chave⎯ transdutores piezelétricos, SHM, impedância eletromecânica, detecção de dano, baixo custo.
1
nas quais há uma preocupação maior com o peso e
com a aerodinâmica.
Os transdutores piezelétricos mais comumente
utilizados na técnica da impedância eletromecânica
são as cerâmicas de PZT (Pb-lead zirconate titanate
– titanato zirconato de chumbo) e os transdutores de
MFC (macro-fiber composite). Esses dispositivos
são difíceis de serem encontrados no mercado brasileiro com espessura suficientemente pequena para
aplicação na técnica da impedância eletromecânica,
necessitando-se de importação, a qual pode ser burocrática e de alto valor. Uma alternativa é o uso dos
diafragmas piezelétricos ou pastilhas piezelétricas,
comumente conhecidas como buzzers, os quais são
facilmente encontrados em muitos países, incluindo
o Brasil, a um custo muito baixo.
O objetivo deste estudo é analisar experimentalmente o transdutor do tipo buzzer e compará-lo
com os transdutores convencionais (cerâmicas de
PZT e MFC), permitindo uma avaliação quanto à
viabilidade desse dispositivo alternativo para ser
aplicado na técnica da impedância E/M.
Este artigo está organizado como segue. O princípio da técnica da impedância E/M é discutido na
Seção 2 e os principais transdutores utilizados são
apresentados na Seção 3, com destaque para o transdutor do tipo buzzer. A metodologia utilizada nos
experimentos é descrita na Seção 4 e os resultados
experimentais são apresentadas e discutidos na Seção
5. O artigo termina com as conclusões na Seção 6,
seguida pelos agradecimentos e as referências bibliográficas.
Introdução
Os sistemas de monitoramento de integridade estrutural, também conhecidos como sistemas de SHM do
termo em inglês structural health monitoring, têm
recebido crescente interesse nos últimos anos. Tais
sistemas permitem que danos estruturais ainda em
estágio inicial sejam detectados e quantificados, aumentando, portanto, a segurança dos usuários e reduzindo os custos de manutenção. Entre os campos de
aplicação estão as infraestruturas civis, tais como as
pontes, e as estruturas aeroespaciais e aeronáuticas,
sendo estas últimas as mais focadas na atualidade.
É desejável que a detecção de dano seja realizada através de ensaios não destrutivos ou NDT (nondestructive testing), utilizando técnicas que sejam
minimamente intrusivas à estrutura monitorada. Entre as várias técnicas NDT (Giurgiutiu, 2013), podem
ser citadas a emissão acústica, ondas de Lamb, vácuo
comparativo, corrente de eddy e a técnica da impedância eletromecânica (E/M).
A técnica da impedância E/M se destaca das
demais pela sua simplicidade e por utilizar transdutores piezelétricos leves e de dimensões reduzidas (espessura na ordem de fração de milímetro). Esses dispositivos são como adesivos colados na estrutura,
permitindo que uma vasta área seja monitorada com
o uso de múltiplos sensores sem alterar significativamente suas propriedades mecânicas. Tais características tornam a técnica da impedância eletromecânica adequada para o monitoramento de estruturas
aeronáuticas (Rocha et al., 2013; Rosiek et al., 2013),
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variação correspondente na impedância elétrica do
transdutor. Portanto, a integridade da estrutura pode
ser avaliada através da medição da impedância elétrica, que é simples de ser realizada.
A detecção de dano estrutural é realizada comparando-se duas curvas (ou assinaturas) de impedância elétrica do transdutor em uma faixa de frequência
apropriada, sendo que uma delas é obtida quando a
estrutura está em um estado considerado íntegro.
Essa comparação é feita através de índices de falha
métrica e pode utilizar a parte real, a parte imaginária
ou o valor absoluto da impedância elétrica.
Os índices mais utilizados são o desvio da raiz
média quadrática, RMSD (root mean square deviation), e o desvio do coeficiente de correlação, CCD
(correlation coefficient deviation). O índice RMSD é
baseado na norma euclidiana e é dado por
Princípio da Técnica da Impedância E/M
Nesta seção faz-se uma abordagem sucinta sobre o
princípio da técnica da impedância E/M (Stepinski,
2013) para a detecção de danos estruturais. Um arranjo básico da técnica da impedância eletromecânica está representado na Figura 1, na qual um transdutor delgado de PZT está instalado na estrutura a ser
monitorada. O transdutor é conectado a um analisador de impedância que fornece a sua impedância
elétrica ( Z E (ω ) ) na frequência ω , sendo que esta
deve variar dentro de uma faixa de frequência apropriada. Assim, o analisador de impedância deve excitar o transdutor em uma certa faixa de frequência
através de um sinal de excitação que pode ser, por
exemplo, um sinal chirp, o qual realiza uma varredura desde uma frequência baixa até uma frequência
alta, como ilustrado na Figura 1.
Portanto, na técnica da impedância eletromecânica, o transdutor opera simultaneamente como atuador e como sensor e, devido ao efeito piezelétrico,
ocorre uma interação entre a impedância elétrica do
transdutor e a impedância mecânica da estrutura.
Muitos pesquisadores têm proposto modelos eletromecânicos para relacionar essas duas grandezas. Um
dos modelos mais conhecidos foi proposto por Liang
et al. (1994), cuja expressão em termos da impedância elétrica do transdutor é dada por
RMSD =

k =ω I
 Z E , D (k ) − Z E , H (k ) 
Z 2 E , H (k )
2
(2)
sendo Z E , H (k ) e Z E , D ( k ) as assinaturas de impedância elétrica (parte real, parte imaginária ou valor
absoluto) que são dadas pela Equação (1) para a estrutura íntegra e após um possível dano, respectivamente, ambas obtidas na frequência k que varia de
ω I (frequência inicial) a ωF (frequência final).
Já o índice CCD é baseado no coeficiente de
correlação e é dado por
−1
Z E (ω ) =
ωF
E 
Z S (ω )
1  T
d32x Y xx  (1)
 ε 33 −
jωτ 
Z S (ω ) + Z P (ω )

CCD = 1 − CC
sendo Z E (ω ) a impedância elétrica do transdutor,
Z S (ω ) a impedância mecânica da estrutura monitorada, Z P (ω ) a impedância mecânica do transdutor,
(3)
sendo CC o coeficiente de correlação que é calculado pela seguinte equação
ω a frequência, τ uma constante geométrica, ε 33T a
constante dielétrica a uma tensão mecânica ( T )
E
constante, Y xx o módulo de Young a um campo
ωF
CC =
elétrico ( E ) constante, d3 x a constante piezelétrica e
j a unidade imaginária.
De acordo com a Equação (1), há uma relação
entre a impedância elétrica do transdutor ( Z E (ω ) ) e
a impedância mecânica da estrutura monitorada
( Z S (ω ) ). Logo, qualquer variação na impedância
mecânica da estrutura devido a um dano estrutural,
tal como uma trinca ou corrosão, implica em uma

 ZE,H(k) −ZE,H 
ZE,D(k) − ZE,D
k=ωI
ωF
2
ωF
(4)
2
 ZE,H(k) −ZE,H   ZE,D(k) −ZE,D
k=ωI
k=ωI
em que Z E , H (k ) e Z E , D ( k ) são as assinaturas da
impedância elétrica definidas anteriormente e Z E , H
e Z E , D a média dessas assinaturas na faixa de frequência selecionada (de ω I a ωF ).
Portanto, a técnica da impedância E/M permite
que a condição da estrutura seja avaliada de uma
forma simples comparando-se duas assinaturas de
impedância elétrica em uma faixa de frequência
apropriada através de índices de falha métrica. Os
transdutores piezelétricos utilizados neste este estudo
são descritos na próxima seção.
Figura 1. Princípio da técnica da impedância E/M
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3
dispositivos são fornecidos por fabricantes de componentes eletrônicos em geral e sua construção é
simples, sendo constituídos por uma base de latão.
Nessa base se encontra o material piezelétrico revestido por um filme metálico. Possui formato circular
com diâmetro variando de 12 mm a 41 mm.
As grandes vantagens desses componentes são o
custo extremamente baixo e a facilidade de serem
encontrados em muitos países sem a necessidade de
importação. No Brasil são facilmente encontrados
em lojas de componentes eletrônicos a um custo que,
dependendo do tamanho, varia de R$ 0,05 a R$ 1,00.
Por outro lado, os transdutores convencionais têm
um custo superior a US$ 60,00. Além disso, a base
de latão fornece uma proteção adicional, reduzindo a
quebra do transdutor. Essas vantagens têm motivado
o uso desses componentes em muitos trabalhos científicos recentes. As aplicações mais comuns têm sido
o reaproveitamento de energia (power harvesting),
como foi proposto por Sarker et al. (2013) e Mousselmal et al. (2013), e na utilização desses dispositivos como atuadores, como apresentado por Ducharne
et al. (2013) e Mou (2012). No presente estudo, a
viabilidade dos buzzers para a aplicação em sistemas
de SHM baseados na impedância E/M é experimentalmente analisada, conforme o procedimento experimental descrito na próxima seção.
Transdutores Piezelétricos
Neste estudo, três transdutores piezelétricos são avaliados: cerâmica convencional de PZT, transdutor
flexível MFC e o buzzer. Esses dispositivos são mostrados na Figura 2.
As cerâmicas de PZT são as mais comumente
utilizadas em sistemas de SHM baseados na impedância E/M. Normalmente, essas cerâmicas são fornecidas em placas delgadas com espessura que pode
variar de 0,1 a 2 mm, embora uma espessura entre
0,1 a 0,3 mm seja recomendável (Yan and Chen,
2010). Essas cerâmicas são revestidas em ambas as
faces por um filme de níquel e podem ser cortadas no
tamanho e na forma desejados.
Apesar de serem comumente utilizadas em sistemas de SHM, as cerâmicas de PZT são muito rígidas, o que as tornam facilmente quebradiças. Essa
característica tem dificultado a aplicação das cerâmicas de PZT no monitoramento de muitas estruturas,
principalmente aquelas com superfície irregular ou
sujeitas a grandes carregamentos.
Visando contornar esse problema, surgiram os
transdutores MFC. Esses transdutores foram desenvolvidos pela NASA Langley Research Center em
1996 e começaram a ser comercializados em todo o
mundo a partir de 2002 (Wilkie et al., 2002; Smart
Material, 2014). Esses dispositivos são constituídos
por pequenas barras de cerâmicas de PZT dispostas
entre camadas de um filme adesivo e interligadas por
eletrodos interdigitais, o que lhes garantem alta flexibilidade. Devido à sua alta flexibilidade, os transdutores MFC passaram a ser investigados para a geração de energia elétrica a partir de vibrações mecânicas (Wang and Inman, 2013) e também para o desenvolvimento de sistemas de SHM baseados na impedância E/M e outras técnicas (Cui et al., 2014;
Park et al., 2008).
No entanto, uma desvantagem que as cerâmicas
de PZT e os transdutores MFC têm em comum é a
dificuldade de serem encontrados com as dimensões
desejadas em muitos países, necessitando-se de importação, o que aumenta o custo. Uma alternativa é o
uso dos diafragmas piezelétricos ou pastilhas piezelétricas, comumente conhecidas como buzzers.
Os buzzers são utilizados há muitos anos em
uma grande variedade de aparelhos eletrônicos e a
principal função tem sido a sinalização sonora. Esses
4
Procedimento Experimental
Testes foram realizados em três barras de alumínio
com dimensões de 500 x 38 x 3 mm. Em cada barra
foi instalado um tipo de transdutor a uma distância
de 30 mm de sua extremidade. A cerâmica de PZT
utilizada foi a do tipo 5H com dimensões de 15 x 15
x 0,267 mm. Para o transdutor MFC foi escolhido o
modelo M2814-P2 fornecido pela Smart Material
com dimensões de 37 x 18 mm. Por fim, foi utilizado
um buzzer com diâmetro externo de 27 mm. Os três
transdutores foram fixados nas barras de alumínio
utilizando-se cola a base de cianoacrilato. As barras
foram apoiadas sobre uma mesa através de pequenos
blocos de borracha para minimizar os efeitos de
eventuais vibrações externas. As três barras com os
respectivos transdutores são apresentadas na Figura
3.
Danos estruturais foram induzidos nas barras
através de adição de massa, que consistiu em fixar
uma pequena porca de parafuso de aço, com dimensões de 11 mm x 0,5 mm e massa de aproximadamente 1 g, nas barras de alumínio a distâncias de 50
mm e 200 mm dos transdutores. A adição de massa
altera a impedância mecânica da estrutura, podendo
ser relacionada a um dano estrutural. Esse procedimento tem a vantagem de não causar dano permanente na estrutura.
A impedância elétrica dos transdutores foi medida através de um analisador de impedância baseado
em um dispositivo de aquisição de dados multifuncional controlado por LabVIEW e que utiliza um sinal
Figura 2. Transdutores piezelétricos analisados
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Figura 3. Barras de alumínio com os três tipos de transdutores
piezelétricos instalados
Figura 4. Assinaturas de impedância obtidas com a cerâmica de
PZT 5H
de excitação chirp com amplitude de 1 V. O sistema
foi configurado para fornecer assinaturas de impedância em uma faixa de frequência de 0 a 550 kHz
com passos de 2 Hz. Todas as medidas foram obtidas
à temperatura ambiente.
5
Resultados e Discussão
Como mencionado anteriormente, os índices de falha
métrica devem ser calculados em uma faixa de frequência apropriada. A seleção da faixa apropriada é
um processo crítico que depende da estrutura e do
tipo de dano a ser detectado.
A faixa correta é aquela que oferece índices com
valores elevados e uma boa repetição entre as assinaturas de impedância elétrica. Portanto, as assinaturas
obtidas na faixa de 0 a 550 kHz foram truncadas em
uma faixa mais estreita para os cálculos dos índices
RMSD e CCD.
Foi determinado experimentalmente que para a
estrutura em análise e o tipo de dano induzido (adição de massa), a faixa de 15 a 40 kHz oferece bons
resultados. Além disso, como é de conhecimento na
literatura, a parte real da impedância elétrica é mais
sensível para a detecção de dano e menos sensível às
variações de temperatura. Desta forma, apenas a parte real das assinaturas de impedância em uma faixa
de 15 a 40 kHz foram consideradas neste estudo.
As assinaturas de impedância obtidas para a cerâmica de PZT 5H, o dispositivo MFC e o buzzer são
apresentadas nas Figuras 4, 5 e 6, respectivamente.
Apenas uma faixa estreita de 16 a 20 kHz é exibida
nas figuras para permitir uma melhor visualização.
De acordo com as figuras, há picos de ressonância por toda a faixa de frequência analisada. Esses
picos correspondem às frequências naturais das estruturas, que são alteradas quando há algum dano
estrutural.
Observa-se que o buzzer apresenta um comportamento semelhante aos outros dois transdutores.
Assim como para cerâmica e o dispositivo MFC, a
assinatura de impedância do buzzer apresenta uma
Figura 5. Assinaturas de impedância obtidas com o transdutor
MFC
Figura 6. Assinaturas de impedância obtidas com o buzzer
nítida variação na sua forma quando há dano estrutural (adição da porca de parafuso). Esses resultados
indicam, portanto, que o buzzer é sensível para a
detecção de danos estruturais. É importante notar que
as amplitudes dos picos de ressonância variam de
transdutor para transdutor e dependem do material e
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rada à cerâmica 5H para detecção de danos próximos
ao transdutor, os resultados ainda são muito positivos, principalmente aqueles obtidos para o índice
CCD. Para o buzzer, o índice CCD foi 7441 e 2852
vezes maior em relação à estrutura íntegra (sem porca) para o dano próximo e distante do transdutor,
respectivamente.
Um ponto muito positivo é que o buzzer apresentou um custo muito menor e uma sensibilidade
maior do que o transdutor MFC, que forneceu índice
CCD de 1412 e 1259 para dano próximo e distante,
respectivamente. Cabe observar, no entanto, que o
transdutor MFC tem a vantagem de ser flexível.
Portanto, os resultados indicam conclusivamente
que o buzzer é um transdutor alternativo para ser
aplicado em sistemas de SHM baseados na técnica da
impedância E/M. Embora a sua sensibilidade seja
menor do que a cerâmica 5H, seu custo é consideravelmente menor, além de ser fácil de ser encontrado.
do tamanho, não indicando uma maior ou menor
sensibilidade para a detecção de dano. O que importa
é a variação da forma da assinatura e não a sua amplitude.
Um procedimento mais formal para comparar a
sensibilidade dos três transdutores para a detecção de
dano é através dos índices RMSD e CCD. Os índices
foram calculados utilizando-se a parte real das assinaturas e as Equações (2) e (3), fazendo-se
ω I = 15 kHz e ωF = 40 kHz. Os índices RMSD e
CCD para danos distantes a 50 mm e 200 mm dos
transdutores são apresentados nas Figuras 7 e 8, respectivamente. Os índices foram normalizados dividindo-se todos os valores por aqueles obtidos quando
a estrutura está em condição íntegra. Essa normalização indica, portanto, o quanto o índice está acima do
valor obtido para a estrutura íntegra e permite uma
comparação mais apropriada.
De acordo com os resultados, a cerâmica 5H
apresentou uma melhor sensibilidade para a detecção
de dano. O índice RMSD foi 221 vezes mais alto em
comparação com a estrutura íntegra para dano a 50
mm do transdutor e 35 vezes mais alto para dano a
200 mm do transdutor. Já para o índice CCD os resultados foram ainda melhores, sendo 245117 e
10163 para dano próximo e distante do transdutor,
respectivamente, exibindo, portanto, uma sensibilidade muito alta.
Embora os transdutores MFC e buzzer tenham
apresentado uma sensibilidade muito menor compa-
6
Conclusões
Neste artigo, a viabilidade do uso do diafragma ou
pastilha piezelétrica, comumente chamada de buzzer,
em sistemas de SHM baseados na técnica da impedância eletromecânica foi experimentalmente investigada. O desempenho do buzzer foi comparado com
outros transdutores convencionais comumente utilizados na técnica da impedância eletromecânica através da análise das assinaturas de impedância elétrica
e de índices de falha métrica. Os resultados indicam
conclusivamente que o buzzer é uma excelente opção, apresentando uma sensibilidade intermediária
aos outros dois transdutores avaliados e um custo
consideravelmente menor.
Os resultados apresentados neste estudo não
apenas permitem o uso de transdutores piezelétricos
com custo muito baixo, mas também facilitam o
acesso à pesquisa da técnica da impedância eletromecânica, uma vez que tais dispositivos são facilmente encontrados.
Agradecimentos
Os autores agradecem à FAPESP (Processos
2013/16434-0 e 2012/10825-4), ao CNPq e à
PROPe–UNESP pelas bolsas e pelo auxílio financeiro recebido nesta pesquisa.
Figura 7. Índices RMSD normalizados
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