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 a métrica do desvio do coeficiente de correlação, CCDM
(correlation coefficient deviation metric). O índice RMSD é baseado na norma euclidiana e é dado por:
𝑀
=
[𝑍 , 𝑘 −𝑍 , 𝑘 ] 2 𝑍2 , (𝑘) 𝜔 𝑘=𝜔(12)
Sendo ZE,H(k) e ZE,D(k) as assinaturas de impedância elétrica (parte real, parte imaginária ou valor absoluto) que são dadas pela Equação (11) para a estrutura íntegra (H - health) e após um possível dano (D – damage), respectivamente, ambas obtidas na frequência k que varia de ωI (frequência inicial) a ωF (frequência final).
𝑀 = 1 −
(13) Sendo Cc o coeficiente de correlação que é calculado pela seguinte equação:
=
𝑍 , 𝑘 −𝑍 , [𝑍 , 𝑘 −𝑍 , ] 𝜔 𝑘=𝜔 𝑍 , 𝑘 −𝑍 , 2 [𝑍 , 𝑘 −𝑍 , ]2 𝜔 𝑘=𝜔 𝜔 𝑘=𝜔(14)
Em que ZE,H(k) e ZE,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 ωI 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, sendo que uma das assinaturas é obtida para a estrutura considerada íntegra e utilizada como referência (baseline).
Capítulo 3
Materiais e Métodos
Para realização da análise experimental foram utilizados quatro modelos diferentes de transdutores, sendo uma cerâmica convencional de PZT, tipo 5A, modelo PSI-5A4E da Piezo Systems com recorte circular de diâmetro 12,7 mm e espessura de 0,191 mm, e quatro diafragmas “buzzers” nos modelos 7BB-12-9, 7BB-20-6, 7BB-27-4 e 7BB-35-3 da Murata Manufacturing com diâmetro externo de 12, 20, 27 e 35 mm, e elemento piezelétrico (ativo) com diâmetro de 9, 14, 19,7 e 25 mm, respectivamente. Para obter os resultados comparativos entre os diafragmas e a cerâmica convencional, foram utilizadas barras de alumínio com dimensões 500 mm x 38,10 mm × 3,18 mm onde esses transdutores foram colados a uma distância de 30 mm contados a partir do centro da pastilha até a extremidade da barra. Essa distância e também a forma de acoplamento dos transdutores nas barras foi padronizada para que fosse reproduzido o mesmo procedimento para todos os ensaios. O acoplamento foi feito utilizando-se uma cola a base de cianoacrilato e as barras foram apoiadas sobre uma mesa através de pequenos blocos de borracha para minimizar os efeitos de vibrações externas. As montagens são mostradas na Figura 6 e as dimensões e propriedades dos transdutores são apresentadas nas tabelas 1 e 2:
Figura 6: Montagens dos transdutores nas barras.
Tabela 1: Dimensões dos Transdutores.
Modelo Aparência Espessura (mm) Diâmetro (mm)
7BB-12-9
7BB-20-6
7BB-35-3
PZT 5A
Fonte: Elaborado pelo autor e adaptado de Murata Manufacturing e Piezo Systems
Tabela 2: Propriedades dos Transdutores.
Modelos 31 d (10-12 m/V) Constante Piezelétrica 11 E s (10-12 m2/N) Elasticidade 33/ 0 T Constante Dielétrica Relativa e Permissividade 7BB-12-9 -207 15.8 2100 7BB-20-6 7BB-27-4 7BB-35-3 PZT 5A -190 15.2 1800
Fonte: Elaborado pelo autor e adaptado de Murata Manufacturing e Piezo Systems
Para realização das medições e obtenção dos resultados gráficos, utilizou-se o sistema de medição de impedância proposto por (BAPTISTA; VIEIRA FILHO; 2009) que é composto por um dispositivo de aquisição de dados (DAQ) multifuncional NI- USB-6361 da National Instruments com interface USB (Universal Serial Bus), um resistor simples e um computador pessoal (PC). O módulo de controle e operação que é parte do sistema de medição, foi desenvolvido em LabVIEW e proporcionou rapidez na obtenção dos resultados, uma vez que todos os cálculos já estavam implementados.
O sistema opera baseado na média da função de resposta em frequência (FRF) (H) obtida através da transformada de Fourier discreta (DFT) dos sinais de excitação e resposta do circuito auxiliar utilizado para a conexão do transdutor. Além da FRF, leva- se em consideração parâmetros do circuito de forma que é possível se obter com precisão a impedância (ZE) do transdutor. O sistema foi configurado para excitar os transdutores com um sinal chirp com 1 V de amplitude. O sinal chirp faz uma varredura desde uma frequência inicial de baixo valor até uma frequência final de valor mais alto, ou vice-versa. Trata-se de uma sinusoide cuja frequência varia no tempo. A figura 7 mostra a forma do sinal chirp.
Figura 7: Formato do Sinal chirp utilizado para excitar a estrutura
Fonte: Elaborado pelo autor
Os sinais foram amostrados com uma taxa de 2 MS/s (amostras/segundo) e as assinaturas de impedância foram obtidas em uma faixa de frequência entre 0 e 500 kHz com um passo de frequência de 2 Hz. Um diagrama simplificado do sistema e o arranjo experimental são apresentados nas Figuras 8 e 9 respectivamente.
No diagrama da Figura 8, x(t) e x(n) representam o sinal de excitação na forma contínua e discreta, respectivamente; da mesma forma, y(t) e y(n) representam as duas formas do sinal de resposta do transdutor. O dispositivo DAQ é multifuncional, isto é, permite tanto a aquisição do sinal de resposta y(t) através do CAD como também a geração do sinal de excitação x(t) através do CDA, ambos com resolução de 16 bits. O CAD tem entrada diferencial que oferece uma boa imunidade ao ruído e permite a aquisição de sinais de pequena amplitude. Isso evita o uso de amplificadores no circuito auxiliar que podem limitar a largura de banda e afetar o desempenho do sistema em altas frequências.
A geração do sinal de excitação é feita por software e, além de permitir a escolha entre uma ampla variedade de sinais, evita que este precise ser reamostrado. Isso é possível porque é feita uma “calibração” entre o padrão do sinal gerado por software
x(n) e o sinal x(t) que realmente chega ao circuito auxiliar, que é realizada como segue:
antes de qualquer medição e com todos os parâmetros definidos, a saída do CDA (Conversor Digital-Analógico) e a entrada do CAD (Conversor Analógico-Digital), são conectadas e o sinal de excitação é amostrado uma única vez e armazenado, substituindo o padrão gerado por software. Esse procedimento reduz significativamente as discrepâncias causadas pelo CDA. Também, as discrepâncias causadas pelo CAD em
x(n) durante a “calibração” e em y(n) durante o processo normal de medição são
compensadas durante o cálculo da FRF, sendo obtida pela divisão da DFT dos dois sinais.
Figura 8: Diagrama básico do sistema de medição.
Fonte: Elaborado pelo autor
Figura 9: Estrutura do procedimento para medição.
Quatro tipos de testes foram realizados: análise de sensibilidade ao dano usando o método da quebra do grafite (PLB), a viabilidade de detectar danos estruturais no método da Impedância E/M usando as assinaturas de impedância elétrica e os índices RMSD e CCDM, a análise dos efeitos de temperatura e reprodutibilidade de longo prazo.