IMPENDANCIMETRO HP 4194A – FUNCIONAMENTO E UTILIZAÇÃO
Edimar Ferreira de Melo Júnior(1)
Universidade Federal de Uberlândia, Av. João Naves de Ávila, 2121, Santa Mônica, CEP 38408-100, Uberlândia, MG. [email protected]
Raquel Santini Leandro Rade(2)
Resumo: O presente trabalho tem como objetivo de descrever o funcionamento e a utilização do
impedancimetro HP 4194A, existente no Laboratório de Mecânica de Estruturas “Prof. José Eduardo Tannús Reis”. Este equipamento tem como finalidade de detectar as falhas através da técnica de monitoramento de integridade estrutural baseado em impedância que consiste em comparar o nível de vibração monitorada do sistema, comumente a função resposta em freqüência, com um nível de vibração padrão que corresponde à estrutura sem falhas, objetivando identificar mudanças no estado atual do sistema. Apresentam-se também os procedimentos para realização de ensaios utilizando o referido aparelho.
Palavras-chave: Monitoramento de Integridade Estrutural, Impedância Eletromecânica.
1. INTRODUÇÃO
Os sistemas estruturais existentes estão inevitavelmente sujeitos a carregamentos e influências ambientais que podem levar à ocorrência de danos que, por sua vez, podem comprometer a segurança e a eficiência operacional.
Um dos processos mais ambiciosos da Engenharia é o monitoramento da integridade estrutural em tempo real de componentes de elevado custo ou de grande importância para o sistema que tal elemento integra. Desta forma, a criação ou aperfeiçoamento de técnicas que ampliem a precisão e segurança do monitoramento são altamente desejáveis, sendo objetos de vários estudos tanto no meio industrial quanto no meio acadêmico. (GRUPPIONI, H. C. P., RADE, R. S. L., 2007) Entre as várias técnicas destinadas ao monitoramento da ocorrência e propagação de danos estruturais que se baseiam em diferentes princípios, podemos citar a inspeção visual, o uso de raios-X e o ultra-som. Estas técnicas por consistir de uma inspeção localizada, seu uso prático fica limitado o que torna estes métodos demorados e onerosos.
Mais recentemente foram desenvolvidos métodos de monitoramento baseados no uso de materiais ditos inteligentes (SHM), que exibem características específicas que os tornam adaptados a esta finalidade. Citam-se, como principais exemplos, os materiais piezelétricos e as fibras ópticas (GIURGIUTIU, 2000; TOOD, 2004).
Os materiais piezelétricos vêm de uma classe de materiais dielétricos que apresentam a propriedade de transformar suas dimensões em decorrência da aplicação de uma voltagem. Esses materiais também apresentam o efeito inverso que quando aplicada uma deformação mecânica, resulta em uma mudança de suas propriedades elétricas. Os sensores e atuadores piezelétricos são fabricados pela polarização de um material, que aplicado a elevados campos elétricos e submetidos a altas temperaturas produzem as características piezelétricas (BANKS et al, 1996). Um dos materiais piezelétricos mais conhecidos é o titanato-zirconato de chumbo (PZT).
Particularmente no tocante aos transdutores piezelétricos, uma técnica vem sendo amplamente investigada: a técnica baseada na impedância eletromecânica. Esta técnica baseia-se no acoplamento eletromecânico que resulta da colagem de um transdutor piezelétrico à estrutura monitorada, ficando definida a função de impedância que depende tanto das características elétricas do transdutor quanto das características físicas (inércia e rigidez) da estrutura. Assim, através de curvas características da impedância, variações da rigidez da estrutura decorrentes do aparecimento de falhas podem ser avaliadas. Como a perda de rigidez progressiva está intimamente relacionada com o processo de falha estrutural, fazem-se tal correlação utilizando ferramentas numéricas e estatísticas como as descritas na bibliografia (WORDEN, et al. 2002; PARK et al., 1999; KIM et SUBBS, 2002; RAJU, 1997).
A técnica SHM faz uma avaliação em tempo real da estrutura e é considerado como um novo método de avaliação não destrutiva, possibilitando analisar a integridade estrutural de sistemas através da medição da impedância elétrica em sensores piezelétricos acoplados a estrutura a ser analisada. O PZT é utilizado como sensor, pois a tensão elétrica obtida por ele é proporcional à deformação espacialmente integrada pela área que ele ocupa, ou seja, transforma energia mecânica em energia elétrica ou vice-versa.
O princípio básico para a identificação de falhas utilizando PZT consiste em monitorar a variação da impedância mecânica, causada pela presença de alguma falha na estrutura, através da impedância elétrica.
A impedância mecânica de um sistema mecânico pode ser descrita como a razão entre a força harmônica aplicada ao sistema e a velocidade resultante no domínio da freqüência. A impedância elétrica é denominada a oposição que um circuito ou componente oferece a corrente alternada. Ela pode ser dividida em duas partes: resistência e reatância. Sendo, a resistência nos circuitos de corrente alternada expressa como um valor ôhmico positivo. Já a reatância pode ser de caráter indutivo com valor ôhmico negativo e de caráter capacitivo com valor ôhmico não-positivo.
A resistência é um escalar porque ela pode ser representada em uma escala unidimensional. Assim, para um circuito de corrente contínua, a corrente diminui conforme a resistência aumenta, obedecendo a Lei de Ohm. Da mesma forma, esta lei também assegura o mesmo para a corrente alternada em uma resistência.
Reatância elétrica é definida como a oposição oferecida à passagem da corrente alternada, podendo apresentar-se tanto na forma indutiva como capacitiva em um circuito elétrico. Constitui-se então numa componente da impedância de um circuito que não está associada a uma resistência pura. Se o valor da reatância for menor que zero, a reatância é dita capacitiva, no caso inverso ela é dita indutiva.
A impedância elétrica do material PZT pode ser associada diretamente a impedância mecânica da estrutura à qual a pastilha de PZT esteja colada. Utilizar o mesmo elemento tanto como sensor quanto como atuador não somente reduzem o número de componentes, como também os fios
2. EQUIPAMENTO
A Figura 1 mostra o esboço do impedancimetro HP 4194A. O equipamento apresenta vários campos e funções. A seguir se descreverá os principais campos que são utilizados para a medida da impedância.
Figura 1: Esboço do equipamento HP 4194A
1 - SOFTKEYS: consiste em um campo com oito botões que são usados para configurar a medição
Figura 2: Campo SOFTKEYS
2 - INTEG TIME: é utilizado para selecionar o tempo de integração digital. Tendo acionado esta
função pode-se escolher entre as opções SHORT (curto) que é o ajuste utilizado inicialmente, o MED (médio) e o LONG (longo) sendo utilizado para reduzir o ruído do sinal.
Figura 3: Campo INTEG TIME
Figura 5: Campo SWEEP MODE
5 - AVERAGING: este campo é utilizado para alterar o número de medições por ponto, sendo que
o valor de default é igual a 1. Este parâmetro é utilizado para eliminar os efeitos de ruído no sinal, sendo o maior valor possível para o ajuste de 256.
Figura 6: Campo AVERAGING
6 - PARAMETER: campo usado para ajustar novos valores para as variáveis dos parâmetros em
teste em conjunto com o menu ENTRY para que a variável tenha o valor desejado e também em conjunto com o botão ENTER/EXECUTE para armazenar os dados nas respectivas variáveis.
7 - ENTRY: campo usado para entrada de dados.
Figura 8: Campo ENTRY
3. FUNCIONAMENTO DO EQUIPAMENTO
Para a obtenção dos resultados gerados pelo impedancimetro se utiliza uma placa de aquisição de dados que é conectada em um computador. Atualmente, a aquisição de dados é feita através de uma placa NI de 72 pinos que está contida dentro de um computador. Devido a dificuldades de reposição e aquisição de peças novas para o mesmo tornou-se imprescindível a mudança no sistema de aquisição de dados.
A solução para este problema foi obtida pela substituição da placa NI de 72 pinos por uma placa de aquisição de dados do tipo GPIB – USB, onde a placa está no próprio cabo que conecta o impedancimetro no computador. O cabo do tipo GPIB é conectado no impedancimetro enquanto que o lado USB é conectado no computador que possua este tipo de conexão. Para a nova técnica de aquisição de dados é necessário ter conhecimento do software Labview@ para análise e interpretação dos resultados coletados.
Figura 9 – Esquema da montagem da ligação do PZT no aparelho e do aparelho no notebook. 1 - Representa o PZT colado a peça;
2 - Peça ou estrutura a ser analisada; 3 - Fios que ligam o PZT ao aparelho; 4 - Analisador de impedância HP4194A; 5 - Conexão do cabo GPIB ao aparelho; 6 - Cabo conector do tipo GPIB – USB; 7 - Notebook;
8 - Conexão do cabo USB ao notebook;
4. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Banks, H.T., Smith, R.C. and Wang, Y., 1996, “Smart Materials Structures – Modeling, Estimation and Control”, John Wiley & Sons, Paris, France.
GIURGIUTIU, V, ZAGRAI, A., and BAO, J.J., “Piezoelectric Wafer Embedded Active Sensors for Aging Aircraft Structural Health Monitoring,” International Journal of Structural Health Monitoring, Vol. 1, 41–61.2002.
GRUPPIONI, H. C. P., RADE, R. S. L., Detecção de trincas de fadiga em corpos de prova metálicos pelo método de impedância mecânica. Revista Horizonte Científico, 2007.
KIM, J.-T. and SUBBS, N., Improved Damage identification Method Based on Modal Information. Journal of Sound and Vibration, 252(2), 223–238, 2002.
PARK, G., KABEYA, K.M., CUSNEY, H.H., INMAN, D.J.,‘‘Impedance-based Structural Health Monitoring for Temperature Varying Applications,’’JSME International Journal, 1999.
RAJU, V. Implementing Impedance-Based Health Monitoring. Master thesis. Virginia Polytechnic Institute and State University. Blacksburg , USA, 1997.
WORDEM, K., ALLREN, D., SOHN, H., FARRAR, C.R., Damage Detection in Mechanical Structures using extreme Value Statistics, Smart Structures and Materials, Vol. 4693, p. 289-299, 2002.
IMPENDANCIMETRO HP 4194A – OPERATION AND USE
Edimar Ferreira de Melo Júnior
Universidade Federal de Uberlândia, Av. João Naves de Ávila, 2121, Santa Mônica, CEP 38408-100, Uberlândia, MG. [email protected]
Raquel Santini Leandro Rade
Abstract: This work has as objective to describe the operation and use of Impedancimetro HP
4194A, from the Laboratory of Mechanics of Structures "Prof. José Eduardo Tannús Reis". This equipment is intended to detect the flaws through the technique for tracking structural integrity based on impedance that is to compare the level of vibration monitoring system, usually the function in frequency response, with a level of vibration pattern that corresponds to the structure without failures, to identify changes in the current state of the system. They are also the procedures for testing using this device.
