DETECÇÃO DE DANO BASEADA NA IMPEDÂNCIA E/M COM ... - …

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 sensi-tivity 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, comu-mente conhecidas como buzzers, como transdutores em sistemas de SHM (structural health monitoring - monitoramento de inte-gridade 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 im-pedância 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 Introdução

Os sistemas de monitoramento de integridade estru-tural, 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, au-mentando, portanto, a segurança dos usuários e redu-zindo 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 realiza-da através de ensaios não destrutivos ou NDT (non-destructive testing), utilizando técnicas que sejam minimamente intrusivas à estrutura monitorada. En-tre as várias técnicas NDT (Giurgiutiu, 2013), podem ser citadas a emissão acústica, ondas de Lamb, vácuo comparativo, corrente de eddy e a técnica da impe-dância eletromecânica (E/M).

A técnica da impedância E/M se destaca das demais pela sua simplicidade e por utilizar transduto-res piezelétricos leves e de dimensões reduzidas (es-pessura na ordem de fração de milímetro). Esses dis-positivos são como adesivos colados na estrutura, permitindo que uma vasta área seja monitorada com o uso de múltiplos sensores sem alterar significati-vamente suas propriedades mecânicas. Tais caracte-rísticas tornam a técnica da impedância eletromecâ-nica adequada para o monitoramento de estruturas aeronáuticas (Rocha et al., 2013; Rosiek et al., 2013),

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 brasi-leiro com espessura suficientemente pequena para aplicação na técnica da impedância eletromecânica, necessitando-se de importação, a qual pode ser buro-crática 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 experimen-talmente 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 prin-cípio 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 trans-dutor 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 bibli-ográficas.

Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014

385

2 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 ar-ranjo básico da técnica da impedância eletromecâni-ca está representado na Figura 1, na qual um transdu-tor delgado de PZT está instalado na estrutura a ser monitorada. O transdutor é conectado a um analisa-dor de impedância que fornece a sua impedância elétrica ( ( )EZ ω ) na frequência ω , sendo que esta deve variar dentro de uma faixa de frequência apro-priada. Assim, o analisador de impedância deve exci-tar 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 varredu-ra desde uma frequência baixa até uma frequência alta, como ilustrado na Figura 1.

Portanto, na técnica da impedância eletromecâ-nica, o transdutor opera simultaneamente como atua-dor 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 eletro-mecânicos para relacionar essas duas grandezas. Um dos modelos mais conhecidos foi proposto por Liang et al. (1994), cuja expressão em termos da impedân-cia elétrica do transdutor é dada por

1

233 3

( )1( )( ) ( )

ET SxxE x

S P

ZZ d Y

j Z Zωω ε

ωτ ω ω

−

= − +

sendo ( )EZ ω a impedância elétrica do transdutor,

( )SZ ω a impedância mecânica da estrutura monito-rada, ( )PZ ω a impedância mecânica do transdutor,

ω a frequência, τ uma constante geométrica, 33Tε a

constante dielétrica a uma tensão mecânica (T )

constante, ExxY o módulo de Young a um campo

elétrico ( E ) constante, 3xd a constante piezelétrica e j a unidade imaginária.

De acordo com a Equação (1), há uma relação entre a impedância elétrica do transdutor ( ( )EZ ω ) e a impedância mecânica da estrutura monitorada ( ( )SZ ω ). Logo, qualquer variação na impedância mecânica da estrutura devido a um dano estrutural, tal como uma trinca ou corrosão, implica em uma

variação correspondente na impedância elétrica do transdutor. Portanto, a integridade da estrutura pode ser avaliada através da medição da impedância elétri-ca, que é simples de ser realizada.

A detecção de dano estrutural é realizada com-parando-se duas curvas (ou assinaturas) de impedân-cia 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 devia-tion), e o desvio do coeficiente de correlação, CCD (correlation coefficient deviation). O índice RMSD é baseado na norma euclidiana e é dado por

2

, ,2

,

( ) ( )

( )

F

I

E D E H

k E H

Z k Z kRMSD

Z k

ω

ω=

− =

sendo , ( )E HZ k e , ( )E DZ k as assinaturas de impe-dância elétrica (parte real, parte imaginária ou valor absoluto) que são dadas pela Equação (1) para a es-trutura íntegra e após um possível dano, respectiva-mente, ambas obtidas na frequência k que varia de

Iω (frequência inicial) a Fω (frequência final). Já o índice CCD é baseado no coeficiente de

correlação e é dado por

1 CCCD C= −

sendo CC o coeficiente de correlação que é calcula-do pela seguinte equação

, ,, ,

2 2, ,, ,

( ) ( )

( ) ( )

F

I

F F

I I

E H E DE H E Dk

C

E H E DE H E Dk k

Z k Z Z k ZC

Z k Z Z k Z

ω

ωω ω

ω ω

=

= =

− − =

− −

em que , ( )E HZ k e , ( )E DZ k são as assinaturas da

impedância elétrica definidas anteriormente e ,E HZ e ,E DZ a média dessas assinaturas na faixa de fre-quência selecionada (de Iω a Fω ).

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.

(1)

(2)

(3)

(4)

Figura 1. Princípio da técnica da impedância E/M


386

3 Transdutores Piezelétricos

Neste estudo, três transdutores piezelétricos são ava-liados: cerâmica convencional de PZT, transdutor flexível MFC e o buzzer. Esses dispositivos são mos-trados na Figura 2.

As cerâmicas de PZT são as mais comumente utilizadas em sistemas de SHM baseados na impe-dância E/M. Normalmente, essas cerâmicas são for-necidas 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 sis-temas de SHM, as cerâmicas de PZT são muito rígi-das, o que as tornam facilmente quebradiças. Essa característica tem dificultado a aplicação das cerâmi-cas 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 desen-volvidos 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 fle-xibilidade. Devido à sua alta flexibilidade, os trans-dutores MFC passaram a ser investigados para a ge-ração de energia elétrica a partir de vibrações mecâ-nicas (Wang and Inman, 2013) e também para o de-senvolvimento de sistemas de SHM baseados na im-pedância 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 im-portação, o que aumenta o custo. Uma alternativa é o uso dos diafragmas piezelétricos ou pastilhas piezelé-tricas, 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

dispositivos são fornecidos por fabricantes de com-ponentes eletrônicos em geral e sua construção é simples, sendo constituídos por uma base de latão. Nessa base se encontra o material piezelétrico reves-tido 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 cien-tíficos recentes. As aplicações mais comuns têm sido o reaproveitamento de energia (power harvesting), como foi proposto por Sarker et al. (2013) e Mous-selmal et al. (2013), e na utilização desses dispositi-vos 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 experimen-talmente analisada, conforme o procedimento expe-rimental descrito na próxima seção.

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 dimen-sões de 11 mm x 0,5 mm e massa de aproximada-mente 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 procedi-mento tem a vantagem de não causar dano perma-nente na estrutura.

A impedância elétrica dos transdutores foi medi-da através de um analisador de impedância baseado em um dispositivo de aquisição de dados multifunci-onal controlado por LabVIEW e que utiliza um sinal Figura 2. Transdutores piezelétricos analisados


387

de excitação chirp com amplitude de 1 V. O sistema foi configurado para fornecer assinaturas de impe-dância 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 fre-quência 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 assina-turas 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 (adi-ção 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 par-te real das assinaturas de impedância em uma faixa de 15 a 40 kHz foram consideradas neste estudo.

As assinaturas de impedância obtidas para a ce-râmica 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 ressonân-cia por toda a faixa de frequência analisada. Esses picos correspondem às frequências naturais das es-truturas, que são alteradas quando há algum dano estrutural.

Observa-se que o buzzer apresenta um compor-tamento semelhante aos outros dois transdutores. Assim como para cerâmica e o dispositivo MFC, a assinatura de impedância do buzzer apresenta uma

nítida variação na sua forma quando há dano estrutu-ral (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

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

Figura 5. Assinaturas de impedância obtidas com o transdutor MFC

Figura 6. Assinaturas de impedância obtidas com o buzzer


388

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 am-plitude.

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 assi-naturas e as Equações (2) e (3), fazendo-se

Iω = 15 kHz e Fω = 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, res-pectivamente. Os índices foram normalizados divi-dindo-se todos os valores por aqueles obtidos quando a estrutura está em condição íntegra. Essa normaliza-ção 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 re-sultados foram ainda melhores, sendo 245117 e 10163 para dano próximo e distante do transdutor, respectivamente, exibindo, portanto, uma sensibili-dade muito alta.

Embora os transdutores MFC e buzzer tenham apresentado uma sensibilidade muito menor compa-

rada à cerâmica 5H para detecção de danos próximos ao transdutor, os resultados ainda são muito positi-vos, 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 por-ca) para o dano próximo e distante do transdutor, respectivamente.

Um ponto muito positivo é que o buzzer apre-sentou 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 considera-velmente menor, além de ser fácil de ser encontrado.

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 impe-dância eletromecânica foi experimentalmente inves-tigada. O desempenho do buzzer foi comparado com outros transdutores convencionais comumente utili-zados na técnica da impedância eletromecânica atra-vés da análise das assinaturas de impedância elétrica e de índices de falha métrica. Os resultados indicam conclusivamente que o buzzer é uma excelente op-ção, 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 eletro-mecânica, uma vez que tais dispositivos são facil-mente 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 financei-ro recebido nesta pesquisa.

Referências Bibliográficas

Cui, L. et al. (2014). Macro-Fiber Composite–Based Structural Health Monitoring System for Axial Cracks in Cylindrical Structures. Journal of Intelligent Material Systems and Structures, Vol. 25, No. 3, pp. 332-341.

Ducharne, B. et al. (2013). Nonlinear Technique for Energy Exchange Optimization in Piezoelectric

Figura 7. Índices RMSD normalizados

Figura 8. Índices CCD normalizados


389

Actuators. IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 28, No. 8, pp. 3941-3948.

Giurgiutiu, V. (2013). Embedded NDT with Piezoelectric Wafer Active Sensors. In: Buyukozturk, O. et al. (eds.) Nondestructive Testing of Materials and Structures. Vol. 6. Dordrecht: Springer, pp. 987-992.

Liang, C. et al. (1994). Coupled electro-mechanical analysis of adaptive material systems-determination of the actuator power consumption and system energy transfer. Journal of Intelligent Material Systems and Structures, Vol. 5, No. 1, pp. 12-20.

Mou, S. (2012). Analytical Design of the Optimal Driving Location for a Novel Ultrasonic Actuator by Zone-Energy Method. Research Journal of Applied Sciences, Engineering and Technology, Vol. 4, No. 20, pp. 3937-3942.

Mousselmal, H.D. et al. (2013). A multiaxial piezoelectric energy harvester. In: Proceedings of Active and Passive Smart Structures and Integrated Systems, San Diego, San Diego: SPIE, 8688.

Park, S. et al. (2008). An Outlier Analysis of MFC-Based Impedance Sensing Data for Wireless Structural Health Monitoring of Railroad Tracks. Engineering Structures, Vol. 30, No. 10, pp. 2792-2799.

Rocha, B. et al. (2013). Structural Health Monitoring of Aircraft Structures. In: Ostachowicz, W. et al. (eds.) New Trends in Structural Health Monitoring. Vol. 542. Vienna: Springer, pp. 81-148.

Rosiek, M. et al. (2013). Damage Detection in Riveted Aircraft Elements Based on the Electromechanical Impedance Measurements. Key Engineering Materials, Vol. 588, pp. 54-63.

Sarker, M.R. et al. (2013). Designing a Battery-Less Piezoelectric Based Energy Harvesting Interface Circuit with 300 mV Startup Voltage. Journal of Physics: Conference Series, Vo. 431, 8 p.

Smart Material, Corp. (2014) MFC Overview. Disponível em: <http://www.smart-material.com>. Acessado em 07 fevereiro de 2014.

Stepinski, T. et al. (2013). Electromechanical Impedance Method. In: Advanced Structural Damage Detection: From Theory to Engineering Applications. Chichester: John Wiley & Sons, Ltd., pp. 141-176.

Wang, Y. and Inman, D.J. (2013). Experimental Validation for a Multifunctional Wing Spar with Sensing, Harvesting, and Gust Alleviation Capabilities. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol. 18, No. 4, pp. 1289-1299.

Wilkie, W. (2002). Reliability Testing of NASA Piezocomposite Actuators. In: Proceedings of the 8TH International Conference On New Actuators, Bremen, 10-12 June, 4 p.

Yan, W. and Chen, W.Q. (2010). Structural Health Monitoring Using High-Frequency

Electromechanical Impedance Signatures. Advances in Civil Engineering, Vol. 2010, 11 p.


390

DETECÇÃO DE DANO BASEADA NA IMPEDÂNCIA E/M COM ... - …

Documents

Transcript of DETECÇÃO DE DANO BASEADA NA IMPEDÂNCIA E/M COM ... - …