Temperature effects in EMI-based SHM: theoretical and experimental approaches

Abstract

Structural Health Monitoring (SHM) is dedicated to the continuous assessment of structural conditions, aiming to detect damage at early stages and, consequently, ensure the functionality and safety of different structures. Among the various methodologies employed in SHM, the Electromechanical Impedance (EMI) technique stands out for its sensitivity to incipiente damage. Important findings have been achieved from experimental data, establishing this approach as the predominant one in the literature. However, theoretical analyses have also driven substantial advancements, demonstrating great potential. Despite this, the practical application of the EMI technique faces challenges due to its sensitivity to external conditions, such as temperature. Thermal variations induce changes in EMI signals, which can be mistakenly interpreted as damage, compromising the accuracy of structural diagnostics. To address this challenge, temperature compensation methods have been developed to minimize its influence on EMI signatures. In this context, the present thesis investigates the temperature effects on the EMI technique through two complementary approaches: theoretical and experimental. An analytical EMI model is developed to examine an Euler-Bernoulli beam with symmetrically coupled piezoelectric transducers. Three different dynamics are evaluated, i.e., longitudinal, flexural, and a combination of both. The study investigates both the influence of temperature variations and the presence of symmetric and asymmetric damages. The results exhibit strong similarity with experimental, particularly in peaks position. In addition, a temperature compensation technique is proposed through the incorporation of a new step involving the selection of the frequency range for computing damage detection indices, aiming to improve the detection accuracy. The methodology is demonstrated in an aluminum beam subjected to three different structural conditions: baseline (undamaged) and two types of damage. The obtained results confirm the effectiveness of the proposed approach in reducing false alarms during damage detection via EMI.

O Monitoramento da Integridade Estrutural (SHM, do inglês Structural Health Monitoring) dedica-se a análise contínua das condições estruturais, visando detectar danos em estágios iniciais e, consequentemente, garantir a funcionalidade e a segurança de diferentes estruturas. Dentre as diversas metodologias empregadas em SHM, a técnica da Impedância Eletromecânica (EMI, do inglês Electromechanical Impedance) destaca-se pela sua sensibilidade a danos incipientes. Importantes descobertas têm sido alcançadas a partir de dados experimentais, configurando-se como a abordagem predominante na literatura. Entretanto, análises teóricas também têm impulsionado avanços significativos, mostrando-se promissoras. Apesar disso, a aplicação prática da técnica de EMI apresenta desafios relacionados à sua sensibilidade a condições externas, como a temperatura. Variações térmicas induzem alterações nos sinais de EMI, que podem ser erroneamente interpretadas como danos, comprometendo a precisão do diagnóstico estrutural. Diante desse desafio, têm sido desenvolvidos métodos de compensação da temperatura, visando minimizar sua influência nas curvas de EMI. Neste contexto, a presente tese investiga os efeitos da temperatura na técnica de EMI considerando análises teóricas e experimentais. Para isso, implementa-se um modelo analítico de EMI para investigar uma viga de Euler-Bernoulli com transdutores piezoelétricos simetricamente acoplados. Com essa configuração são analisadas as dinâmicas longitudinal, flexural e a combinação de ambas. O estudo avalia tanto a influência das variações térmicas quanto a presença de danos simétricos e assimétricos. Os resultados apresentam uma importante similaridade com dados experimentais, especialmente na localização dos picos. Também, propõe-se uma técnica de compensação de temperatura mediante a incorporação de uma etapa envolvendo a seleção da faixa de frequência para a estimativa dos índices de detecção de danos, visando melhorar a detecção. A metodologia é demonstrada considerando uma viga de alumínio com três condições estruturais distintas: sem e com dois tipos de danos. Os resultados obtidos corroboram a efetividade da abordagem proposta em reduzir falsos alarmes durante a detecção de danos via EMI.