Uma contribuição aos sistemas de monitoramento de integridade estrutural baseados na impedância eletromecânica sob aplicações de baixa relação sinal-ruído
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Data
2019-11-01
Autores
Castro, Bruno Albuquerque de
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Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Resumo
Os sistemas de monitoramento de estruturas aeroespaciais, civis e navais, também conhecidos como sistemas de SHM (“Structural Health Monitoring”), têm como objetivo a detecção de danos estruturais em estágio inicial e, desta forma, se garantir a segurança dos usuários e reduzir os custos com manutenção. Entre as várias técnicas existentes para a detecção de danos, a técnica da impedância eletromecânica (E/M) se destaca pela sua metodologia simples e por utilizar transdutores piezelétricos de baixo custo. Basicamente, o diagnóstico de falhas estruturais se dá pela extração da impedância elétrica de um transdutor acoplado em uma estrutura hospedeira, e o diagnóstico estrutural é realizado pela aplicação de índices estatísticos como o desvio da raiz média quadrática – root mean square deviation (RMSD) – que é baseado na norma Euclidiana e o desvio do coeficiente de correlação – correlation coefficient deviation metric (CCDM) – baseado no coeficiente de correlação. Apesar de ser uma técnica promissora e eficaz, as pesquisas envolvendo a técnica da impedância eletromecânica são realizadas em laboratórios sob condições ideais. Todavia, na prática, durante a medição de impedância, é inevitável a contaminação dos sinais por ruído, o que pode influenciar e prejudicar significativamente o diagnóstico de danos estruturais, limitando a aplicabilidade da técnica E/M. Tomando como base essa questão, o objetivo deste trabalho é explorar novas técnicas de processamento de sinais oriundos das medições de impedância de transdutores piezelétricos, em ambientes que produzem baixa relação sinal-ruído (SNR), visando a expansão da aplicabilidade dessa técnica de monitoramento. Para isto, utilizou-se estruturas de alumínio e fibra de carbono, muito utilizadas pela indústria aeroespacial. Foi realizado um estudo da influência do ruído nos sinais de impedância, bem como nas técnicas tradicionais de caracterização de falha. Como a finalidade é desenvolver métodos inéditos de caracterização e diagnóstico de danos para aplicações em ambientes onde o ruído estrutural se faz presente, três diferentes técnicas de processamento digital de sinais foram propostas como métodos de diagnóstico de falhas para este tipo de aplicação. Essas técnicas avançadas para o tratamento dos sinais dos transdutores piezelétricos, tiveram como base o critério estatístico de Hinkley, a correlação cruzada de sinais e técnica cromática de separação de dados. Os resultados obtidos indicaram que os novos métodos propostos foram eficazes no diagnóstico de falhas estruturais expandindo esta promissora técnica de monitoramento estrutural em aplicações onde o ruído estrutural não é controlado, como nas aplicações reais.
Structural Health Monitoring (SHM) systems aim to avoid and detect structural damages at the initial stage in order to promote human safety and reduction of maintenance costs. Among numerous SHM methods for damage detection, the electromechanical impedance (EMI) technique stands out to be a simple methodology that uses low-cost piezoelectric transducers. Basically, the structural damage diagnosis is achieved by extracting the electrical impedance of a transducer attached to a host structure and the failure quantification is accomplished by traditional statistical indices such as the root mean square deviation (RMSD) and the correlation coefficient deviation metric (CCDM). Although the EMI stands out to be an effective and promising SHM technique, research involving the electromechanical impedance is commonly performed in laboratories under ideal conditions. However, in practical applications, during the impedance measurements, it’s inevitable the signal contamination by noise, which can significantly influence and impair the diagnosis of structural condition, limiting the applicability of the EMI. Based on this issue, the objective of this work is to explore new signal processing techniques from impedance measurements of piezoelectric transducers, aiming to expand the applicability of this promising SHM approach for low signal-to-noise ratio inspections conditions. Experimental tests were carried out on a carbon fiber reinforced plate and an aluminum component, which are widely used in the aerospace and naval industry. A study of the noise influence on the traditional damage characterization was accomplished and three types of noise compensation techniques were proposed in this work that aims to expand the applicability of EMI technique in noisy inspections. These advanced signal processing techniques were based on the Hinkley statistical criterion, the cross-correlation function and the chromatic technique of data cluster. The results indicated that the newly proposed methods were effective in the diagnosis of structural failure, expanding the applicability of this promising structural monitoring technique for inspections where structural noise is not controlled, as in real applications
Structural Health Monitoring (SHM) systems aim to avoid and detect structural damages at the initial stage in order to promote human safety and reduction of maintenance costs. Among numerous SHM methods for damage detection, the electromechanical impedance (EMI) technique stands out to be a simple methodology that uses low-cost piezoelectric transducers. Basically, the structural damage diagnosis is achieved by extracting the electrical impedance of a transducer attached to a host structure and the failure quantification is accomplished by traditional statistical indices such as the root mean square deviation (RMSD) and the correlation coefficient deviation metric (CCDM). Although the EMI stands out to be an effective and promising SHM technique, research involving the electromechanical impedance is commonly performed in laboratories under ideal conditions. However, in practical applications, during the impedance measurements, it’s inevitable the signal contamination by noise, which can significantly influence and impair the diagnosis of structural condition, limiting the applicability of the EMI. Based on this issue, the objective of this work is to explore new signal processing techniques from impedance measurements of piezoelectric transducers, aiming to expand the applicability of this promising SHM approach for low signal-to-noise ratio inspections conditions. Experimental tests were carried out on a carbon fiber reinforced plate and an aluminum component, which are widely used in the aerospace and naval industry. A study of the noise influence on the traditional damage characterization was accomplished and three types of noise compensation techniques were proposed in this work that aims to expand the applicability of EMI technique in noisy inspections. These advanced signal processing techniques were based on the Hinkley statistical criterion, the cross-correlation function and the chromatic technique of data cluster. The results indicated that the newly proposed methods were effective in the diagnosis of structural failure, expanding the applicability of this promising structural monitoring technique for inspections where structural noise is not controlled, as in real applications
Descrição
Palavras-chave
Impedância eletromecânica, Compensação de ruído, Transformada wavelet, Critério de Hinkley, Correlação cruzada, Técnica cromática, CCSD, Electromechanical impedance, Noise compensation, Wavelet transform, Hinkley criterion, Cross-correlation, Chromatic technique