Métodos para aumento da sensibilidade na detecção de danos estruturais baseada na medição da impedância de transdutores piezelétricos

Abstract

A medição da impedância elétrica de transdutores piezelétricos é uma das etapas mais importantes em sistemas de monitoramento de integridade estrutural com detecção de dano baseada na técnica da impedância eletromecânica (E/M). Muitos sistemas de medição alternativos têm sido propostos para substituírem os analisadores de impedância comerciais, por serem mais apropriados para aplicações em campo e medição de múltiplos transdutores. Os estudos reportados na literatura normalmente analisam o desempenho desses sistemas em baixa frequência. No entanto, a excitação do transdutor com frequência elevada, tipicamente acima de 1 MHz, permite a detecção de danos incipientes, tornando necessária a análise dos sistemas de medição em frequências elevadas. Portanto, esta tese de doutorado apresenta resultados de duas propostas que viabilizam a análise em frequências elevadas (acima de 1 MHz) e, inclusive, melhora a sensibilidade a variações estruturais também em baixas frequências. A primeira etapa deste trabalho apresenta resultados referentes à utilização de uma interface de capacitância negativa em conjunto com os outros elementos do sistema de medição. Foram realizadas análises teóricas que indicaram melhoria na sensibilidade do sistema de medição e, corroborando tal característica, os resultados dos testes práticos demonstraram o mesmo comportamento. Na segunda etapa, são apresentados resultados de testes práticos realizados em três estruturas de tamanhos diferentes (100 cm × 5 cm × 0,2 cm, 100 cm × 10 cm × 0,2 cm e 100 cm × 25 cm × 0,2 cm) em que se variou a amplitude dos sinais de excitação e também sua duração (por meio dos ciclos de estabilização) e, de acordo com o obtido, esta abordagem apresenta também resultados melhores em baixas frequências e viabiliza análises em altas frequências para todas as estruturas utilizadas.

The measurement of electrical impedance of piezoelectric transducers is one of the most important steps in structural health monitoring (SHM) systems with damage detection based on the electromechanical impedance (EMI) technique. Many alternative measurement systems have been proposed to replace commercial impedance analyzers as they are more suitable for field applications and multi-transducer measurement. Studies reported in the literature usually analyze the performance of these systems at low frequency. However, excitation of the transducer with a high frequency, typically above 1 MHz, allows the detection of incipient damage, making it necessary to analyze measurement systems at high frequencies. Therefore, this doctoral thesis presents the results of two proposals that enable the analysis at high frequencies (above 1 MHz) and even improve the sensitivity to structural variations also at low frequencies. The first stage of this work presents results regarding the use of a negative capacitance interface together with the other elements of the measurement system. Theoretical analyzes were carried out which indicated an improvement in the sensitivity of the measurement system and, corroborating this characteristic, the results of the practical tests showed the same behavior. In the second stage, results of practical tests performed on three structures of different sizes are presented (100 cm × 5 cm × 0.2 cm, 100 cm × 10 cm × 0.2 cm and 100 cm × 25 cm × 0.2 cm) in which the amplitude of the excitation signals was varied and also their duration (through the stabilization cycles) and, according to what was obtained, this approach also presents better results at low frequencies and enables analyzes at high frequencies for all the structures used.