Otimização da medição de impedância elétrica para monitoramento de integridade estrutural pela configuração do número de ciclos do sinal de excitação

Abstract

Pesquisadores têm utilizado amplamente sistemas de medição comerciais e alternativos no monitoramento da integridade estrutural baseado em impedância, onde um transdutor piezoelétrico conectado à estrutura monitorada é excitado enquanto sua impedância elétrica é medida. No entanto, a literatura carece de atenção ao número necessário de ciclos do sinal de excitação, uma questão frequentemente ignorada pelos pesquisadores. Portanto, esta tese teve como objetivo analisar o impacto do número de ciclos de excitação nas medições de impedância, utilizando tanto uma abordagem teórica baseada na resposta dinâmica da estrutura monitorada quanto uma abordagem experimental que emprega um sistema de medição baseado em dispositivo de aquisição de dados com número de ciclos de excitação variável. Foram analisadas quatro estruturas de diferentes tamanhos e materiais, e os resultados mostram que o número adequado de ciclos para que a medição de impedância seja otimizada depende do fator de amortecimento da estrutura monitorada. Configurar o sistema de medição com o número ideal de ciclos pode melhorar notavelmente a medição dos picos de ressonância relacionados às frequências naturais da estrutura, aumentando assim o desempenho na detecção de danos estruturais, bem como a reprodutibilidade das medições de impedância. Portanto, os resultados reportados nesta tese podem ser úteis aos pesquisadores na configuração de diferentes sistemas de medição de impedância para obter melhor desempenho em aplicações de monitoramento de integridade estrutural.

Researchers have widely used commercial and alternative measurement systems in electrical impedance – based structural health monitoring (SHM), where a piezoelectric transducer attached to the monitored structure is excited while its electrical impedance is measured. However, the literature lacks attention to the required number of cycles of the excitation signal, an issue frequently overlooked by researchers. Therefore, this thesis aims to investigate the impact of the number of excitation cycles on electrical impedance measurements by utilizing both a theoretical approach based on the dynamic response of the monitored structure and an experimental approach which employs a measurement system based on a data acquisition (DAQ) device with varied excitation cycles. Four structures of different sizes and materials were analyzed, and the results show that the appropriate number of cycles for the electrical impedance measurement to be optimized depends on the damping ratio of the monitored structure. Configuring the measurement system with the optimal number of cycles can notably enhance the measurement of resonance peaks related to the natural frequencies of the structure, thereby increasing the performance in detecting structural damage as well as the reproducibility of electrical impedance measurements. Therefore, the results reported in this thesis can be useful to researchers in configuring different electrical impedance measurement systems to achieve improved performance in SHM applications.