UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA “JÚLIO DE MESQUITA FILHO” FACULDADE DE ENGENHARIA CAMPUS DE BAURU FELIPE AUGUSTO BARNABÉ Investigação dos Efeitos da Variação Irregular de Temperatura na Detecção de Dano Estrutural Baseada na Impedância Eletromecânica Bauru-SP 2023 Campus de Ilha Solteira PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELETRICA FELIPE AUGUSTO BARNABÉ Investigação dos Efeitos da Variação Irregular de Temperatura na Detecção de Dano Estrutural Baseada na Impedância Eletromecânica Dissertação apresentada ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica da Faculdade de Engenharia de Bauru (FEB) – UNESP, para obtenção do título de Mestre em Engenharia Elétrica Orientador: Prof. Dr. Fabricio Guimarães Baptista Bauru-SP 2023 B259i Barnabé, Felipe Augusto Investigação dos Efeitos da Variação Irregular de Temperatura na Detecção de Dano Estrutural Baseada na Impedância Eletromecânica / Felipe Augusto Barnabé. -- Bauru, 2023 58 f. : il., tabs., fotos Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual Paulista (Unesp), Faculdade de Engenharia, Bauru Orientadora: Fabricio Guimarães Baptista 1. Transdutores piezoeletricos. 2. Impedância. 3. Detecção de dano. 4. Monitoramento. 5. Teste não destrutivo. I. Título. Sistema de geração automática de fichas catalográficas da Unesp. Biblioteca da Faculdade de Engenharia, Bauru. Dados fornecidos pelo autor(a). Essa ficha não pode ser modificada. UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA Câmpus de Bauru ATA DA DEFESA PÚBLICA DA DISSERTAÇÃO DE MESTRADO DE FELIPE AUGUSTO BARNABE, DISCENTE DO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA, DA FACULDADE DE ENGENHARIA - CÂMPUS DE BAURU. Aos 28 dias do mês de julho do ano de 2023, às 13:00 horas, no(a) Via sistemas de videoconferência e outras ferramentas para comunicação a distância, realizou-se a defesa de DISSERTAÇÃO DE MESTRADO de FELIPE AUGUSTO BARNABE, intitulada INVESTIGAÇÃO DOS EFEITOS DA VARIAÇÃO IRREGULAR DE TEMPERATURA NA DETECÇÃO DE DANO ESTRUTURAL BASEADA NA IMPEDÂNCIA ELETROMECÂNICA. A Comissão Examinadora foi constituida pelos seguintes membros: Prof. Dr. FABRICIO GUIMARÃES BAPTISTA (Orientador(a) - Participação Virtual) do(a) Departamento de Engenharia Eletrica / Faculdade de Engenharia de Bauru - UNESP, Prof. Dr. DANILO ECIDIR BUDOYA (Participação Virtual) do(a) Departamento de Engenharia Eletrica / Faculdade de Engenharia de Bauru - UNESP, Prof. Dr. LEANDRO MELO CAMPEIRO (Participação Virtual) do(a) Departamento de Tecnologia em Mecatrônica Industrial / Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo. Após a exposição pelo mestrando e arguição pelos membros da Comissão Examinadora que participaram do ato, de forma presencial e/ou virtual, o discente recebeu o conceito final:_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . Nada mais havendo, foi lavrada a presente ata, que após lida e aprovada, foi assinada pelo(a) Presidente(a) da Comissão Examinadora. Prof. Dr. FABRICIO GUIMARÃES BAPTISTA Faculdade de Engenharia - Câmpus de Bauru - Av. Engenheiro Luiz Edmundo Carrijo Coube, , 14-01, 17033360, Bauru - São Paulo http://www.feb.unesp.br/posgrad_elet/index.phpCNPJ: 48.031.918/0030-69. Aprovado Aos meus mestres e minha família. Em memória ao meu avô Pedro. AGRADECIMENTOS A minha esposa, Graziele e a minha filha Sofia, pelo suporte, apoio, companheirismo incondicional e inspiração. Aos meus pais, em especial a minha mãe Valquíria e pelo suporte e incentivo a buscar o esforço e a dedicação ao conhecimento. Ao meu Irmão Lucas por dedicar o seu tempo em auxilio em parte dos testes no laboratório. Ao meu orientador, Prof. Dr. Fabricio Guimarães Baptista, por me conceder a oportunidade e me orientar com dedicação durante todas as etapas deste trabalho. À comissão examinadora. Ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico – CNPq, Processo 305067/2022-2, e à Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP), Processo 2022/15759-1, que apoiaram financeiramente esta pesquisa. RESUMO Realizar o monitoramento de estruturas é de fundamental importância para a segurança e bom funcionamento de equipamentos e construções, pois a ocorrência de colapsos estruturais pode colocar em risco tanto os equipamentos quanto os usuários. Atualmente, foram desenvolvidos métodos conhecidos como monitoramento de integridade estrutural (SHM – structural health monitoring). Existem várias técnicas que fazem análises comparativas nas estruturas para avaliar a sua integridade, entre estes métodos está a impedância eletromecânica (E/M) que utiliza diafragmas piezoelétricos fixados ao longo das estruturas. O princípio de funcionamento consiste em aplicar sinal elétrico sobre os polos do diafragma e coletar as assinaturas de impedância eletromecânica simultaneamente. Então, esses dados são armazenados e comparados posteriormente utilizando índices métricos para monitorar e diagnosticar a integridade das estruturas. Existem vários índices métricos, entre eles está o coeficiente de correlação (CCDM – correlation coefficient deviation metric), que provou ser eficiente na identificação de variações nas assinaturas de impedância elétrica. Apesar da impedância eletromecânica ser uma técnica eficiente e oferecer bom custo/benefício, o método presenta diversos desafios, entre eles está a variação de temperatura. Diversos testes experimentais demonstram que a temperatura interfere diretamente sobre as assinaturas de impedância elétrica, causando um deslocamento em frequência e amplitude que pode ser interpretado pelo sistema como dano estrutural. Para compensar os desvios causados pela temperatura, foram desenvolvidas técnicas como o deslocamento de frequência eficaz (EFS – effective frequency shifting). Este método provou ser eficiente quando a superfície da estrutura é aquecida de forma uniformemente distribuída. Esta pesquisa de mestrado teve como proposta investigar os efeitos causados pela distribuição irregular de temperatura sobre a estrutura e observar os métodos atuais de compensação. Os resultados demonstram uma alteração significativa nas assinaturas de impedância, impossibilitando uma compensação com êxito para o correto diagnóstico da estrutura monitorada. Palavras-chave: Transdutores piezelétricos; Impedância; Temperatura; Detecção de danos; Monitoramento; Teste não destrutivo. ABSTRACT Monitoring structures is of fundamental importance for the safety and proper functioning of equipment and buildings, as the occurrence of structural collapses can endanger both equipment and users. Currently, methods known as structural health monitoring (SHM) have been developed. There are several techniques that make comparative analyzes in the structures to evaluate their integrity, among these methods is the electromechanical (E/M) impedance that uses piezoelectric diaphragms fixed along the structures. The operating principle consists of applying an electrical signal over the diaphragm poles and collecting the electromechanical impedance signatures simultaneously. Then, this data is stored and later compared using metric indices to monitor and diagnose the integrity of the structures. There are several metric indices, among them is the correlation coefficient deviation metric (CCDM), which has proven to be efficient in identifying variations in electrical impedance signatures. Although electromechanical impedance is an efficient technique and offers good cost/benefit, the method presents several challenges, among them is temperature variation. Several experimental tests demonstrate that the temperature directly interferes with the electrical impedance signatures, causing a shift in frequency and amplitude that can be interpreted by the system as structural damage. To compensate for deviations caused by temperature, techniques such as effective frequency shifting (EFS) have been developed. This method proved to be efficient when the surface of the structure is heated in an evenly distributed manner. This master's research aimed to investigate the effects caused by irregular temperature distribution on the structure and observe current compensation methods. The results demonstrate a significant change in the impedance signatures, making it impossible to successfully compensate for the correct diagnosis of the monitored structure. Keywords: Piezoelectric transducers; Impedance; Temperature; Damage detection; Monitoring; Non-destructive testing. LISTA DE FIGURAS Figura 1 – Diagrama da estrutura eletromecânica. ................................................... 20 Figura 2 – Esquema elétrico da Impedância Eletromecânica (E/M). ........................ 21 Figura 3 – Deslocamento da Amplitude e Frequência, conforme a variação da temperatura. ............................................................................................. 24 Figura 4 – Fluxograma do Algoritmo, EFS e Compensação CCDM ......................... 26 Figura 5 - Setup experimental (a) com 8 diafragmas e (b) com 16 diafragmas ........ 28 Figura 6 - Diagrama elétrico com 8 diafragmas ........................................................ 29 Figura 7 - Diagrama elétrico com 16 diafragmas ...................................................... 30 Figura 8 - Cargas de prova para simulação de dano na estrutura com (a) 8 e (b) 16 diafragmas. ............................................................................................... 32 Figura 9 - Termografia para aquisição dos valores de impedância (a) placa 8 diafragmas e (b) placa com 16 diafragmas. ............................................. 33 Figura 10 - Posicionamento das regiões que foram aquecidas com o soprador térmico em (a) com 8 diafragmas e em (b) com 16 diafragmas. .............. 33 Figura 11 - Placa de alumínio com 8 diafragmas, em (a) coleta da baseline, (b) aquecimento ponto 3, (c) aquecimento ponto 2, (d) aquecimento no centro da placa ponto 5, (e) aquecimento ponto 4, (f) aquecimento ponto 1....... 34 Figura 12 - Placa de alumínio com 16 diafragmas, em (a) coleta da baseline, (b) aquecimento ponto 1, (c) aquecimento ponto 4, (d) aquecimento no centro da placa ponto 5, (e)aquecimento ponto 2, (f)aquecimento ponto 3......... 34 Figura 13 – Software para aquisição das assinaturas de impedância, desenvolvido na plataforma do LabVIEW. ..................................................................... 36 Figura 14 - Software para fazer o processamento e análise das assinaturas de impedância, desenvolvido no LabVIEW. .................................................. 37 Figura 15 - Gráfico de intensidade carga lido transdutor 7 do setup com 8 transdutores. (a) Componente real e (b) Componente Imaginaria ........... 38 Figura 16 - Índices da estrutura com 8 transdutores (a) leve (b) moderado e (c) severo. ...................................................................................................... 40 Figura 17 - Índices da estrutura com 16 transdutores (a) leve (b) moderado e (c) severo. ...................................................................................................... 42 Figura 18 - Mudanças de frequência conforme aumento da temperatura do componente real das assinaturas de impedância para ressonância (a) diafragma 4 do teste 8 transdutores e (b) diafragma 7 do teste com 16 transdutores. ............................................................................................ 45 Figura 19 - Aplicação do CCDM para (a) 8 transdutores e (b) 16 transdutores a temperatura próxima a 40ºC ..................................................................... 46 Figura 20 - Aplicação do CCDM em conjunto com a compensação EFS, para (a) 8 e (b) 16 transdutores com a temperatura próximo aos 40ºC. ...................... 47 Figura 21 - Média entre os índices CCDM, sem EFS, com (a) 8 transdutores e (b) 16 transdutores ............................................................................................. 49 Figura 22 - Média entre os índices CCDM, com EFS, com (a) 8 transdutores e (b) 16 transdutores ............................................................................................. 50 Figura 23 - Amostra do sinal transdutor 9 do setup com 16 transdutores (a) frequências compensadas na faixa de 40kHz a 42kHz (b) aparecimento de novos picos de ressonância faixa 174kHz a 176kHz com adição de harmônicos no sinal amostrado. ............................................................... 52 Figura 24 - Amostra do sinal transdutor 4 do setup com 8 transdutores (a) frequências compensadas na faixa de 40kHz a 42kHz (b) aparecimento de novos picos de ressonância faixa de 174kHz a 178kHz. ..................... 53 Figura 25 - Comparativo entre os valores medianos das sub-bandas de frequência entre os testes experimentais (a) setup com 8 transdutores e (b) setup com 16 transdutores ................................................................................. 55 LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Valores para caracterização de simulação de danos a estrutura. ........... 31 Tabela 2 - Tabela de aquecimento uniforme para setup com 8 e 16 transdutores ... 32 Tabela 3 - Tabela, parâmetros de configuração para o software de simulação ........ 35 Tabela 4 - Mudanças de frequência para três pontos de ressonância para os dois testes apresentados, do diafragma 4 do teste com 8 transdutores. ......... 44 Tabela 5 - Mudanças de frequência para três pontos de ressonância para os dois testes apresentados, do diafragma 7 do setup com 16 transdutores. ...... 44 LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS ADC Analog digital converter – Conversor analógico-digital CCDM Correlation coefficient deviation metric – Métrica do desvio do coeficiente de correlação CC Coeficiente de correlação de Pearson DAC Digital analog converter – Conversor digital-analógico DAQ Data acquisition device – Dispositivo de aquisição de dados E/M Eletromecânica EFS Effective frequency shifting – Deslocamento de frequência eficaz FRF Frequency response function – Função de Resposta em Frequência FFT Fast Fourier transform - Transformada rápida de Fourier IFM Índice de Falha Métrica LabVIEW Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench LTAD Laboratório de Transdutores e Aquisição de Dados NI National Instruments NDE Non-destructive evaluation – Avaliação não destrutiva PZT Pb-Lead zirconate titanate – Titanato zirconato de chumbo RMSD Root mean square deviation – Desvio da raiz média quadrática SHM Structural Health Monitoring – Monitoramento de integridade estrutural LISTA DE SÍMBOLOS Símbolo Descrição Unidade D Deslocamento elétrico. C/m² S Tensor de deformação mecânica (strain) N / m Ek campo elétrico. V / m Tkl Vetor de tração. N / m Dikl Constante Piezelétrica. m/V εjk Elemento de permissividade em tensão constante. F / m Sijkl Constante de elasticidade m²/N E Campo elétrico. V / m H Densidade campo magnético. A/m Θ Temperatura. ºC Zs(f) Impedância Mecânica. Ω Ze(f) Impedância Elétrica. N.s / m Zp(f) Impedância mecânica do transdutor PZT. N.s / m f Frequência. Hz C Capacitância. F j Unidade imaginaria. Adimensional t Tempo. s m Massa. kg R Resistência. Ω x(t) Sinal de excitação do transdutor na forma contínua. V x[n] Sinal de excitação do transdutor na forma discreta. V y(t) Sinal de resposta do transdutor na forma contínua. V y[n] Sinal de resposta do transdutor na forma contínua. V Sxx(f) Auto espectro de potência Adimensional. Adimensional Sxy(f) Espectro de potência cruzado Adimensional. Adimensional H(f) Função de Resposta em Frequência – FRF. Adimensional Cov Covariância. Adimensional Ze, b(f) Impedância baseline. Ω Ze, a(f) Impedância amostra. Ω Df Defasagem frequência. Hz fF Frequência final. Hz fi Frequência Inicial. Hz Z Impedância. Ω b Desvio padrão da assinatura de baseline. Adimensional a Desvio padrão da assinatura de dano ou monitoramento. Adimensional N Número de amostras. Adimensional SUMÁRIO CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO .................................................................................. 14 1.1 Objetivos e motivações ................................................................................ 16 1.2 Organização do trabalho. ............................................................................. 17 CAPÍTULO 2 - FUNDAMENTOS DA IMPEDÂNCIA ELETROMECÂNICA.............. 18 2.1 O efeito Piezoelétrico. ...................................................................................... 18 2.2 A técnica de Impedância Eletromecânica (E/M)............................................... 19 2.3 Medição da Impedância ................................................................................... 21 CAPÍTULO 3 – ÍNDICES ESTATÍSTICOS E COMPENSAÇÃO DA TEMPERATURA .................................................................................................................................. 22 3.1 Reconhecimento de danos estruturais ............................................................. 22 3.2 Efeito da temperatura uniforme ........................................................................ 23 3.3 Compensação da temperatura ......................................................................... 25 CAPÍTULO 4 - METODOLOGIA ............................................................................... 27 4.1 Estruturas e montagem dos setups para simulação ........................................ 27 4.2 Validação do SHM com a simulação de dano estrutural e aquecimento da estrutura. ................................................................................................................ 31 4.3 Software utilizado e configuração para amostra dos dados. ............................ 35 CAPITULO 5 - RESULTADOS ................................................................................. 37 5.1 Validação da operação do sistema de SHM .................................................... 37 5.2 Avaliação da temperatura distribuída ............................................................... 43 5.3 Avaliação da temperatura irregular da estrutura. ............................................. 48 CONCLUSÃO ........................................................................................................... 56 SUGESTÕES PARA FUTUROS TRABALHOS ....................................................... 56 REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 57 14 CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO Ao longo da história, o desenvolvimento de estruturas teve papel crucial na criação de edificações e meios de transporte, tornando-os mais seguros e eficientes. Entretanto, todas as estruturas sofrem com a ação do tempo, o que pode torná-las frágeis. Os métodos de monitoramento de integridade estrutural ou SHM (Structural Health Monitoring), permite medir e avaliar com exatidão a estrutura a ser analisada ao longo do tempo, podendo identificar possíveis problemas como rachaduras, cisalhamento ou afrouxamento de porcas e rebites, o que pode levar ao colapso colocando em risco a segurança pública (BAPTISTA et al., 2014, PALLARÉS et al., 2021). O sistema de SHM é amplamente utilizado em uma variedade de aplicações, incluindo o monitoramento de estruturas de pontes, edifícios, plataformas de petróleo, gás e aviões (LAMBINET; SHARIF KHODAEI, 2022). Basicamente, esses sistemas têm por finalidade medir, registrar e analisar as condições de uma estrutura ao longo do tempo com o uso de sensores individuais ou uma malha de sensores interligados e instalados ao longo de uma estrutura, podendo assim coletar várias informações como: deformação, tensão, temperatura e outros dados estruturais. Essas informações podem, então, passar por algoritmos de análise para detectar qualquer alteração nas condições da estrutura, o que pode indicar um problema em potencial. Segundo Baptista et al. (2014) e Pallarés et al. (2021), existe a necessidade de aperfeiçoar as técnicas de SHM, detectando os danos ainda no início, o que pode melhorar as manutenções preventivas, reduzindo drasticamente os custos de reparo, aumentado durabilidade e reduzindo os tempos de parada. O sistema de SHM podem ser executados de forma online e em tempo real, podendo indicar possível problema no momento em que ele ocorrer. No passado, as inspeções preventivas eram feitas utilizando métodos de avaliação não destrutivos, NDE (non-destructive evaluation), que em grande parte eram compostos por inspeções visuais ao longo de toda estrutura. Porém, essa análise dependia da experiência e da habilidade do inspetor, o que poderia deixar passar com facilidade fadigas e pequenas trincas que não poderiam ser observadas a olho nu. Para que a inspeção apresentasse uma confiabilidade, muitas vezes era necessário desmontar partes do equipamento para vistoria e realizar testes no laboratório, sendo necessário realizar longas paradas preventivas periodicamente. Atualmente, existem diversos tipos de tecnologias não evasivas que podem ser 15 empregadas no monitoramento como por exemplo: emissão de ondas guiadas (MA; YU, 2021), testes de correntes parasitas (MA; YU, 2021), métodos de emissão acústica (LIN et al., 2018) e a impedância eletromecânica (E/M) (LAMBINET; SHARIF; KHODAEI, 2022). O método da impedância E/M possui várias vantagens entre os demais, pois apresenta baixo custo na aquisição dos transdutores piezoelétricos e tem fácil instalação, consistindo apenas de um diafragma fixado com adesivo a base de cianoacrilato na superfície monitorada, sendo minimamente invasivo e pode ser aplicado em diversos materiais como: concreto, aço, alumínio e compósitos (BAPTISTA et al., 2014, ANTUNES et al., 2019). O princípio de funcionamento da impedância E/M consiste em submeter um sinal de excitação sobre o diafragma, o que por sua vez produz efeitos diretos e reversos sobre o transdutor piezoelétrico e o material que está sendo monitorado, com um circuito elétrico é possível obter a impedância a partir do sinal de excitação. Caso seja aplicado um sinal de varredura como um chirp é possível analisar todos os pontos de ressonância do material, obtendo assim uma assinatura de impedância (BAPTISTA et al., 2014, ANTUNES et al., 2019). A identificação de um possível problema estrutural ocorre quando assinaturas de impedância são comparadas com o primeiro monitoramento, feito ainda com a estrutura íntegra, por meio de índices métricos como o RMSD (Root Mean Square Deviation) e o CCDM (Correlation Coefficient Deviation Metric) (BAPTISTA et al., 2014, LIN et al., 2018, MA; YU, 2021). Normalmente, a primeira coleta de dados é conhecida como baseline que é uma referência para identificar os possíveis danos comparando-os com os resultados obtidos para considerá-los danificados ou não (ANTUNES et al., 2019). Existem muitos estudos com foco direcionado a entender como o diafragma piezoelétrico se comporta com diferentes materiais e variando as condições ambientais e estruturais. Segundo Baptista et al. (2014), o transdutor é muito sensível e pode manifestar cisalhamento ou descolagem da estrutura e estar operante ao sistema ou ter interferências causadas por efeitos da temperatura. O transdutor piezoelétrico possui características piroelétricas que podem causar interferência na interpretação dos dados, afetando as propriedades dos transdutores que dificultam as aplicações reais, causando alterações significativas nas assinaturas de impedância (BAPTISTA et al., 2014). Diferentes autores têm buscado 16 corrigir os efeitos da variação de temperatura na impedância E/M, propondo diversas técnicas (TURRA et al., 2013, WANDOWSKI; MALINOWSKI; OSTACHOWICZ, 2013, BAPTISTA et al., 2014, MIN; YUN, 2015, RABELO; FINZI; STEFFEN, 2015, HUYNH; KIM, 2018). Os efeitos mais comuns ressaltados nas assinaturas da impedância E/M são os deslocamentos na frequência e na magnitude (ANTUNES et al., 2019). Para fazer a compensação do deslocamento é utilizada o deslocamento de frequência eficaz (EFS – effective frequency shifting) e análise de correlação CCDM (WANDOWSKI; MALINOWSKI; OSTACHOWICZ, 2013, BAPTISTA et al., 2014, RABELO; FINZI; STEFFEN, 2015). No entanto, a principal limitação no EFS é o deslocamento de frequência que pode alterar de acordo com a frequência do pico de ressonância, aumentando à medida que a frequência aumenta fazendo com que essa técnica perca eficiência em frequências elevadas. Segundo Wandowski, Malinowski e Ostachowicz (2013), para superar esta desvantagem as faixas podem ser divididas em pequenas sub-bandas. Anteriormente, foram avaliados os efeitos de temperatura de forma uniforme sobre os materiais analisados, observando os deslocamentos da frequência e amplitude ao longo do espectro de ressonância que puderam ser corrigidos aplicando EFS com sucesso. No entanto, os estudos não analisaram o aquecimento em pontos distribuídos nas estruturas, p que pode resultar na perda da eficiência do método atual de correção. 1.1 Objetivos e motivações Encontrar métodos eficientes que realizem a previsão do estado da integridade estrutural de equipamentos e edificações é de vital importância para assegurar as operações destes, prevenindo acidentes e reduzindo o custo de parada por parte da manutenção. Devido a estas circunstancias existe um grande interesse no campo de pesquisa voltado para o desenvolvimento e melhorias em sistemas de SHM. Como visto, existem diversas técnicas para se realizar o monitoramento, mas uma em potencial se destaca, a impedância eletromecânica (E/M) por se tratar de um método não invasivo de baixo custo e que pode operar de forma autônoma. Todavia, a impedância eletromecânica (E/M) apresenta diversos desafios como a interferência relacionada à temperatura. Estudos anteriores demonstram que a 17 técnica é muito sensível a variação da temperatura afetando as assinaturas da impedância causando um deslocamento em sua frequência e na amplitude, produzindo assim uma interferência nos índices métricos. Diversas pesquisas obtiveram êxito em realizar correções nos sinais amostrados utilizando a técnica de EFS que consiste em deslocar a frequência até se alinhar com a baseline, corrigindo o deslocamento causado e reduzindo os índices métricos que indicam danos a estrutura. Este trabalho de mestrado propõe aplicar aquecimento sobre pontos específicos em placas de alumínio e também investigar o que ocorre com as amostras de assinaturas da impedância quando não há homogeneidade na temperatura. Foram feitos testes com placas com 8 transdutores e posteriormente com 16 transdutores para comparar como a temperatura afeta os índices atuais e métodos de compensação. 1.2 Organização do trabalho. Esta dissertação está organizada da seguinte forma: Capítulo 1 - Apresenta a introdução e revisão sobre o tema SHM assim como os desafios da Impedância Eletromecânica (E/M) e os problemas causados pela temperatura, além de demonstrar a motivação e objetivos do trabalho. Capítulo 2 - Fundamento da técnica da impedância eletromecânica (E/M) e aplicação dos índices métricos para validação na caracterização de danos estruturais. Capítulo 3 - Apresenta o estado da arte sobre o método da compensação de temperatura, demonstrando a técnica de correção utilizada para o desvio causado pela temperatura. Capítulo 4 - Demonstra a Metodologia utilizada bem como os materiais e técnicas aplicadas, estruturas e montagem dos setups para simulação, teste para validação, simulações de aquecimento da estrutura, software utilizado e configuração para amostras de dados. 18 Capítulo 5 - São apresentados os resultados e discussões das análises e alterações causadas nos índices CCDM, bem como a eficiência do método de compensação. Foram feitos vários ensaios no laboratório como a simulação de danos, alterações causadas pelo aquecimento homogêneo e no aquecimento em pontos específicos em duas placas de alumínio. Os resultados permitem concluir com exatidão a eficiência da técnica de deslocamento em frequência eficaz sobre o efeito das variações de temperatura. Nos últimos tópicos são apresentadas as conclusões e sugestões para trabalhos futuros e as referências bibliográficas. CAPÍTULO 2 - FUNDAMENTOS DA IMPEDÂNCIA ELETROMECÂNICA 2.1 O Efeito Piezoelétrico. Os efeitos da piezeletricidade podem ser visualizados em diversos equipamentos da vida moderna como: aparelhos de ultrassom, sensores industriais na eletrônica, etc. A piezeletricidade ocorre pelo efeito da assimetria na estrutura cristalina quando há uma interação mecânica elétrica. Se o material for submetido a um esforço externo como a aplicação de uma pressão, a estrutura cristalina apresenta uma diferença de potencial através de um dipolo elétrico. Da mesma forma, ao aplicar uma diferença de potencial sobre o material o cristal exibe uma deformação mecânica (JUNIOR; et al, 2018). As Equações 1 e 2 representam as interações mecânicas e elétricas, obtidas através da energia livre de Gibbs (MEITZLER, 1988). 𝐷 = 𝑑 , 𝑇 + 𝜀 , , 𝐸 + 𝑚 , 𝐻 + 𝑝 , 𝑑𝜃 (1) 𝑆 = 𝑆 , , 𝑇 + 𝑑 , 𝐸 + 𝑑 , 𝐻 + 𝛼 , 𝑑𝜃 (2) Por definição, 𝐷 e 𝑆 são os resultados obtidos após ocorrer um deslocamento elétrico a partir de uma deformação mecânica e uma deformação 19 mecânica a partir de um efeito causado por uma diferença de potencial no cristal. 𝐸 é o campo elétrico e 𝑇 e o vetor de tração. Subscritos i, j, k e l são concebidos como sistema de coordenadas. Os termos 𝑑 e 𝑑 são constantes piezoelétricas, 𝜀 é o tensor de permissividade dielétrica do material, 𝑆 são o tensor de conformidade do material, os sobrescritos E, H, θ e T mostram as constantes do campo elétrico, campo magnético, a temperatura e os tensores mecânicos (BAPTISTA et al., 2014). As equações (1) e (2) podem ser simplificas, se forem ignorados os efeitos causados pela temperatura e campo magnético. Porém, no caso da temperatura o material pode sofre alterações em suas características dielétricas podendo interferir em aplicações que utilizam sensores piezoelétricos como em células de carga, medidores de pressão e monitoramento de vibrações. 2.2 A Técnica de Impedância Eletromecânica (E/M) O funcionamento da técnica impedância (E/M) é baseada no uso de transdutores piezoelétricos. Estes transdutores são constituídos basicamente de uma placa metálica que pode ser de latão ou níquel no formato de moeda e é chamado diafragma e sobre ela a uma cerâmica piezoelétrica, como o titanato zirconato de chumbo, também conhecido como PZT e possui um revestimento metálico que serve de eletrodo. Ao submeter o transdutor a um campo elétrico a uma contração no material piezoelétrico. Logo, se for aplicado um sinal senoidal V(ω) o diafragma produz vibrações na mesma frequência. A estrutura apresenta componentes de massa(M), Rigidez(H) e o fator de amortecimento(D), com sinal senoidal aplicado possibilita a leitura da impedância mecânica Zs(f) (LI et al., 2023, MARUO et al., 2015). É descrito na Figura 1 o diagrama de operação do transdutor junto à estrutura. 20 Figura 1 – Diagrama da estrutura eletromecânica. Fonte: Baseado em Mauro et al (2015). A Equação (3) faz um relacionamento entre a impedância elétrica do transdutor com a impedância mecânica da estrutura que foi proposto por Liang, Sun e Rogers (1994) e explica a interação entre a impedância elétrica ZE(f) e a impedância mecânica ZS(f) junto aos parâmetros apresentados pelo transdutor. 𝑍 (𝑓) = 1 − ( ) ( ) ( ) (3) em que ZS(f) é a impedância da estrutura e ZE(f) é impedância elétrica resultante, ZP (f) a impedância mecânica que o diafragma apresenta, f a frequência, C a capacitância do transdutor, j a unidade imaginária e d31, 𝑠 e 𝜀 são as constantes piezelétrica, de elasticidade e dielétrica, respectivamente. Os subscritos 1 e 3 indicam a componente tensorial para uma suposição unidimensional e os sobrescritos E e T indicam respectivamente campo elétrico e tensão mecânica constantes (MEITZLER, 1988). 21 2.3 Medição da Impedância Como citado anteriormente, para amostrar a impedância elétrica é necessário produzir um sinal de excitação x(n) que é convertido em x(t) através do um DAC (Digital Analogic Converter). Este sinal excita o transdutor e é recebido pelo ADC (Analogic Digital Converter) como y(t) que é obtido por um divisor de tensão, formado pelo resistor R e o diafragma PZT. Após passar pelo conversor ADC, este sinal é recebido pelo programa como y(n) para o obter a impedância Ze(f). A Figura 2 exibe o diagrama para aquisição de dados no sistema (BAPTISTA; FILHO, 2009, MARUO et al., 2015). Figura 2 – Esquema elétrico da Impedância Eletromecânica (E/M). Fonte: Elaborado pelo autor. Para que o sistema de aquisição de dados que trabalhe de forma dinâmica é aplicado sinal chirp que basicamente cobre uma faixa de frequência, de modo a obter o espectro de impedância desta faixa. Para obter a impedância é necessário calcular a função de resposta de frequência (FRF) representado com H(f) e é obtido com o sinal de excitação x[n] como entrada e a saída do sinal de y[n]. A FRF também pode ser feita a partir de uma estimativa dada pela Equação (4). (BAPTISTA; FILHO, 2009, CASTRO; BAPTISTA; CIAMPA, 2018). 22 𝐻(𝑓) = 𝑆 (𝑓) 𝑆 (𝑓) (4) sendo que 𝑆 (𝑓) é o espectro cruzado entre X(n) e Y(n) e o 𝑆 (𝑓) é o valor do espectro de potência do sinal excitação, ambos os sinais são obtidos através da FFT (Fast Fourier Transform – transformada rápida de Fourier). Abaixo é descrito a equação para obtenção da impedância Ze(f) (BAPTISTA; FILHO, 2009, CASTRO; BAPTISTA; CIAMPA, 2018). 𝑍 (𝑓) = 𝑅 𝐻(𝑓) 1 − 𝐻(𝑓) (5) CAPÍTULO 3 – ÍNDICES ESTATÍSTICOS E COMPENSAÇÃO DA TEMPERATURA 3.1 Reconhecimento de danos estruturais Até o momento foram apresentado o funcionamento da técnica de impedância (E/M) que consiste em coletar as assinaturas de impedância de uma estrutura. Para que haja o diagnóstico da saúde estrutural é necessário realizar uma coleta prévia das assinaturas de impedância, com a estrutura integra para que seja possível compará-la com amostras posteriores. A primeira coleta é comumente conhecida como baseline e a comparação pode ser feita através de índices estatísticos métricos (BAPTISTA et al., 2014). Existem diversos métodos que foram desenvolvidos para correlacionar as amostras de sinais podendo ser citadas a IFM (Índice de Falha Métrica), RMSD (Root Mean Square Deviation), baseado na norma euclidiana (WANDOWSKI; MALINOWSKI; OSTACHOWICZ, 2013), o índice CCDM (Correlation Coefficient Deviation Metric), que baseado no coeficiente de correlação de Pearson CC, demonstrado na Equação (6) (TURRA et al., 2013, ANTUNES et al., 2019). 23 𝐶𝐶𝐷𝑀 = 1 − 𝑐𝑜𝑣 𝑍 , (𝑓)𝑍 , (𝑓) 𝜎𝑏, 𝜎𝑎 (6) sendo ZE,b(f) a assinatura de baseline, ZE,a(f) a assinatura após a ocorrência de um possível dano estrutural, “cov” é a covariância e σb e σa indicam o desvio padrão (ANTUNES et al., 2019). Tanto o RMSD quanto CCDM são largamente utilizados. O RMSD apresenta sensibilidade na amplitude e forma do sinal enquanto que o CCDM é sensível apenas na forma do sinal (BAPTISTA et al., 2014, WANDOWSKI; MALINOWSKI; OSTACHOWICZ, 2013, MIN; YUN, 2015, HUYNH; KIM, 2018, TURRA et al., 2013, RABELO; FINZI; STEFFEN, 2015). Para estudos relacionados a temperatura, os dois índices métricos são fortemente afetados, mas como CCDM compara a forma do sinal, ela se torna a alternativa mais indicada para este estudo (BAPTISTA et al., 2014, ANTUNES et al., 2019). 3.2 Efeito da temperatura uniforme O aquecimento uniforme nas estruturas foi estudado de forma abrangente por Baptista et al. (2014), Antunes et al. (2019) e Baral et al. (2023) e, no geral, foi constatado que conforme a temperatura aumenta os picos de ressonância natural tendem a diminuir e se deslocar para esquerda. Antunes et al. (2019), citam que ocorre um deslocamento de forma linear em frequências de ordem inferior, mas tende a aumentar exponencialmente quando os valores ultrapassam frequências mais elevadas dependendo das dimensões e da composição do material monitorado. Além disso, frequência com picos de ressonância menores tendem a sofrer maior interferência, o diafragma apresenta sensibilidade a mudanças de temperatura alterando seu valor de capacitância e sua reatância capacitiva. Porém, conforme as frequências são elevadas o deslocamento entre os picos de ressonância aumentam. estas variações causadas pela temperatura alteram a amplitude e o deslocamento da frequência e interferem diretamente nos índices métricos. Essas mudanças, se 24 não forem compensadas, impossibilitam as análises corretas da estrutura. (BAPTISTA et al., 2014). Como é possível verificar no gráfico da Figura 3 é observada as alterações nas assinaturas de impedância conforme ocorre o aquecimento da estrutura. Segundo Antunes et al. (2019) os testes foram realizados sob as temperaturas de - 40ºC a 80ºC. Pode ser observado o fenômeno de deslocamento na amplitude e frequência causado pela temperatura mantendo o mesmo formato da assinatura do sinal. Os autores também monitoraram a capacitância podendo ser visualizado mudança em seu valor conforme a temperatura aumenta. Outros autores, como Baptista et al. (2014), realizou testes utilizado um soprador térmico para aquecer uma placa de alumínio e foi possível obter os mesmos resultados nos testes. Figura 3 – Deslocamento da Amplitude e Frequência, conforme a variação da temperatura. (a) 25 (b) Fonte: (Antunes et al, 2019). 3.3 Compensação da temperatura Para compensar os desvios causados pela temperatura é utilizado o deslocamento de frequência eficaz EFS (Effective Frequency Shifting). Esta técnica se destaca por seu algoritmo que exige pouco poder de processamento e apresenta eficácia em reduzir os índices de danos estruturais (ABBAS et al., 2021). O EFS tende a compensar a temperatura deslocando a frequência até se alinhar com o baseline, porém como a temperatura desloca os picos de ressonância da estrutura de forma diferente, conforme a frequência aumenta é necessário dividir as análises em sub-bandas de frequência e compensá-las de forma individual, gerando um índice métrico para cada sub-banda (BAPTISTA et al., 2014). As equações abaixo descrevem o algoritmo da EFS. É valido observar que quando a temperatura aumenta em relação a baseline, deve haver o deslocamento da frequência para a direita, Equação (7), da mesma forma quando se houver diminuição da temperatura em relação a baseline o deslocamento da frequência deve ocorrer para esquerda, equação 8. (BAPTISTA et al., 2014, ABBAS et al., 2007). 𝑍 , ( ) (𝑘) = 𝑍 , ( ) 𝑘 − 𝑑 , ∆𝑓 < 0 (7) 𝑍 , ( ) (𝑘) = 𝑍 , ( ) 𝑘 + 𝑑 , ∆𝑓 > 0 (8) 26 onde d(f) é o passo de frequência fornecido pelo sistema de medição e o subscrito (i) denota o número da iteração. Ambas já possuem eficácia comprovada em trabalhos anteriores com temperaturas sendo uniforme o que torna imprescindível a aplicação e verificação em estruturas com a temperatura não uniforme (ABBAS et al., 2007). Vários autores obtiveram bons resultados na compensação de temperatura uniforme, tornando aceitáveis dos índices métricos CCDM, não sendo zerado completamente. É apresentado na Figura 4 o fluxograma do algoritmo de compensação da temperatura e aplicação dos índices métricos. Figura 4 – Fluxograma do Algoritmo, EFS e Compensação CCDM Fonte: Elaborado pelo autor. 27 CAPÍTULO 4 - METODOLOGIA 4.1 Estruturas e montagem dos setups para simulação Para avaliar os efeitos produzidos pela temperatura foram utilizadas chapas de alumínio aquecidas de forma uniforme e irregular. Os testes foram divididos em dois setups, o primeiro utilizando uma placa de alumínio que apresenta dimensões 450x450x1 mm com 8 transdutores e o segundo com 16 transdutores com uma placa de alumínio 1000x1000x3 mm. Ambas as placas de alumínio foram colocadas sobre suportes de borracha para reduzir ruídos produzidos pelo ambiente. A superfícies foram revestidas com verniz transparente, deixando apenas as áreas de fixação do transdutor piezoelétrico sem revestimento da tinta. Em testes foi observado que ao pintar a superfície metálica com a tintura transparente houve uma diminuição da refração do material, possibilitando o uso da câmera térmica para realizar a medição da temperatura. Em ambos os testes foram utilizados um total de 24 diafragmas piezoelétricos que apresenta as seguintes características: modelo 7BB-20-6, produzido pela Murata Electronics North America, Inc. (Smyrna, GA, EUA), material de latão com 20mm de diâmetro e 0,2mm de espessura, com elemento ativo de 14 mm de diâmetro e 0,22 mm de espessura, com a cerâmica feita de titanato de zirconato de chumbo PZT e temperatura máxima de operação de -10ºC a 100ºC. Este diafragma possui um excelente custo benefício, pode ser fixado com a cola a base de cianoacrilato, além de possuir boa interligação entre os condutores e módulo de análise. Na figura 5, são exibidos o posicionamento dos transdutores bem como as placas de alumínio para a configuração de (a) 8 e (b) 16 transdutores, respectivamente. 28 Figura 5 - Setup experimental (a) com 8 diafragmas e (b) com 16 diafragmas Fonte: Elaborado pelo autor Na Figura 5 (a) e (b) também é possível observar múltiplos transdutores dispostos em rede. Esta estratégia foi feita para possibilitar múltiplas coletas das assinaturas de impedância, observar o comportamento em regiões próximas ao calor e distantes e também possíveis variações que os transdutores apresentem. Como visto no Capítulo 2, para que o monitor de impedância (E/M) funcione, além do transdutor piezoelétrico também é necessário computador para executar os algoritmos, um circuito elétrico para ligação dos tradutores e os hardwares para gerar e ler os sinais analógicos. Foi utilizado um computador com processador Intel Core i9 de 11ª geração com 32GB de memória RAM, 2TB de armazenamento. Para os ensaios também foi instalado o cartão PXIe8638 no soquete PCI Express na placa mãe do com computador, que serve para se comunicar com o Chassis PXIe- 1071 e abriga os módulos que produzem e fazem a aquisição de sinais analógico, todos fabricados pela NATIONAL INSTRUMENTS - NI assim como software Labview instalado no computador usado no desenvolvimento do software de aquisição e tratamento dos dados. Para fazer a leitura de impedância é necessário um circuito elétrico que é composto basicamente por 8 resistores 3,3kohms ±1% e 8 transdutores piezoelétricos como visto na Figura 6. Todos os transdutores são alimentados por uma única fonte de sinal analógico, que deve gerar um sinal senoidal de varredura conhecido como chirp, com uma amplitude 9.9V pico a pico, com frequência 1Hz a 200kHz e corrente de 24 mA, que é necessária para alimentar os 8 diafragmas 29 piezoelétricos. Os valores de tensão e frequência foram selecionados para evitar possíveis interferência eletromagnéticas e elimina a necessidade uso de cabos com blindagem. A aquisição da impedância é obtida através dos 8 divisores de tensão formados entre o resistor e as membranas piezoelétricas. Figura 6 - Diagrama elétrico com 8 diafragmas Fonte: Elaborado pelo autor Para os testes também foi proposto uma placa de aluminio com 16 transdutores instalados. Porém, o módulo de osciloscopio escolhido para aquisição do sinal analógico suporta apenas 8 entradas. Então para fazer a aquisição das assinaturas de impedância dos 16 transdutores foi utilizado um comutador no cicuito eletrico, como apresentado na Figura 7. A leitura das impedâncias é feita aplicando o sinal chirp nos 8 primeiros transdutores e realizando a aquisição do sinal analógico, depois o comutador interliga os 8 transdutores seguintes e repete o processo de leitura. 30 Figura 7 - Diagrama elétrico com 16 diafragmas Fonte: Elaborado pelo autor Como mencionado, foram utilizados três módulos instalados no Chassis NI PXIe-1071, sendo um gerador de função, cartão de osciloscópio, para leitura analógica e cartão comutador composto por relés. O gerador de função empregado foi PXIE-5413, com 2 canais e possui uma resolução de 16bits, podendo reproduzir sinais que podem ser senoidais, triangulares e quadráticos. Este módulo pode operar com uma frequência máxima de 20MHz, com amplitude 12V pico a pico e corrente máxima de saída de 240mA. Para fazer a leitura dos transdutores foi escolhido o cartão de osciloscópio PXIe-5105. Este módulo possui 8 entradas analógicas e pode amostrar 60MS/s, possuindo uma resolução de 12bits e com amplitude 30V pico a pico. Os valores garantem que não haja erros de aliasing e quantização na amostragem. Para fazer a leitura dos 16 transdutores foi utilizado um cartão bloco de relé matricial (8x16) modelo PXIe-2529. Para comutar as 8 saídas do osciloscópio com tempo de 100ms de comutação e com tensão máxima suportada de 150V. 31 4.2 Validação do SHM com a simulação de dano estrutural e aquecimento da estrutura. Para verificar o arranjo experimental e verificar se o sistema consegue diagnosticar alterações físicas na estrutura e com isso ter base comparativa para avaliar as mudanças causadas pela temperatura é necessário simular danos nas placas de alumínio, que podem ser feitas alterando alguma característica estrutural, fazendo cortes, furações ou adicionando peso ao logo da placa de alumínio, tendo em vista que qualquer alteração por menor seja, causam mudanças nos pontos de ressonância do material, fazendo com que as assinaturas de impedância mudem. Como a ideia foi realizar vários testes sem fazer grandes alterações na placa de alumínio, optou-se por fazer o uso de peso, normalmente usados em calibração de balança de precisão, colado com cianoacrilato para simular os danos estruturais. Quanto maior a massa utilizada, mais intensa foi a alteração nas assinaturas de impedância. Na Tabela 1 é especificado a caracterização do dano conforme se varia peso, para os testes com 8 e 16 tradutores. Tabela 1 - Valores para caracterização de simulação de danos a estrutura. Caracterização dano Placa com 8 Transdutores Placa com 16 Transdutores “1- Leve” 1g 1g “2- Médio” 5g 5g “3- Severo” 10g 10g Fonte: Elaborado pelo autor. Foram definidas posições aleatórias para fixação dos pesos, conforme é apresentado na Figura 8, (a) e (b). Os números sobre os pesos identificam o grau de dano utilizados sobre a área. Foram feitos três teste adicionando um peso por vez e fazendo a coleta de dados das assinaturas de impedância. 32 Figura 8 - Cargas de prova para simulação de dano na estrutura com (a) 8 e (b) 16 diafragmas. Fonte: Elaborado pelo autor. Os testes experimentais necessitam que toda a placa de alumínio também seja aquecida de forma homogênea para isso foi utilizado um soprador térmico, esta ferramenta já foi utilizada em outros trabalhos no laboratório e apresentou eficiência podendo aplicar temperaturas que variam de 20Cº até 100Cº. Para fazer o controle de temperatura sobre a superfície do alumínio foi utilizado uma câmera térmica marca FLIR C02. Com a câmera é possível visualizar e fazer um controle aproximado da temperatura, foram feitas cinco coletas de dados com aquecimento em cada placa de alumínio. A Tabela 2 abaixo exibe os valores de temperatura uniforme para aquisição dos dados do experimento. Tabela 2 - Tabela de aquecimento uniforme para setup com 8 e 16 transdutores Aquecimento uniforme com 8 diafragmas Temperatura ºC: 59,7 57,6 46,7 38,5 18,0 Aquecimento uniforme com 16 diafragmas Temperatura ºC: 41,1 40,3 33,8 30,6 17,3 Fonte: Elaborado pelo autor. 33 Na Figura 9, são apresentadas as termografias da placa com 8 diafragmas (a) e da placa com 16 diafragmas (b). Após cada teste foi verificado se não houve danos a estrutura dos diafragmas ou desprendimento da placa de alumínio. Figura 9 - Termografia para aquisição dos valores de impedância (a) placa 8 diafragmas e (b) placa com 16 diafragmas. Fonte: Elaborado pelo autor. Para os testes de temperatura não uniforme, foram fixados pontos específicos para serem aquecidos sobre a placa com 8 e 16 transdutores, de forma aleatória, como visto na Figura 10, representados pelas circunferências nos desenhos. É possível ver regiões próximas aos transdutores serem mais afetados pela temperatura, esta visualização é importante, pois o diafragma piezoelétrico possui características piroelétricas que podem influenciar nos resultados. Figura 10 - Posicionamento das regiões que foram aquecidas com o soprador térmico em (a) com 8 diafragmas e em (b) com 16 diafragmas. Fonte: Elaborado pelo autor. 34 Nas Figuras 11 e 12, são demonstradas as termografias com as placas de alumio fria e aquecida nos pontos definidos com forme a figura 10. Figura 11 - Placa de alumínio com 8 diafragmas, em (a) coleta da baseline, (b) aquecimento ponto 3, (c) aquecimento ponto 2, (d) aquecimento no centro da placa ponto 5, (e) aquecimento ponto 4, (f) aquecimento ponto 1. Fonte: Elaborado pelo autor. Figura 12 - Placa de alumínio com 16 diafragmas, em (a) coleta da baseline, (b) aquecimento ponto 1, (c) aquecimento ponto 4, (d) aquecimento no centro da placa ponto 5, (e)aquecimento ponto 2, (f)aquecimento ponto 3. Fonte: Elaborado pelo autor 35 4.3 Software utilizado e configuração para amostra dos dados. Para executar a coleta e testes com amostras de impedância foi usado um programa presente no Laboratório de Transdutores e Aquisição de Dados (LTAD), desenvolvido na plataforma do LabVIEW, da empresa National Instruments NI, que apresenta compatibilidade e recurso com hardware utilizado sendo da mesma fabricante. O software, conforme apresentado na Figura 13, apresenta diversas configurações possibilitando ajustar o número de entradas de sensores presentes no experimento, aplicar filtros de tratamentos de sinal, realizar ajustes de amplitude, ajustar faixa de frequência e número de amostras realizadas. Para fazer as medições foi usado sinal chirp como mencionado na seção 4.1 com amplitude U= 9.9V pico a pico para realizar a excitação do transdutor e a coleta das assinaturas de impedância foram obtidas entre FI = 1 Hz a FF = 200 kHz. O tipo de janelamento de sinal utilizado foi retangular, pois ela não apresenta nenhum tipo de atenuação na amostragem do sinal obtido, aplicar outras janelas como as Hamming, Flattop, ou a Triangular poderia causar perdas nas características importantes no espectro amostrado. Para a média móvel foi ajustado para 15, suaviza aquisição das impedâncias, mas não causa perdas no formato do sinal. Os parâmetros de ajuste do software são apresentados na tabela abaixo. Tabela 3 - Tabela, parâmetros de configuração para o software de simulação Parâmetros de configuração Simulação dano Aquecimento homogêneo Aquecimento em regiões Amplitude (V) 9,9 9,9 9,9 Frequência Inicial (Hz) 1 1 1 Frequência Final (Hz) 200k 200k 200k Número Amostras 200k 200k 200k Passo Frequência (Hz) 1 1 1 Número Medições 3 3 3 Média Móvel 15 15 15 Janela Retangular Retangular Retangular Fonte: Elaborado pelo autor. 36 Figura 13 – Software para aquisição das assinaturas de impedância, desenvolvido na plataforma do LabVIEW. Fonte: Elaborado pelo autor Para fazer a comparação entre as placas de alumínio integra (baseline), com os ensaios feitos no laboratório foi utilizado o índice CCDM (Correlation Coefficient Deviation Metric). Como justificado no Capítulo 3, este método de correlação apresenta a vantagem de não necessitar de compensações na amplitude das curvas de impedância elétrica, sendo necessário apenas deslocar a frequência. Para fazer a compensação na frequência, como já mencionado, foi utilizado a EFS (Effective Frequency Shifting). Tanto o índice CCDM quanto o algoritmo EFS foram incluídos no software que foi desenvolvido no Labview, como apresentado na figura 14, para manter a compatibilidade dos dados coletados no programa de aquisição de dados. Neste programa foi incluído os recursos como: carregar as duas amostras para serem correlacionadas, ajustar o passo e faixas de frequência e a divisão por sub-bandas de frequência. A divisão por sub-banda consiste em pegar uma faixa de frequência e fazer a correlação individual. Este recurso é importante porque o deslocamento no espectro não é linear em toda a amostra de frequência, aumentando conforme a frequência aumenta (PALLARÉS et al., 2021). 37 Figura 14 - Software para fazer o processamento e análise das assinaturas de impedância, desenvolvido no LabVIEW. Fonte: Elaborado pelo autor Os resultados obtidos a partir do software de análise e compensação são apresentados no capítulo 5. CAPITULO 5 - RESULTADOS 5.1 Validação da operação do sistema de SHM Como mencionado na metodologia, foram utilizados pesos de 1g, 5g e 10g, para testar a sensibilidade e bom desempenho do sistema de SHM baseado na impedância eletromecânica (E/M). Uma vez que seja observado o funcionamento do sistema de SHM é possível detectar perturbações ao longo da estrutura monitorada, como uma alteração em sua massa causando uma mudança significativa nas assinaturas de impedâncias e sendo diferenciada dos valores coletados incialmente pela baseline. Conforme ocorre um aumento da massa aplicada sobre a placa de alumínio as alterações nas impedâncias se intensificam, por isso foram utilizados três pesos para definir o grau de alteração nas assinaturas de impedância com o propósito de testar o funcionamento do sistema e poder comparar com os ensaios 38 feitos com os testes de aquecimento na placa de alumínio. Como cada peso causa uma alteração na assinatura de impedância, foram definidos graus de intensidade conforme é alterada a massa, sendo: peso de 1g como “leve”, no peso de 5g como “moderada” e em 10g como “severo”. Os gráficos apresentados na Figura 15, foi obtido do transdutor 7, da placa de alumínio com 8 diafragmas piezoelétricos, com frequência entre 38.5kHz e 39.1kHz. É possível observar as alterações nas assinaturas de impedância conforme se varia peso aplicado sobre a placa de alumínio, as alterações nos picos de ressonância da estrutura são intensificadas com os pesos de 5g e 10g. Figura 15 - Gráfico de intensidade carga lido transdutor 7 do setup com 8 transdutores. (a) Componente real e (b) Componente Imaginaria (a) 39 (b) Fonte: Elaborado pelo autor O programa feito no Labview, responsável por realizar amostragem dos dados possibilitando coletar as impedâncias com as componentes reais e imaginárias. Porém as alterações mostram as variações nos níveis de intensidade como visto na Figura 15, então foi escolhido trabalhar apenas com as componentes reais das assinaturas de impedância coletadas. Para se verificar o quanto uma assinatura de impedância sofreu variação da baseline, foi desenvolvido um segundo programa, que faz o tratamento dos dados aplicando o índice métrico CCDM e corrigindo as amostras pelo algoritmo da EFS. O CCDM correlaciona os dados em uma escala em que 0 apresenta alto graus de correlação e 1 alto desvio nas amostras das assinaturas de impedância estudadas. Foram extraídas as assinaturas de impedância com diferentes danos dos dois setups de teste, obtendo assim a visualização do comportamento de possível dano estrutural nas faixas de sub-bandas de frequência pelos transdutores instalados. A Figura 16 apresenta três gráficos, em (a), foi utilizado peso de 1g, no (b) o peso 5g e o (c) peso de 10g, sendo exibidos em sub-bandas de 10kHz. É possível notar um aumento substancial nos índices CCDM, conforme se aumenta o peso sobre a estrutura, mostrando que o sistema SHM apresenta um bom funcionamento. Também é observado que as sub-bandas até 60kHz são as mais afetadas com a 40 interação de cada peso aplicado, isto se deve à diferença na integridade que cada estrutura apresenta. Como se deseja obter uma eficiência na aplicação dos índices métricos, as frequências foram agrupadas em sub-bandas e comparadas separadamente, este procedimento foi necessário, pois ao aplicar aquecimento em uma estrutura ocorre um deslocamento na assinatura que tende ser maior conforme frequência aumenta, conforme visto no Capítulo 3.1. Figura 16 - Índices da estrutura com 8 transdutores (a) leve (b) moderado e (c) severo. (a) 41 (b) (c) Fonte: Elaborado pelo autor A Figura 17 mostra os gráficos, em (a), foi utilizado peso de 1g, no (b) o peso 5g e o (c) peso de 10g, sendo exibidos em sub-bandas de 10kHz. É possível notar um aumento substancial nos índices CCDM. Os índices avaliados com as massas de 5g e 10g obtiveram aumento substancial em todas as bandas de frequência, a 42 massa de 5g foi considerada de grau moderado e obteve valores próximos a 0.8 e 10g, valores dos índices próximos de 1, indicando que amostra difere da baseline. Figura 17 - Índices da estrutura com 16 transdutores (a) leve (b) moderado e (c) severo. (a) (b) 43 (c) Fonte: Elaborado pelo autor Ambos os Setups de testes foram capazes de identificar as variações em suas estruturas causadas pelas massas de simulação, a configuração com 16 transdutores demonstrou maior eficiência na detecção de danos estruturais bem como sua expressão nos índices, porém as estruturas com 8 transdutores exibiram variações significativas em sub-bandas específicas. As avaliações serviram de propósito comparativo com aplicação de aquecimento nos setups que são abordados no próximo subtópico. 5.2 Avaliação da temperatura distribuída. Para avaliar as estruturas foi proposto também realizar teste de aquecimento uniforme, como mencionado no Capítulo 4.2. As estruturas foram aquecidas com auxílio de um soprador térmico e monitoradas com a câmera termográfica. O arranjo foi necessário para verificar a defasagem nas assinaturas de impedância causada pela temperatura, como descrito na literatura. Foram feitas cinco rodadas de aquecimento em ambos setups de teste, variando a temperatura entre 17ºC e 60ºC. Como esperado, o aquecimento nas placas de alumínio produz uma defasagem nas assinaturas de impedância. As Tabelas 4 e 5 é apresentado o deslocamento em 44 frequência nas assinaturas de impedância do transdutor 4, obtido da placa de alumínio com 8 diafragmas e o transdutor 7 da placa de alumínio com 16 diafragmas. Os transdutores foram selecionados aleatoriamente e indicam deslocamento significativo da frequência conforme a temperatura aumenta, sendo mais evidente na frequência acima de 100 kHz. Tabela 4 - Mudanças de frequência para três pontos de ressonância para os dois testes apresentados, do diafragma 4 do teste com 8 transdutores. Defasagens da frequência Temperatura ºC Faixas de frequência 20.63 kHz 51.52 kHz 115.00 kHz 38,5 ºC -40 Hz -250 Hz -600 Hz 46,7 ºC -116 Hz -300 Hz -750 Hz 57,6 ºC -125 Hz -420 Hz -870 Hz 59,7 ºC -287 Hz -530 Hz -1177 Hz Fonte: Elaborado pelo autor. Tabela 5 - Mudanças de frequência para três pontos de ressonância para os dois testes apresentados, do diafragma 7 do setup com 16 transdutores. Defasagens da frequência Temperatura ºC Faixas de frequência 20.25kHz 50.80kHz 119.00kHz 30,6 ºC -100 Hz -130 Hz -250 Hz 33,8 ºC -120 Hz -300 Hz -535 Hz 40,3ºC -150 Hz -500 Hz -960 Hz 41,1ºC -250 Hz -800 Hz -1530 Hz Fonte: Elaborado pelo autor. Embora haja um deslocamento nas assinaturas de impedância, tanto na frequência como na amplitude é evidenciado que não tem distorções significativas nos formatos das amostras ao longo de todo comprimento de frequência possibilitando a correção a correlação da defasagem. Na Figura 18 apresentado a comparação das assinaturas coletada (a) do transdutor 7 do setup com 16 diafragmas na frequência de 102kHz a 104.5kHz e (b) do transdutor 4 com 8 diafragmas 155kHz a 158kHz. Entretanto é possível observar o deslocamento progressivo das assinaturas conforme ocorre o aumento da temperatura. 45 Figura 18 - Mudanças de frequência conforme aumento da temperatura do componente real das assinaturas de impedância para ressonância (a) diafragma 4 do teste 8 transdutores e (b) diafragma 7 do teste com 16 transdutores. (a) (b) Fonte: Elaborado pelo autor. Após aplicar o índice CCDM, como esperado, foi apresentado alto grau nos valores. Para tanto foi demonstrado na figura 19, (a) o setup com 8 transdutores e 46 (b) setup com 16 transdutores, com índices divididos em sub-bandas de frequência de 10kHz e o CCDM que variam entre 0.4 a 1, comparado a simulação de danos com massa, indica dano severo a estrutura. Figura 19 - Aplicação do CCDM para (a) 8 transdutores e (b) 16 transdutores a temperatura próxima a 40ºC (a) (b) Fonte: Elaborado pelo autor 47 Como os dois índices foram considerados severos, foi aplicado o algoritmo de deslocamento em frequência EFS e os valores que foram obtidos em todas as amostras foram corrigidos, não zerando por completo, mas ficando com CCDM abaixo de 0.2. A Figura 20 é apresentado os índices compensados pela EFS, para os setups com os 8 e 16 transdutores. Os valores dos índices médios não ultrapassaram 0.2 comparando os valores obtidos em ambos os testes cargas o qual ficaram bem abaixo, não indicando danos a estrutura. Figura 20 - Aplicação do CCDM em conjunto com a compensação EFS, para (a) 8 e (b) 16 transdutores com a temperatura próximo aos 40ºC. (a) 48 (b) Fonte: Elaborado pelo autor. Como proposto na literatura, o algoritmo de EFS possibilitou compensar com êxito os desvios causados pela temperatura sobre as assinaturas. O próximo subtópico trata das análises da aplicação da EFS com aquecimento irregular sobre os setups. 5.3 Avaliação da temperatura irregular da estrutura. Os testes anteriores tiveram a finalidade de verificar a capacidade em reconhecer avarias às estruturas, classificando-as aplicando as cargas de prova, simulando o deslocamento nas assinaturas de impedância causado conforme a temperatura aumenta e a capacidade que o método EFS possui em compensar a defasagem e com isso reduzindo os índices de danos. A proposta central desta pesquisa é avaliar como o índice CCDM e EFS se comportam com o aquecimento irregular das placas de alumínio. Ambas as placas de alumínio foram aquecidas como detalhado na metodologia, seguindo a análise dos dados amostrados e separados em sub-bandas, separado 10kHz, coletadas de frequência f= 1kHz a 200kHz para setup com 8 e 16 transdutores. 49 Após a coleta dos dados foram aplicados os índices CCDM em ambos os setups, como esperado os valores foram elevados sendo comparados ao grau “severo” de dano estrutural, com CCDM acima de 0.8, assim como ocorrido no teste com aquecimento linear da temperatura. No entanto, a correção pelo método EFS não ocorreu como esperado mantendo muitas das sub-bandas de frequência com índices acima de 0.2, comparado com o teste utilizando pesos. As Figuras 21 e 22, exibem os gráficos gerados a partir da média entre os 5 pontos de aquecimento, em todos os casos mesmo tentando corrigir os deslocamentos da frequência, como e visto na Figura 23 e 24, os índices se mantiveram elevados, sendo mais intenso em subbanda de frequência maiores. Figura 21 - Média entre os índices CCDM, sem EFS, com (a) 8 transdutores e (b) 16 transdutores (a) 50 (b) Fonte: Elaborado pelo autor Figura 22 - Média entre os índices CCDM, com EFS, com (a) 8 transdutores e (b) 16 transdutores (a) 51 (b) Fonte: Elaborado pelo auto No setup com 16 transdutores não foram observadas mudanças significativas em sua superfície, como ocorreu com a placa com 8 menbranas, dado a espessura do alumínio ser maior que a do teste com 8 transdutores, no entanto a compensação pela EFS com os dados obtidos do transdutor 9 apresentados na Figura 23, foi parcialmente eficiente em frequências (a), superiores a 30kHz conseguindo alinhar picos de ressonâncias das assinaturas. Porém com frequências superiores a 150kHz, (b), foi observado o aparecimento de novos picos de ressonância, como ocorreu quando os testes foram feitos utilizando cargas de prova. Além das alterações significativas das assinaturas foi constatado também o aparecimento de componentes harmônicas no sinal amostrado, o que impossibilita realizar a correção pela EFS, já que se trata apenas do deslocamento da subbanda de frequência. 52 Figura 23 - Amostra do sinal transdutor 9 do setup com 16 transdutores (a) frequências compensadas na faixa de 40kHz a 42kHz (b) aparecimento de novos picos de ressonância faixa 174kHz a 176kHz com adição de harmônicos no sinal amostrado. (a) (b) Fonte: Elaborado pelo autor 53 O setup com 8 transdutores com aquecimento da placa de alumínio apresentou um leve empenamento visível a “olho nu”, no entanto as amostras de assinaturas de impedância não foram afetadas severamente, apresentado o mesmo comportamento que a placa com 16 transdutores, as amostras em frequências superiores a 30kHz tiveram desempenho satisfatório na compensação feita pela EFS como observado pelos dados obtidos do transdutor 4 figura 24, (a) em frequência de 40kHz a 44kHz os picos de ressonância se alinham de forma eficaz tornando as assinaturas eficientes para serem comparadas com os índices CCDM, no entanto em frequências elevadas as amostras apresentaram o aparecimento de novos picos de ressonância como visto (b) com as frequências de 174kHz a 178kHz com a exceção de não apresentar componentes harmônicas embutidas nas assinaturas de impedância. Figura 24 - Amostra do sinal transdutor 4 do setup com 8 transdutores (a) frequências compensadas na faixa de 40kHz a 42kHz (b) aparecimento de novos picos de ressonância faixa de 174kHz a 178kHz. (a) 54 (b) Fonte: Elaborado pelo autor Ao observar a média dos dados obtidos em todas as amostras normalizadas pela EFS ocorreu um aumento progressivo dos índices como visto figura 24 (a), os testes realizados com os danos caracterizados como grau considerado “leve” no setup com 8 transdutores tendem a diminuir conforme a frequência aumenta. Já com a figura 24 (b) ocorreu o oposto, os picos de ressonância estrutural ocorrem em frequências elevadas, com o aquecimento nos pontos 1, 2 e 5, figura 25 (a) e 2, 4 e 5 (b) os valores CCDM tendem a subir quase linearmente chegando a índices 3.8 considerados alto, a mediana das amostras com aquecimento uniformes permaneceram abaixo 0.1 considerados aceitáveis para o monitoramento. 55 Figura 25 - Comparativo entre os valores medianos das sub-bandas de frequência entre os testes experimentais (a) setup com 8 transdutores e (b) setup com 16 transdutores (a) (b) Fonte: Elaborado pelo autor 56 CONCLUSÃO A presente dissertação de mestrado teve como intuito aplicar o modelo de SHM utilizando a impedância eletromecânica (E/M) em duas placas de alumínio com 8 e 16 diafragmas piezoelétrico em conjunto com o equipamento presente em laboratório para visualizar os efeitos causados pela temperatura quando as superfícies são aquecidas de forma distribuída e em pontos específicos sobre o alumínio, podendo-se fazer os ensaios aplicando o método de compensação EFS. Para validar os arranjos experimentais foram utilizadas cargas de prova que possibilitaram ver o bom funcionamento do sistema da impedância E/M em ambos os testes experimentais, bem como a validação pelo índice métrico CCDM que indicou progressivamente com o aumento da carga a intensidade do “dano” estrutural. Foram feitos os testes com a temperatura distribuída e, assim como na literatura, foi observado o deslocamento em frequência e amplitude. Contudo, foi possível aplicar o algoritmo de deslocamento EFS em ambos os setups de teste e obter êxito na compensação, reduzindo a níveis aceitáveis o índice CCDM, como já observado na literatura. Porém, como foi demonstrado nos resultados, o EFS não foi capaz de realizar a compensação das assinaturas de impedância nos testes realizados com o aquecimento aplicados em pontos específicos, sofrendo alterações significativas nas assinaturas de impedância, sendo intensificada em frequências superiores a 110 kHz. Portanto, para aplicações de monitoramento que exijam que a estrutura seja exposta a temperaturas irregulares é recomendado que sejam analisados os índices CCDM durante os estresses térmicos para que não ocorra um falso positivo. SUGESTÕES PARA FUTUROS TRABALHOS Esta dissertação observou os efeitos irregulares de temperatura em placa de alumínio com método de impedância eletromecânica (E/M). No entanto, é necessário realizar mais testes variando os materiais para desenvolvimento de novos métodos de compensação. Também é sugerido observar a ocorrência em outros métodos SHM, como a técnica de ondas guiadas, que também utilizam os transdutores piezoelétricos para monitorar a integridade das estruturas. 57 REFERÊNCIAS ABBAS, S., LI, F., ABBAS, Z., UR, T., TU, X. Experimental study of effect of temperature variations on the impedance signature of PZT sensors for fatigue crack detection. Tech Science Press Sound & Vibration, 55(1), 1–18. 2021. ANTUNES, R. A., CORTEZ, N. E., GIANESINI, B. 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