Análise dos efeitos da diafonia de dispositivos de aquisição de dados em sistemas de monitoramento de integridade estrutural baseados em transdutores piezelétricos - Rezende, Guilherme Marconato [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2025)
Os dispositivos de aquisição de dados têm sido largamente utilizados em sistemas de monitoramento de integridade estrutural, permitindo a redução de custos em comparação com alguns instrumentos e o desenvolvimento de sistemas mais versáteis para a aquisição de sinais de múltiplos transdutores. Um problema observado em tais dispositivos e que pode afetar o desempenho de sistemas de monitoramento é o efeito da diafonia. Trata-se da interferência entre os canais dos dispositivos de aquisição de dados e é particularmente crítica quando são utilizados vários canais de aquisição multiplexados. Essa interferência, mesmo que aparentemente pequena, pode prejudicar a detecção de danos estruturais incipientes, que é o objetivo dos sistemas de monitoramento. Neste trabalho, o interesse é por sistemas de monitoramento baseados em transdutores piezelétricos, tais como os métodos da impedância eletromecânica, ondas guiadas e emissão acústica. Devido ao efeito piezelétrico, quando um transdutor é fixado à estrutura a ser monitorada é estabelecida uma interação entre as propriedades mecânicas da estrutura e as propriedades elétricas do transdutor. Desta forma, é possível monitorar a integridade da estrutura por meio da medição e análise dos sinais elétricos do transdutor. No entanto, a diafonia pode alterar o sinal elétrico do transdutor e dificultar a detecção de danos estruturais pequenos. Assim, este trabalho tem como objetivo realizar uma análise experimental dos efeitos da diafonia nos métodos não-destrutivos com transdutores piezelétricos mencionados acima, tendo como foco principal a impedância eletromecânica. Além disso, dois métodos de mitigação dos efeitos da diafonia foram testados para aplicação em sistemas de monitoramento, um baseado na caracterização da diafonia por função de resposta em frequência e outro baseado no uso de seguidores de tensão. Os resultados obtidos indicam que a diafonia pode ser significativa nesses sistemas de monitoramento, podendo levar a diagnósticos falsos da estrutura monitorada. Além disso, também indicam que a diafonia é dependente de parâmetros do dispositivo de aquisição de dados, sendo diretamente proporcional à taxa de amostragem e impedância de carga e inversamente proporcional à frequência do sinal de excitação. Resultados obtidos para os testes com os métodos de mitigação analisados indicam eficácia na minimização dos efeitos da diafonia, sendo o baseado em seguidores de tensão mais simples e eficiente.

Data acquisition devices have been widely used in structural health monitoring systems, allowing cost reduction when compared to some instruments and the development of more versatile systems for signal acquisition from multiple transducers. One problem observed in such devices that can affect the performance of monitoring systems is the crosstalk effect. It is the interference between the channels of data acquisition devices and is particularly critical when several multiplexed acquisition channels are used. This interference, even if apparently small, can impair the detection of incipient structural damage, which is the objective of monitoring systems. In this work, the interest lies in monitoring systems based on piezoelectric transducers, such as the electromechanical impedance, guided waves and acoustic emission methods. Due to the piezoelectric effect, when a transducer is fixed in the structure to be monitored, an interaction is established between the mechanical properties of the structure and the electrical properties of the transducer. In this way, it is possible to monitor the integrity of the structure by measuring and analyzing the electrical signals from the transducer. However, crosstalk can alter the transducer’s electrical signal and make it difficult to detect small structural damage. Thus, this work aims to perform an experimental analysis of the effects of crosstalk in the non-destructive methods with piezoelectric transducers mentioned above, focusing mainly on the electromechanical impedance method. In addition, two methods to mitigate the crosstalk effects were tested for application in monitoring systems, one based on the crosstalk characterization by a frequency response function and the other based on the use of voltage followers. The results obtained indicate that crosstalk can be significant in these monitoring systems and may lead to false diagnoses of the monitored structure. In addition, they also indicate that crosstalk is dependent on parameters of the data acquisition device, being directly proportional to the sampling rate and load impedance and inversely proportional to the frequency of the excitation signal. Results obtained for the tests with the analyzed mitigation methods indicate effectiveness in minimizing the effects of crosstalk, with the one based on voltage followers being simpler and more efficient.
Analysis of the effects of crosstalk from data acquisition devices in structural health monitoring systems based on piezoelectric transducers
Keywords: Diafonia; Aquisição de dados; Transdutores piezelétricos; Impedância eletromecânica; Ondas guiadas; Emissão acústica; Piezoelectric transducers; Crosstalk; Electromechanical impedance; Guided waves; Acoustic emission