[pt] Ondas acústicas, sônicas ou ultrassônicas, podem ser empregadas para a telemetria sem fio como alternativa a sistemas eletromagnéticos, transferindo dados e energia ao longo de um canal formado por uma ou mais camadas de sólidos elásticos ou fluidos acústicos. Um exemplo é a interrogação de sensores
passivos através de uma parede metálica. Nesta configuração, pelo menos um transdutor acústico é fixado em um lado da parede (face externa), onde uma fonte de alimentação elétrica é disponível. No lado oposto (face interna), onde os sensores estão instalados, são fixados um ou mais transdutores. Na maioria
das aplicações estes transdutores são cerâmicas piezelétricas que geram e recebem sinais ultrassônicos. Ondas acústicas ultrassônicas se propagam ao longo do sólido elástico, transferindo energia e dados entre as duas faces, possibilitando a alimentação e interrogação dos sensores. Este tipo de configuração
pode ser empregado em aplicações onde o uso de penetradores elétricos ou ópticos não é recomendado. Entretanto, a resposta das piezocerâmicas pode sofrer influências de variações de temperatura e da própria deformação mecânica da parede metálica na qual são fixados. O presente trabalho procurou quantificar a influência da deformação mecânica e da variação de temperatura na comunicação entre dois transdutores piezocerâmicos ultrassônicos, aderidos à uma placa metálica por meio de adesivo epóxi. No estudo, tomou-se como parâmetro quantitativo o sinal S21, que é o logaritmo da razão entre a potência recebida pela saída do sistema (face interna da parede) pela potência transmitida pela entrada (face externa da
parede). O trabalho apresenta comparações entre resultados experimentais e simulados através de um modelo numérico de elementos finitos desenvolvido no COMSOL Multiphysics. Os ensaios experimentais foram realizados com pastilhas piezocerâmicas circulares, do tipo PZT4, com diâmetro e espessura de 25 e 2 mm, respectivamente. Os transdutores foram fixados, de forma concentricamente alinhada e por meio
de um adesivo epóxi, nas duas superfícies de uma placa de aço inoxidável AISI 316 L com 6 mm de espessura. O trabalho apresenta tabelas e funções para a amplitude do sinal S21 na frequência onde a transferência de potência é maximizada. Para os casos estudados, observou-se que a frequência ideal muda muito pouco com a temperatura ou a deformação da placa sobre a qual os transdutores são fixados, permanecendo com valores entre 0,988 e 0,995 MHz em todas as condições avaliadas. Em função da deformação da placa metálica, a amplitude do sinal S21 também variou muito pouco, de -3,70 para -3,14 dB, desde a condição indeformada da placa até a máxima deformação aplicada, que foi de 1250 (Micro)m/m. Quanto à variação com a temperatura, na faixa de 30 a 100 Graus C, mais uma vez observou-se apenas um pequeno aumento de 0,8 dB na amplitude do sinal S21. Entretanto, para temperaturas acima de 100 Graus C,
o sinal passa a cair rapidamente. Em nenhuma das condições estudadas neste trabalho foi observado prejuízo na transferência de potência entre os transdutores, indicando que este tipo de comunicação pode ser uma alternativa robusta ao uso de penetradores elétricos. / [en] Acoustic, sonic or ultrasonic waves can be used for wireless telemetry as an alternative to electromagnetic systems, transferring data and energy along a channel formed by one or more layers of elastic solids or acoustic fluids. An example of this is the interrogation of passive sensors through a metallic wall.
In this configuration, at least one acoustic transducer is attached to one face of the wall (external face) where electrical power supply is available. One or more transducers are also attached to its other side (internal face) where the sensors are installed. In most applications, these transducers are piezoelectric
ceramics that generate and receive ultrasonic signals. Ultrasonic acoustic waves propagate along the elastic solid, transferring energy and data between both sides, which enables the power supply and interrogation of the sensors. This type of configuration can be used in applications where the use of an electrical
or optical penetrator is not suitable. However, the response of piezoceramics may be affected by temperature variations and mechanical deformations of the metallic wall on which they are attached.
The present work sought to quantify the influence of mechanical deformation and temperature changes on the communication between two ultrasonic piezo ceramic transducers, adhered to a metal plate by using an epoxy adhesive. The parameter used to quantify this influence was the S21 signal, which is the
logarithm of the ratio between the power received from the output of the system (internal face of the wall) to the power transmitted by the input (external face of the wall). The work presents comparisons between experimental and simulated results obtained by using a finite element model developed through
the commercial software COMSOL Multiphysics. In the configuration experimentally tested, two PZT-4 disks with diameter and thickness of, respectively, 25 and 2 mm were concentrically attached to
both sides of a 6 mm thick, AISI 316 L stainless steel plate. Amplitudes of the S21 signal measured at the frequency where power transfer is maximized were obtained for different temperature and strain levels. Results for all of the evaluated conditions showed that the impedance matching frequency suffers little influence from temperature variations or strain in the plate on which the transducers are attached, having remained within a range from 0.988 to 0.995 MHz in all tests. As mechanical strains were applied to the metal plate, the amplitude of the S21 signal varied from -3.70 dB to -3.14 dB, from the undeformed condition to the maximum applied deformation (1250 (Micro)m/m). Regarding temperature changes, a small increase of 0.8 dB in the amplitude of the S21 signal was observed when increasing temperature from 30 C Degrees to 100 C Degrees. However, for temperatures above 100 C Degrees, the signal was found to quickly decay. None of the conditions studied in this work brought any impairment to the power transfer between the transducers, indicating that this type of communication can be a robust alternative to electrical penetrators.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:puc-rio.br/oai:MAXWELL.puc-rio.br:57289 |
| Date | 03 February 2022 |
| Creators | ISABEL GIRON CAMERINI |
| Contributors | ARTHUR MARTINS BARBOSA BRAGA, ARTHUR MARTINS BARBOSA BRAGA |
| Publisher | MAXWELL |
| Source Sets | PUC Rio |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | English |
| Type | TEXTO |
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