Fault diagnosis in electrical motors through vibration monitoring using Fiber Bragg Grating-based accelerometers
Nome: LEANDRO CASSA MACÊDO
Data de publicação: 17/10/2023
Banca:
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Papel |
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| ARNALDO GOMES LEAL JUNIOR | Orientador |
Resumo: Técnicas de Monitoramento de Saúde Estrutural (SHM) têm sido exploradas no diagnóstico de falhas e danos em estruturas e máquinas. Essas técnicas são exploradas no escopo da Indústria 4.0 e Cidades Inteligentes, no qual os dados fornecidos pelas técnicas de SHM são utilizados no desenvolvimento de planos de manutenção preditiva e preventiva, evitando falhas catastróficas, reduzindo o tempo de inatividade das máquinas e proporcionando maior segurança nas cidades. O desenvolvimento de sensores desempenha um papel importante nesse cenário, uma vez que esses dispositivos são responsáveis por transformar medições físicas em dados que podem ser processados para fornecer decisões baseadas em dados em processos industriais e gerenciamento de cidades. Diferentes tipos de sensores são desenvolvidos para atender a requisitos industriais, como termopares para medições de temperatura, acelerômetros para medições de aceleração e extensômetros para medições
de deformação. Nesse contexto, os sensores de fibra óptica podem oferecer algumas vantagens para aplicações de sensores: eles podem ser imunes a interferências eletromagnéticas (ideais para ambientes industriais hostis), podem ser facilmente
incorporados em estruturas, pois são finos e flexíveis, podem ser multiplexados (ou seja, produzir vários sensores no mesmo cabo de fibra óptica) e podem combinar o sensoriamento e a transmissão de dados em aplicações de longa distância usando
o mesmo cabo de fibra óptica. Neste trabalho, um projeto de acelerômetro baseado em Grade de Bragg de Fibra Óptica (FBG) é relatado para diagnóstico de falhas em máquinas. Diferentes geometrias são analisadas como candidatas para o desenvolvimento
de projetos de acelerômetros baseados em FBG. Através de modelos analíticos, a estrutura de articulação flexível foi selecionada com base nas características de sensibilidade e frequência natural para atender aos requisitos do projeto. As dimensões
geométricas são então selecionadas por um procedimento de otimização multiobjetivo, no qual diversas combinações de parâmetros geométricos são avaliadas em relação à sensibilidade e à frequência natural. Esse procedimento serviu como uma ferramenta eficiente para variar diferentes parâmetros geométricos a fim de encontrar combinações que maximizassem a sensibilidade e a frequência natural. Quatro estruturas foram selecionadas para compor este trabalho e, antes da fabricação,
foram analisadas usando uma Análise Modal de Elementos Finitos. Esses resultados foram comparados com os resultados do modelo analítico, implicando erros relativos de 23%, 33%, 14% e 6% para os acelerômetros 1, 2, 3 e 4, respectivamente.
Esses erros estão relacionados a idealizações assumidas e efeitos negligenciados nos modelos analíticos. Os sensores foram então fabricados e caracterizados. As frequências naturais experimentais foram de 607,8 Hz, 366,7 Hz, 294,7 Hz e 236,5 Hz
para os acelerômetros 1, 2, 3 e 4, respectivamente. As sensibilidades experimentais são caracterizadas pelas frequências excitadoras de 17 Hz, 35 Hz e 50 Hz. Para 17 Hz, as sensibilidades experimentais foram de 180 pm/g, 690 pm/g, 380 pm/g e 400 pm/g, para os acelerômetros 1, 2, 3 e 4, respectivamente. Para 35 Hz, as sensibilidades experimentais foram de 150 pm/g, 510 pm/g, 290 pm/g e 230 pm/g, para os acelerômetros 1, 2, 3 e 4, respectivamente. Para 50 Hz, as sensibilidades experimentais foram de 120 pm/g, 410 pm/g, 150 pm/g e 160 pm/g, para os acelerômetros 1, 2, 3 e 4, respectivamente. Esses sensores foram aplicados em experimentos de diagnóstico de falhas para 9 condições de falha, nos quais os resultados foram comparados e validados por um acelerômetro piezoelétrico comercial. A comparação entre os picos identificados pelos acelerômetros baseados em FBG com os resultados obtidos pelos acelerômetros baseados em PZT pode ser usada para estimar um erro relativo médio. Para o acelerômetro baseado em FBG 2, os erros relativos são de v 0,48%, 0,62%, 0,50%, 0,32%, 0,76%, 0,26%, 0,39%, 0,40% e 0,48%, para as condições de falha 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 e 9, respectivamente. Para o acelerômetro baseado em FBG 3, os erros relativos são de 0,27%, 0,72%, 0,39%, 0,22%, 0,95%, 0,29%, 0,29%, 0,40% e 0,85%, para as condições de falha 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 e 9, respectivamente. Para todos os casos, os espectros de vibração de frequência dos acelerômetros baseados em FBG foram semelhantes às medições do acelerômetro piezoelétrico, e concluiu-se que os acelerômetros projetados neste trabalho identificaram corretamente o padrão de vibração em todas as condições de falha.
