Projecto e Avaliação Operacional de uma Estrutura

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1 Projecto e Avaliação Operacional de uma Estrutura José Duarte Ribeiro Afonso (Licenciado) Dissertação para obtenção do grau: Mestre em Engenharia Aeroespacial Presidente: Orientador: Co-orientador: Vogais: Júri Prof. Doutor Fernando José Parracho Lau Prof. Doutor Luís Alberto Gonçalves de Sousa Prof. Doutor José Raul Carreira Azinheira Prof. a Doutora Virgínia Isabel Monteiro Nabais Infante Prof. Doutor Agostinho Rui Alves da Fonseca Novembro de 2010

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3 Abstract This thesis addresses the design, implementation and validation of an instrumentation system to be mounted on a prototype vehicle built and ran by a student team at Instituto Superior Técnico in Lisbon. The system would provide useful information regarding design techniques validation as well as overall performance for driver and vehicle monitoring and assessment. This type of systems are already available on the market, but the author has noticed a market flaw of versatile, low cost instrumentation systems for academic and prototype usage. Hence, comes the justification for the design and implementation of such system within this work. The proposed system is made of two different modules. Firstly, a strain recorder comprising a data acquisition board NI USB-9237 manufactured by National Instruments which is used to acquire strain measurements, amplify the signal and send it over a Serial/USB interface to a personal computer (PC). This solution has many advantages regarding electromagnetic noise (EMI) insulation as well as several dynamic specifications when compared to many of the homemade or Do It Yourself (DIY) products available. On the other end, the system includes another module, which comprises a very versatile and low cost micro-controller, Arduino. This module was designed and built together with a Secure Digital (SD) card for data storage, an analog-digital converter (ADC) and a handful of sensors such as accelerometers, encoder and potentiometers. The system was implemented and tested on the HidrogenIST prototype at IST. The data acquisition system allowed a sampling rate of about 750Hz at a data transfer rate of 20KB/s of information to the SD card. Albeit low cost and easily accessible based components, the accelerometers registered a maximum error of 0.1G which corresponds to about 2% full scale error, confirming both accuracy and sensitivity criteria. However, strain gauge performance revealed a difference of 3% on calibration and laboratory tests and a difference of 20% on a real component taking as reference a Finite Element Method (FEM) study. Keywords: Arduino, Strain Gauge, Accelerometer, Instrumentation System, Data Acquisition iii

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5 Resumo Opresente trabalho tem como objectivo a concepção, implementação e validação de um sistema de instrumentação com vista a aplicação em veículos. A ideia para tal surgiu da necessidade de implementar um sistema de instrumentação a bordo de um protótipo existente no IST. Na altura o autor constatou haver uma falha de mercado onde detectou a inexistência de um sistema completo, suficientemente versátil e ao mesmo tempo de custo reduzido para aplicações académicas ou de prototipagem. O sistema proposto possuí dois módulos sendo que o primeiro módulo proposto é baseado numa placa de aquisição de dados fabricada pela National Instruments. Neste é feita a aquisição de dados a partir dos extensómetros, condicionamento de sinal e envio dos mesmos para um computador portátil (PC) através de uma porta USB. Trata-se de uma solução comercial com vista a minimizar os erros de medição assim como garantir as máximas capacidades do sistema global. O segundo módulo é baseado num micro-controlador Arduino cujo muito baixo custo de aquisição o torna numa ferramenta muito versátil. Com recurso ao micro-controlador foi criado um módulo de aquisição e armazenamento de dados com capacidade para ler diversos tipos de sensores, armazenando os dados provenientes dos mesmos num cartão Secure Digital (SD). Este tipo de equipamento permite conduzir ensaios sem preocupação com volume de dados gerado, mantendo a versatilidade na fase de manuseamento dos dados visto que a interface do cartão SD é compatível com a maioria dos PC. Este sistema foi implementado com sucesso no protótipo HidrogenIST com recolha de dados a bordo. Neste trabalho conseguiram-se obter leituras de acelerómetros e gravação dos dados com frequências de amostragem da ordem dos 750Hz e taxas de transferências de dados da ordem dos 20KB/s. Contudo, na extensometria, verificaram-se diferenças de 3% para um ensaio laboratorial e de 20% para um componente estudado, causados por incertezas na caracterização do material, entre outros. Keywords: Arduino, Extensómetros, Acelerómetros, Sistema de Instrumentação, Registo de dados v

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7 Agradecimentos Tenho muito que agradecer a várias pessoas pela ajuda e disponibilidade ao longo do tempo em que elaborei esta dissertação. Assim, começo por agradecer aos meus orientadores, Prof. de Sousa e Prof. Doutor Luís Alberto Gonçalves Doutor José Raul Carreira Azinheira por toda a ajuda, aconselhamento e motivação prestados durante o desenvolver do meu trabalho. trabalho não teria chegado onde chegou nem com o êxito com que o fez. Sem eles, certamente este Um agradecimento muito especial é devido ao Prof. Doutor Agostinho Rui Alves da Fonseca por todas as ajudas, sejam estas pessoal, material ou literária, que permitiram a realização de inúmeros dos ensaios e acima de tudo pela incansável disponibilidade, frontalidade e incentivo sem a qual esta tese se teria tornado seguramente muito mais difícil. Gostaria ainda de agradecer igualmente aos meus amigos António Henriques, Anabela Reis, Carlos Henriques, Dário Silva, Edmundo Ferreira, José Rodrigues, Noel Leitão, Nuno Silva, Pedro Casau, Rui Santos e Tiago Fernandes por todo o seu apoio, amizade e tempo perdido nas inúmeras discussões que muito ajudaram a compreender alguns conceitos e/ou vê-las com outra perspectiva. Agradeço também todo o trabalho investido na construção do protótipo HidrogenIST no qual foram efectuados os ensaios de campo. Não posso deixar de agradecer também aos meus pais e restante família por tudo ao longo de todos estes anos, em especial ao meu avô pelo seu incondicional apoio, incentivo e força que sempre fez questão de me transmitir. Por último gostaria de estender os meus agradecimentos a todos aqueles que, de uma forma ou de outra (fornecendo ideias e/ou criticas construtivas), foram ajudando anonimamente ao longo deste trabalho. A todos vós, muito obrigado! vii

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9 Conteúdo Abstract iii Resumo v Agradecimentos vii 1 Introdução Contexto e Motivações Objectivos Organização do Documento Sistema de instrumentação Parâmetros de Interesse Sensores Acelerómetros Extensometria Aquisição de dados Armazenamento Equipamento de Trabalho Ferramentas Arduino Matlab ix

10 3.1.3 LabView Solid Works Conversão de Unidades Formulação matemática Algoritmo de conversão de unidades Filtro passa-baixo Programa de aquisição de dados Extensometria Colagem dos extensómetros Montagem e Resultados Experimentais Calibração e verificação dos sensores Acelerómetros Extensometria e Placa NI Ensaios Laboratoriais Ensaio a um componente instrumentado Ensaio Intermédio Montagem Resultados Conclusões e melhorias Ensaio Final Montagem Resultados Resultados com calibração Conclusões e melhorias Conclusões Análise Crítica Trabalhos Futuros x

11 Bibliografia 64 Apêndices 67 A Programas desenvolvidos 67 A.1 Arduino B Ensaios experimentais 83 B.1 Ensaio de calibração C Documentação Técnica 87 C.1 Placa de Prototipagem - Protoshield C.2 Sistema final C.3 Imagens dos componentes utilizados xi

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13 Lista de Tabelas 2.1 Sistemas de armazenamento de dados Características do filtro passa-baixo Resultados da calibração do acelerómetro Características da viga ensaiada Características dos extensómetros Resultados para o ensaio a uma viga encastrada Ligações dos Extensómetros Resultados obtidos no ensaio do componente instrumentado com extensómetros 48 xiii

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15 Lista de Figuras 2.1 Extensómetro do tipo Metal-Foil Arduino Uno Algoritmo do programa de conversao em Matlab Dados filtrados com um filtro passa-baixo Comparação entre os dados filtrados e não filtrados Algoritmo do programa em Arduino Esquema de ligações para meia ponte I Esquema de ligações para meia ponte II Extensómetro utilizado neste trabalho Superfície de colagem dos extensómetros Tipos de adesivos para colagem de extensómetros Extensómetro colado Aspecto final da montagem dos extensómetros Ensaio de calibração - vista geral Montagem experimental - ensaio de calibração dos acelerómetros Curva de Calibração ADXL Curva de Calibração Systron Donner Montagem experimental - ensaio de calibração do Arduino Curva de Calibração Arduino Montagem geral para ensaio a uma viga encastrada Posicionamento dos Extensómetros na viga ensaiada xv

16 4.22 Resultados ensaio a viga encastrada Ponte de Wheatstone Vista geral do ensaio à peça instrumentada com extensómetros Vista geral da malha utilizada Vista de pormenor da malha utilizada Resultado computacional para a extensão obtido com o software de elementos finitos - Vista esquerda Resultado computacional para a extensão obtido com o software de elementos finitos - Vista direita Resultados obtidos no ensaio da peça instrumentada com extensómetros Montagem dos Acelerómetros e Potenciómetro Aceleração obtida a partir do sistema de instrumentação na Alemanha Resultados do ensaio no campo de futebol da AEIST Tratamento de dados com resultados da calibração Ruído medido em função da velocidade B.35 Montagem experimental - vista geral ensaio de calibração do acelerómetro B.36 Montagem experimental - acelerómetros B.37 Montagem experimental - Multímetro, Acelerómetro e Inclinómetro B.38 Montagem experimental - Acelerómetro de precisão e Inclinómetro B.39 Montagem experimental - Calibração do Arduino C.40 Vista de topo da placa de prototipagem C.41 Esquema eléctrico do Protoshield C.42 Integração do sistema de aquisição e armazenamento de dados C.43 Esquema eléctrico do invólucro C.44 Sistema de aquisição de dados para extensometria C.45 Acelerómetro ADXL C.46 Módulo de cartões SD C.47 Encoder e velocímetro xvi

17 C.48 Arduino Mega xvii

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19 Lista de Símbolos α, β Coeficientes de pesagem para a filtragem de resultados ε σ z ν τ i I xx I xy I yy mv M x M y n samples R R 2 R L, R fios R 1,2,3,4 V ex, EX V out, V CH, Al V r V cc Deformação Tensão no plano z Coeficiente de Poisson Constante de tempo Número da amostra 2º Momento de área no eixo xx 2º Momento de área cruzado 2º Momento de área no eixo yy mili Volt Momento flector ao longo do eixo xx Momento flector ao longo do eixo yy Frequência de amostragem Resistência Estatística: Coeficiente de correlação Resistência interna do cabo Resistências que compõem a ponte de wheatstone Tensão de excitação da ponte de Wheatstone Tensão à saída da ponte de Wheatstone Voltage Racio Tensão de alimentação dos acelerómetros xix

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21 Lista de Acrónimos ADC AEIST ASCII CAD3D DIY EEPROM EMI FEM GND GPS IST I2C LED MEMS PC RS RTC SC SD SPI SRAM USB Analog to Digital Converter Associação dos Estudantes do Instituto Superior Técnico American Standard Code for Information Interchange Tridimensional Computer Assisted Design Do It Yourself Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory Electromagnetic Interference Finite Element Method Ground Global Positioning System Instituto Superior Técnico Inter-Integrated Circuit bus Light-Emitting Diode Microelectromechanical Systems Personal Computer Remote Sensing Real-Time Clock Shunt Calibration Secure Digital Serial Peripheral Interface bus Static Random Access Memory Universal Serial Bus xxi

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23 Capítulo 1 Introdução Oprojecto de uma estrutura para um dado fim baseia-se no conhecimento da situação normal de operação pretendida. Tirando partido dos modelos computacionais disponíveis, as metodologias utilizadas hoje em dia usam este conhecimento para completar os modelos numéricos e assim obter resultados reais satisfatórios. Há no entanto uma nuance nesta afirmação. Quão satisfatório é um resultado? Quão preciso é o modelo computacional utilizado quando comparado com a estrutura real? Estaremos dispostos a aceitar uma certa disparidade em relação à realidade (considerando um factor de segurança mais elevado) ou pretendemos minimizar os custos (de material, manufactura ou outros) e basear o projecto confiando no modelo computacional? Como em quase todos os campos da ciência, fazendo estudos e modelos detalhados garantimos maior confiança nos resultados ou no comportamento da estrutura ou sistema real. Esta afirmação justifica, sempre que possível, a utilização de métodos experimentais que nos permitam recolher o maior número de dados possível, graças ao uso de um sistema de instrumentação. É prática corrente no projecto mecânico a utilização de ferramentas computacionais, em particular pelo actual baixo custo e grande capacidade de cálculo dos sistemas informáticos. A possibilidade de desenvolver modelos numéricos com grande detalhe ajuda, numa fase de pré-projecto ou mesmo na fase de desenvolvimento, à obtenção de soluções com modelos virtuais com grande correlação com a realidade. Esta metodologia, baseada em modelos computacionais (numéricos) complementada com a utilização de técnicas de instrumentação dá aos projectistas todas as garantias nos seus projectos. 1

24 2 CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO 1.1 Contexto e Motivações Como ponto de partida para este trabalho foi usado o projecto do veículo denominado "HidrogenIST", um veículo experimental para a competição Shell Eco-Marathon desenvolvido no IST por uma equipa de alunos (denominada PSEMbyIST da qual o autor desta Tese faz parte. O projecto deste veículo, incluindo a sua parte estrutural, foi modelado num sistema de CAD3D (programa Solid Works), a partir do qual foram realizadas simulações computacionais, utilizando o Método dos Elementos Finitos (FEM). Estas simulações permitiram obter os primeiros resultados do comportamento estrutural do veículo antes da construção do protótipo. Inicialmente, o objectivo era a conjugação de técnicas numéricas com técnicas experimentais, na simulação dinâmica do comportamento do veículo. Os atrasos na aquisição de algum equipamento de aquisição de dados não permitiram o aprofundar deste trabalho nesta área. Tal ficará aberto como desenvolvimentos futuros no seio da equipa. Instrumentar um veículo, com o objectivo de conhecer as suas condições de funcionamento, implica um estudo prévio das condições que se pretendem analisar, incluindo as situações de carga previsíveis e restantes condições de funcionamento. Instrumentação implica a preocupação com fenómenos tanto externos como internos ao sistema. Há que ter em conta, por exemplo, o ruído electromagnético exterior, possíveis interferências internas, acção do calor gerado pelos diversos componentes ou até calor gerado pelo meio circundante que afecta o desempenho do sistema proposto. Por outro lado, especificar um sistema de instrumentação capaz de assegurar a monitorização "perfeita" de um sistema ou estrutura e ao mesmo tempo manter baixo o seu custo de implementação parece um tarefa contraditória. Para se conseguir desenvolver tal sistema, é necessário adequálo o mais possível às necessidades tendo consciência de que é impossível criar o sistema ideal, visto que durante o trabalho há compromissos que permitem manter controláveis o custo e a exequibilidade do mesmo. Com a corrente massificação de componentes electrónicos de baixo custo e facilmente acessíveis ao utilizador comum, há tendência natural para o consumidor final tentar adaptar projectos DIY (Do It Yourself) a determinados equipamentos com fins científicos ou comerciais. É para esse mercado que surgem plataformas como o Arduino (www.arduino.cc) cuja grande versatilidade e funções disponíveis permitem ao utilizador a sua inclusão em múltiplos projectos, seja de forma autónoma ou ligado a outros equipamentos. Neste caso específico, o objectivo do sistema é de aquisição e armazenamento de dados para utilização a bordo de um veículo experimental. No entanto, não se pretende que o trabalho desenvolvido se aplique apenas a esta estrutura em particular, mas também que a plataforma seja compatível com outras aplicações, particularmente

25 1.2. OBJECTIVOS 3 em veículos. Assim sendo, o desenvolvimento do sistema teve em conta a necessidade de prever essas diferentes condições de utilização ao mesmo tempo que se procura manter o custo final o mais baixo possível. Apesar do veículo de teste ser um automóvel, este trabalho aplica-se a diversas áreas de engenharia incluindo a Aeroespacial. Contudo, no caso de protótipos de aviões, o perigo de despenhamento é maior com a consequente destruição do equipamento. Desta forma a utilização de sistemas de instrumentação de baixo custo permite a implementação dos mesmos em protótipos onde o risco de danos é elevado. Por serem de fácil aquisição e montagem é possível rapidamente proceder à sua substituição após a eventual destruição. Por exemplo, no caso de um Unmanned Aerial Vehicle (UAV) ou um protótipo de competição automóvel, após um despiste, é natural os sensores e suportes de armazenamento ficaram danificados. Um equipamento igual ao instalado poderá ser imediatamente montado e o programa de ensaios retomado sem grandes atrasos. 1.2 Objectivos O objectivo desta Tese de mestrado é a concepção e implementação de um sistema de instrumentação capaz de monitorizar vários parâmetros e guardar a evolução dos mesmos ao longo do tempo. Esses parâmetros podem ser medidos com recurso a diversos tipos de sensores, segundo metodologias apropriadas. Um primeiro passo importante é a explicitação clara dos objectivos, definindo os parâmetros em três categorias: os fulcrais para o ensaio; aqueles que são considerados importantes mas não são fundamentais; aqueles cuja aquisição é considerada como útil mas o sucesso do trabalho desenvolvido não está dependente destes. O problema é que ao baixo custo de algum equipamento está, normalmente, inerente uma baixa precisão. Como referido na secção anterior, a massificação de componentes de electrónica permite encontrar os que resolvem os diversos problemas. Aplicando as técnicas e metodologias adequadas, pretende-se avaliar as capacidades de um sistema baseado em componentes de baixo custo, os quais com um correcto dimensionamento e selecção, permitem ultrapassar as imprecisões e incompatibilidades. Este objectivo implicará certamente um compromisso entre preço e qualidade do material electrónico assim como um cuidado adicional aquando da

26 4 CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO implementação da programação em software para que sejam contempladas estas características (ou falta delas) nos algoritmos a desenvolver neste trabalho. A meta final para este trabalho foi a concepção de um sistema composto por dois módulos. O primeiro, baseado numa placa de aquisição de dados para extensometria, capaz de ler o sinal proveniente de uma ponte de Wheatstone, converter esse sinal eléctrico em microdeformações e enviar esses dados por uma comunicação USB para um computador portátil a bordo onde é feito o registo de dados. Por outro lado, um módulo baseado em Arduino onde se pretendeu fazer a aquisição dos sinais provenientes dos sensores implementados (três acelerómetros, dois potenciómetros e um encoder rotativo). Estes dados adquiridos são convertidos em sinais digitais e armazenados a uma velocidade suficientemente grande para que não haja implicações ao nível do desempenho do sistema Arduino. 1.3 Organização do Documento O trabalho desenvolvido nesta Tese abrange sobretudo duas áreas fundamentais da Engenharia: Mecânica Estrutural e Instrumentação. Como tal, dentro de essas mesmas áreas, será feita a especificação dos requisitos operacionais do sistema a que o autor se propõe desenvolver seguida de um capítulo dedicado às ferramentas, tanto de software como hardware, utilizadas para a concretização do trabalho. Por ser este um trabalho maioritariamente experimental, uma grande parte do seu conteúdo corresponde à descrição dos ensaios realizados. Quanto aos ensaios, o documento pode ser dividido em três temas distintos: Montagem experimental: ilustração e documentação das condições dos ensaios; Aquisição, recolha e suporte de dados: análise sobre os vários métodos usados; Tratamento de dados: discussão e avaliação sobre os resultados obtidos; Por último, são apresentadas as conclusões extraídas deste trabalho assim como as sugestões do autor para trabalhos futuros envolvendo este sistema ou sistemas semelhantes.

27 Capítulo 2 Sistema de instrumentação Neste capítulo pretende-se fazer uma breve revisão dos elementos que foram utilizados no sistema de instrumentação, procurando adequar os componentes às necessidades, tendo atenção particular no tipo e grandeza dos sinais a adquirir. 2.1 Parâmetros de Interesse Nesta secção pretende dar-se a conhecer, de forma detalhada, os parâmetros que, de forma directa ou indirecta, afectam a estrutura e os sistemas em estudo. Assim sendo, as grandezas físicas cuja evolução dinâmica se pretende apurar e registar são as seguintes: Deformações estruturais, através das quais será possível calcular os esforços nas peças instrumentadas do mecanismo; Em peças metálicas, estas deformações são normalmente infinitésimais; Frequência mínima de amostragem: 45 Hz; Acelerações às quais a estrutura está sujeita seja como resultado de uma manobra em pista (tipicamente curvas e/ou travagens) ou devido ao piso onde o movimento ocorre; Medição das acelerações nos três eixos; Frequência mínima de amostragem: 45 Hz, esta frequência de amostragem está directamente relacionada com as vibrações que se pretendem registar; Gama de medição: -3G a 3G. Esta gama foi estipulada não só para o veículo (até porque este não atinge velocidades muito elevadas), mas também para outras aplicações onde se queiram registar acelerações mais elevadas; 5

28 6 CAPÍTULO 2. SISTEMA DE INSTRUMENTAÇÃO Velocidade este parâmetro é de grande importância visto que outras grandezas (como por exemplo a aceleração) estão directamente dependentes da velocidade; Frequência mínima de amostragem: não especificada, visto que varia consoante o tipo de tecnologia empregue para fazer a respectiva medição; Gama de medição mínima:0 100km/h. Para o veículo teste é o que se pretende neste caso; Posição Angular do mecanismo da direcção; Frequência mínima de amostragem: 50 Hz; Gama de medição mínima: +/- 15º, tendo em conta que a amplitude do movimento neste veículo é limitada a 24º no total; Posição do Acelerador Controla a velocidade do veículo; Frequência mínima de amostragem: 50 Hz; Gama de medição mínima: 0 a 5V, visto que o veículo alvo, com propulsão eléctrica, possuí um controlador com um sinal de input entre os zero e cinco Volt; As frequências de amostragem mínimas para os últimos dois casos descritos foram estipuladas tendo em conta que os parâmetros em causa são directamente accionados pelo piloto e como tal a sua variação está limitada a não mais que uma dezena de oscilações por segundo. De acordo com o teorema de Nyquist, se a frequência de amostragem for maior que o dobro da frequência à qual varia o sinal analógico a adquirir, então é possível fazer a reconstrução desse mesmo sinal com as amostras gravadas. Assim sendo, e adicionando um factor de segurança para que tenhamos cerca de cinco amostras por cada variação no sinal original, precisamos de uma frequência de amostragem de 50 Hz. Já para as acelerações e deformações, temos dois tipos de sinais que se pretendem captar. O primeiro, resultado da condução do piloto é maioritariamente composto por variações suaves e de muito baixa frequência. Já as acelerações e deformações provocadas pelas irregularidades do piso ou dos sistemas mecânicos (por exemplo excentricidades na afinação das rodas), têm uma frequência igual à frequência de rotação da própria roda. De forma a não limitar a aplicação deste sistema, admitindo um veículo que roda a 100km/h com uma roda de diâmetro exterior de 500mm, significa que a frequência de rotação é cerca de 8.85 Hz. Utilizando o mesmo critério que há pouco, precisaríamos de uma frequência mínima de amostragem na ordem dos 45 Hz.

29 2.2. SENSORES Sensores Após uma breve explicação sobre os parâmetros a adquirir assim como as características segundo as quais se pretende essa mesma aquisição de dados na secção 2.1, é necessário fazer uma pesquisa sobre o tipo de sensores disponíveis a preços acessíveis, de forma a manter o objectivo inicialmente traçado: um sistema capaz de fazer aquisição de dados, a baixo custo e com elevada versatilidade. Será de futuro importante distinguir pelo menos duas categorias de sensores visto que a sua relevância para o sucesso desta dissertação influencia, e muito, as opções de projecto tomadas, mas de momento as características gerais dos sensores com que se pretende adquirir os parâmetros acima mencionados são: elevada mobilidade; resistência moderada ao meio ambiente de forma a que permita a aquisição de dados no exterior 1 ; compatibilidade com um computador portátil necessário para o tratamento dos dados, seja por armazenamento dos mesmos directamente neste tipo de suporte, seja por uma interface de transferência de dados de simples utilização; Tensão de alimentação 2 de 12V ou, em alternativa, alimentação através do cabo USB proveniente do computador portátil instalado a bordo do veículo; Consumo de corrente limitado a alguns ma 3 de forma a não encurtar de forma significativa a duração máxima de uma sessão de ensaios com a estrutura a estudar; Nas secções seguintes apresentam-se tipos de sensores identificados como adequados a este tipo de utilização, justificando as opções tomadas Acelerómetros Um acelerómetro é um sensor capaz de medir a aceleração num certo referencial. Existem diversos tipos de acelerómetros no mercado, cada um com características indicadas a vários tipos de aplicações. Para o caso em estudo em que se pretende ter a capacidade de medir acelerações estacionárias até algumas dezenas de ciclos/segundo(hz), verificamos imediatamente 1 Não se pretende um sistema cuja resistência ao meio ambiente seja elevada ao ponto de ser a prova de água ou choque visto que tal representaria um elevado investimento e testes para validação dessa mesma condição, mas apenas resistente às condições normais em que se desenrolam as competições deste tipo de veículos 2 Bateria de 12V já se encontra instalada a bordo da estrutura e é usada para alimentar circuitos de segurança e circuitos secundários 3 Quer seja para o caso de alimentação 12V através da bateria ou 5V através de tomada USB

30 8 CAPÍTULO 2. SISTEMA DE INSTRUMENTAÇÃO que o mercado é limitado. Verificamos também que o requisito da gama de medição absoluta é facilmente atingível e está perfeitamente dentro do normal mediante os equipamentos disponíveis no mercado. Dos vários tipos de acelerómetros existentes, alguns descritos em [1] e em [2], destacam-se os seguintes, agrupados segundo o seu princípio físico de funcionamento. Sistemas Massa-Mola Este tipo de acelerómetros é o mais antigo, simples e mais usado até meados do século XX. Consiste numa massa acoplada a uma mola. Quando sujeita a uma aceleração, essa massa move-se até que a força provocada pela aceleração iguale a força produzida pela mola. A medição é feita através do deslocamento da mola a partir da posição de equilíbrio. De notar que é comum o sistema ter também um amortecimento, muitas vezes com recurso a um fluido viscoso, e um fim de curso de forma a limitar a excitação da mola. Este sistema tem a vantagem de ser muito simples mas implica a capacidade de medir com precisão o deslocamento da massa, o que em casos de aplicação estática é exequível mas nos casos dinâmicos trará limitações em termos de banda de frequência utilizável. Para além dos motivos mencionados há o problema de o sistema massa mola ter uma dinâmica potencialmente capaz de interferir com o fenómeno em estudo. A razão prende-se com o facto deste sistema ter um modo de vibração próprio e, consequentemente, caso a vibração a medir tenha uma frequência de oscilação próxima da frequência natural do conjunto, teremos o sistema em ressonância e não será possível realizar a medição. Para este tipo de sistemas há que dimensionar a mola e a massa de modo a que a frequência natural do conjunto esteja fora da gama de medida que se pretende registar. Piezoeléctrico O elemento básico de um acelerómetro deste tipo é um bloco de cristal com características piezoeléctricas ao qual se encontra fixa uma massa. Esta, quando submetida a uma aceleração, pressiona o cristal que, por sua vez, gera uma diferença de potencial à sua superfície. É possível então relacionar a tensão gerada com a aceleração a que a massa está sujeita. Neste tipo de acelerómetros, a banda de frequência útil está limitada pelas características inerentes ao próprio cristal que, devido à sua constituição, gera um efeito do tipo filtro passa alto. Assim, quando a frequência da vibração é baixa o cristal atenua a vibração, deturpando os resultados. No entanto, a principal vantagem desta tecnologia ainda é a sua reduzida dimensão, uma vez que a massa e o cristal podem ser muito pequenos. Ainda mais, de acordo com [1] a frequência própria de um sistema deste tipo está na ordem dos milhares de Hertz e o tipo de amortecimento oferecido pelo material é muito baixo, apesar de não nulo. Têm uma grande fiabilidade e com bastante flexibilidade no projecto e desenho, estão disponíveis em diversas gamas de medida. Devido às características do material que os compõe, a sua utilização em regime estático

31 2.2. SENSORES 9 não é possível visto que o material apenas produz um certa diferença de potencial quando carregado dinamicamente. Resistivo-Capacitivo-Indutivo Nesta categoria de acelerómetros inserem-se todos os que, através de um sistema MEMS (MicroElectroMechanical Systems) ou outro, produzem, na presença de uma aceleração, um sinal correspondente a uma variação na sua resistência / capacitância / indutância interna. Os dispositivos MEMS consistem em mecanismos de dimensão muito reduzida, da ordem de alguns micrómetros até um milímetro, usualmente fabricados a partir de cristais de silicone, polímeros e até metais recorrendo a técnicas de deposição de material, injecção e estereolitografia entre muitos outros. Este tipo de processos de fabrico conduz a um tamanho final de produto da ordem dos milímetros. As aplicações para este tipo de dispositivos são imensas mas destacam-se o seu uso em airbags, inclinómetros, telemóveis, discos rígidos, câmaras digitais com estabilização de imagem, controladores para consolas de jogos e até nos conhecidos Segways. Funcionam bem tanto em regime estático como dinâmico. piezoresistivo Os acelerómetros piezoresistivos consistem na utilização de extensómetros feitos a partir de material semicondutor acoplados a uma mola flexível que suporta uma massa sísmica. Ao contrário dos metálicos, estes extensómetros variam a sua resistência específica conforme a extensão devido a características piezoresistivas e não devido a alterações no comprimento do filamento que compõe a grelha. As suas características são diferentes dos piezoeléctricos porque estes precisam que lhes seja fornecida uma tensão de excitação, no entanto têm uma impedância de saída muito baixa o que os torna ideais para usar com cablagens compridas pois não limitam a passagem de corrente e tornam-se menos susceptíveis a ruído. Quanto à sua utilização em regime estático, já não possui as mesmas características do piezoeléctrico e portanto funcionam de forma adequada. Extensométricos Esta categoria de acelerómetros é muito semelhante aos piezoresistivos com a diferença de que são utilizados extensómetros metálicos convencionais. Devido à sua banalização em diversas utilizações, os extensómetros são hoje em dia um tipo de transdutor muito estudado e desenvolvido. Ao mesmo tempo que os processos de fabrico evoluíram, também o seu tamanho se reduziu e hoje em dia os acelerómetros baseados em extensómetros existem sob diversas formas e em diferentes tamanhos. O facto de serem bem conhecidos e de terem uma resolução muito grande permitem que o seu sinal à saída da ponte de wheatstone, muito fraco por natureza, seja amplificado por circuitos integrados para que o sinal produzido pelo conjunto seja facilmente adquirido. Estão disponíveis num grande leque de frequências e de gama de aceleração facilmente medível e, mais importante ainda, funcionam em regime estacionário ao contrário de alguns dos

32 10 CAPÍTULO 2. SISTEMA DE INSTRUMENTAÇÃO apresentados anteriormente. Servo-actuados Finalmente temos os acelerómetros que funcionam baseados no princípio do anel de controlo fechado. Este tipo de acelerómetros possuem um mecanismo baseado num pêndulo ou numa massa sísmica que se move na presença de aceleração ao longo do eixo sensível. Este deslocamento é medido com recurso ao efeito de Hall em que se mede a variação de campo magnético e depois se fornece como realimentação ao controlador de posicionamento da massa. Este tipo de controlo tem como objectivo restabelecer a posição de equilíbrio da massa e medir a corrente que foi necessário fornecer a um outro solenóide para a manter na posição de equilíbrio. Este tipo de controlo também é possível com um servomecanismo a actuar na massa para contrariar a força ou o momento exercida na mesma. Embora menos utilizado pela sua fragilidade e elevado custo, este tipo de acelerómetros é muito preciso quando se pretende medir níveis de aceleração muito baixos em regime estacionário. Após uma análise dos tipos de acelerómetros disponíveis, a escolha recaiu sobre os MEMS devido a sua disponibilidade no mercado a um preço muito inferior aos restantes ( 20e). Para o sistema de aquisição de dados foram adquiridos três acelerómetros ADXL335 cujo princípio de funcionamento se baseia numa micro estrutura maquinada numa superfície de poli-silicone suspensa por molas sobre uma placa de silicone. A deformação da estrutura na presença da aceleração é medida com recurso a uma condensador diferencial. Uma das placas está fixa com a estrutura móvel e a outra com a base. Quando uma aceleração desequilibra a superfície móvel, a capacitância altera-se de forma proporcional à aceleração e portanto é possível saber a direcção e intensidade da aceleração, tal como detalhado na respectiva folha de especificações [3] Extensometria Tal como já foi descrito na secção 2.1, é do interesse deste trabalho a aquisição do valor das deformações de um dado componente mecânico. Os sensores utilizados para medir as deformações, nomeadamente as extensões, designam-se extensómetros. Apesar de ser um tipo de sensor cuja utilização está largamente difundida e cujo princípio de funcionamento se tenha mantido praticamente inalterado com o passar dos anos, o mesmo não se pode dizer das suas dimensões, processo de fabrico e capacidades. Ao longo dos anos tem-se vindo a assistir a uma mudança, nos materiais utilizados para fazer a base, nos adesivos e na forma e material das grelhas. Apesar da evolução, de acordo com [4] e com [5] é possível agrupar os extensómetros em cinco categorias principais. O autor decidiu adicionar uma sexta categoria de

33 2.2. SENSORES 11 forma a ilustrar os avanços neste campo. Wire-grid Tipo de extensómetro mais utilizado até algumas décadas atrás. Consiste num filamento metálico, cuja resistência varia com o seu comprimento (ver materiais e propriedades na secção 2.2 em [4]), disposto em "ziguezague" para formar uma grelha. Os terminais do extensómetro, tradicionalmente em liga de cobre são soldados nas pontas do filamento e posteriormente todo o extensómetro é coberto com uma película isolante, curada a temperatura elevada. Este tipo de extensómetro tem como maior vantagem a sua simplicidade de fabrico mas, pelo facto do filamento ter que ser curvado nas extremidades há um efeito adverso a ter em conta. Há partes da grelha que na verdade estão perpendiculares a direcção do extensómetro e portanto temos um efeito conhecido na literatura inglesa como cross axis sensivity cuja ordem de grandeza é significativa. Flat-coil Extensómetro muito pouco utilizado actualmente. A sua principal diferença para o anterior é de que o filamento é enrolado a volta de uma camada intermédia de material. Como resultado desse enrolamento, a sua espessura final é muito elevada quando comparado com os restantes, tornando pouco recomendado pois esse aumento de espessura poderá provocar erros, especialmente ao tentar medir deformações em peças ou componentes com espessura reduzida. Cross-bridge De utilização ainda mais rara que o anterior. Apenas é aqui referido por razões históricas visto que foi um dos primeiros tipos de extensómetro utilizados. Consiste em dispor paralelamente vários filamentos com o mesmo comportamento anteriormente referido e posteriormente unidos aos pares com um filamento eléctrico de muito grande condutividade. No entanto, as juntas feitas com solda conferem a esta categoria de extensómetros um carácter muito frágil. Por outro lado, têm a grande vantagem de não possuir quase nenhuma sensibilidade cruzada entre eixos assim como muito boa sensibilidade por parte dos filamentos activos. Metal-foil É hoje em dia o extensómetro mais utilizado e unanimemente reconhecido como o que oferece os resultados mais precisos com o mínimo de interferências. O seu processo de fabrico consiste em usar uma folha metálica de espessura muito reduzida onde a grelha desejada é impressa, com recurso a tinta anti-corrosiva ou com um processo fotoquímico. As zonas metálicas a descoberto são então removidas através de um banho numa solução ácida. No final deste processo temos apenas a grelha pretendida, tal como se pode observar na figura 2.1. Esta versatilidade de fabrico permite grelhas com as mais variadas formas e dimensões fazendo com que este tipo de extensómetros seja adequado a um sem número de diferentes aplicações. Para além da sua versatilidade, têm também

34 12 CAPÍTULO 2. SISTEMA DE INSTRUMENTAÇÃO boas características no que toca a dissipação de calor gerado por efeito de Joule mas apresentam como principal vantagem a sua reduzida espessura (< 25µm) que permite a sua integração em espaços confinados e em componentes de dimensões reduzidas. Os primeiros exemplares disponíveis tinham problemas de baixa tolerância à fadiga e tinham tendência a partir mas esse problema foi entretanto eliminado com melhorias introduzidas no processo de fabrico. Figura 2.1: Exemplo de extensómetro do tipo Metal Foil com destaque para a grelha em "ziguezague". (Fonte: Showa Measuring Instruments Co.,Ltd.) Metal Supporting Consiste numa variação de uma das configurações mencionadas acima com a diferença de que durante o seu fabrico é utilizado um adesivo resistente a altas temperaturas para fixar a grelha a uma lâmina metálica. Aquando da sua instalação, essa lâmina é soldada ao componente a instrumentar. Esta categoria de extensómetros só é utilizada em meios onde a temperatura é extremamente elevada, caso em que os adesivos tradicionais perdem as suas capacidades. Fiber Bragg Grating Por último, é também importante referir um novo tipo de extensómetro que, embora o seu uso ainda não se encontre massificado, terá num futuro próximo substituído os extensómetros convencionais em algumas das aplicações. Este tipo de extensómetros baseia-se em sinais ópticos em vez de eléctricos o que o torna insensível a ruído electromagnético (EMI). O seu princípio de funcionamento consiste em fazer passar um feixe de luz por uma zona onde há vários pontos que reflectem parte desse feixe. Essa reflexão conjunta nos pontos cria uma interferência construtiva e gera um pico de reflexão. Este pico tem um comprimento de onda característico que por sua vez é função do espaçamento entre os pontos, tal como explicado em [6]. Sabendo o espaçamento inicial, é possível calcular o novo espaçamento que corresponde à deformação local. Pelos motivos acima explicitados acrescidos de razões logísticas, os extensómetros do tipo metal-foil foram os escolhidos para o desenvolvimento deste trabalho. Para além do seu custo

35 2.3. AQUISIÇÃO DE DADOS 13 de aquisição ser bem mais acessível que os de fibra óptica, esta opção permitiu beneficiar do grande know-how disponível no IST através das equipas de investigação afectas a esta área. 2.3 Aquisição de dados Para a aquisição de dados, um dos objectivos deste trabalho foi a utilização de um sistema baseado em Arduino. Este micro-controlador, ilustrado na figura 2.2 possui um preço muito atractivo assim como uma enorme versatilidade. Mais detalhes sobre o mesmo podem ser encontrados mais a frente neste trabalho na secção O objectivo de um sistema deste tipo prende-se com a falta de sistemas de baixo custo que sejam versáteis para integração rápida e eficiente em diversos projectos. Este contraria a opção mais frequente no meio académico que é de desenvolver um sistema dedicado à aplicação em estudo, sem prever possíveis reutilizações para outros projectos actuais ou futuros. Figura 2.2: Exemplo de um Arduino Uno. (Fonte: Há diversos protocolos de comunicação, sistemas de aquisição e armazenamento de dados mas não há sistemas no mercado, a custos reduzidos, que permitam a utilização simples e versátil. As soluções comerciais acessíveis estão normalmente limitados a um determinado protocolo ou tipo de comunicação. Esta limitação normalmente implica a utilização de sensores do mesmo fabricante que o equipamento de aquisição e licenças de software para a leitura dos dados. Caso se pretenda uma solução mais versátil, eventualmente com capacidade de transmissão de informação por telemetria, o custo torna-se incomportável para os pequenos projectos com recursos limitados.

36 14 CAPÍTULO 2. SISTEMA DE INSTRUMENTAÇÃO Este trabalho permite colmatar essa mesma falha, realizando o projecto e prototipagem de um sistema de baixo custo, versátil e baseado em componentes acessíveis no mercado Armazenamento Tendo em conta o objectivo de utilização do Arduino, apenas faz sentido considerar sistemas de armazenamento que permitam a interacção com este. Como forma de enumerar as diversas formas e formatos de armazenamento disponíveis, de uma maneira simples e de fácil compreensão, construíu-se a tabela seguinte onde se explicitam os critérios de interesse e selecção do equipamento. Tabela 2.1: Características dos sistemas de armazenamento de dados disponíveis no mercado Equipamento Chave USB 1 Cartão SD EEPROM Memória Flash Capacidade variável variável variável variável até 8GB 2 até 4GB 2 até 32Kb Volatilidade Não Volátil Não Volátil Não Volátil Não Volátil Ligação Serial SPI I2C, SPI ou I2C, SPI ou ou SPI Serial Serial Implementação 3 Ligações Ligações Ligações Ligações simples 4 simples 4 simples 4 simples 4 Fiabilidade e Durabilidade Boa Muito Boa Má 5 Boa Preço 15e 15e 1.50e - Presente no Arduino Não Não Sim Sim Acessibilidade 6 Boa 7 Boa 7 Má 8 Má 8 É importante referir que para além dos critérios acima listados, também há que ter em conta o aumento de carga para o micro-controlador gerado pelo armazenamento dos dados. O processo escolhido terá que ser rápido o suficiente de modo a não limitar a frequência de amostragem permitida pelo restante sistema. Outro critério igualmente importante é a capacidade de resistir às condições ambientais que rodeiam o sistema. O componente escolhido deverá respeitar os mesmos requisitos que o Arduino e restante electrónica: baixo preço, componentes off the shelf e resistência a vibrações normalmente produzidas por um veículo em movimento. Ao analisar outros trabalhos relacionados com o mesmo assunto, nomeadamente [7] e [8], observou-se que a opção pela chave USB revelou ser a que menos problemas de implementação apresenta. É também manifestada a preocupação pelo preço de aquisição dos cartões SD relativamente às chaves USB. Nestes dois trabalhos, não foram tidos em conta a relação qualidade/preço 1 Vulgarmente conhecida como Pen-USB 2 Existem com maior capacidade mas o preço já não é atractivo 3 Esforço em termos de hardware e software para implementar a tecnologia referida 4 Bibliotecas já com funções de acesso e código pronto a funcionar 5 Limitada a cerca de ciclos de escrita/leitura 6 Facilidade de acesso aos dados gravados para posterior análise 7 Sistema de ficheiros FAT, facilmente reconhecido pelo sistema operativo dum computador 8 Implica a ligação do Arduino ao computador, implementação de código para o Arduino fazer a leitura da memória, transmiti-la pela porta série para o computador e gravação dos dados no disco rígido

37 2.3. AQUISIÇÃO DE DADOS 15 para essa mesma chave USB. Acontece que a ampla disponibilidade não representa uma oferta com garantia de qualidade, sendo que a maioria das Pens USB tem sérias limitações ao nível do tempo de escrita de informação. A utilização de electrónica e materiais de menor qualidade com vista a redução de custos, apresenta um sério risco na velocidade máxima atingível. A escolha recai sobre um sistema baseado em cartões de memória Secure Digital visto que a oferta de mercado é ampla e com preços atractivos. O seu mercado virado para o uso com máquinas fotográficas e câmaras de vídeo, onde o reduzido peso e dimensões são muito importantes, tornam-nos ideais para utilização em conjunto com uma sistema baseado no Arduino. Ao mesmo tempo, estas aplicações requerem também material de grande qualidade e fiabilidade. Como tal, a oferta disponível no mercado para o formato SD Card é mais limitada. No entanto esta mesma oferta limitada tem maior qualidade. No caso do sistema em estudo, algumas das opções resultaram de opiniões de utilizadores de equipamentos similares 1. Os argumentos apresentados coincidem com a informação recolhida, com especial relevo para a opinião de que um cartão SD possui maior estabilidade que a chave USB, em termos genéricos. Há a realçar que no decorrer do trabalho, foi verificado também que o micro-processador tem uma carga acentuada ao lidar com a recolha de dados portanto não pode prescindir de um tipo de memória com acesso rápido e baixa latência. 1 Maioritariamente retiradas dos foruns da comunidade Arduino disponíveis em cgi-bin/yabb2/yabb.pl

38 placeholder

39 Capítulo 3 Equipamento de Trabalho Osinal adquirido por um sistema de instrumentação (sensores) tem, na sua maioria das vezes, que ser tratado para que a grandeza medida possa ser quantificada nas suas unidades de engenharia. A maioria dos sensores actuais converte uma variação de uma grandeza física numa variação de uma grandeza eléctrica. Neste capítulo pretende-se dar a conhecer as ferramentas utilizadas e os algoritmos desenvolvidos para adquirir, filtrar, armazenar e tratar os dados experimentais com as mesmas ferramentas. 3.1 Ferramentas Arduino O Arduino é um micro-controlador programável com memória interna, capaz de executar inúmeras operações conforme as instruções nele carregadas. A versão utilizada neste trabalho (Arduino Mega, ilustrado na figura C.48) possui uma memória interna flash, não volátil, de 128Kb onde as instruções são armazenadas, ocupando cerca de 22Kb. Esta memória pode ser também utilizada para guardar variáveis dentro do próprio programa em utilização. Possuí também uma memória SRAM de 8kb assim como uma EEPROM de 4Kb, também acessível ao utilizador. A interacção com outros dispositivos pode ser feita através de diversas formas e protocolos como por exemplo I2C, Serial/USB ou SPI. Esta versão do micro-controlador é baseada no AT1280 da Atmel tendo um cristal de 16MHz, 54 portas digitais para leitura e escrita, 16 portas analógicas para leitura ligadas um conversor analógico digital (ADC) de 10bits. Estas portas analógicas suportam também escrita em modo digital ou em modo analógico através da geração de um PWM. Embora não seja um sinal analógico puro, é uma aproximação do mesmo, suficiente para 17

40 18 CAPÍTULO 3. EQUIPAMENTO DE TRABALHO a maioria das aplicações. Há também que destacar a possibilidade de alimentar um controlador Arduino com tensões entre os 7 e os 12 V 1, obtendo nos pinos de alimentação respectivos tensões de 5V e 3.3V. Esta característica é extremamente útil pois dá ao utilizador a possibilidade de utilizar uma série de sensores e outros componentes electrónicos que funcionam com estas duas tensões de alimentação. A interface com um computador é garantida com recurso a uma porta USB já incluída no micro-controlador. Utilizando um software próprio para o efeito e uma linguagem baseada em Wiring, semelhante a C/C++, é possível a um novo utilizador familiarizarse com o ambiente de programação e rapidamente ter um projecto a funcionar. Este equipamento está disponível no formato Open-Source o que significa que na Internet existem inúmeros exemplos, documentos tutoriais, bibliotecas e ainda aconselhamento de pessoas com algum tipo de experiência na sua utilização. Tal quantidade de informação é essencial visto que permite ao utilizador concentrar-se na especificidade do seu problema, ignorando os entraves mais triviais que "alguém" já resolveu. Em termos de compatibilidade com outro equipamento, como cabe ao utilizador programar o micro-controlador, este pode adaptar o seu código de modo a contemplar as instruções específicas a cada aplicação, dando total liberdade na forma de integração. Os poucos problemas que se conhecem são limitações de ordem técnica visto que o baixo preço deste equipamento (20e para o Arduino e 40e para o Mega) acarreta um compromisso no seu desempenho. O cristal de 16MHz limita o número máximo de instruções por segundo que se podem executar. A arquitectura do micro processador da Atmel limita o tipo de operações matemáticas a executar visto que não possui vírgula flutuante. O facto de não ser contemplada esta possibilidade torna todas as operações matemáticas mais complexas muito demoradas e portanto quando se utiliza um Arduino há que ter isso em mente. Uma forma de ultrapassar esta questão, quando a utilização pretendida é a recolha de dados de sensores e armazenamento, é guardar os dados tal e qual como são adquiridos e fazer o tratamento de dados, conversões de unidades e restantes operações num computador após o final da sessão ou no caso do uso de telemetria, executá-las após a recepção dos dados na estação base, evitando assim sobrecarregar a unidade móvel. No módulo Arduino utilizado, foi implementado um sistema de instrumentação com capacidade para aquisição e gravação de dados num cartão SD, provenientes de vários acelerómetros, potenciómetros, enconders e interruptores. Com recurso a bibliotecas disponibilizadas em open source, foi possível implementar as capacidades no sistema com um menor esforço, tanto técnico como temporal, e obter um resultado muito satisfatório. 1 É possível a utilização de voltagens de alimentação entre os 5V e os 20V mas a estabilidade fica comprometida

41 3.1. FERRAMENTAS Matlab O programa Matlab é um software de computação científica com um grande leque de aplicações adicionais (toolboxes) adequadas a inúmeros fins, destacando-se o interesse na aquisição de dados, controlo, processamento de sinais, processamento de imagem, entre outros. A sua linguagem é semelhante a C/C++ o que permite que a aprendizagem seja rápida, existindo também muita informação sobre exemplos, tutoriais e ajuda, dentro do próprio programa. A grande vantagem do Matlab sobre outros tipos de programas é a de que com este é possível controlar e interagir com dispositivos periféricos, como por exemplo com um Arduino, de forma muito simples através da porta série do computador ou através de uma aplicação desenvolvida como Add-on para as ferramentas do Matlab. Para a realização deste trabalho foi essencial uma ferramenta como o Matlab. Com esta foi possível criar algoritmos para fazer as primeiras aquisições de dados e perceber o funcionamento dos sensores e do próprio Arduino. O sistema de instrumentação final depende também dos programas desenvolvidos em Matlab para o tratamento e análise de dados. À medida que o trabalho decorreu, percebeu-se que o uso do Matlab obrigou a um compromisso: a velocidade máxima e frequência de amostragem máxima atingível com a recolha de dados na porta série foram de apenas Bytes/segundo e Hz, respectivamente. Para tal foi necessário prescindir da função de aquisição de dados e utilizar o programa apenas para fazer o pós-processamento dos dados. Este software foi usado para a descodificação dos dados obtidos com o sistema de instrumentação, fazendo a conversão para unidades de engenharia, filtragem de resultados (para eliminar, por exemplo, o ruído) e finalmente a apresentação ao utilizador dos dados adquiridos em formato gráfico com disponibilização dos dados em ficheiro de texto, do tipo ".csv"("comma separated values") para fácil interacção com outros programas e plataformas LabView Um dos objectivos deste ensaio laboratorial foi criar um sistema capaz de fazer a aquisição de dados de extensometria. A placa utilizada para ler o sinal dos extensómetros tem a referência USB-9237 da National Instruments(R). Como forma de facilitar a aquisição de dados, foi escolhido o pacote de software LabVIEW para fazer a interacção com a referida placa. O software é desenvolvido pelo mesmo fabricante da placa e tal acarreta inúmeras vantagens, permitindo, por exemplo, operações como a calibração do equipamento, configuração, aquisição de dados e tratamento dos mesmos de uma forma rápida, utilizando sempre o mesmo ambiente de trabalho e sem necessidade de recorrer a outros softwares evitando eventuais problemas de compatibilidade. O objectivo desta aplicação centrou-se na implementação do hardware e software necessários à

42 20 CAPÍTULO 3. EQUIPAMENTO DE TRABALHO aquisição de dados para fazer registo de dados. Por uma questão de rapidez, optou-se por usar o programa LabVIEW Signal Express 2009 visto que este já tem embebidas todas a funções de configuração e operação do mesmo, evitando a necessidade de aprendizagem da linguagem de programação e conhecimentos aprofundados de LabVIEW propriamente dito. Com este pacote em particular é possível fazer a exportação directa dos dados, no final de cada sessão experimental, para Microsoft Excel facilitando ainda mais a obtenção de tabelas e gráficos, muito úteis na análise e interpretação dos dados obtidos Solid Works O Solid Works (SW) é um pacote de programas que permitem a modelação tridimensional, bem como o projecto mecânico e estrutural com pouco esforço computacional ao mesmo tempo que poupam ao utilizador algum tempo na realização de tarefas essenciais como desenhos técnicos ou desenvolvimento de modelos computacionais detalhados, visto que tal é feito de forma semiautomática. A estrutura a instrumentar foi modelada em 3D recorrendo às ferramentas disponíveis no SW. Utilizando o módulo adicional de simulação estrutural, baseado no Método dos Elementos Finitos, foram definidas as cargas aplicadas, definidos os apoios da estrutura de forma a obter os deslocamentos em cada nó da malha (deformada), bem como os valores de tensão, com particular interesse nos pontos correspondentes àqueles onde foram colados os extensómetros na peça real. Desta forma foi possível prever as zonas mais solicitadas da peça. 3.2 Conversão de Unidades Neste sistema em particular, os dados adquiridos são directamente guardados em valores correspondentes a unidades eléctricas. Como tal, há que converter essas mesmas unidades para se conseguir obter o valor e verdadeira evolução dos parâmetros de interesse. A primeira aproximação a este problema é usar a informação proveniente do fabricante do sensor Formulação matemática Para converter o sinal analógico de tensão variável proveniente dos acelerómetros, é necessário usar um ADC (conversor analógico-digital). Este componente electrónico converte a variação de tensão, neste caso no intervalo 0-5V num sinal digital de 10bits, após o qual este é armazenado. Para o tratamento dos dados recolhidos, o valor digital é re-convertido em tensão já que os parâmetros sensibilidade e resolução são dados em mv. Finalmente, o valor em mv é convertido

43 3.2. CONVERSÃO DE UNIDADES 21 no valor a aceleração (medida em G s ente -3 e +3) como descrito em [3] para que possa ser posteriormente analisado. A expressão inerente a esta conversão é a seguinte: acel mv = acel bits P recisão ADC (3.1) A resolução depende do conversor analógico digital em uso. No Arduino, a resolução do ADC é de 10 bits possibilitando 1024 valores diferentes. A sua referência pode ser de 5V, estabelecida por defeito, ou fixa pelo utilizador, neste caso 3.3V por ser a tensão de alimentação dos acelerómetros. Se pensarmos que usando a voltagem que está estabelecida por omissão como referência para o ADC, teremos 1024 valores para uma gama 0-5V o que nos dá uma resolução máxima de 5V mV enquanto que utilizando uma referência de 3.3V, passamos a ter uma resolução máxima de 3.3V mV. Esta precisão é a máxima teórica atingível sendo que a precisão real de uma leitura dependerá do sensor em uso, entre outros factores. Nos primeiros ensaios é utilizada a referência standard mas para os ensaios de calibração e finais descritos nas secções e 4.4 já foi utilizada a referência de 3.3V, igual à alimentação dos acelerómetros. acel G = acel mv Sensibilidade acelerómetro (3.2) A sensibilidade é um parâmetro que depende do sensor. Neste caso, é inversamente proporcional à voltagem de alimentação dos acelerómetro. Ainda antes de ser convertido em G s, o valor da aceleração em mv tem que ser corrigido de forma a fixar os 0 G s com recurso a um offset. Esta necessidade surge divido às diferentes localizações dos acelerómetros que induzem interferências electromagnéticas nos respectivos cabos. Estas interferências variam consoante a proximidade do motor e restante electrónica. Naturalmente, o resultado que se obtém com a utilização do procedimento acima descrito apresenta erros em relação a realidade porque, embora os parâmetros dados pelo fabricante correspondam ao modelo de sensor em uso, existe sempre alguma variabilidade nas suas características de operação, sejam devidos a variações ambientais do meio envolvente sejam devidos a variações no processo de fabrico. Para uma utilização correcta do sensor e obtenção de informação mais precisa será necessário efectuar um ensaio de calibração, cujo procedimento está descrito na secção deste documento.

44 22 CAPÍTULO 3. EQUIPAMENTO DE TRABALHO Algoritmo de conversão de unidades Para converter os valores lidos do Arduino em unidades de engenharia foi necessário criar um algoritmo em Matlab para que os dados recebidos pelo computador ou pelo cartão SD em formato pré-definido pudessem ser novamente convertidos em dados numéricos, formatados e interpretáveis. O formato escolhido para os dados teve em conta a necessidade de condensar ao máximo a informação a ser transmitida pela porta série (isto na primeira versão), e mais tarde, a informação a guardar no cartão SD de forma a reduzir o tempo de escrita e o número de acessos. Um dos problemas com a linguagem base do Arduino é a transmissão de dados numéricos ser feita "byte a byte"(correspondente a um caractér) e não num formato numérico. O comando usado por omissão, o println() consiste em enviar um número através da sua representação em termos de caracteres ASCII enviando um byte por caractér. Tendo em conta que no caso ADC em uso, o maior número inteiro é 1023, usam-se 4 bytes para transmitir cada valor de 10bits. No caso do algoritmo implementado na figura 3.6 optou-se por enviar cada número em dois conjuntos de 5 bits cada. Conseguimos assim usar metade dos recursos utilizados anteriormente dobrando a frequência de amostragem de um parâmetro. Para conseguir fazer esta conversão foi necessário converter os valores após a sua aquisição com recurso a funções do tipo bitshift, sejam à esquerda ou à direita, onde à representação binária de um número são retirados os 5 bits mais ou menos significativos, respectivamente, tal como ilustrado na equação 3.3. Para reverter este processo, recorreu-se à aritmética de sistemas binários. Começou-se por utilizar as funções embebidas no Matlab para converter os dois bytes à sua representação binária, fazer a concatenação dos dois números e posteriormente converter o resultado para base decimal. No entanto, verificou-se que este processo era lento e com carga pesada para o processador e memória do computador utilizado para fazer o processamento dos dados visto que os números binários e as concatenações eram tratadas no formato string (cadeiras de caractéres) do Matlab e não como números. Se tivermos em conta que facilmente temos amostras de 9 parâmetros em cerca de 5 minutos, isto com o sistema ligado através da porta série, é fácil perceber que numa sessão de recolha de dados de uma hora são milhões de valores a converter. Descartada a possibilidade de usar as funções embebidas no Matlab, optou-se por utilizar álgebra de sistemas binários em que um número em formato decimal é resultado de uma operação matemática baseada nos seus dois ou mais componentes também em base decimal, exemplificada pelas equações 3.4 e = (11111)(10101) (31)(21) (3.3) V alor basedecimal = = 1013 (3.4)

45 3.3. FILTRO PASSA-BAIXO 23 Note-se que esta fórmula é válida para qualquer número composto por um conjunto de m algarismos com n bits cada. Nesse caso teremos: V alor basedecimal = x 1 2 (m 1) n + x 2 2 (m 2) n x m 1 2 n + x m 2 0 (3.5) É importante notar que no diagrama de blocos da Figura 3.3, esta conversão já se encontra feita no início do processo, estando os dados disponíveis num ficheiro.txt com formatação ASCII, visto que antes da execução deste algoritmo, existe outro programa que permite ao utilizador converter todo o ficheiro de dados para um ficheiro devidamente formatado. Este facto permite gravar tanto o ficheiro com os valores tal qual foram adquiridos como os valores dos parâmetros já convertidos a unidades de engenharia. O utilizador tem assim mais liberdade para decidir que tipo de informação deseja guardar. Permite também que para a mesma sessão de dados o utilizador execute vários programas diferentes, assim como utilize outro software como, por exemplo, o Excel para fazer a conversão e exibição dos dados. Figura 3.3: Algoritmo do programa implementado em linguagem Matlab para converter os dados provenientes do cartão de memória para unidades de engenharia, formato útil para posterior análise e tratamento 3.3 Filtro passa-baixo Para a filtragem dos resultados obtidos a partir dos acelerómetros, foi necessário desenvolver um filtro do tipo passa-baixo de primeira ordem. Este referido filtro consegue eliminar quase todas as perturbações causadas pelo ambiente exterior sem, no entanto, perder a evolução da aceleração ao longo do tempo. Abaixo apresentam-se as equações algébricas usadas para o dimensionamento do filtro. Nesta secção, apresentam-se também o seu princípio de funcionamento e um exemplo dos resultados obtidos com o mesmo.

46 24 CAPÍTULO 3. EQUIPAMENTO DE TRABALHO y (i) = α y (i 1) + β x (i 1) (3.6) ( α = exp t ) samples τ (3.7) β = 1 α (3.8) Em que y é a amostra filtrada, x é a amostra por filtrar, τ é a constante de tempo e t samples é a frequência de amostragem. Abaixo apresenta-se uma figura (3.4) com os dados obtidos do acelerómetro com e sem filtro para comparação. Figura 3.4: Exemplo de utilização do filtro passa baixo para suavizar os dados provenientes de um acelerómetro, a vermelho o resultado sem filtro e a azul o valor filtrado. É importante referir que a afinação do filtro faz toda a diferença já que uma constante de tempo maior filtrará mais o ruído mas pode também filtrar uma oscilação real e pertinente no valor da aceleração. De igual modo, um filtro muito flexível com um valor para τ demasiado baixo, deixará passar demasiado ruído e as leituras serão dificultadas. Um exemplo do efeito de um filtro com a constante de tempo demasiado baixa é visível na Figura 3.4 e também na Figura 4.31 onde a gama de medida para o sinal não filtrado está compreendida entre -1G e 1G mas, no caso do

47 3.3. FILTRO PASSA-BAIXO 25 sinal filtrado já só varia entre -0.2G e 0.2G. Como o objectivo desse ensaio era apenas detectar acelerações e correlaciona-las com a existência de movimento na direcção e não a aferição da amplitude da aceleração, decidiu o autor não alterar o filtro. Para os ensaios seguintes, o filtro foi modificado e especial atenção foi dedicada a este facto. Figura 3.5: Exemplo de utilização da segunda versão do filtro passa-baixo com comparação entre os dados antes e depois de filtrados. É visível na figura 3.5 que a amplitude da aceleração filtrada se situa aproximadamente no meio do espectro do sinal não filtrado. Assumindo uma distribuição de ruído equitativa em torno do sinal real, a amplitude do sinal a adquirir não aparenta ter sido reduzida. Os filtros mencionados acima foram projectados com as seguintes características: Tabela 3.2: Dados de projecto do filtro passa-baixo tendo em conta a especificidade dos acelerómetros usados e o sistema de instrumentação onde se encontram integrados. Ensaio Constante de tempo τ Frequência de amostragem Período de amostragem em segundos em amostras por segundo em segundos Alemanha Ensaio Campo de futebol

48 26 CAPÍTULO 3. EQUIPAMENTO DE TRABALHO 3.4 Programa de aquisição de dados Para a recolha de dados on-board, foram tentadas duas aproximações diferentes. A primeira, consistia em ter o Arduino a fazer a leitura dos sensores e a debitar na sua porta série as mesmas. Um computador portátil, ligado através da porta USB ao Arduino, faz a recolha dos dados em Matlab e armazena-os num ficheiro no disco rígido. Esta primeira abordagem revelou ser muito prática e simples, adequando-se bem às primeiras necessidades. No entanto, com o evoluir do trabalho, constatou-se que esta solução trazia problemas de velocidade visto que a velocidade de transmissão de dados está limitada à velocidade da porta série assim como a velocidade máxima com que o Matlab consegue aceder ao disco e gravar num ficheiro. Há também a acrescentar que no caso do Arduino a utilização de interrupções interfere com o temporizador que controla a porta série e interrompe por vezes a comunicação. Optou-se então por uma outra solução com recurso a um slot gravador de cartões SD ligado directamente ao Arduino por SPI. Com esta nova ligação conseguiram obter-se velocidades da ordem dos 20 KB/s, francamente superior aos anteriores bytes/segundo anteriormente atingíveis. O fluxograma na figura 3.6 explica o programa desenvolvido e implantado no Arduino em segunda instância. No respectivo fluxograma podem apreciar-se as várias etapas que levam ao funcionamento correcto do programa. Há certos processos que no fluxograma se encontram representados de forma simplificada, por forma a facilitar a sua interpretação mas que na realidade desdobram-se em várias instruções, por vezes bastante complexas. O código completo para esta aplicação pode ser encontrado no anexo A.1. O exemplo de um dos processos é a abertura do ficheiro de registo de dados onde o algoritmo contempla uma secção onde o Arduino acede a cartão de memória e testa a abertura de um ficheiro com o nome pretendido para se certificar de que o referido ficheiro não existe, evitando assim perda de dados previamente guardados. O programa testa então vários nomes acrescentando ao nome pretendido dois algarismos numéricos que vão sendo incrementados até um nome de ficheiro não existente ser encontrado. Desta forma evitam-se perdas de dados e erros devido a sobreposições de ficheiros. Outro exemplo de um processo não trivial são as ligações do sensor de velocidade constituído por um encoder e um íman. Este sensor funciona como um interruptor e portanto é necessário detectar o impulso provocado pelo mesmo. Visto que o micro-controlador não pode parar a execução de instruções e estar ad aeternum à espera da ocorrência de um impulso, a ligação do sinal é feita a um dos pinos do Arduino que suporta interrupções, devidamente documentado em [9]. Este tipo de ligação permite que o processador se concentre nas tarefas em mão e seja apenas chamado a processar uma variação no sinal do sensor de velocidade quando esta ocorreu. O interruptor de

49 3.4. PROGRAMA DE AQUISIÇÃO DE DADOS 27 Figura 3.6: Algoritmo do programa implementado em linguagem Aduino e carregado no Arduino Mega

50 28 CAPÍTULO 3. EQUIPAMENTO DE TRABALHO início e fim da sessão de armazenamento de dados funciona segundo o mesmo princípio. Este programa usa várias bibliotecas Open-Source, cujos conteúdos permitem realizar várias operações complicadas com apenas algumas instruções muito simples, evitando assim a necessidade do utilizador de dominar linguagem de baixo nível e interacção com o dispositivo SD. Embora pareça trivial e simples, esta interacção revelou-se difícil de conseguir com as funções disponíveis na biblioteca Arduino SdFat 1 que permitiam apenas fazer gravação no cartão caractér a caractér. Esta forma de gravação não é suficientemente rápida para uma aplicação utilizando acelerómetros visto que com os dados obtidos se pretende proporcionar a possibilidade de uma análise em espectro de frequências. Assim sendo, foi necessário utilizar funções da biblioteca mais complexas para inicializar o cartão SD e o ficheiro de gravação no modo de blocos contíguos de memória. Através desta utilização de funções não-standard, foi possível obter um tempo médio de escrita de 512 bytes de dados em apenas 2 milissegundos. Esta implementação só foi possível através da utilização de uma memória tipo cache intermédia 2 na qual eram guardados os dados de cerca de 17 leituras consecutivas. Com este tipo de algoritmo foi possível optimizar a utilização do processador do Arduino, mantendo o tempo de ocupação para escrita no mínimo, permitindo assim que a recolha de dados permanecesse a uma frequência de amostragem quase constante, sendo afectada a cada 17 ciclos aquisição de dados. 3.5 Extensometria O primeiro parâmetro a considerar aquando da utilização de extensómetros e na utilização de pontes é a sensibilidade da ponte. Este parâmetro mede a tensão lida relativamente à tensão de excitação. De acordo com [10], para uma ponte com a configuração apresentada na figura 3.7, a sensibilidade é de 0.65mV V out /V EX, enquanto que para o caso da ponte apresentada na figura 3.8, passamos já para valores de 1mV V out /V EX. Estes dois tipos de ponte foram utilizados nos ensaios conduzidos por serem as possíveis, no caso do ensaio de validação da metodologia e, no caso do ensaio com os extensómetros colados pelo autor, a que possibilitava compensação de temperatura ao mesmo tempo que servia para detectar tanto esforços de tracção, de flexão e ainda mistos, [11]. A configuração ideal seria uma que fosse sensível tanto a esforços de tracção e de flexão, com quatro extensómetros activos na mesma ponte de wheatstone. No entanto, tal ponte exige que se faça a programação total da placa de aquisição de dados em LabVIEW, o que por sua vez obrigaria a ainda posteriores ensaios de calibração e validação. 1 Biblioteca open source disponível em A versão utilizada no desenvolvimento desta dissertação foi a versão datada de Para esta aplicação foi usada a memória flash interna do Arduino visto que apresentava capacidade suficiente e não requeria qualquer esforço em termos de hardware

51 3.5. EXTENSOMETRIA 29 Dada a inexperiência neste campo assim como as limitações de tempo para o desenvolvimento do trabalho, foi tomada a opção de usar meia-ponte de wheatstone. (a) Esquema Eléctrico (b) Localização e Esforços Figura 3.7: Esquema de ligações e situações de carga possíveis para meia ponte do tipo I (Fonte: National Instruments) (a) Esquema Eléctrico (b) Localização e Esforços Figura 3.8: Esquema de ligações e situações de carga possíveis para meia ponte do tipo II (Fonte: National Instruments) Do ponto de vista funcional, podemos caracterizar os extensómetros como activos, de Poisson ou ainda dummy gauge. O primeiro corresponde a um alinhamento com a direcção em relação à qual se pretende medir a extensão. O segundo corresponde a um extensómetro colocado perpendicularmente relativamente ao anterior. Esta colocação tem como objectivo aumentar a sensibilidade da ponte tirando partido do efeito de Poisson, através do qual a extensão na direcção transversal à principal também pode ser medida. Finalmente temos os chamados dummy gauges que apenas servem para fazer compensação de temperatura ao outro extensómetro que está realmente colado à superfície. De notar que no caso da ponte feita com dois extensómetros activos ou com um activo e um de Poisson, também há esse mesmo efeito de compensação de temperatura visto que os extensómetros se encontram na mesma metade vertical da ponte de wheatstone. Conhecendo já o tipo de ligação e a carga a medir com cada tipo de ponte, falta apenas explicitar as equações que permitem calcular a deformação produzida a partir da variação de tensão nos terminais da ponte. Para uma ponte de wheatstone, a variação de tensão nos terminais à saída da ponte é função da

52 30 CAPÍTULO 3. EQUIPAMENTO DE TRABALHO tensão de excitação à entrada assim como das variações das quatro resistências. Assim sendo, de acordo com [4], [12], [10] e com [2], e para o caso mais geral temos a equação 3.9. V CH = R 1 R 3 R 2 R 4 (R 1 + R 2 ) (R 3 + R 4 ) V EX (3.9) É importante notar que no caso de termos R 1 R 3 = R 2 R 4, a ponte está em equilíbrio e a tensão à saída é nula. Este pormenor é muito útil pois permite o balanceamento da ponte de forma a que a saída seja nula para deformação nula. Comecemos por definir um parâmetro intermédio, o voltage racio ou V r na equação V r = V CH(carregado) V CH (repouso) V EX (3.10) Então para a meia ponte do tipo I, temos a equação 3.11a, mencionada pelos mesmos autores. Nessa equação é visível o efeito provocado pela resistência dos fios eléctricos. Se a resistência for muito pequena então R fios é muito pequeno e poderá desprezar-se, simplificando-se a equação para a expressão 3.11b apresentada. ( 4 V r ε = GF (1 + 2 V r ) V r ε = GF (1 + 2 V r ) R fios R extensómetro ) (3.11a) (3.11b) Segundo os autores acima mencionados, para o segundo tipo de ponte, ilustrado na figura 3.8, temos também o mesmo tipo de equação e de simplificação, ambas explicitadas nas equações 3.12a e 3.12b,. ε = 2 V r GF ε = 2 V r GF ( 1 + R fios R extensómetro ) (3.12a) (3.12b) Colagem dos extensómetros Os extensómetros utilizados para instrumentar o componente mecânico são extensómetros triaxiais iguais aos da figura 3.9. Estes extensómetros possuem uma resistência de 120Ω, com um Gauge Factor de 2.14 e são fabricados pela Showa Measuring Instruments Co.,Ltd.. A opção por

53 3.5. EXTENSOMETRIA 31 extensómetros tri-axiais não foi uma opção de projecto mas sim uma opção de logística por não existirem extensómetros bi-axiais disponíveis. Desta forma optou-se por instalar os tri-axiais e deixar em circuito aberto os terminais correspondentes ao extensómetro intermédio (a 45º com os outros dois). Com este tipo de extensómetros, correspondente a dois extensómetros a 90º entre si, podemos garantir que, aquando da colagem, esse ângulo se mantém. Assim é possível fazer apenas uma colagem em cada local de medição, simplificando o processo e minimizando as probabilidades de erro. Figura 3.9: Exemplo de extensómetro utilizado neste trabalho (SHOWA N32-FA ) Na utilização de extensometria para análise experimental de tensões, uma das maiores fontes de erros provem da má colagem dos extensómetros. Para o correcto funcionamento dos extensómetros a sua base tem que deformar tanto quanto a superfície que pretendem medir. Se esta colagem não for perfeita, e o utilizador não se aperceber desse facto, nunca conseguirá obter correlações entre resultados teóricos e práticos. Como tal, lista-se abaixo a metodologia seguida baseado no procedimento descrito em [4], de forma a garantir uma boa colagem dos extensómetros utilizados no componente mecânico instrumentado. Em primeiro lugar, limpou-se a superfície do alumínio nos locais onde se pretendiam fixar os extensómetros. Esta limpeza implica também o uso de uma lixa de grão muito fino para eliminar a rugosidade superficial causada pelo tipo de acabamento. A peça foi fabricada com recurso a uma fresa de comando numérico. No entanto, para minorar a ocupação da máquina e porque não era um requisito de fabrico, não foi dada atenção ao acabamento superficial e este ficou tal e qual a ultima passagem da fresa, ainda com uma cabeça de desbaste. O único tipo de acabamento utilizado foi um banho para protecção contra a corrosão. Na figura 3.10 pode observar-se a superfície já devidamente lixada e limpa. Nota-se nesta figura que, para eliminar a rugosidade da superfície, foi necessário remover parte da película anti-corrosiva. Após a limpeza, é necessário alinhar os extensómetros com os eixos ao longo dos quais se pretende medir a deformação do material. Esses mesmos eixos foram marcados no local de colagem tal como se nota na figura 3.10(b).

54 32 CAPÍTULO 3. EQUIPAMENTO DE TRABALHO (a) Superior (b) Inferior Figura 3.10: Vista de pormenor das duas superfícies de colagem dos extensómetros O passo seguinte consiste em colar os extensómetros à superfície alvo. Este processo implica a utilização de um adesivo. Há inúmeros adesivos disponíveis no mercado e diferem no tipo de composto base, tempo e tipo de cura, resistência a ambientes adversos, entre outros factores. Para explicitar as diferenças entre os vários adesivos, optou-se por incluir a tabela da figura A opção recaiu sobre um adesivo à base de cianoacrilato visto que este proporcionava um tempo de cura atractivo e sem necessidade de controlo de temperatura. A peça ao qual foi aplicado não está sujeita a altas temperaturas portanto não há risco de descolagem por deformação térmica do adesivo. Figura 3.11: Tipos de adesivos para colagem de extensómetros e respectivas características (Fonte: Showa Measuring Instruments Inc.) Para garantir uma boa adesão é necessário pressionar o extensómetro contra a superfície à qual se pretende obter adesão, obtendo-se um aspecto final como o visível na figura 3.12(a). Após o devido tempo de cura do adesivo, optou-se por aplicar duas camadas de verniz

55 3.5. EXTENSOMETRIA 33 (a) Sem verniz (b) Com verniz Figura 3.12: Extensómetros já colados na peça, com e sem a camada de verniz protector protector. Este verniz destina-se a evitar que ambientes mais agressivos possam danificar o extensómetro assim como proteger a colagem de puxões ou esticões no cabo. A referida camada protectora é visível na figura 3.12(b). Posteriormente soldaram-se aos terminais do extensómetro os fios eléctricos que servirão para fazer a ligação posterior em ponte de wheatstone. Na figura 3.13 são visíveis os pontos de solda e o cabo utilizado. (a) Inferior (b) Superior Figura 3.13: Aspecto final da montagem dos extensómetros com camada de verniz, soldaduras, cabos eléctricos e fita protectora Como medida adicional de protecção, foram aplicadas mais três novas camadas de verniz que servem também para isolar electricamente os dois fios de alimentação e respectivas soldaduras. Finalmente, usou-se fita isoladora para prender firmemente o cabo dos extensómetros à peça instrumentada de modo a que na eventualidade de um puxão no cabo, esse mesmo

56 34 CAPÍTULO 3. EQUIPAMENTO DE TRABALHO esforço não fosse transmitido às soldaduras, evitando assim possíveis fontes de maus contactos. Esse trabalho é visível na figura Finda a instrumentação do componente, passou-se ao teste descrito na secção com o objectivo de verificar o sucesso da colagem.

57 Capítulo 4 Montagem e Resultados Experimentais Neste capítulo pretende-se explicar e mostrar de forma sucinta os ensaios realizados, a sua montagem experimental, os resultados obtidos e as conclusões retiradas dos mesmos. 4.1 Calibração e verificação dos sensores Antes da utilização dos sensores para a recolha de dados é necessário verificar o seu correcto funcionamento e efectuar um ensaio de calibração de forma a acautelar eventuais erros de medição que podem ser provocados pelo próprio sensor. Recorrendo a este ensaio simples foi possível avaliar as principais características de um sensor, tal como descrito em [2]. Estes ensaios foram conduzidos em ambiente controlado de forma a garantir a máxima exactidão dos resultados Acelerómetros Para testar o funcionamento dos acelerómetros, foi feito um ensaio de calibração recorrendo a um inclinómetro, um acelerómetro previamente calibrado, fontes de tensão e multímetros 1. Importa detalhar que os cabos usados para estes ensaios de calibração foram cabos entrançados e com baínha metálica permitindo um bom isolamento de ruído electromágnetico assim como 1 Ensaio realizado na sala contígua ao laboratório de mecânica aplicada, Piso -1 do pavilhão de mecânica III do IST, a com uma temperatura ambiente de 27.8 ºC e uma humidade relativa de 31% 35

58 36 CAPÍTULO 4. MONTAGEM E RESULTADOS EXPERIMENTAIS evitar as perdas de qualidade no sinal a transmitir através dos mesmos. A figura 4.14 apresenta uma vista geral da montagem experimental enquanto que na figura 4.15 se esquematiza, de forma simplificada as ligações aos dois acelerómetros em estudo, para este primeiro ensaio de calibração. Figura 4.14: Vista geral da montagem experimental utilizada para fazer a calibração dos acelerómetros. O ensaio em si é relativamente simples, consistindo em fazer inclinar o acelerómetro que se pretende calibrar acoplado ao inclinómetro como esquematizado na figura Após registar o ângulo em que se encontra o acelerómetro e o valor em Volt apresentado no multímetro, é possível saber a aceleração. Com essa aceleração podemos construir uma curva de calibração para o acelerómetro baseada na interpolação dos pontos obtidos experimentalmente. Assim sendo, passamos a dispor de uma relação entre o valor da tensão em Volt nos terminais do acelerómetro e a aceleração medida. Este procedimento foi seguido para os dois acelerómetros disponíveis de modo a confirmar a sua linearidade e bom funcionamento. Para o acelerómetro ADXL335, em estudo, a curva de calibração obtida encontra-se representada na figura Com a interpolação linear dos pontos experimentais obtidos, é possível escrever a equação 4.13a que permite converter o valor medido da aceleração em mv para G s. aceleração G s = valor mv R 2 = 99.98% (4.13a) (4.13b) É importante realçar que se obteve uma recta, tal como esperado, o que atesta o bom funcionamento

59 4.1. CALIBRAÇÃO E VERIFICAÇÃO DOS SENSORES 37 Figura 4.15: Esquema simplificado da montagem experimental utilizada para fazer a calibração dos acelerómetros. Figura 4.16: Curva de calibração do acelerómetro ADXL335 obtida experimentalmente com recurso a um inclinómetro

60 38 CAPÍTULO 4. MONTAGEM E RESULTADOS EXPERIMENTAIS do sensor e indica a ausência de erros durante a realização do ensaio. suportada pelo valor do quadrado do coeficiente de correlação(r 2 ) obtido. Esta afirmação é Para o acelerómetro de precisão, optou-se por realizar também um ensaio de calibração por forma a validar os dados constantes na folha de produto do mesmo, [13]. Assim sendo, com o mesmo método do ensaio anterior, construiu-se a curva de calibração representada na figura Figura 4.17: Curva de calibração do acelerómetro de precisão Systron Donner obtida experimentalmente com recurso a um inclinómetro Se, para obtermos a recta que interpola os pontos experimentais, recorrermos a uma aproximação linear, obtem-se a equação 4.14a. aceleração G s = valor mv R 2 = 99.99% (4.14a) (4.14b) Novamente, evidencia-se o coeficiente de correlação, cujo valor obtido é muito satisfatório e espelha a qualidade do ensaio. Este valor indica uma quase perfeita adequação entre a recta cuja equação definimos em 4.14a e os pontos obtidos experimentalmente representados na figura Posteriormente acoplou-se em conjunto os dois acelerómetros e o inclinómetro de acordo com a figura Com este setup foi possível comparar os dados obtidos com a recém calculada curva de calibração e os dados provenientes do acelerómetro calibrado. Verificou-se que ainda há algum erro associado às medições embora o mesmo seja aceitável visto que tem um valor máximo de 2.22% no erro de fim da escala. Na tabela 4.3, ilustram-se os dados obtidos e

61 4.1. CALIBRAÇÃO E VERIFICAÇÃO DOS SENSORES 39 os erros associados para comparação entre o valor dado pelo acelerómetro a calibrar e o acelerómetro calibrado. Tabela 4.3: Resultados experimentais do ensaio de calibração do acelerómetro. Acelerómetro Acelerómetro Erro Absoluto Erro Relativo Erro Fim de Precisão [G s] ADXL335 [G s] % de Escala % Posteriormente foi efectuado mais um ensaio de calibração, mas desta vez utilizando o sistema de instrumentação completo, ou seja, foram ligados ao Arduino todos os três acelerómetros, os potenciómetros, leitor de cartões SD, LEDs, interruptores e outros. O setup experimental foi semelhante ao usado no ensaio anterior, com a diferença de que o acelerómetro foi ligado ao Arduino e não a um multímetro. Na preparação deste ensaio verificou-se que o microcontrolador, apesar de alimentado por uma bateria de 12V, quando ligado ao computador através do interface Serial/USB, fornece uma tensão na porta 3.3V de V diferente de quando a porta USB se encontra desligada (3.382 V). Para evitar que este factor interferisse no ensaio, visto que o output do acelerómetro é proporcional à tensão de alimentação do mesmo, optou-se por criar um novo algoritmo de aquisição de dados controlado por um botão de pressão que desencadeia a aquisição de dados no conversor analógico-digital. Esses mesmos dados são então transmitidos através do bus SPI para o cartão de memória SD. Figura 4.18: Esquema simplificado da montagem experimental utilizada para fazer a calibração dos acelerómetros mas, desta vez, em funcionamento conjunto com o Arduino.

62 40 CAPÍTULO 4. MONTAGEM E RESULTADOS EXPERIMENTAIS Apresenta-se no diagrama de blocos da figura 4.18 a esquemática das ligações entre os vários componentes utilizados no ensaio e na figura 4.19 a curva de calibração obtida para o conjunto. Figura 4.19: Curva de calibração do conjunto composto pelo acelerómetro ADXL335 e pelo Arduino Da recta que interpola os pontos obtidos experimentalmente resulta a equação seguinte: aceleração G s = valor ADC R 2 = 100% (4.15a) (4.15b) Esta curva permite calcular o valor da aceleração medida com base no valor à saída do conversor analógico-digital, recorrendo para isso à equação 4.15a que corresponde a uma aproximação linear para os pontos experimentais. De notar que esta curva se adequa perfeitamente aos pontos obtidos experimentalmente, facto suportado pelo valor unitário obtido para o quadrado do coeficiente de correlação. Igualmente importante é que com esta calibração é possível obter o valor da aceleração directamente, sem necessidade de converter os valores experimentais em resultados intermédios (em mv) e posteriormente nos resultados finais (em G s). Caso os resultados fossem provisoriamente convertidos em mv, correríamos o risco de introduzir erros nos dados, visto que seria necessário o conhecimento muito preciso da tensão de alimentação dos acelerómetros. Este encurtar de etapas para obtenção do valor final permite evitar erros assim como contribuí para a simplicidade de todo o processo. É importante referir que estes acelerómetros, para os quais se fez a calibração e posterior comparação com um acelerómetro de precisão, são acelerómetros baratos mas cujos resultados surpreenderam pela positiva. Com um erro de fim de escala da ordem dos 2% e um erro absoluto inferior a 0.1G s o ensaio foi considerado positivo. Com este tipo de equipamento, é possível

63 4.1. CALIBRAÇÃO E VERIFICAÇÃO DOS SENSORES 41 terem-se sensores com uma elevada relação qualidade/preço. No anexo B.1 encontra-se detalhada a lista de material assim como imagens detalhadas das montagens experimentais Extensometria e Placa NI O ensaio abaixo descrito destinou-se a validar a metodologia proposta para a aquisição das deformações no componente alvo através de uma placa de aquisição de dados NI-9237 acoplada a um módulo de conversão Serial-USB USB-9162 também da National Instruments. O primeiro teste 1 ao equipamento acima mencionado foi idealizado de forma a adquirir o valor da deformação à superfície de uma viga de secção rectangular na localização do extensómetro. As dimensões e características do provete disponível para o ensaio encontram-se indicadas na tabela 4.4 e na tabela 4.5 podemos encontrar as especificações dos extensómetros nele colados. Tabela 4.4: Características do provete ensaiado do tipo viga metálica Distância do Encastramento Largura Espessura Área da 2º Momento de Modulo de ao extensómetro[mm] [mm] [mm] Secção[m 2 ] Área[m 4 ] Young[Pa] Tabela 4.5: Características do extensómetros colados no provete ensaiado Resistência Gauge Comprimento Largura Direcção Quant. Tipo de Factor grelha [mm] grelha [mm] Ponte 120Ω Uni-axial 2 Activos Meia ponte Neste trabalho os extensómetros usados já se encontravam colados e portanto não houve possibilidade de fazer compensação para variações de temperatura visto não estarem disponíveis mais extensómetros do mesmo lote para usar como dummy gauges. No entanto, tal facto não teve consequências visíveis nos resultados porque o ensaio foi de curta duração ( 10min) e o compartimento onde o mesmo se realizou possui ar condicionado com controlo de temperatura. A peça instrumentada não se encontrava exposta a radiação solar e a iluminação encontravase a uma distância suficiente grande para não provocar o aquecimento da mesma. A viga é constituída por uma liga de alumínio Na figura 4.20 podemos observar o setup utilizado com a barra e os extensómetros. Na figura 4.21 encontra-se o diagrama com a localização dos extensómetros, encastramento e carregamento. 1 Ensaio realizado no Laboratório de Vibrações e Ruído, na cave do pavilhão de mecânica III do IST

64 42 CAPÍTULO 4. MONTAGEM E RESULTADOS EXPERIMENTAIS (a) Vista geral (b) Extensómetros (c) Pesos e suporte Figura 4.20: Vista geral do setup experimental utilizado para medir a extensão provocada por um carregamento de flexão e vistas de pormenor com os extensómetros, pesos e respectivo suporte. Figura 4.21: Posicionamento dos extensómetros na viga ensaiada assim como também dos esforços e dos apoios. Neste ensaio utilizaram-se as equações da Mecânica clássica para o cálculo da extensão e da tensão exercida pelo carregamento na zona dos extensómetros. Começando a partir da equação (16.19) apresentada em [14], correspondente a tensão normal de flexão para um caso genérico com momentos flectores em xx e yy (M x e M y, respectivamente) e seguindo a metodologia aí apresentada temos a sequência de raciocínio descrita nas equações 4.16 e σ z = M x (I yy y I xy x) I xx I yy I 2 xy + M y (I xx x I xy y) I xx I yy I 2 xy (4.16) Sabendo antecipadamente que a secção onde se encontra colado o extensómetro tem forma rectangular, o produto de inércia cruzado, I xy é nulo, visto que há dois eixos de simetria, e podemos, portanto, simplificar a equação. Sabemos também que não há momento M y aplicado,

65 4.1. CALIBRAÇÃO E VERIFICAÇÃO DOS SENSORES 43 logo verifica-se que a segunda parcela da equação se anula. Assim obtemos a equação 4.17, forma simplificada de 4.16, através da qual foram calculados os valores representados na figura 4.22 e tabela 4.6. σ z = M x I xx y (4.17) Onde E é o módulo de young. ε z = E σ z (4.18) Figura 4.22: Resultados Experimentais obtidos a partir do ensaio a uma viga encastrada sujeita a várias cargas de flexão Recorrendo também a [14], Eq. (16.13), reproduzida de forma mais conveniente na equação 4.18, a Lei de Hooke, permite calcular a extensão resultante dessa mesma carga. A comparação entre o valor teórico e o valor experimental obtido encontra-se no gráfico da figura 4.22 onde se podem observar também e evolução devida aos vários pesos aplicados sucessivamente. Embora os resultados não sejam exactos, é necessário notar que as variações nos resultados são da ordem dos 3%, valor que pode ser atribuído aos erros humanos cometidos aquando da medição das dimensões do provete ou variações nas propriedades do material. A aquisição de dados decorreu tanto para a situação de carregamento como também para descarregamento. Os resultados obtidos para a extensão foram os mesmos para as duas situações e por isso apenas se apresentam aqueles relativos à primeira mencionada. No gráfico da figura 4.22

66 44 CAPÍTULO 4. MONTAGEM E RESULTADOS EXPERIMENTAIS pode observar-se uma pequena divergência entre as duas rectas. Nota-se, no entanto, que o declive das mesmas é constante e portanto o erro relativo cometido nas medições aparenta ser aproximadamente constante apesar do erro absoluto aumentar com a carga. Este facto é facilmente quantificável e para isso construiu-se a tabela 4.6. Na mesma tabela reproduziu-se um dos valores obtidos à descarga para demonstrar a sobreposição acima mencionada. Tabela 4.6: Resultados teóricos e experimentais para o ensaio a uma viga encastrada, com comparação entre os dois através do erro absoluto e erro relativo Carga Extensão Teórica Extensão Prática Erro Absoluto Erro Relativo [N] [µ] [µ] [µ] [%] (descarga) Para além das já enumeradas boas correlações entre os resultados e a teoria, é importante realçar a linearidade do gráfico o que indica a correcta aquisição de dados, colagem e ligação dos extensómetros e demais condições de ensaio. Com este ensaio preliminar foi possível validar a metodologia de aquisição de dados assim como aferir a qualidade da calibração da placa. 4.2 Ensaios Laboratoriais No decurso da implementação do sistema de aquisição de dados, foram feitos vários ensaios menores com vista a testar os vários subcomponentes, cujos detalhes não são aqui relevantes. No entanto, há um ensaio que contribuiu largamente para o desenvolvimento desta Tese, apresentado na secção seguinte Ensaio a um componente instrumentado Procedeu-se a um ensaio 1 com vista a aferir o sucesso da colagem dos extensómetros descrita em Para este ensaio, optou-se por ligar, primeiramente, por intermédio de uma breadboard para prototipagem e posteriormente com uma caixa de junção para redução de ruído, os extensómetros na Ponte de Wheatstone, tal como se nota na figura Note-se um dos ramos da ponte referida está desenhado a traço interrompido. Esta nomenclatura pretende indicar que esse 1 Ensaio realizado na sala contígua ao laboratório de mecânica aplicada, Piso -1 do pavilhão de mecânica III do IST, no dia ( ) com uma temperatura ambiente de 26.6 ºC e uma humidade relativa de 28%

67 4.2. ENSAIOS LABORATORIAIS 45 mesmo ramo não existe na ponte implementada visto que está na verdade, dentro da placa de aquisição de dados. Uma das vantagens da utilização de uma placa destas é a sua capacidade de completar diversas configurações de meias pontes. A opção por esta configuração de ponte, para além de ser recomendada em [5], em [12] e [4] por garantir imunidade às alterações térmicas, deve-se ao facto de existirem esforços combinados de tracção e de flexão. Embora a configuração que garantiria maior sensibilidade seria uma ponte completa, com estes dois esforços referidos, e com a colagem dos dois pares de extensómetros feita na peça, descrita na secção 3.5.1, as duas pontes completas possíveis apenas permitiriam medir um dos esforços de cada vez. Esse tipo de metodologia implicaria dois ensaios em condições idênticas para que após o pós-processamento se tentasse reconstruir o esforço na peça. Para além da dificuldade acrescida devido à necessidade de garantir a repetibilidade do ensaio, há que garantir que as ligações à placa se mantivessem inalteradas. Note-se que na figura referida anteriormente, há também a ligação de dois sinais, RS+ e RS-, utilizados para fazer o Remote Sensing. Este consiste em medir directamente a tensão de excitação da ponte, podendo a placa de aquisição de dados compensar automaticamente a resistência interna dos próprios fios, assinalada na figura como R lead. Com esta informação, o dispositivo ajusta a voltagem de excitação da ponte, EX+ e EX-, de modo se esta ser exactamente a que se pretende. Assim, a tensão medida nos terminais Al+ e Al-, que posteriormente é convertida em micro deformações, pode ser comparada com a tensão fornecida para referência com muita exactidão. Para o ensaio em discussão, as ligações foram as descritas na tabela 4.7. Figura 4.23: Ligação dos extensómetros segundo numa Ponte de Wheatstone com utilização do Remote Sensing e Shunt Calibration (Fonte: National Instruments) 2 A nomenclatura utilizada está de acordo com a da figura 3.12(b) e com os eixos assinalados nas rosetas da figura 3.9, em que temos duas orientações e dois eixos para cada um dos extensómetros: Longitudinal ou Transversal e eixos 1 ou 3

68 46 CAPÍTULO 4. MONTAGEM E RESULTADOS EXPERIMENTAIS Tabela 4.7: Compatibilidade entre os extensómetros colados (Figura 3.12(b)) e o esquema eléctrico (Figura 4.23) Resistências R1 R2 R3 R4 Extensómetro 2 3L 1T Interno Interno Para a realização do ensaio propriamente dito, recorreu-se a pesos previamente calibrados e apoiaram-se os mesmos no topo da peça, um a um, lendo o valor da deformação através da placa e software referidos na secção Na figura 4.24 podem observar-se dois dos pesos utilizados, apoiados sobre a peça. É também visível a breadboard e placa de aquisição de dados, assim como os cabos de ligação entre ambas. A voltagem de excitação utilizada foi de 10V e antes do ensaio procedeu-se ao balanceamento da ponte de forma a que a situação de repouso correspondesse a deformação nula. A escolha da voltagem de excitação da ponte deve-se ao princípio de funcionamento dos extensómetros e às características da placa de aquisição de dados. Utilizando uma voltagem de excitação de 10V é possível aumentar a relação sinal/ruído tal como documentado em [15]. O conceito é simples: na verdade o aumento da voltagem de excitação faz com que se aumente a magnitude da variação de tensão causada por uma dada variação de resistência, quando comparada com uma tensão de excitação mais baixa. Assim, consegue-se aumentar a sensibilidade da placa e também a relação sinal/ruído. Figura 4.24: Aspecto geral da primeira montagem experimental utilizada para carregar a peça e ler as deformações nela provocadas, ainda com recurso a uma breadboard. O balanceamento foi feito com recurso à rotina de calibração existente no software em uso, fazendo uso de uma resistência de precisão de 100kΩ ligada em paralelo com a resistência R2 da ponte. Os pinos assinalados como SC, correspondem a Shunt Calibration, estão internamente ligados a essa mesma resistência, daí a sua presença no circuito. Aquando da utilização do

69 4.2. ENSAIOS LABORATORIAIS 47 software de calibração, o programa liga e desliga essa resistência do circuito SC conforme se encontre em calibração ou não. Para este ensaio realizou-se uma simulação computacional com o modelo CAD em SolidWorks e o seu módulo de elementos finitos designado Simulation. Neste modelo foram aplicadas as mesmas cargas e apoios que no ensaio experimental. Para a malha de elementos finitos foi utilizado o modo automático, visíveis nas figuras 4.25 e Figura 4.25: Vista geral da malha gerada No entanto, apesar da metodologia ter aqui sido utilizada como uma mera ferramenta e não ter sido abordado o seu conteúdo, simularam-se malhas com diferentes complexidades. Começouse por utilizar uma malha com poucos nós (3785) aumentando progressivamente a sua complexidade até atingir os nós. Estas simulações tiveram por objectivo aferir a convergência de resultados com o aumentar de número de nós na malha. Entre os dois casos limite apresentados verifica-se uma diferença de 0.04 micro-deformações correspondendo a uma diferença de 0.01%, donde se concluiu que com a malha menos densa, o resultado já convergiu. De forma a averiguar qual o tipo de carregamento na zona onde foi colado o extensómetro, foi feita uma simulação com vista a calcular as tensões principais e respectivas direcções naquela localização. Este estudo computacional revelou que o estado de tensão na zona é uni-dimensional, existindo apenas tensão de tracção junto à superfície do componente e esta está alinhada com o eixo

70 48 CAPÍTULO 4. MONTAGEM E RESULTADOS EXPERIMENTAIS Figura 4.26: Vista de pormenor da malha gerada na localização correspondente ao extensómetro longitudinal da peça. Em [16] poderá ser encontra mais informação acerca do métodos dos elementos finitos e sobre a geração de malhas. Tabela 4.8: Resultados experimentais obtidos no ensaio com pesos à peça instrumentada com extensómetros. Carga Extensão Teórica Extensão Prática Erro Absoluto Erro Relativo [N] [µ] [µ] [µ] [%] Os resultados obtidos encontram-se detalhados na tabela 4.8 e ilustrados na figura Na tabela mencionada é visível que a diferença obtida na realização do ensaio ronda os 20%. Nas figuras 4.27 e 4.28 são também visíveis os resultados obtidos para toda a peça. Tal como se poderá observar no gráfico da figura 4.29, as duas evoluções são lineares, o que já era esperado, uma vez que estamos a trabalhar no regime de deformações elásticas. Por outro lado a diferença nos declives é representativa das diferenças anteriormente mencionadas, as quais são certamente o produto de diversos factores. Não é possível ao autor identificar qual a origem precisa, nem quantificar de forma exacta a influência de cada um dos factores mas é

71 4.2. ENSAIOS LABORATORIAIS 49 Figura 4.27: Vista esquerda da extensão obtida para um cálculo de elementos finitos Figura 4.28: Vista direita da extensão obtida para um cálculo de elementos finitos

72 50 CAPÍTULO 4. MONTAGEM E RESULTADOS EXPERIMENTAIS Figura 4.29: Gráfico com os resultados experimentais obtidos no ensaio com pesos à peça instrumentada com extensómetros. possível listar as mais prováveis: Localização do Extensómetro Imprecisões na determinação da localização do extensómetro. A localização do extensómetro colado foi obtida com recurso a medições com uma craveira. Estas medições foram feitas pelo autor e confirmadas por outros, mas por mais bem feita que possa ser, nunca é uma medição exacta. Adicionalmente o uso de uma roseta, implica que apenas um dos extensometros está verdadeiramente em contacto com a base. Os outros, empilhados, estão em contacto com a película que isola o primeiro e portanto, a uma distância diferente da superfície. É claro que o processo de construção dos extensómetros tenta mitigar este efeito, mas não o consegue eliminar por completo. Há ainda a acrescentar a influência do aquecimento por efeito de Joule de uma das grelhas sobre as outras e vice-versa, embora o tipo de ponte utilizado preveja a compensação deste efeito de variação de temperatura; Ligações eléctricas ao extensómetro A utilização de uma caixa de junção é uma melhoria relativamente a breadboard, mas ainda assim apresenta problema de adição de ruído. Mais, o cabo utilizado para fazer a ligação do extensómetro à placa de aquisição de dados possui um comprimento francamente superior ao necessário, por razões operacionais. Este comprimento implica a adição de uma resistência adicional que, embora compensada pelo programa, poderá o seu efeito não ter sido totalmente eliminado; Orientação dos eixos dos extensómetros A orientação dos eixos dos extensómetros foi definida

73 4.3. ENSAIO INTERMÉDIO 51 aquando da sua colagem. Algum erro, mesmo que de décimas de grau, na orientação do eixo de medição em relação ao eixo longitudinal da peça, resulta numa abertura angular entre a direcção ao longo da qual há a maior componente de extensão e a direcção ao longo da qual estamos a medir. Caracteristicas do material As propriedades do material utilizadas para efectuar a simulação são as propriedades tabeladas para a liga de alumínio 7075-T6. No entanto, o componente mecânico já esteve em serviço e as propriedades mecânicas poderão ter sofrido variações, nomeadamente devido a choques. Também o processo de fabrico do componente, a partir de uma chapa de alumínio, pode alterar as propriedades do material na direcção de laminagem e na direcção transversal, tal como mencionado por [4] e também amplamente descrito em [17] e [18]. Apesar das diferenças mencionadas, considerou-se o ensaio válido. Será necessário considerar a hipótese de, em futuros trabalhos sobre a mesma peça, melhorar o modelo de elementos finitos, ao mesmo tempo que empregar um método de fixação dos extensómetros mais rigoroso. Por outro lado, seria importante fazer uma caracterização detalhada do material de forma a confirmar as suas propriedades mecânicas. 4.3 Ensaio Intermédio O primeiro teste ao sistema desenvolvido, foi efectuado durante o mês de Maio, por ocasião da participação do protótipo HidrogenIST na Shell Eco Marathon O sistema consistia em dois acelerómetros e dois potenciómetros, ligados a um microcontrolador Arduino Mega Montagem As imagens 4.30 ilustram a montagem dos sensores no protótipo. Optou-se por fixar um acelerómetro do lado esquerdo, junto à roda traseira e outro no topo do rollbar tal como se pode ver abaixo. O potenciómetro da direcção ficou na rótula da direcção identificada na imagem 4.30(a). É importante referir que a orientação dos eixos dos acelerómetros não é a mesma para as duas montagens. A compatibilização da orientação dos eixos foi feita no decorrer do processamento dos dados em MATLAB. A aquisição de dados foi conseguida através de um código escrito em Matlab que foi deixado em execução num computador transportado a bordo do protótipo instrumentado.

74 52 CAPÍTULO 4. MONTAGEM E RESULTADOS EXPERIMENTAIS (a) Potenciómetro direcção (b) Acelerómetro traseiro (c) Acelerómetro central Figura 4.30: Localização e montagem dos vários sensores no protótipo Resultados Verificou-se que o ruído na leitura dos acelerómetros foi bastante acentuado, provavelmente devido ao ruído electromagnético e à rugosidade da própria superfície do asfalto. O valor da aceleração foi calculado com base nos dados disponíveis na datasheet do acelerómetro [3], mais especificamente, no facto da tensão à saída ser proporcional à tensão de alimentação e no facto de V cc/2 corresponder ao valor nulo de aceleração. Olhando para a evolução dos parâmetros tal e qual como se obtêm do sistema de instrumentação, não se consegue observar nenhuma correlação entre as acelerações laterais e a posição da direcção, tal como é visível no primeiro gráfico da figura Como forma de melhor compreender os resultados, foi necessário implementar um filtro passabaixo por software. Este método tem a desvantagem de requerer um tratamento de dados intermédio mas viabiliza a utilização dos dados recolhidos durante esta sessão. Assim sendo apresenta-se de seguida a evolução das mesmas grandezas com e sem o filtro implementado. Como se poderá facilmente identificar no segundo gráfico da figura 4.31, o valor da aceleração lida pelos acelerómetros em repouso não está centrado no valor esperado para o referido eixo. Este erro deve-se à conjugação de vários factores, sendo os mais importantes as diferentes localizações dos acelerómetros e respectiva proximidade a fontes de ruído, assim como a tensão de alimentação dos mesmos que neste primeiro ensaio não provinha da mesma fonte. O acelerómetro colocado no topo do roll-bar foi alimentado recorrendo à saída de 3.3V do próprio Arduino mas o outro, localizado junto a direcção, foi alimentado com recurso a um conversor de tensão externo1. Esta diferença é suficiente para termos erros de offset significativos, visto que, à altura, se desconhecia ainda a tensão de alimentação exacta dos acelerómetros assim como a sua curva de calibração. 1O conversor de tensão utilizado foi o circuito integrado LD33V, fabricado pela STMicroelectronics

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