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  • Sistema Mvel de Ensaios No-Destrutivos comCorrentes Turbilhonares

    Tiago Jorge Rocha

    Dissertao para obteno do grau de Mestre em

    Engenharia Electrotcnica e de Computadores

    Jri

    Presidente: Prof. Marcelino Bicho dos SantosOrientador: Prof. Artur Fernando Delgado Lopes RibeiroCo-Orientador: Prof. Helena Maria dos Santos Geirinhas RamosVogal: Prof. Carlos Francisco Beltran Tavares de Almeida

    Junho 2011

  • Agradecimentos

    As minhas primeiras palavras de agradecimento so dedicadas aos meuspais Fernanda Rocha e Carlos Rocha, minha irm Ana Rocha, assimcomo ao resto da minha famlia, pelo apoio e motivao que me deram du-rante todo o meu percurso escolar incluindo os anos que frequentei o cursode engenharia electrotcnica e de computadores.

    Pela disponibilidade e orientao agradeo aos Professores HelenaRamos e Artur Ribeiro, que contriburam muito para o aumento dos meusconhecimentos na rea da instrumentao e que sempre acreditaram nasminhas ideias para o desenvolvimento deste trabalho.

    Agradeo ao meu amigo e colega Drio Pasadas pelo apoio e presenadurante o desenvolvimento e implementao deste trabalho, e por estarsempre pronto para ajudar nos momentos difceis.

    Quero tambm agradecer minha amiga e ex-colega Catarina Carvalhopor proporcionar um excelente ambiente de estudo durante todo o curso epela companhia nas aulas de praticamente todas as disciplinas que conclu.

    Por ltimo, mas no menos importante, agradeo aos meus amigos comquem estou quase diariamente pela boa disposio e incentivos que metransmitiram em todos estes anos.

    i

  • ii

  • Resumo

    Os ensaios no destrutivos desempenham um papel importante na pre-veno, segurana e custo das aplicaes industriais, tais como oleo-ductos,avies e caminhos de ferro.

    Este trabalho tem como objectivo projectar e implementar um sistemaporttil capaz de detectar fissuras em metais, mais especificamente, emalumnio utilizado na indstria de aviao e aeroespacial. O mtodo deensaios no destrutivos baseia-se no princpio das correntes turbilhonares,que um mtodo comum utilizado nesta rea, pois est particularmentebem adaptado para a deteco de fissuras causadas pela fadiga do materiale corroso, no sendo necessria uma preparao do material em causa.

    A ponta de prova do sistema implementado contm uma bobina de ex-citao e um sensor magntico baseado em magnetoresistncias gigantes(Giant Magnetoresistance - GMR). Solidrio com a ponta de prova encontra-se um rato ptico de computador, cuja funo operar como sistema deposicionamento. Foi tambm implementado um gerador de corrente, res-ponsvel pela excitao da bobina que cria o campo magntico no materialem ensaio e um bloco analgico de processamento de sinais do ensaio,cujo objectivo obter os parmetros (amplitude e diferena de fase) destessinais de forma simples e com baixo custo.

    Todo o sistema controlado por um microcontrolador da Microchip, queexecuta a converso dos parmetros obtidos para formato digital a partirde um conversor analgico/digital embutido, determina a posio da pontade prova, guarda a informao numa memria esttica de acesso aleatrio(Static Random Access Memory - SRAM), e envia-a para um computadorpessoal atravs de um sistema de comunicao sem fios Bluetooth.

    Foi desenvolvida uma aplicao no computador pessoal cuja funo receber os dados do ensaio e posies da ponta de prova, e apresentar aoutilizador uma representao grfica do ensaio.

    Palavras-chave: ensaio no destrutivo, GMR, correntes turbilhonares,correntes de Foucault.

    iii

  • Abstract

    Non destructive testing plays an important role in prevention, safety andcost of industrial application, such as oleo-ducts, aircrafts and rail roads.

    This works focuses on the project and implementation of a portable sys-tem capable of detecting defects on metals, more specifically, in aluminumused in the industry of aviation. The method of non destructive testing isbased in the principle of Foucault currents, which is commonly used in thisfield. The method is particularly well adapted for the detection of defects inmetals caused by fatigue and corrosion, and does not require a preparationof the material under testing.

    The probe implemented in the system contains an excitation coil anda magnetic sensor based in giant magnetoresistances (GMR). An opticalcomputer mouse was attached to the probe with the purpose of functioningas a positioning system. A current generator was also developed and it isresponsible for the excitation of the coil. An analog processing block wasimplemented to obtain the parameters from the magnetic sensor signals ina simple and low cost manner.

    The whole system is controlled by a microcontroller from Microchip Tech-nology, which executes the conversion of the obtained parameters to digitalformat, obtains the probe position, stores the information in a static randomaccess memory (SRAM), and sends it to a personal computer through awireless Bluetooth communication system.

    An application was developed in the personal computer whose function isto obtain the data from a test and the probe position and display a graphicalrepresentation of the test to the user.

    Keywords: non-destructive testing, GMR, eddy currents.

    iv

  • Contedo

    Agradecimentos i

    Resumo iii

    Abstract iv

    Contedo v

    Lista de Figuras vii

    Lista de Tabelas ix

    Lista de Acrnimos x

    1 Introduo 11.1 Enquadramento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Objectivo do Trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3 Descrio do Trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.4 Estado da Arte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

    2 Testes No Destrutivos com Correntes Turbilhonares 52.1 Descrio do Mtodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

    2.1.1 Descrio da Ponta de Prova . . . . . . . . . . . . . . 62.1.1.1 Bobina de Excitao . . . . . . . . . . . . . . 62.1.1.2 Sensor Magntico . . . . . . . . . . . . . . . 82.1.1.3 Circuito de Sada . . . . . . . . . . . . . . . 102.1.1.4 Posicionamento dos Componentes e Fen-

    menos Envolvidos . . . . . . . . . . . . . . . 102.1.2 Sistema de Localizao . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

    2.2 Detector de Falhas com Processamento num ComputadorPessoal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

    v

  • 2.2.1 Sistema de Medida com Processamento de Sinais numComputador Pessoal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

    2.2.2 Processamento Digital de Sinais . . . . . . . . . . . . 142.2.3 Apresentao das Leituras ao Utilizador . . . . . . . . 152.2.4 Apresentao de um Ensaio . . . . . . . . . . . . . . 162.2.5 Limitaes do Sistema de Deteco . . . . . . . . . . 18

    3 Sistema de Medida com Processamento Analgico 193.1 Utilizao de Circuitos Analgicos no Processamento dos Si-

    nais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193.2 Descrio Geral do Sistema Desenvolvido . . . . . . . . . . . 203.3 Melhoramento da Ponta de Prova e Sistema de Localizao . 213.4 Processamento Analgico de Sinais . . . . . . . . . . . . . . 223.5 Componente Analgica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

    3.5.1 Filtros Passa Banda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.5.2 Medidor de Amplitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.5.3 Medidor de Desfasamento . . . . . . . . . . . . . . . 28

    3.6 Gerador da Corrente de Excitao . . . . . . . . . . . . . . . 303.6.1 Filtro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.6.2 Amplificador de Transadmitncia . . . . . . . . . . . . 31

    3.7 Componente Digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333.7.1 Microcontrolador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343.7.2 Memria Esttica de Acesso Aleatrio (SRAM) . . . . 353.7.3 Algoritmo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.7.4 Mdulo de Radiofrequncia e Transmisso de Dados 40

    3.8 Apresentao dos resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413.8.1 Exemplo de Ensaio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

    3.9 Consumo Energtico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423.10 Custo do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

    4 Resultados Experimentais 454.1 Amplitude e Desfasamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474.2 Assinaturas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

    5 Concluses e Trabalho Futuro 53

    Referncias 55

    A Tabelas de Custos 57

    B Esquemticos 59

    vi

  • Lista de Figuras

    2.1 Bobina de excitao. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.2 Parmetros da impedncia bobina em funo da frequncia. 72.3 Profundidade de penetrao das correntes turbilhonares no

    alumnio em funo da frequncia de excitao. . . . . . . . 82.4 Circuito integrado do GMR (AA002-02) (Cpia do catlogo) . 92.5 Respostas do sensor magntico alimentado com tenso de

    5V para vrias temperaturas. (1 Oe = 1 Gauss no ar) . . . . 92.6 Fenmenos envolvidos na deteco de correntes turbilhona-

    res: na ausncia de fissura (a); na presena de fissura (b). . 112.7 Posio do sensor magntico dentro da bobina. . . . . . . . 112.8 Sistema de localizao composto por um rato ptico solidrio

    com a ponta de prova. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.9 Sistema inicialmente desenvolvido. . . . . . . . . . . . . . . . 142.10 Interface da aplicao no computador pessoal. . . . . . . . . 162.11 Interface de calibrao do sistema de localizao. . . . . . . 172.12 Falha ensaiada com 1 mm de largura, 20 mm de compri-

    mento e 2 mm de profundidade. . . . . . . . . . . . . . . . . 172.13 Parmetros obtidos em funo da posio da ponta de prova. 18

    3.1 Esquema em blocos do sistema desenvolvido. . . . . . . . . 203.2 Ponta de prova melhorada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223.3 Exemplo de sinusides desfasad