ES2288103A1 - Dispositivos activo-pasivos autonomos para control de vibraciones y deteccion de defectos. - Google Patents
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Abstract
La presente invención se refiere a unos dispositivos activo-pasivos para control de vibraciones y detección de defectos en estructuras de carácter autónomo en cuanto a su necesidad de alimentación eléctrica. La conjunción de elementos activos (piezoeléctricos en esta presentación, pero no limitado a éstos) y pasivos (viscoelásticos en esta presentación, pero no limitado a éstos) permite combinar un sistema de control de vibraciones con un sistema de detección de defectos estructurales basado en la detección de anomalías en la propagación de ondas elásticas, en cambios de impedancia electromecánica y en otros cambios de las características o del entorno de los elementos activos, permitiéndose llegar a prescindir de alimentación eléctrica externa dependiendo de su configuración y los niveles de energía de vibración implicados. Esta invención tiene aplicación en el control de vibraciones y detección de defectos en estructuras aeronáuticas y estructuras de pared delgada en general.
Description
Dispositivos activo-pasivos
autónomos para control de vibraciones y detección de defectos.
La presente invención está basada en el uso de
una red de elementos activos y pasivos para el control de
vibraciones a las que está sometida una estructura y a la detección
de defectos en la misma y en la utilización de la energía eléctrica
generada por el propio efecto piezoeléctrico de la red de
dispositivos para la alimentación energética de los mismos.
Los dispositivos activo-pasivos
para control de vibraciones y detección de defectos en estructuras
objeto de la presente invención pueden ser de tipo
piezoviscoelástico, por lo que aunque esta invención no está
limitada al empleo de este tipo de materiales, se usarán para la
exposición de la misma. El desarrollo de esta aplicación de
dispositivos piezoviscoelásticos pretende alcanzar estos dos
objetivos, totalmente distintos, utilizando el mismo sistema
físico.
La presente invención está basada por una parte
en el uso de elementos activo-pasivos para
detección de defectos, por ejemplo a través de detección de
anomalías en las ondas elásticas o a través de monitorización de
impedancia electromecánica de dichos elementos o en otros cambios
de las características o del entorno de los elementos activos, y
para el control de la vibración mediante las propiedades de los
componentes viscoelásticos del dispositivo controladas por un
sistema externo a través de los elementos piezoeléctricos y por otra
en la utilización de la energía eléctrica generada por el material
piezoeléctrico que forma parte de los dispositivos para la
alimentación de la propia red.
El sistema y método de amortiguamiento de
vibraciones y de detección de defectos aquí descrito se puede
aplicar, aunque no está limitado, a estructuras aeronáuticas o
estructuras de pared delgada en general.
Existe gran número de patentes relacionadas con
control de vibraciones utilizando dispositivos piezoviscoelásticos
y con conversión de energía mecánica de vibración en energía
eléctrica.
La patente US 5485053 hace referencia a un
sistema de control de vibración basado en dispositivos
piezoviscoelásticos. Las reducciones del nivel de vibración son
importantes, pero ese sistema no se autoalimenta.
El sistema de amortiguamiento descrito en la
patente US 6598717 presenta una versión mejorada del sistema
anterior, pero tampoco incluye la función de autoalimentación. Sin
embargo, se consiguen niveles de amortiguamiento más altos.
La patente WO2005010496 (US2004150529) se
refiere a un sistema de monitorización formado por un dispositivo
de conversión de energía mecánica de vibración en energía eléctrica
acoplado a un sistema de sensores aplicado a la monitorización de
estructuras.
La patente US2005012434 describe un sistema de
conversión de energía mecánica de vibración en energía eléctrica.
Este sistema consiste en un transductor piezoeléctrico acoplado a
una estructura que convierte cargas mecánicas en cargas eléctricas
y en un circuito para convertir las cargas eléctricas en energía
eléctrica útil. El sistema incluye un espaciador que protege el
piezotransductor de sobrecargas mecánicas.
La patente US 2003197448 describe un sistema de
conversión de energía mecánica de vibraciones a energía eléctrica
basado en múltiples placas de material piezoeléctrico acopladas a
una fuente de vibraciones.
La patente WO2004077652 hace referencia a un
sistema para producir impulsos eléctricos a través de un mecanismo
que impacta un piezo-cristal con un martillo.
La patente GB2378547 describe un sistema de
producción de energía eléctrica utilizando un piezotransductor
acoplado a una membrana elástica. Un impulso aplicado al elemento
elástico excita una vibración transitoria en su primer modo propio
y, por lo tanto, la deformación del piezoelemento acoplado. Se hace
referencia a la utilización de la energía eléctrica generada de esta
manera para alimentar focos.
La patente WO2003095244 describe un sistema de
producir energía eléctrica utilizando elementos piezoeléctricos
instalados en neumáticos.
Las exigencias de aumentar el nivel de seguridad
y reducir los costes de mantenimiento en estructuras conllevan la
necesidad de instalar sistemas de control de vibraciones y de
detección de defectos. La instalación de dichos sistemas resulta
siempre en un aumento del peso y nivel de complejidad de la
estructura debido a la propia red de dispositivos y a la necesidad
de disponer de un sistema de alimentación eléctrica.
Es un objeto de la presente invención la
combinación de un sistema de control de vibraciones con un sistema
de detección de defectos basado en la detección de anomalías en la
propagación de ondas elásticas, o en cambios de impedancia
electromecánica de elementos activos y en otros cambios de las
características o del entorno de los elementos activos.
Es otro objeto de la presente invención el
empleo de la energía eléctrica creada por la propia red de
dispositivos eliminando la necesidad de sistemas externos de
generación de energía eléctrica. La completa autonomía eléctrica del
sistema propuesto es función de la configuración del dispositivo y
los niveles de energía de vibración implicados, puede llegar a
suministrar la totalidad de la energía necesaria para las funciones
de detección de defectos y monitorización de la estructura
descritas.
Una realización práctica del objeto de la
invención consta de componentes pasivos (fabricados de material
viscoelástico para la exposición que nos ocupa, pero no limitados a
ellos), diseñados para disipar la energía de vibración, y
componentes activos (fabricados en material piezoeléctrico)
diseñados para aumentar el nivel de energía disipada por los
elementos pasivos. Los elementos activos pueden servir no sólo para
modificar el comportamiento de los elementos pasivos, sino también
para monitorizar la estructura mediante la detección de anomalías en
la propagación de ondas elásticas generadas por dichos elementos o
utilizando los otros métodos mencionados anteriormente. La
capacidad de los elementos piezoeléctricos tanto de recibir como de
producir ondas elásticas permite utilizar los dispositivos
piezoviscoelásticos en la detección de defectos en la
estructura.
Debido a la dependencia de las ondas elásticas
transmitidas entre dos transductores de las propiedades físicas del
material del que está formada la estructura, las ondas se ven
afectadas por los posibles defectos presentes. Cualquier anomalía
en la función de transmisibilidad contendrá, por tanto, información
sobre las anomalías estructurales en el camino de la onda
elástica.
Los elementos activos de los dispositivos,
debido a su naturaleza piezoeléctrica, generan energía eléctrica al
deformarse permitiendo la autoalimentación energética de la
red.
En caso de que la energía generada no fuese
suficiente para la completa autoalimentación de la red, es
necesario incorporar un sistema de alimentación eléctrica para
garantizar que a los elementos actuadores reciben la electricidad
suficiente para lograr los niveles de deformación deseados.
De todo lo descrito anteriormente se deduce la
siguiente ventaja para el objeto de la presente invención: la nueva
aplicación de estos dispositivos activo-pasivos
permite desarrollar simultáneamente las funciones de control de
vibraciones y de monitorización de defectos de manera autónoma o
mediante la utilización adicional de un sistema de alimentación
eléctrica.
Las figuras incluidas en esta solicitud ayudan a
explicar la invención a la que se refiere la misma, apoyando de
forma gráfica las descripciones presentadas.
Figura 1: Esquema de una posible configuración
de un dispositivo piezoviscoelástico, donde (1) es la lámina activa
constrictora o actuador (piezoeléctrica), (2) la lámina
viscoelástica, (3) la lámina activa sensora (piezoeléctrica), (4)
es la estructura base, (5) el dispositivo de conversión de energía
de vibración en energía eléctrica y (6) un elemento de control de
las señales eléctricas entre las distintas partes del
dispositivo.
El sistema objeto de patente incluye:
Una red de dispositivos compuestos de elementos
pasivos (viscoelásticos en esta aplicación pero no limitados a
ellos) capaces de disipar energía y activos (piezoeléctricos en
esta aplicación pero no limitados a ellos), capaces de generar y
recibir ondas elásticas. Estos dispositivos se pueden instalar tanto
en la superficie de la estructura monitorizada/amortiguada como
integrados en la propia estructura, entendiéndose por integrados
colocados dentro del material que forma la estructura. Además,
incluye un dispositivo de conversión de energía mecánica de
vibración en energía eléctrica, encargado de aportarla energía a un
sistema de transmisión de datos para la monitorización de la
estructura y aportar energía eléctrica para la activación de la
lámina constrictora en el caso de una autonomía parcial del
dispositivo.
La figura 1, donde (1) es la lámina activa
constrictora o actuador (piezoeléctrica), (2) la lámina
viscoelástica, (3) la lámina sensora (piezoeléctrica) y (4) es la
estructura base, muestra una de las posibles configuraciones del
dispositivo piezoviscoelástico. Otra de las posibles
configuraciones que puede presentar el dispositivo consiste en
posicionar la lámina sensora (3) separada de la lamina de material
viscoelástico y la lámina activa constrictora, pudiendo estar sobre
la misma cara de la superficie de la estructura o sobre caras
diferentes. El elemento conversar de energía de vibración en
eléctrica (5) puede instalarse donde se muestra o donde mejor
convenga para su función.
La distribución de los distintos dispositivos y
de las láminas que componen cada uno de los mismos depende de
diferentes parámetros entre los que se pueden destacar:
- -
- Características geométricas de la estructura base a monitorizar.
- -
- Material del que está formada la estructura base.
- -
- Niveles de vibración esperados.
- -
- Número de dispositivos a instalar y los materiales de los que están formados.
- -
- Tipos de daño esperados
Para el control de vibraciones, sea una red de
dispositivos como la que se muestra en la figura 1, al vibrar la
estructura base (4), esta vibración deforma la lámina sensora (3)
en función de la vibración. Esta deformación produce dos efectos,
por un lado deforma directamente la lámina viscoelástica (2), que
va montada sobre la lámina sensora (3), absorbiendo parte de la
vibración de la estructura (4) y por otro, debido al material en
que está fabricado, piezoeléctrico, genera energía eléctrica que se
emplea en la activación de la lámina constrictora (1), montada en
contacto sobre la lámina (2) deformándola y por lo tanto
controlando la vibración de la estructura base (4).
Para la transmisión de electricidad entre la
lámina sensora (3) y la constrictora (1) ambas están unidas por
cables no representados. Este circuito eléctrico incluye un sistema
electrónico para el control de fase y acondicionamiento de la señal
eléctrica.
El dispositivo de conversión de energía mecánica
de vibración en energía eléctrica (5) genera la electricidad
necesaria para alimentar al sistema de transmisión de datos de
vibración y aportar energía eléctrica a la lámina constrictora en
caso de que la energía generada por la propia red no fuese
suficiente.
Una realización práctica típica para la
detección de defectos consta de la activación mediante la
generación de ondas elásticas de las características deseadas
(amplitud y frecuencia) mediante la excitación de los elementos
sensores de los dispositivos, a través de un barrido de frecuencias
de rango diferente a los modos propios de vibración de la
estructura base.
Las ondas elásticas así producidas viajan entre
los elementos sensores de la red a través de la estructura a
monitorizar. Los datos obtenidos en cada sensor permiten
identificar los posibles defectos y su localización presentes en la
estructura base y su evolución en el tiempo mediante la medición de
cambios en la impedancia electromecánica u otras características de
los elementos activos o de su entorno.
El método objeto de patente incluye:
La instalación de uno o varios dispositivos de
doble uso: amortiguamiento/monitorización de defectos, montados o
integrados en la estructura que se desea controlar.
El control de vibraciones a los que se ve
sometida la estructura base mediante el control de la deformación
de la lámina viscoelástica que forma parte de los dispositivos
aprovechando la energía eléctrica generada gracias al efecto
piezoeléctrico del material que forman los dispositivos y la
aportación, en caso de necesidad de energía eléctrica de un sistema
externo.
La generación de ondas elásticas de las
características deseadas (amplitud y frecuencia) mediante la
excitación de los elementos sensores de los dispositivos, a través
de un barrido de frecuencias de rango diferente a los modos propios
de vibración de la estructura base.
La recogida de datos de las ondas elásticas
generadas para medir cambios en impedancia electromecánica u otras
características de los elementos activos o las características de
su entorno con el fin de detectar los posibles defectos presentes
en la estructura y su evolución en el tiempo.
Claims (11)
1. Dispositivos activo-pasivos
autónomos para control de vibraciones y detección de defectos los
cuales se distribuyen, integrados o montados sobre la estructura
que se desea controlar o monitorizar formados por al menos dos
elementos activos (sensor y actuador) diseñados para enviar y
recibir ondas elásticas, un elemento pasivo diseñado para el
control de las vibraciones de la estructura base, un sistema de
transmisión de datos y un sistema de conversión de energía de
vibración en energía eléctrica caracterizados porque la
energía eléctrica generada por el efecto piezoeléctrico de los
materiales que constituyen los propios dispositivos es utilizada
para la alimentación energética de los mismos.
2. Dispositivos activo-pasivos
autónomos para control de vibraciones y detección de defectos según
reivindicación primera caracterizados porque el elemento
actuador debe de estar en contacto con el elemento pasivo y los
restantes elementos activos, sensores, en contacto con la
estructura base, no siendo necesario que se encuentren en contacto
con el elemento pasivo.
3. Dispositivos activo-pasivos
autónomos para control de vibraciones y detección y monitorización
de defectos en la estructura según reivindicación segunda
caracterizados porque la misma red de dispositivos
activo-pasivos empleada para la detección de
defectos se emplea para el control de vibraciones a las que se ve
sometida la estructura
base.
base.
4. Dispositivos activo-pasivos
autónomos para control de vibraciones y detección y monitorización
de defectos según reivindicaciones anteriores caracterizados
por estar distribuidos, montados o integrados en la estructura que
se desea controlar o monitorizar, siguiendo una determinada
distribución dependiente de:
- -
- las características geométricas de la estructura base.
- -
- el material del que está formada la estructura base.
- -
- los niveles de vibración esperados.
- -
- el número de dispositivos instalado y los materiales de los que están formados.
5. Dispositivos activo-pasivos
autónomos para control de vibraciones y detección de defectos según
reivindicaciones anteriores caracterizados porque para la
detección y monitorización de defectos, un elemento activo de uno de
los dispositivos es excitado mediante un barrido de frecuencias,
generando ondas elásticas que viajan a través de la estructura base
y son recibidas por otros elementos activos para su procesamiento y
detección de anomalías que revelen la presencia y características
de los defectos de la estructura.
6. Dispositivos activo-pasivos
autónomos para control de vibraciones y detección de defectos según
reivindicaciones anteriores, caracterizados porque para el
control de vibraciones, la lámina activa (sensor) en contacto con la
estructura base, al deformarse, envía información de la vibración a
un sistema de control externo.
7. Dispositivos activo-pasivos
autónomos para control de vibraciones y detección de defectos según
reivindicaciones anteriores caracterizados porque para el
control de vibraciones, el elemento activo (actuador) en contacto
con el elemento pasivo de un dispositivo, al deformase por una
excitación controlada mediante un sistema externo, deforma al
elemento viscoelástico con el que está en contacto, controlando así
el nivel de energía de vibración absorbida por el dispositivo.
8. Dispositivos activo-pasivos
autónomos para control de vibraciones y detección de defectos según
reivindicaciones anteriores caracterizados porque para el
control de vibraciones, el elemento activo (actuador) en contacto
con el elemento pasivo de un dispositivo, al deformase por una
excitación controlada mediante un sistema externo, deforma al
elemento viscoelástico con el que está en contacto, controlando así
el nivel de energía de vibración transferida a la estructura base
por el dispositivo.
9. Dispositivos activo-pasivos
autónomos para control de vibraciones y detección de defectos según
reivindicaciones anteriores caracterizados porque la señal
eléctrica generada por los dispositivos se trasmite a través de un
circuito electrónico que incluye un sistema electrónico para el
control de fase y acondicionamiento de la señal.
10. Dispositivos activo-pasivos
para control de vibraciones y detección de defectos según
reivindicaciones anteriores caracterizados por incluir un
sistema de transmisión de datos alimentado por un sistema de
conversión de energía mecánica de vibración en energía
eléctrica.
11. Dispositivo activo-pasivos
autónomos control de vibraciones y detección de defectos según
reivindicaciones anteriores caracterizados porque sistema de
conversión de energía mecánica de vibración en energía eléctrica
aporta la energía que no genera el efecto piezoeléctrico para la
alimentación de los elementos actuadores.
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