DETECTOR DE GRIETAS EN METALES POR MEDIO DEL MÉTODO …

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DETECTOR DE GRIETAS EN METALES POR MEDIO DEL MÉTODO DE EMISIÓN

ACÚSTICA (TG 1902)

NICOLÁS EDUARDO AMÓRTEGUI HERNÁNDEZ

([email protected])

DAVID FERNANDO PAREJA NAUSA

([email protected])

Trabajo de grado obligatorio para optar al título de ingeniero electrónico

Director: Ing. Camilo Alberto Otálora Sánchez Msc.

([email protected])

PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA

BOGOTÁ D.C

2019

mailto:[email protected]



2

NOVIEMBRE 29 DE 2019

ARTICULO 23 DE LA RESOLUCION No. 13 DE JUNIO DE 1946

“La universidad no se hace responsable de los conceptos emitidos por sus alumnos en sus proyectos de

grado. Solo velara porque no se publique nada contrario al dogma y la moral católica y porque los trabajos

no contengan ataques o polémicas puramente personales. Antes bien, que se vea en ellos el anhelo de

buscar la verdad y la justicia”.

3

AGRADECIMIENTOS:

“Queremos agradecer en este trabajo de grado a todas las personas que nos acompañaron y apoyaron en el

transcurso de la carrera. Principalmente a nuestras familias, profesores, amigos y a Dios. Aunque algunas

personas ya no estén, fueron un gran sustento que en momentos difíciles daban la motivación para no

rendirnos y culminar este logro”.

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TABLA DE CONTENIDO

1. INTRODUCCIÓN: .................................................................................................................................. 9

2. MARCO TEÓRICO: .............................................................................................................................10

2.1 Emisión Acústica: .............................................................................................................................10

2.2 Ondas Elásticas: ...............................................................................................................................10

2.3 Velocidad de propagación: ..............................................................................................................10

2.4 Señales de emisión acústica: ............................................................................................................11

2.5 Sensores para la detección de emisión acústica: ............................................................................12

2.6. Análisis y parámetros de una señal de emisión acústica: ............................................................13

2.7. Localización de una fuente de emisión acústica: ..........................................................................14

2.7.1. Localización en una dimensión 1D: ........................................................................................14

2.7.2. Localización en dos dimensiones 2D: ......................................................................................15

2.6. Adquisición de datos y LABVIEW: ...............................................................................................17

2.6.1. Adquisición de datos: ...............................................................................................................17

2.6.2 LABVIEW..................................................................................................................................17

3. OBJETIVO DEL PROYECTO: ...........................................................................................................18

3.1 Objetivo general: ..............................................................................................................................18

3.2 Objetivos específicos relevantes: .....................................................................................................18

3.3 Objetivos alcanzados: ......................................................................................................................18

4. DESARROLLO: ....................................................................................................................................18

4.1 Adecuación de la señal del sensor piezoeléctrico: ..........................................................................19

4.1.1 Selección del sensor: ..................................................................................................................19

4.1.2 Diseño del circuito del sensor piezoeléctrico: ..........................................................................20

4.1.3 Especificaciones del Circuito:...................................................................................................22

4.2 Adecuación de la señal del sensor de ultrasonido: ........................................................................22

4.2.1 Selección del sensor: ..................................................................................................................22

4.2.2 Diseño del circuito del sensor de ultrasonido: ........................................................................23

4.2.2.1 Pre-Amplificador: ..................................................................................................................24

4.2.2.2 Filtro pasa altas: .....................................................................................................................24

4.2.2.2 Amplificador: ..........................................................................................................................25

4.2.3 Especificaciones del Circuito:...................................................................................................27

4.3 Adquisición de las señales y análisis de datos: ...............................................................................27

5. PROTOCOLO DE PRUEBAS: ............................................................................................................30

5

5.1 Prueba de la ruptura de la mina de lápiz en diferentes materiales .............................................30

5.2 Análisis paramétrico de las señales de emisión acústica y medición de la velocidad de

propagación: ...........................................................................................................................................31

5.3 Localización de la grieta en 1D: ......................................................................................................32

5.4 Localización de la grita en 2D: ........................................................................................................33

6. ANÁLISIS DE RESULTADOS: ...........................................................................................................35

6.1 Sensores de Ultrasonido: .................................................................................................................35

6.1.1 Análisis paramétrico de las señales de ultrasonido y medición de la velocidad de

propagación: .......................................................................................................................................35

6.1.2 Localización de la grieta en 1D: ...............................................................................................38


6.2 Sensores Piezoeléctricos: ..................................................................................................................46

6.2.1 Análisis paramétrico de las señales de emisión acústica y medición de la velocidad de

propagación: .......................................................................................................................................46


6.2.3 Localización de la grita en 2D: .................................................................................................51

6.3 Comparación del comportamiento de los dos tipos de sensores: .................................................56

7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES: ..................................................................................57

8. BIBLIOGRAFÍA: ..................................................................................................................................58

9. ANEXOS: ................................................................................................................................................59

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TABLA DE FIGURAS

Figura 1. Señales tipo transitorias (Gonzalez, 2010) ............................................................................... 11

Figura 2. Señales tipo continua (Gonzalez, 2010) .................................................................................... 12

Figura 3. Señal de Emisión Acústica (Groose)......................................................................................... 13

Figura 4. Ubicación de dos sensores para localización en 1D................................................................. 14

Figura 5. Ubicación de dos sensores para localización en 2D................................................................. 16

Figura 6. Ubicación de dos sensores para la localización en 2D ............................................................ 16

Figura 7. Diagrama de bloques del sistema ............................................................................................. 19

Figura 8. Caracterización del sensor Piezoeléctrico. ............................................................................... 20

Figura 9. Respuesta en frecuencia del sensor US0014-001. .................................................................... 20

Figura 10. Circuito de adecuación para el sensor piezoeléctrico (Karki, 2004) ................................... 20

Figura 11. Esquemático del circuito de adecuación de los sensores piezoeléctricos............................. 21

Figura 12. Respuesta en frecuencia del circuito de los sensores piezoeléctricos................................... 22

Figura 13. Respuesta en frecuencia del sensor FG-23629 ...................................................................... 23

Figura 14. Respuesta en frecuencia del parlante ESS16. ........................................................................ 23

Figura 15. Parlante ESS16......................................................................................................................... 24

Figura 16. Primera etapa ........................................................................................................................... 24

Figura 17. Filtro Pasa-altas ....................................................................................................................... 24

Figura 18. Etapa de amplificación ............................................................................................................ 25

Figura 19. Respuesta en frecuencia simulada .......................................................................................... 25

Figura 20. Respuesta en frecuencia del circuito ...................................................................................... 26

Figura 21. Esquemático del circuito de los sensores de ultrasonido ...................................................... 26

Figura 22. Configuración del Osciloscopio en LabView. ........................................................................ 28

Figura 23. Visualización de las señales en LabView ............................................................................... 28

Figura 24. Análisis paramétrico de las señales de emisión acústica en LabView ................................. 29

Figura 25. Visualización de la velocidad de propagación en LabView ................................................. 29

Figura 26. Localización de la grieta 1D en LabView. ............................................................................ 29

Figura 27. Localización de la grieta 2D en LabView ............................................................................. 30

Figura 28. Posición de la mina método de HSU-Nielsen. ........................................................................ 30

Figura 29. Posicionamiento de dos sensores en una estructura ............................................................ 31

Figura 30. Posicionamiento de dos sensores y el origen del fenómeno de EA...................................... 31

Figura 31. Parámetros de las señales en LabView .................................................................................. 32

Figura 32. Experimentos para la parametrización de señales de EA. ................................................... 32

Figura 33. Localización en 1D en LabView. ............................................................................................ 33

Figura 34. Primer cuadrante del plano cartesiano simulado en una estructura .................................. 33

Figura 35. Ubicación de 4 sensores. .......................................................................................................... 34

Figura 36. División de la estructura en 2 cuadrantes conformado por los 4 sensores. ........................ 34

Figura 37. Localización en 2D en LabView ............................................................................................. 35

Figura 38. Visualización de la localización en LabView. ....................................................................... 35

Figura 39. Montaje de los sensores en concreto ..................................................................................... 36

Figura 40. Formas de onda y FFT captada por dos sensores. ................................................................ 36

Figura 41. Montaje de los sensores en hierro .......................................................................................... 37

Figura 42. Formas de onda y FFT captada por dos sensores. ............................................................... 38

Figura 43. Montaje de los sensores en concreto. ..................................................................................... 38

Figura 44. Parámetros de localización en 1D.......................................................................................... 39

Figura 45. Formas de onda y FFT ............................................................................................................ 39

Figura 46. Montaje de los sensores en hierro. ......................................................................................... 40

Figura 47. Parámetros de localización en 1D........................................................................................... 40

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Figura 49. Montaje de los sensores en concreto. ..................................................................................... 41

Figura 50. . Coordenadas para la localización en 2D. ............................................................................. 42

Figura 51. Interfaz gráfica en LabView para la localización en 2D. ..................................................... 43

Figura 52. Formas de onda y FFT. ........................................................................................................... 43


Figura 54. Coordenadas para la localización en 2D. ............................................................................... 44



Figura 57. Montaje de los sensores piezoeléctricos en concreto ............................................................. 46


Figura 59. Montaje de los sensores piezoeléctricos en hierro ................................................................. 47


Figura 61. Montaje de los sensores en concreto. .................................................................................... 49

Figura 62. Parámetros para la localización en 1D. ................................................................................. 49


Figura 64. Montaje de los sensores en hierro. ......................................................................................... 50

Figura 65. Parámetros para la localización en 1D. ................................................................................. 50


Figura 67. Montaje de los sensores en concreto ...................................................................................... 51

Figura 68. Coordenadas para la localización en 2D ................................................................................ 52




Figura 72. Coordenadas para la localización en 2D ................................................................................ 54


Figura 74. Formas de onda y FFT ........................................................................................................... 55

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TABLA DE TABLAS

Tabla 1. Accidentes de puentes en Colombia ............................................................................................. 9

Tabla 2. Velocidad de propagación en distintos materiales (Shirkévich, 1975) ...................................11

Tabla 3. Transductores para la detección de emisión acústica. .............................................................12

Tabla 4. Especificaciones eléctricas del sensor US0014-001 ...................................................................19

Tabla 5. Componentes del circuito de los sensores piezoeléctricos ........................................................22

Tabla 6. Alcances obtenidos con los sensores piezoeléctricos .................................................................22

Tabla 7. Componentes del circuito de los sensores de ultrasonido ........................................................27

Tabla 8. Alcances obtenidos para el circuito de los sensores de ultrasonido ........................................27

Tabla 9. Parámetros de una señal de EA .................................................................................................36

Tabla 10. Resultados de la velocidad de propagación y frecuencia central ..........................................37

Tabla 11. Parámetros de una señal de EA ...............................................................................................37


Tabla 13. Resultado de la localización en 1D ...........................................................................................39

Tabla 14. Resultado de la localización en 1D ..........................................................................................40

Tabla 15. Resultados de la localización en 2D .........................................................................................42










Tabla 25. Comparación de resultados del análisis paramétrico de las señales de emisión acústica ...56

Tabla 26. Comparación de resultados de la localización en 1D .............................................................56

Tabla 27. Comparación de resultados de la localización en 2D .............................................................56

Tabla 28. Comparación de alcance entre sensores ..................................................................................56

9

1. INTRODUCCIÓN:

Generalmente, cuando un material es expuesto a diferentes esfuerzos este es desgastado. Dicha exposición

genera rupturas en el material y causa el nacimiento de una grieta, la cual libera cierta cantidad de energía

en forma de ondas elásticas, lo cual se conoce como el fenómeno de emisión acústica (EA). Por medio de

sensores especializados en la detección del fenómeno de emisión acústica (EA), las ondas elásticas son

transformadas para la lectura del fenómeno y la detección de las grietas. (Karbhari & Ansari, 2009)

El daño en infraestructuras metálicas puede provocar consecuencias negativas en la sociedad, ya que es muy

difícil saber si un metal tiene algún tipo de deterioro. Si se llevara control del estado del metal se podría

prevenir accidentes; por ejemplo, la petrolífera Buncefield explotó en Inglaterra en el año 2005, dejando

más de 43 heridos. Una de las hipótesis de las autoridades inglesas fue que el accidente se pudo haber

producido por una grieta en alguno de los ductos que transportaba el petróleo (Batista Abreu & Godoy,

2011).

En los últimos años en Colombia se han caído 5 puentes de gran importancia para el país, generando pérdidas

socioeconómicas y culturales. Una de las principales causas del desplome de estos puentes fue debido a la

aparición de grietas en su estructura metálica, es decir, si estos puentes hubieran contado con el monitoreo

de su estado se podría haber tomado medidas de control y se hubieran evitado las siguientes consecuencias

(Caracol Radio, 2018), (El Universal, 2019)

Tabla 1. Accidentes de puentes en Colombia

Actualmente, en el mercado, existen equipos de monitoreo de estructuras en metales. Estos equipos

presentan un precio inexequible, por ejemplo, un solo sensor de emisión acústica de los más económicos

puede llegar a costar más de 300 euros (Bangos, 2019).

Este trabajo de grado presenta la elaboración de dos sistemas de costo asequible capaces de detectar, analizar

y localizar la formación de grietas en estructuras de diferentes materiales como lo son concreto y metales

por medio del método de emisión acústica. El primer sistema, corresponde a sensores piezoeléctricos

especializados para la detección del fenómeno de Emisión Acústica (EA). Por otro lado, el segundo

corresponde a sensores de ultrasonido que se adecuaron para la detección de grietas por medio del método

de emisión acústica (EA).

10

2. MARCO TEÓRICO:

2.1 Emisión Acústica:

El fenómeno de emisión acústica EA puede ser detectado según varios factores como lo son la geometría

del material, tipo de sensor, ambiente, sensibilidad, deformidad. Del mismo modo, las características de las

ondas como lo son amplitud, velocidad, duración, forma de onda varían según las condiciones mencionadas

previamente (Grosse & Masayasu, 2009).

La utilización del método de emisión acústica se utiliza en el monitoreo de infraestructuras civiles, ya que

es un método no destructivo que permite analizar el estado de un material mientras está sometido a un

esfuerzo. A partir de 1934, con los estudios de Kaiser, este método empezó a ser usado en diferentes partes

del mundo. La mayoría de estos estudios han sido enfocados para aplicaciones de concreto, por ejemplo,

para el monitoreo de puentes que ya llevan bastante tiempo en uso (Grosse & Masayasu, 2009)

El método de emisión acústica no solo ha tenido un enfoque en concreto, sino también hay varios estudios

en metales y en madera, por ejemplo, se han realizado estudios de fenómenos de emisión acústica en hierro

fundido, dado que muchas estructuras en metales son de este material (Shen, Li, Zhang, & Wu, 2012).

Dando como resultado que la emisión acústica en este material va en el rango de frecuencias de 100kHz a

300kHz. Estudios así presentan la oportunidad de poder ver cómo varían las ondas elásticas en diferentes

materiales debido a su atenuación y propagación.

2.2 Ondas Elásticas:

Como se mencionó previamente, la emisión acústica deriva de la deformación en un material la cual libera

energía en forma de ondas elásticas. Las ondas elásticas son una perturbación tensional que se propaga a lo

largo de un medio físico. Existen tres tipos de ondas elásticas, las transversales (S), longitudinales (P) y de

superficie (Raleigh). (Zemansky & Freedman, 2004)

Las ondas P, S y Raleigh se caracterizan por la dirección y forma de propagación. Por ejemplo, las ondas

P se propagan de manera paralela mientras que las ondas S de manera perpendicular a la fuente; por otro

lado, las ondas Raleigh se propagan de manera elíptica. (Shirkévich, 1975)

La propagación de las ondas varía dependiendo del tipo de material en el que se presente la liberación de

energía. Cada material tiene diferentes características, entre ellas se encuentran la elasticidad y densidad de

este. Según estas propiedades la velocidad de propagación, la atenuación y otros factores de las ondas

cambiará. Por Ejemplo, la onda se atenúa más si la densidad del material es mayor. (Zemansky & Freedman,

2004)

2.3 Velocidad de propagación:

La velocidad de las ondas elásticas está relacionada directamente con el tipo de material en el que se genere

la fuente del suceso (grieta u otro tipo de deformación); Para ser más específicos, en un material de longitud

finita, la velocidad puede ser calculada según la Ecuación 2.31, la cual relaciona directamente con el módulo

de Young (elasticidad) y la densidad del medio.

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𝑉 = √𝛾

𝜌 (2.31)

∗ 𝑑𝑜𝑛𝑑𝑒 𝛾 𝑒𝑠 𝑒𝑙 𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑒𝑙𝑎𝑠𝑡𝑖𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 𝑜 𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑌𝑜𝑢𝑛𝑔 (𝑁/𝑚2)

∗ 𝑑𝑜𝑛𝑑𝑒 𝜌 𝑒𝑠 𝑙𝑎 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 (𝑘𝑔/𝑚3)

La Tabla 2 muestra la velocidad de propagación de las ondas en diferentes materiales,

Material Velocidad ondas (m/s)

Acero al carbono 5050

Aluminio 5080

Cinc 3810

Cobre 3710

Corcho 500

concreto 2730

Goma 46

Hielo 3280

Hierro 5170

Latón 3490

Plomo 2640

Vidrio de cuarzo 5370 Tabla 2. Velocidad de propagación en distintos materiales (Shirkévich, 1975)

2.4 Señales de emisión acústica:

Las señales en EA se clasifican en señales transitoria (bursts) y señales continuas.

Las señales transitorias se caracterizan por su tipo de forma onda Figura 1 la cual se puede identificar con

claridad el principio y final de esta. Son provocadas por la aparición y crecimiento de deformaciones como

grietas en un material. (Grosse & Masayasu, 2009)

Figura 1. Señales tipo transitorias (Gonzalez, 2010)

Las señales continuas son ondas que, a diferencia de las señales transitorias, se puede identificar el

comienzo, pero no el final Figura 2. Son provocadas por movimientos o una deformación constante como

lo es la corrosión en el material. (Grosse & Masayasu, 2009)

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Figura 2. Señales tipo continua (Gonzalez, 2010)

2.5 Sensores para la detección de emisión acústica:

Las características de las señales adquiridas se pueden modificar desde la transducción hasta la selección de

un rango de frecuencias, (Grosse & Masayasu, 2009) por eso uno de los principios cruciales para la

detección de grietas por medio del método de emisión acústica es la selección del sensor o transductor.

Existen sensores especializados para la detección de la emisión acústica, pero son bastante costosos. En la

Tabla 3 se resumen algunos de los tipos de sensores que podrían llegar a servir para la detección de este

fenómeno:

TIPO REF. FABRICANTE RANGO DE

FRECUENCIAS

PRECIO

Piezoeléctrico con

preamplificador

BA-AE30-

S/40

Bangos 20kHz – 100kHz 375 euros

Piezoeléctrico con

preamplificador

BA-AES150-S

Bangos 100kHz – 200kHz 181 euros

Piezoeléctrico QDD457 GOWORLD 1.25MHz –

10MHz

180

dólares

Piezoeléctrico CZ9300 New technology 2Hz – 2KHz 285

dólares

Ultrasónico

electret

FG-23629-P16 Knowles 100Hz – 10kHz 30 dólares

Ultrasónico

electroestático

Series 600 SenseComp 10 Hz – 50kHz 25 dólares

Tabla 3. Transductores para la detección de emisión acústica.

Para la detección del fenómeno de emisión acústica se necesita un tipo de sensor que sea capaz de

transformar la energía elástica en señales eléctricas, debido a que este movimiento es pequeño, es necesario

utilizar sensores que sean de alta sensitividad para detectar estos cambios (Pumarega & Isabel, 1999)

Transductor Piezoeléctrico:

La palabra piezo viene del griego, que significa apretar, el fenómeno piezoeléctrico fue descubierto en 1880

por Jaques y Pierre Curie, este fenómeno consiste en que al aplicar una presión a un cristal de cuarzo se

genera una carga eléctrica en él, a este fenómeno se le conoce como el efecto pieza eléctrico. (Cupich &

Elizondo, 2000)

Los sensores piezoeléctricos pueden operar de diferentes maneras, en resonancia y en vibración libre, es

necesario conocer el comportamiento del sensor a utilizar ya que esto puede modificar las señales

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adquiridas, los sensores piezoeléctricos con resonancia tienen mayor sensitividad, pero la respuesta en

frecuencia puede verse afectada por la frecuencia de resonancia del sensor. (Grosse & Masayasu, 2009)

Transductor de ultrasonido:

Los transductores de ultrasonido más comunes son los micrófonos electroestáticos electret, estos micrófonos

son capaces de detectar frecuencias más altas a las audibles por el ser humano, el funcionamiento de estos

sensores está basado en la utilización del campo magnético, se tienen dos placas formando un capacitor que

entre ellas, varía en función de la distancia y de la presión sonora de una onda. Las variaciones de la onda

generan una diferencia de voltaje en los terminales de la placa, en el caso de un micrófono electroestático

electret el campo es creado por un material dieléctrico, y suelen tener una etapa de amplificación y

polarización incluida, normalmente basado en un transistor (Bongiovanny, Cascino, & Sanso, 2011)

2.6. Análisis y parámetros de una señal de emisión acústica:

La adquisición de un evento de emisión acústica implica un constante monitoreo, ya que en el momento de

aparición una grieta los sensores detectaran el evento a partir de un nivel de voltaje previamente establecido,

para el análisis de las señales de emisión acústica se tiene algunos parámetros estandarizados en la norma

(ISO 12716 2001). Estos parámetros son utilizados para realizar los diferentes análisis y aplicaciones de la

detección de emisión acústica, por ejemplo, con los tiempos de retardo es posible localizar el origen de la

grieta (Grosse & Masayasu, 2009)

En la Figura 3, se muestra una señal de emisión acústica y se explica también sus principales parámetros

en el dominio del tiempo y en el dominio de la frecuencia:

Figura 3. Señal de Emisión Acústica (Groose).

Parámetros en el dominio del tiempo:

Hit: Cuando una señal que supera un nivel de voltaje previamente establecido. Por ejemplo, muchos

dispositivos que utilizan almacenamiento digital, empiezan a guardar un evento cuando se supera

este umbral.

Conteo: Número de veces que en un evento de EA supera el nivel previamente establecido;

establecer un umbral ayuda a disminuir las posibilidades de que se reciba una señal que no es la que

se deseada.

Amplitud: El valor máximo que se detecta en un evento de EA.

Duración: Tiempo desde que la señal supera el umbral hasta la última vez que permanece arriba de

este.

Tiempo de subida: Tiempo desde que se supera el umbral hasta que se llega a la amplitud máxima

del evento.

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Energía: Determina la magnitud del evento de EA, y es el valor del área bajo la curva de la

envolvente de la señal.

Parámetros en el dominio de la frecuencia:

Pico de frecuencia: Componente en frecuencia la cual tiene el valor pico de potencia de la señal.

Cancroide de frecuencia: Es el valor calculado de frecuencia el cual es aproximadamente el centro

del ancho de banda del evento de EA.

2.7. Localización de una fuente de emisión acústica:

La localización de una fuente de emisión acústica está definida por las coordenadas (xf, yf, zf) y el tiempo

en que se produjo la emisión (Tf). Para poder localizar correctamente una fuente de emisión acústica es

necesario conocer la velocidad de propagación en el material, las coordenadas de los sensores que capturan

las ondas de EA y los tiempos que demora en llegar la onda a cada sensor.(Gallego & Martinez, 2015)

Supongamos que tenemos un conjunto de N sensores sobre la estructura de ensayo en posiciones (xi, yi, zi)

siendo i=1,2, 3, N, con el fin de obtener la ubicación de la fuente (xf, yf, zf). De este modo para el sensor

Sí.

𝑉𝑡𝑖 = 𝑑𝑖 (2.71)

Donde 𝑡𝑖 es el tiempo que se demora en llegar la onda desde la fuente al sensor Si y 𝑑𝑖 es la distancia entre

la fuente y el sensor Si y V es la velocidad de propagación de las ondas en el material (esta es constante en

materiales isotrópicos). La Ecuación 2.71 también se puede expresar de forma

𝑉𝑡𝑖 = √(𝑥𝑓 − 𝑥𝑖)2 + (𝑦𝑓 − 𝑦𝑖)2 + (𝑧𝑓 − 𝑧𝑖)2 (2.72)

Basado en lo anterior, la localización se puede evaluar desde 1 dimensión hasta 3 dimensiones.

2.7.1. Localización en una dimensión 1D:

Para la localización en una dimensión, se requiere un mínimo de dos sensores de modo que cubran la zona

en donde se genera la fuente de emisión acústica como se muestra en la Figura 4.

Figura 4. Ubicación de dos sensores para localización en 1D.

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Sabiendo que t1 es el tiempo que se demora en llegar la onda al sensor 1 y t2 es el tiempo que se demora en

llegar la onda al sensor 2 (S2), D es la distancia de separación entre los sensores y df es la distancia de la

fuente al sensor 1 (S1).

𝑡1 =𝑑𝑓

𝑣 (2.73)

𝑡2 =𝐷−𝑑𝑓

𝑣 (2.74)

𝑟𝑒𝑠𝑜𝑙𝑣𝑖𝑒𝑛𝑑𝑜 𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠

𝑡1 − 𝑡2 =𝑑𝑓

𝑣−

𝐷−𝑑𝑓

𝑣 (2.75)

𝑣. (𝑡1 − 𝑡2) = 2𝑑𝑓 − 𝐷

∆𝑡 = 𝑡1 − 𝑡2

𝑑𝑓 =∆𝑡.𝑣

2+

𝐷

2 (2.76)

Por simplicidad es conveniente establecer S1 como sensor de referencia y como si fuera el origen del plano

cartesiano (0,0). Así, al encontrar df será una distancia con respecto a este sensor en su eje horizontal. Es

decir, si df = 8cm significa que la grieta se encuentra a 8 cm del sensor 1.

2.7.2. Localización en dos dimensiones 2D:

A diferencia del método de una dimensión que solo se trabaja en el eje horizontal, en dos dimensiones

debemos tener en cuenta las coordenadas (x, y). (Gallego & Martinez, 2015)

Asumiendo inicialmente un mínimo de dos sensores en las posiciones (X1, X2, Y1, Y2) y expandiendo la

Ecuación 2.71;

𝑉𝑡1 = √(𝑥𝑓 − 𝑥1)2 + (𝑦𝑓 − 𝑦1)2 (2.77)

𝑉𝑡2 = √(𝑥𝑓 − 𝑥2)2 + (𝑦𝑓 − 𝑦2)2 (2.78)

Sabiendo que t1 es el tiempo que se demora en llegar la onda al sensor 1 y t2 es el tiempo que se demora en

llegar la onda al sensor 2 (S2), xf la coordenada en eje X de la fuente, X1 y X2 las coordenadas en el eje X

de los sensores S1 y S2 respectivamente, yf la coordenada en eje Y de la fuente, Y1 y Y2 las coordenadas

en el eje Y de los sensores S1 y S2.

𝑎𝑠𝑢𝑚𝑖𝑒𝑛𝑑𝑜 𝑢𝑛𝑎 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 ′𝑉′𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 𝑟𝑒𝑠𝑜𝑙𝑣𝑖𝑒𝑛𝑑𝑜 𝑙𝑎𝑠 𝑒𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑜𝑏𝑡𝑒𝑛𝑒𝑚𝑜𝑠

∆12 = 𝑣. ∆𝑡12 (2.79)

Donde ∆12 es la distancia entre S1 y S2.

La ecuación 2.79 representa una hipérbola cuyos focos están entre S1 y S2 Figura 5. De este modo la

localización en dos dimensiones requiere de un tercer sensor.

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Figura 5. Ubicación de dos sensores para localización en 2D.

Se ubica un tercer sensor en la posición (X3, Y3) de modo que t3 es el tiempo que se demora en llegar la

onda al sensor 3 (S3).

𝑉𝑡3 = √(𝑥𝑓 − 𝑥3)2 + (𝑦𝑓 − 𝑦3)2 (2.80)

𝑎𝑠𝑢𝑚𝑖𝑒𝑛𝑑𝑜 𝑢𝑛𝑎 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 ′𝑉′𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙

𝑟𝑒𝑠𝑜𝑙𝑣𝑖𝑒𝑛𝑑𝑜 𝑙𝑎𝑠 𝑒𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑜𝑏𝑡𝑒𝑛𝑒𝑚𝑜𝑠

∆13 = 𝑣. ∆𝑡31 (2.81)

Donde ∆12 es la distancia entre S1 y S2.

La ecuación 2.81 representa una segunda hipérbola cuyos focos están entre S1 y S3 Figura 6. De este

modo la localización de la fuente (Xf, Yf) es la intersección de ambas hipérbolas, que se obtiene

resolviendo ecuación 2.81 y ecuación 2.79.

Figura 6. Ubicación de dos sensores para la localización en 2D

17

2.6. Adquisición de datos y LABVIEW:

2.6.1. Adquisición de datos:

Para la adquisición de una señal de emisión acústica es necesario cumplir con varias características, por

ejemplo para poder realizar una buena conversión análoga a digital se debe tener un muestreo de alta

velocidad, para poder realizar esta adquisición se podría realizar un análisis en tiempo real, o se podría

almacenar las señales para su posterior análisis.

Algunas de las posibles soluciones para la adquisición de señales de alta frecuencia como lo es el fenómeno

de Emisión Acústica: (Grosse & Masayasu, 2009)

Uso de FPGA: El uso de una FPGA para este tipo de adquisición de datos, presenta una ventaja que

tal vez es una de las únicas herramientas que permitirán un análisis de las señales en tiempo real.

Uso de módulos de adquisición de datos (DAQ): Un módulo DAQ ya contiene adentro sus

conversores A/D y tiene todo el sistema de adquisición para enviar los datos a un ordenador, son

costosos y además presentan bastantes limitaciones respecto a la frecuencia de muestreo y

resolución.

Utilización de instrumentos de medición de alta resolución como lo es un Osciloscopio digital,

utilizando alguno que cumpla las exigencias de una lata frecuencia de muestreo y un gran ancho de

banda.

Una vez adquirida la señal es necesario tener una interfaz gráfica y de procesamiento de señales la cual sea

capaz de almacenar, visualizar y obtener los parámetros de una señal de emisión acústica para poder realizar

los respectivos análisis.

2.6.2 LABVIEW

LabView es un software de programación en bloques diseñado por National Instruments, es una herramienta

diseñada para la configuración de hardware, toma de datos, desarrollar algoritmos e interfaces gráficas para

la interacción con el usuario. (Instruments, 2019)

LabView optimiza y simplifica diseños para pruebas, mediciones, control, no solo con hardware

desarrollado por esta empresa si no también un ambiente adaptable a diferentes sistemas con los que se

desee interactuar, los principales usos que se le han dado a LabView son en el área de la educación, y de la

industria, principalmente para control y automatización.

La importancia de LabView en este proyecto viene dada de que cumple con las necesidades de la adquisición

de datos de señales de emisión acústica, ya que permite realizar procesamiento de señales, configuración de

instrumentos de medición de alta resolución y permite el diseño de interfaces grafica para poder visualizar

y realizar los diferentes análisis y aplicaciones que se puede tener con la adquisición de señales de Emisión

Acústica.

18

3. OBJETIVO DEL PROYECTO:

3.1 Objetivo general:

Diseñar e implementar un sistema para la detección de formación de grietas en estructuras metálicas por

medio del método de emisión acústica.

3.2 Objetivos específicos relevantes:

Evaluar diferentes tipos de sensores piezoeléctricos y acústicos (micrófonos) para la detección de

fenómenos de emisión acústica.

Implementar un sistema funcional que conste de un circuito para la adecuación de las señales del

fenómeno de emisión acústica. Conformado por 4 canales diferentes cada uno con amplificación y

filtrado de las señales adquiridas.

Elaborar un protocolo de pruebas para cada uno de los bloques del sistema, y además otro protocolo

de pruebas para validar el funcionamiento del sistema completo.

Realizar la adquisición de las señales del fenómeno de emisión acústica, con un sistema de

adquisición de alta velocidad para poder llevar la información a un computador y realizar en el

software LabView el análisis paramétrico de las señales adquiridas.

3.3 Objetivos alcanzados:

Inicialmente se cumplió con todos los objetivos mencionados previamente de manera que se pudo detectar

el fenómeno de emisión acústica mediante dos tipos de sensores (piezoeléctricos y ultrasonido). Para

verificar que el fenómeno que se estuviera detectando correspondiera al de emisión acústica, es necesario

el análisis paramétrico de las señales captadas por los dos tipos de sensores para los cuales fue necesario

hacer un circuito de adecuación por sensor. Donde finalmente se pudieron comparar las señales adquiridas

por ambos sensores mediante el software LABVIEW donde adquirimos todos los datos de la señal.

Por otro lado, se le dio un mayor alcance a este trabajo de grado de modo que no solo se detectó la aparición

del fenómeno de emisión acústica; si no que también se logró localizar la fuente de EA (grieta) en una o dos

dimensiones con coordenadas y una interfaz gráfica amigable para el usuario. Segundo, este trabajo de grado

estaba planeado inicialmente para la detección de la aparición del fenómeno de EA en metales, pero también

se logró localizar y detectar la fuente de emisión acústica en concreto. Lo anterior para ambos tipos de tanto

sensores de ultrasonido como piezoeléctricos.

4. DESARROLLO:

Para la detección del fenómeno de emisión acústica y poder realizar el respectivo análisis de las señales

adquiridas, se planteó el siguiente diagrama de bloques del sistema:

19

Figura 7. Diagrama de bloques del sistema

Se implementaron dos sistemas diferentes para dos diferentes tipos de sensores:

1. Sensores Piezoeléctricos: Los cuales son los más conocidos para la detección del fenómeno de emisión

acústica.

2. Sensores de Ultrasonido: Se utiliza este tipo de sensores para poder analizar, comparar y determinar si es

posible detectar este fenómeno, ya que estos sensores no están diseñados para esto.

Para ambos tipos de sensores se diseñó el circuito de adecuación correspondiente, posteriormente se realiza

la adquisición de las señales para realizar sus respectivos análisis en un computador.

Para realizar el análisis de las señales de emisión acústica es necesario la implementación de un sistema

como mínimo de cuatro canales (uno para cada sensor). El objetivo de lo anterior es poner los cuatro

sensores en cuatro posiciones diferentes del metal a analizar, buscando comparar la señal

adquirida.(Karbhari & Ansari, 2009) Posteriormente, mediante el uso de un osciloscopio conectado a

LabView; se podrá visualizar y comparar los diferentes parámetros de una señal de emisión acústica, que

servirán para determinar las características de la grieta.

4.1 Adecuación de la señal del sensor piezoeléctrico:

4.1.1 Selección del sensor:

Para la selección del sensor se busca selecciona un sensor piezoeléctrico de bajo costo, se selecciona el

sensor Audiowell Ultrasonic Flow Sensor US0014-001, este sensor piezoeléctrico se vende y está diseñado

para la medición de flujo, sus principales características se muestran en la Tabla 4.

Tabla 4. Especificaciones eléctricas del sensor US0014-001

20

4.1.2 Diseño del circuito del sensor piezoeléctrico:

Se procedió a hacer la caracterización del sensor, para esta caracterización se acoplaron dos de estos

sensores, utilizando uno como fuente al conectar un generador de funciones, y el otro como receptor, como

se muestra en la Figura 8.

Figura 8. Caracterización del sensor Piezoeléctrico.

Con esta prueba se obtuvo la respuesta en frecuencia del sensor, mostrado en la Figura 9.

Figura 9. Respuesta en frecuencia del sensor US0014-001.

Para la amplificación y adecuación de las señales recibidas por un sensor piezoeléctrico es necesario

implementar un amplificador de carga mostrado en la Figura 10.

Figura 10. Circuito de adecuación para el sensor piezoeléctrico (Karki, 2004)

A partir de las especificaciones y caracterización del sensor, para el rango de frecuencias de 200kHz a

400KHz, el voltaje de salida del sensor es de 3 mVpp.

21

Siendo:

𝐶 =𝑄

𝑉 (4.1)

Y el voltaje de salida del sensor obtenido de 3mVpp, y la capacitancia del sensor de 1150pF, se obtiene

que la carga del sensor tendrá un valor de:

∆𝑄 = 3.45𝑝𝐶

Sabiendo que la ganancia del circuito está dada por:

𝑉𝑜 =∆𝑄

𝐶𝑓 (4.2)

Por lo tanto, al querer obtener un voltaje de salida de Vo= 2 V:

𝐶𝑓 = 𝐶1 = 2𝑝𝐹

Para obtener el rango de frecuencia deseado de 100 kHz - 300 kHz para la detección del fenómeno (Shen,

Li, Zhang, & Wu, 2012) los valores de las resistencias dependerán de: (Karki, 2004)

𝑓𝐿 =1

2∗𝜋∗𝑅𝑓∗𝐶𝑓 (4.3)

𝑓𝐻 =1

2∗𝜋∗𝑅𝑖∗𝐶𝑝 (4.4)

Obteniendo:

𝑅𝑖 = 𝑅1 = 470 Ω

𝑅𝑓 = 𝑅2 = 910 𝑘Ω

El circuito esquemático del diseño final:

Figura 11. Esquemático del circuito de adecuación de los sensores piezoeléctricos.

22

En la Tabla 5 se muestra la lista de componentes del circuito:

REFERENCIA ELEMENTO DESCRIPCION

U1 TLV3544 Amplificador operacional de alto producto de ancho de banda

por ganancia (200MHz) contiene dentro del integrado 4

operacionales, cada uno se utiliza para un amplificador de

carga para cada uno de los 4 sensores del sistema.

R1 R1 Resistencia de 470 ohms, de empaque smd0508

R2 R2 Resistencia de 910 kOhms, de empaque smd0508

C1 C1 Capacitor de 2pF de baja tolerancia, de empaque smd0508

C2 C2 Capacitor de desacople de 0.1uF, de empaque smd0805 Tabla 5. Componentes del circuito de los sensores piezoeléctricos

Figura 12. Respuesta en frecuencia del circuito de los sensores piezoeléctricos.

4.1.3 Especificaciones del Circuito:

Las especificaciones de diseño del circuito se cumplen, permitiendo que se logre detectar el fenómeno de

emisión acústica de manera correcta, las especificaciones del circuito son las siguientes:

CONCEPTO DESCRIPCION

Alimentación +- 3V con 4 pilas AA

Ancho de Banda De 97kHz a 320 kHz

Rango Dinámico 67 dB

Rango de Detección Más de 30 centímetros de distancia entre

sensor en materiales como hierro y

concreto. Tabla 6. Alcances obtenidos con los sensores piezoeléctricos

4.2 Adecuación de la señal del sensor de ultrasonido:

4.2.1 Selección del sensor:

La selección de este sensor es basada en la necesidad de tener un sensor de alta sensibilidad ya que estos

sensores no están diseñados para la detección del fenómeno de emisión acústica, se selecciona el sensor

23

Kwowless FG-23629 el cual es un sensor Ultrasónico Electret de bajo costo y de alta sensitividad, teniendo

como limitante para su diseño su respuesta en frecuencia (ANEXO 10):

Figura 13. Respuesta en frecuencia del sensor FG-23629

4.2.2 Diseño del circuito del sensor de ultrasonido:

Se procedió a hacer la caracterización del sensor, para esta prueba se utiliza un parlante de ultrasonido

ESS16. Las pruebas consisten en posicionar el parlante frente al sensor de ultrasonido, para luego variar los

rangos de frecuencia del parlante con el fin de visualizar los voltajes a la salida del sensor. Estas pruebas

son un poco limitadas ya que para frecuencias más altas de 100KHz la atenuación del parlante es más alta

como se puede ver en la Figura 14.

Figura 14. Respuesta en frecuencia del parlante ESS16.

La distancia entre el parlante y el sensor es un factor que debido a la sensibilidad del sensor afecta los

voltajes a la salida de este. Ajustando el parlante a 100Khz a una distancia de 1mm del sensor, el voltaje a

la salida será mayor que si ajustamos el parlante a 100Khz pero a una distancia mayor del sensor.

Basado en esto, se realizó las mediciones usando una distancia de separación mínima entre el sensor y

parlante de aproximadamente 1 mm; con el fin de visualizar el voltaje máximo de salida para luego trabajar

sobre este valor y evitar la saturación. Para este experimento se encuentra que los voltajes de salida del

sensor están entre los 5mVpp. La figura 14 muestra el parlante de Ultrasonido que se coloca en frente del

sensor para poder realizar la caracterización.

24

Figura 15. Parlante ESS16.

Finalmente, teniendo en cuenta que el integrado (TLV3544) que se implementó para la adecuación del

sensor se polarizó con 5V y además se debe compensar la caída en frecuencia que presenta después de los

10Khz, se optó por una ganancia aproximada de 1200 V/V para que el caso máximo no tener formas de

ondas saturada .sin embargo se divide este circuito en 4 etapas con el fin de repartir la ganancia y no superar

el producto por ancho de banda del integrado TLV3544.

4.2.2.1 Pre-Amplificador:

Figura 16. Primera etapa

Para este circuito se utiliza como integrado el TLV3544, ya que requiere de las mismas especificaciones de

producto de ancho de banda por ganancia como sucedía en el circuito de los sensores piezoeléctricos, en

esta etapa se utiliza un amplificador no inversor con ganancia de 40V/V.

4.2.2.2 Filtro pasa altas:

Se diseña un filtro pasa altas con frecuencia de corte en 400kHz, esto con el fin de compensar la caída en

ganancia que tiene el sensor, como se ve en la Figura 19 en color verde, en el ANEXO 7 se tienen las

especificaciones de diseño del filtro, el esquemático es el siguiente:

Figura 17. Filtro Pasa-altas

25

4.2.2.2 Amplificador:

Se coloca un amplificador de ganancia de 30V/V para compensar la atenuación que se presenta en el filtro

el esquemático es el siguiente:

Figura 18. Etapa de amplificación

Con el circuito de la Figura 21 se espera compensar y aumentar el rango de frecuencias a las cual pude

funcionar el sensor, el resultado de esta respuesta en frecuencia completa en simulación se muestra a

continuación donde de morado es la respuesta en frecuencia obtenida, la verde la respuesta en frecuencia

del sensor y la roja la respuesta en frecuencia del filtro.

Figura 19. Respuesta en frecuencia simulada

La respuesta en frecuencia del circuito completo se logra obtener, aunque queda dependiendo de la

atenuación del parlante de ultrasonido, como se ve en la Figura 13, el parlante tendrá una atenuación a

diferentes frecuencias.

En la Figura 18, se muestra la respuesta en frecuencia del circuito de la Figura 19, para obtener esta

respuesta en frecuencia se realiza el mismo procedimiento con el cual se caracterizó el sensor, colocando el

sensor en frente del parlante como se ve en la Figura 17, midiendo el voltaje que recibe el micrófono y el

voltaje a la salida del circuito.

26

Figura 20. Respuesta en frecuencia del circuito

Figura 21. Esquemático del circuito de los sensores de ultrasonido

Tabla de componentes:

REFERENCIA ELEMENTO DESCRIPCION

U1

TLV3544

Amplificador operacional de alto producto de ancho de banda

por ganancia (200MHz) contiene dentro del integrado 4

operacionales.

Operacional 1: Circuito de Polarización del circuito y del

sensor

Operacional 2: Pre-Amplificador

Operacional 3: Filtro pasa-altas

Operacional 4: Amplificador



R3 R3 Resistencia de 5.4 kOhms, de empaque smd0508



27


R7 R7 Resistencia de 820 Ohms, de empaque smd0508

R8 R8 Resistencia de 6.8 kOhms, de empaque smd0508



C1 C1 Capacitor de 0.1uF, de empaque smd0508

C2 C2 Capacitor de 3.3 nF, de empaque smd0508

C3 C3 Capacitor de 220 pF, de empaque smd0508


C5 C5 Capacitor de 200 nF, de empaque smd0508


C7 C7 Capacitor de 0.1 uF, de empaque smd0508 Tabla 7. Componentes del circuito de los sensores de ultrasonido

4.2.3 Especificaciones del Circuito:

Las especificaciones de diseño del circuito se cumplen, permitiendo que se logre detectar el fenómeno de

emisión acústica de manera correcta, para estos sensores el rango de detección es más pequeño, las

especificaciones del circuito son las siguientes:

PARÁMETRO MEDIDO ESPECIFICACIONES

Rango Dinámico 64.3 dB 60 dB

Piso de Ruido -90 dB -

Alimentación 0 a 6V con 4 pilas AA +- 3V máximo.

Ancho de banda 10kHz a 300kHz 100 kHz a 300 kHz

Rango de detección 5 a 6 centímetros entre

sensores

-

Tabla 8. Alcances obtenidos para el circuito de los sensores de ultrasonido

Para mejorar el acople del sensor con el material se diseñaron unas piezas en impresora 3D (ANEXO 6).

4.3 Adquisición de las señales y análisis de datos:

Como se menciona anteriormente la adquisición de datos y conversión analógica digital de las señales de

emisión acústica puede llegar a ser muy compleja, ya que son señales muy pequeñas y de un rango de

frecuencias alto y es necesario realizar la adquisición dispositivos de alta velocidad. (Grosse & Masayasu,

2009)

Posteriormente la adquisición de datos se debe realizar el análisis de las señales adquiridas para esto es

conveniente una interfaz gráfica para realizar la interacción con el usuario del sistema, con base en estos

criterios se tomó la decisión de utilizar:

Para la adquisición de datos: Un osciloscopio digital, de 4 canales, con alta frecuencia de muestreo

y un alto ancho de banda, para esto se selecciona utilizar el Osciloscopio Keysight InfiniVision

3034, el cual cumple con los requerimientos del sistema, ya que posee, 4 canales, un ancho de banda

de 300MHz y una frecuencia de nuestro de 4 Gs/s. (ANEXO 12)

Para el análisis de las señales se selecciona el Software de LabView, que mediante una

programación en bloques permite el desarrollo de interfaces gráficas, análisis de señales,

28

automatización de mediciones y automatización de diferentes instrumentos, en este caso LabView

permite la automatización de datos de los Osciloscopios Keysight de la serie

InfiniVision.(Instruments, 2019)

En el ANEXO 5, se tiene los diagramas de bloques y códigos correspondientes de la interfaz realizada en

LabView.

La interfaz gráfica consta de los siguientes módulos:

1. Configuración del Osciloscopio: en el cual el usuario podrá ingresar, el acople, atenuación de las puntas,

nivel de disparo, canal de disparo, tiempo por división y rango vertical, como se muestra en la Figura 22.

Figura 22. Configuración del Osciloscopio en LabView.

2. Módulo de visualización de las señales adquiridas: Muestra las 4 señales adquiridas, además de esto

muestra el espectro de potencia de las señales, como se muestra en la Figura 23.

Figura 23. Visualización de las señales en LabView

3. Módulo del análisis paramétrico de las señales: En esta parte de la interfaz gráfica se muestra los

principales parámetros de una señal de emisión acústica, como lo son el voltaje pico a pico, tiempo de

llegada, frecuencia central, y voltaje RMS promedio, como se muestra en la Figura 24. El tiempo de llegada

se calcula con la utilización de un detector de picos.

29

Figura 24. Análisis paramétrico de las señales de emisión acústica en LabView

4. Módulo de Medición de la velocidad de propagación: Permite visualizar el resultado de la velocidad de

propagación del material, esta prueba se realiza entre el canal 1 y el canal 2, el usuario ingresa la distancia

entre los dos sensores y arroja como resultado el retardo de la señal y el valor de la velocidad de propagación,

como muestra la Figura 25.

Figura 25. Visualización de la velocidad de propagación en LabView

5. Módulo de la localización en 1D: Al igual que en el módulo anterior el usuario puede ingresar distancia

entre los dos sensores y además la velocidad de propagación del material, en base a esto muestra la

localización aproximada respecto al sensor del canal uno, el error de esta localización esta entre más o

menos 1 centímetro, como muestra la Figura 26.

Figura 26. Localización de la grieta 1D en LabView.

6. Módulo de localización en 2D: En este módulo el usuario podrá ingresar la velocidad de propagación del

material, y las coordenadas de la localización de cada uno de los sensores, el sistema automáticamente al

detectar un evento, mostrará las coordenadas de la localización del evento, además mostrará gráficamente

la ubicación del evento en el plano cartesiano que representa el material, como se muestra en la Figura 27.

30

Figura 27. Localización de la grieta 2D en LabView

Por ultimo cada vez que se detecte un evento el sistema almacenará las formas de onda y los espectros de

potencia de los 4 canales.

5. PROTOCOLO DE PRUEBAS:

5.1 Prueba de la ruptura de la mina de lápiz en diferentes materiales

La ruptura de una mina de lápiz de es un método establecido para simular una fuente que genera el evento

de emisión acústica EA, Este método también se conoce como la fuente de HSU-Nielsen (Gallego &

Martinez, 2015); Se trata de la ruptura de una mina de grafito de 0,3mm a 0,7 mm sobre una superficie en

la cual se quiera simular el fenómeno de emisión acústica.

Se debe posicionar la mina sobre el material con un ángulo de inclinación de aproximadamente 30 grados

Figura 28, luego ejercer presión a la mina hasta romperla sobre la superficie. Debido al esfuerzo

acumulado, se provoca una deformación en el material el cual genera ondas en forma de EA.

La amplitud y duración de las señales de emisión acústica generadas por el método de HSU-Nielsen

dependen de distintos factores como son el material, el grosor de la mina y la sensibilidad del sensor a usar.

Por ejemplo, la amplitud de una onda generada con una mina 0.7mm será mayor a una onda generada con

una mina de 0.5mm. (Gallego & Martinez, 2015) Se realizaron pruebas en dos placas de dos diferentes

materiales, hierro (18x30cm) y concreto (36x36cm).

Figura 28. Posición de la mina método de HSU-Nielsen.

31

5.2 Análisis paramétrico de las señales de emisión acústica y medición de la velocidad de propagación:

A fin de analizar los parámetros principales de las señales de emisión acústica, es necesario la

implementación de mínimo dos sensores que adquieran este fenómeno, para que luego las señales

correspondientes sean procesadas y analizadas mediante el software desarrollado de LabView. Lo anterior,

con el fin de verificar que los datos obtenidos correspondan a señales de emisión acústica.

Primero, en una superficie plana de hierro o concreto se fijan dos sensores (S1 y S2) con una distancia de

separación entre ellos ‘d’ como se muestra en la Figura 29. Los sensores fijados son de tipo piezoeléctrico

y/o ultrasonido, para el caso de los sensores piezoeléctricos se acoplaran al material con colbón, mientras

que para el caso de los sensores de ultrasonido, es necesario el diseño de una pieza en 3D para poder fijarlos

al material. ANEXO 6.

Figura 29. Posicionamiento de dos sensores en una estructura

Segundo, se ubica una mina (0.7 mm) de modo que quede sobre el mismo eje de los sensores como se

muestra en la Figura 30 La ubicación de la mina (F) debe ser externa entre los sensores de modo que se

pueda presenciar la atenuación y el retardo de la señal entre los dos sensores. Lo anterior es basado en el

método de HSU-Nielsen.

Figura 30. Posicionamiento de dos sensores y el origen del fenómeno de EA

Tercero, a partir del software en LabView se procesan las señales adquiridas por los sensores

correspondientes para obtener amplitud máxima, tiempo de arribo y frecuencia central. Estos parámetros

son adquiridos directamente en LabView. La Figura 31 muestra el panel de control donde se visualizan los

parámetros de las señales de emisión acústica adquiridas.

32

Figura 31. Parámetros de las señales en LabView

𝑠𝑖𝑒𝑛𝑑𝑜 𝑡2 = 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑙𝑒𝑔𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑜𝑛𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝐸𝐴 𝑎 𝑆2 𝑠𝑖𝑒𝑛𝑑𝑜 𝑡1 = 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑙𝑒𝑔𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑜𝑛𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝐸𝐴 𝑎 𝑆1 𝑆𝑖 𝑠𝑒 𝑑𝑒𝑓𝑖𝑛𝑑𝑒 𝑑 = 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑆1 𝑦 𝑆2 𝑌 𝑠𝑒 𝑑𝑒𝑓𝑖𝑛𝑒 𝑣 = 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑝𝑎𝑔𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑜𝑛𝑑𝑎 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙

𝑆𝑒 𝑡𝑖𝑒𝑛𝑒 𝑞𝑢𝑒 𝑣 =𝑑

𝑡2−𝑡1 (5.21)

𝑣 =𝑑

∆𝑇 (5.22)

Finalmente se repite la prueba un mínimo de 5 veces dejando en una posición fija S1, variando la posición

de S2 como se muestra en la Figura 32. Para poder hacer un promedio de las velocidades obtenidas por

medio de la ecuación 5.22 y tener una mejor estimación de esta.

Figura 32. Experimentos para la parametrización de señales de EA.

5.3 Localización de la grieta en 1D:

Mediante los datos adquiridos por uno o más sensores de emisión acústica se pueden determinar las

coordenadas o punto de referencia de la fuente de emisión acústica. Dependiendo de muchos factores,

principalmente la geometría del material; existen diferentes tipos de algoritmos y métodos para la

localización de la fuente de emisión acústica.

Inicialmente se posicionan mínimo dos sensores de tal manera que la grieta (fuente de EA) quede entre los

sensores como se muestra en la Figura 5.

33

Se ubica la mina en la posición F Figura 30 simulando una fuente de emisión acústica por el método de

HAUS-Nielsen. Mediante el programa en LabView y su programación correspondiente, se adquieren y

procesan los parámetros de la señal recibidos por los sensores S1 y S2.

A partir de la velocidad correspondiente al material, según las pruebas realizadas previamente en 5.2, esta

es ingresada en el panel de control de LabView Figura 32, el cual junto a los demás parámetros adquiridos

previamente y mediante la programación correspondiente; resuelve la ecuación 2.76; dando como resultado

la localización de la grieta con respecto al sensor 1.

𝑑𝑓 =∆𝑡.𝑣

2+

𝐷

2 (2.76)

Figura 33. Localización en 1D en LabView.

Finalmente se repite la prueba un total de 3 veces rompiendo la mina en diferentes puntos con el fin de

comprobar la validez de este método y su respectiva ecuación.

5.4 Localización de la grita en 2D:

Dado que la superficie en la que se realizan las diferentes mediciones es plana, se puede usar el método de

diferencia de tiempo de llegada explicado en la sección 2.7.2. A diferencia del método de una dimensión en

que solo se trabaja en el eje horizontal, en dos dimensiones debemos tener en cuenta las coordenadas (x, y).

Inicialmente debemos relacionar la superficie donde se romperá la mina con un plano cartesiano, para luego

ubicar los sensores en la placa. Por simplicidad, se ubica el origen (0,0) en una de las esquinas de la placa

como se muestra en la Figura 34.

Figura 34. Primer cuadrante del plano cartesiano simulado en una estructura

Se posicionan 4 sensores asignándole las coordenadas correspondientes (S1 X1, Y1 S2 X2, Y2 etc.) de

manera que cubran la totalidad de la placa Figura 35 para luego la expresión de la ecuación 2.71 con los

respectivos sensores y sus coordenadas.

𝑉𝑡𝑖 = 𝑑𝑖 (2.71)

X

34

Figura 35. Ubicación de 4 sensores.

Se divide la placa en 2 cuadrantes como se muestra en la Figura 36, formando dos triángulos diferentes,

con el fin de que utilizando dos triángulos se logre cubrir la totalidad de la placa.

Figura 36. División de la estructura en 2 cuadrantes conformado por los 4 sensores.

Al conocer la distribución de los cuadrantes Figura 36, se ubica la mina en la posición (XF, YF), como lo

muestra la Figura 36, simulando una fuente de emisión acústica por el método de HAUS-Nielsen. Mediante

el programa LabView y su programación correspondiente, se adquieren y procesan los parámetros de la

señal recibidos por todos los sensores.

Con la velocidad correspondiente al material, según las pruebas realizadas previamente en la sección 5.2,

las coordenadas de cada sensor y los demás parámetros adquiridos previamente, estos datos son ingresados

en el panel de control de LabView Figura 37, el cual mediante la programación correspondiente; resuelve

la solución de la ecuación 2.79 y ecuación 2.81 (se debe tener en cuenta las hipérbolas a generar, como se

menciona en 2.7.2); dando como resultado la localización de la grieta con respecto al cuadrante que

conocemos en coordenadas (X, Y) y también mostrado como interfaz gráfica Figura 38.

∆12 = 𝑣. ∆𝑡12 (2.79)

∆13 = 𝑣. ∆𝑡31 (2.81)

35

Figura 37. Localización en 2D en LabView

Figura 38. Visualización de la localización en LabView.

Finalmente se repite la prueba un total de 4 veces por cuadrante rompiendo la mina en diferentes puntos con

el fin de comprobar la validez de este método y su respectiva ecuación.

6. ANÁLISIS DE RESULTADOS:

6.1 Sensores de Ultrasonido:

6.1.1 Análisis paramétrico de las señales de ultrasonido y medición de la velocidad de propagación:

Inicialmente se verifica que las ondas obtenidas correspondan al fenómeno de emisión acústica, para ello se

compara la forma y tipo de onda adquiridas con la forma y tipo de onda especificada previamente en la

Figura 3.

A partir de los parámetros obtenidos de las señales de emisión acústica EA como lo son amplitud, tiempo

de subida, duración, energía, entre otros mencionados previamente en la sección 2.6; se puede calcular la

velocidad de propagación en distintos tipos de material e incluso llegar a localizar la grieta que da origen

las ondas de emisión acústica EA

36

6.1.1.1 Concreto:

En la Figura 39, se muestra el montaje de los sensores de ultrasonido en concreto, utilizando dos sensores

para la medición de los parámetros de una señal de emisión acústica.

Figura 39. Montaje de los sensores en concreto

En la Tabla 9, se muestran los resultados obtenidos para diferentes pruebas realizadas en concreto con los

sensores de ultrasonido, estas pruebas se realizaron modificando la distancia que hay entre los sensores.

POSICION

CH1 (cm)

POSICION

CH2 (cm)

DISTANCIA

CH1-CH2 (cm)

Tiempo

Llegada

CH1 (s)

Tiempo

Llegada

CH2 (s)

Vpp

CH1

(V)

Vpp

CH2

(V)

Fcentral

CH1 (Hz)

Fcentral

CH2 (Hz)

VRMS

CH1

VRMS

CH2

Vpro

(m/s)

0 4,5 4,5 1,8,E-05 3,9,E-06 1,94 1,96 105000 160000 0,6858 0,693 2158

0 4 4 1,7,E-05 6,7,E-06 1,30 1,85 210000 185000 0,4596 0,654 1980

0 6 6 1,8,E-05 7,0,E-06 1,10 2,01 185000 135000 0,3889 0,711 3636

0 5 5 1,6,E-05 7,3,E-06 0,60 1,97 160000 230000 0,2121 0,697 3448

0 7 7 2,4,E-05 6,7,E-06 0,01 1,78 100000 155000 0,0017 0,629 2890

Tabla 9. Parámetros de una señal de EA

La Figura 40 muestra las formas de ondas y FFT adquiridas en la prueba en la que se colocaron los sensores

a 4cm de distancia.

Figura 40. Formas de onda y FFT captada por dos sensores.

La Tabla 10 muestra los resultados promedio de las mediciones realizadas en concreto con los sensores de

ultrasonido.

37

RESULTADOS PROMEDIO

Fcentral (Hz) Vprop (m/s)

152000 2822,66 Tabla 10. Resultados de la velocidad de propagación y frecuencia central

Comparando los resultados de la Tabla 10, con una velocidad de propagación de 2822 m/s, con la Tabla 2,

que muestra una velocidad de propagación de 2730m/s para el concreto se verifica que la velocidad de

propagación corresponde al fenómeno de EA.

6.1.1.2 Hierro:

En la Figura 41, se muestra el montaje de los sensores de ultrasonido en hierro, utilizando dos sensores


Figura 41. Montaje de los sensores en hierro

En la Tabla 11 se muestran los resultados obtenidos para diferentes pruebas realizadas en hierro con los

sensores de ultrasonido, estas pruebas se realizaron modificando la distancia que hay entre los sensores.

POSICION

CH1 (cm)

POSICION

CH2 (cm)

DISTANCIA

CH1-CH2

(cm)

Tiempo

Llegada

CH1 (s)

Tiempo

Llegada

CH2 (s)

Vpp

CH1

(V)

Vpp

CH2

(V)

Fcentral

CH1 (Hz)

Fcentral

CH2

(Hz)

VRMS

CH1

VRMS

CH2 Vprop (m/s)

0 4,5 4,5 3,3,E-05 4,7,E-05 1,61 0,35 258076 101388 0,0860 0,014 3225,82

0 4 4 3,1,E-05 4,2,E-05 1,73 1,29 127390 105807 0,09994 0,062 3779,43

0 6 6 7,0,E-05 5,9,E-05 2,74 0,14 102603 102603 0,13577 0,009 5215,03

0 5 5 6,8,E-05 7,6,E-05 1,98 0,15 105396 103005 0,13423 0,013 5829,89

0 7 7 3,1,E-05 5,4,E-05 1,86 0,04 128554 101016 0,08417 0,006 3072,27



a 6 cm de distancia.

38


La Tabla 12 muestra los resultados promedio de las mediciones realizadas en hierro con los sensores de

ultrasonido.

RESULTADOS PROMEDIO


144403,8 4224,49

Tabla 12. Resultados de la velocidad de propagación y frecuencia central


que muestra una velocidad de propagación de 5170 m/s para el hierro se verifica que la velocidad de


6.1.2 Localización de la grieta en 1D:

6.1.2.1 Concreto:

Se realizara el procedimiento explicado en la sección 5.3, colocando los sensores con un espacio de

separación entre ellos de unos 6cm aproximadamente, como se muestra en la Figura 43.

Figura 43. Montaje de los sensores en concreto.

39

Después se procede a configurar el panel de control en el software de LabView ingresando la distancia entre

los sensores y la velocidad de propagación del material como se muestra en la Figura 44.

Figura 44. Parámetros de localización en 1D.

La Tabla 13, muestra los resultados obtenidos para 3 diferentes pruebas de la localización de la grita en 1D

utilizando los sensores de ultrasonido en concreto.

LOCALIZACION EN 1D - RESPECTO A CH1

Distancia CH1-CH2 (cm) Teórico

(cm)

Medido

(cm)

Error

(cm)

5 0,5 0,2 0,3

5 4 3,99 0,01

5 2,5 2,52 0,02 Tabla 13. Resultado de la localización en 1D

En la Figura 45, se muestran las formas de onda y FFT adquiridas al realizar la prueba a 4 cm de distancia

respecto al Sensor 1.

Figura 45. Formas de onda y FFT

40

6.1.2.2 Hierro:



Figura 46. Montaje de los sensores en hierro.



Figura 47. Parámetros de localización en 1D.


utilizando los sensores de ultrasonido en hierro.


Distancia CH1-CH2 (cm) Teórico

(cm)

Medido

(cm)

Error

(cm)

5 2 2,68 0,68

5 3 3,39 0,39

5 4 3,75 0,25 Tabla 14. Resultado de la localización en 1D



41



6.1.3.1 Concreto:

Se realiza el procedimiento explicado en la sección 2.4, en la Figura 49 se muestra el montaje

correspondiente para la localización de una fuente de emisión acústica en 2 dimensiones utilizando los

sensores de ultrasonido en concreto.


Se ingresan las coordenadas de los 4 sensores al software de LabView, teniendo en cuenta que el sensor 3

deberá tener las coordenadas (0,0) como se muestra en la Figura 50.

42

Figura 50. Coordenadas para la localización en 2D.

La Tabla 15 muestra los resultados obtenidos para 4 pruebas por cuadrante en concreto utilizando los

sensores de ultrasonido.

Tabla 15. Resultados de la localización en 2D

La interfaz gráfica del software en LabView permite visualizar la localización de los eventos, la Figura 51

muestra los resultados obtenidos para las 8 pruebas realizadas.

LOCALIZACION EN 2D ULTRASONIDO

Coordenadas

Teóricas (cm)

Coordenadas

Obtenidas (cm) Error (cm)

X Y X Y X Y Ruptura

Cuadrante

1

0,02 0,02 0,0085 0,011 0,012 0,009 1

0,05 0,03 0,037 0,016 0,013 0,014 2

0,03 0,02 0,018 0,031 0,012 0,011 3

0,01 0,01 0 0,002 0,010 0,008 4

Cuadrante

2

0,03 0,03 0,022 0,018 0,008 0,012 5

0,01 0,04 0,0101 0,031 0,000 0,009 6

0,04 0,04 0,047 0,05 0,007 0,010 7

0,02 0,04 0,024 0,047 0,004 0,007 8

43

Figura 51. Interfaz gráfica en LabView para la localización en 2D.

La Figura 52 muestra las formas de ondas adquiridas por los 4 sensores y su FFT, para la primera prueba

realizada para la localización en 2D en concreto con los sensores de ultrasonido.

Figura 52. Formas de onda y FFT.

6.1.3.2 Hierro:



sensores de ultrasonido en hierro.

44




Figura 54. Coordenadas para la localización en 2D.

La Tabla 16 muestra los resultados obtenidos para 4 pruebas por cuadrante en hierro utilizando los sensores

de ultrasonido.

LOCALIZACION EN 2D ULTRASONIDO

Coordenadas

Teoricas (cm)

Coordenadas

Obtenidas (cm)

Error

(cm)

X Y X Y X Y Ruptura

Cuadrante

1

0,02 0,02 0,009 0,014 0,011 0,006 1

0,05 0,03 0,054 0,0246 0,004 0,005 2

0,03 0,02 0,018 0,031 0,012 0,011 3

0,01 0,01 0,003 0,0003 0,010 0,010 4

Cuadrante

2

0,03 0,03 0,001 0,016 0,030 0,014 5

0,01 0,04 0,024 0,025 0,014 0,015 6

0,04 0,04 0,018 0,031 0,022 0,009 7

0,02 0,04 0,047 0,05 0,027 0,010 8 Tabla 16. Resultados de la localización en 2D

45




La figura 56 muestra las formas de ondas adquiridas por los 4 sensores y su FFT, para la primera prueba

realizada para la localización en 2D en hierro con los sensores de ultrasonido.


46

6.2 Sensores Piezoeléctricos:

6.2.1 Análisis paramétrico de las señales de emisión acústica y medición de la velocidad de

propagación:

Inicialmente se verifica que las ondas obtenidas correspondan al fenómeno de emisión acústica, para ello se

compara la forma y tipo de onda adquirida con la forma y tipo de onda especificada previamente en la

Figura 3.

A partir de los parámetros obtenidos de las señales de emisión acústica EA como lo son amplitud, tiempo

de subida, duración, energía, entre otros mencionados en la sección 2.6; se puede calcular la velocidad de

propagación en distintos tipos de material e incluso llegar a localizar la grieta que da origen las ondas de

emisión acústica EA

6.2.1.1 Concreto:

En la Figura 57, se muestra el montaje de los sensores piezoeléctricos en concreto, utilizando dos sensores


Figura 57. Montaje de los sensores piezoeléctricos en concreto

En la Tabla 17, se muestran los resultados obtenidos para diferentes pruebas realizadas en concreto con los

sensores piezoeléctricos, estas pruebas se realizaron modificando la distancia que hay entre los sensores.

POSICION

CH1 (cm)

POSICION

CH2 (cm)

DISTANCIA

CH1-CH2

(cm)

Tiempo

Llegada

CH1 (s)

Tiempo

Llegada

CH2 (s)

Vpp

CH1

(V)

Vpp

CH2

(V)

Fcentral

CH1

(Hz)

Fcentral

CH2 (Hz)

VRMS

CH1

VRMS

CH2

Vprop

(m/s)

0 34 34 2,7,E-04 1,5,E-04 3,54 6,64 129382 102536 0,201 0,391 2912,83

0 15 15 2,7,E-04 2,2,E-04 5,09 5,91 113739 112303 0,427 0,436 2833,55

0 10 10 2,7,E-04 2,4,E-04 4,87 6,35 116322 107414 0,397 0,351 3152,62

0 7 7 2,8,E-04 2,5,E-04 5,73 6,85 106647 110169 0,4 0,363 2856,3

0 2 2 2,8,E-04 2,6,E-04 5,33 5,90 106606 107761 0,341 0,235 2297,92



a 15cm de distancia.

47


La Tabla 18 muestra los resultados promedio de las mediciones realizadas en concreto con los sensores

piezoeléctricos.

RESULTADOS PROMEDIO


114539,2 2810,644 Tabla 18. Resultados de la velocidad de propagación y frecuencia central




6.2.1.2 Hierro:

A partir del procedimiento mencionado previamente en la sección 5.1, se calculan los parámetros de la señal.

En la Figura 59, se muestra el montaje de los sensores piezoeléctricos en hierro, utilizando dos sensores


Figura 59. Montaje de los sensores piezoeléctricos en hierro

48

En la Tabla 19, se muestran los resultados obtenidos para diferentes pruebas realizadas en hierro con los

sensores piezoeléctricos, estas pruebas se realizaron modificando la distancia que hay entre los sensores.

POSICION

CH1 (cm)

POSICION

CH2 (cm)

DISTANCIA

CH1-CH2

(cm)

Tiempo

Llegada

CH1 (s)

Tiempo

Llegada

CH2 (s)

Vpp

CH1

(V)

Vpp

CH2

(V)

Fcentral

CH1 (Hz)

Fcentral

CH2 (Hz)

VRMS

CH1

VRMS

CH2

Vpro

(m/s)

0 16 16 2,8,E-04 2,3,E-04 4,58 6,69 156899 140503 0,57 0,983 3103

0 10 10 2,7,E-04 2,4,E-04 4,46 6,56 158545 120245 0,432 0,54 3876

0 8 8 2,6,E-04 2,4,E-04 4,09 7,62 160201 155060 0,35 0,939 4059

0 6 6 2,6,E-04 2,5,E-04 4,24 7,75 145800 120269 0,324 0,762 4854

0 3,5 3,5 2,7,E-04 2,6,E-04 3,63 4,40 146094 151556 0,4 0,541 4761



a 8cm de distancia.


La Tabla 20 muestra los resultados promedio de las mediciones realizadas en hierro con los sensores

piezoeléctricos.

RESULTADOS PROMEDIO

Fcentral (Hz) Vpro (m/s)

153507,8 4130,6 Tabla 20. Resultados de la velocidad de propagación y frecuencia central




49


6.2.2.1 Concreto:






Figura 62. Parámetros para la localización en 1D.


utilizando los sensores piezoeléctricos en concreto.


Distancia CH1-CH2 Teórico (cm) Medido (cm) Error (cm)

34 6 6,2 0,2

34 23 24,5 1,5


En la Figura 63, se muestran las formas de onda y FFT adquiridas al realizar la prueba a 12 cm de

distancia respecto al Sensor 1.

50


6.2.2.2 Hierro:



Figura 64. Montaje de los sensores en hierro.



Figura 65. Parámetros para la localización en 1D.


utilizando los sensores piezoeléctricos en hierro.

51


Distancia CH1-CH2 Teórico (cm) Medido (cm) Error (cm)

16 8 8,04 0,04

16 12 14,2 2,2





6.2.3 Localización de la grita en 2D:

6.2.2.1 Concreto:



sensores piezoeléctricos en concreto.

Figura 67. Montaje de los sensores en concreto

52



Figura 68. Coordenadas para la localización en 2D

La Tabla 23 muestra los resultados obtenidos para 4 pruebas por cuadrante en concreto utilizando los

sensores piezoeléctricos.

LOCALIZACION EN 2D PIEZOELECTRICOS

Coordenadas

Teóricas (cm)

Coordenadas

Obtenidas (cm)

Error

(cm)

X Y X Y X Y Ruptura

Cuadrante

1

8 8 8,13 9,03 0,130 1,030 1

23 8 22 8,6 1,000 0,600 2

17 15 16,5 16,5 0,500 1,500 3

29 26,5 29,3 26 0,300 0,500 4

Cuadrante

2

8 30 9,2 30,01 1,200 0,010 5

17,5 31 17,94 29,9 0,440 1,100 6

28 28 28,24 27,4 0,240 0,600 7

5 10 5,9 11,2 0,900 1,200 8 Tabla 23. Resultados de la localización en 2D



53



realizada para la localización en 2D en concreto con los sensores piezoeléctricos


6.2.2.2 Hierro:



sensores piezoeléctricos en hierro.

54




Figura 72. Coordenadas para la localización en 2D

La Tabla 24 muestra los resultados obtenidos para 4 pruebas por cuadrante en hierro utilizando los sensores

piezoeléctricos.

LOCALIZACION EN 2D PIEZOELECTRICOS

Coordenadas

Teóricas (cm)

Coordenadas

Obtenidas (cm)

Error

(cm)

X Y X Y X Y Ruptura

Cuadrante

1

3 3,5 3,17 2,86 0,170 0,640 1

7,8 5 7,49 5,52 0,310 0,520 2

10,5 2,5 10,68 1,65 0,180 0,850 3

11,8 11 10,43 11,57 1,370 0,570 4

Cuadrante

2

8 13 7,9 12,26 0,100 0,740 5

5 25,5 4,81 24,27 0,190 1,230 6

10 22 9,57 22,09 0,430 0,090 7

3 13 2,89 13,79 0,110 0,790 8

Tabla 24. Resultados de la localización en 2D



55



realizada para la localización en 2D en hierro con los sensores piezoeléctricos


56

6.3 Comparación del comportamiento de los dos tipos de sensores:

A continuación, se hace la comparación de las respectivas pruebas realizadas con los dos diferentes tipos

de sensores y los dos diferentes tipos de materiales.

Sensor Material Velocidad Propagación m/s Frecuencia Central Hz

Ultrasonido Concreto 2822 152000

Ultrasonido Hierro 4224 144403

Piezoeléctrico Concreto 2810 114539

Piezoeléctrico Hierro 4130 153507 Tabla 25. Comparación de resultados del análisis paramétrico de las señales de emisión acústica

Los resultados obtenidos en el análisis paramétrico de las señales de emisión acústica demuestran que los

rangos de frecuencias detectados son los esperados, además se puede evidenciar cómo la velocidad de

propagación es comparable con la teórica de cada uno de los materiales reportada en la Tabla 2.

Localización 1D

Tipo de Sensor Material Error (cm)

Ultrasonido Concreto 0.11

Ultrasonido Hierro 0.43

Piezoeléctrico Concreto 0.76

Piezoeléctrico Hierro 0.9 Tabla 26. Comparación de resultados de la localización en 1D

Localización 2D

Tipo de Sensor Material Error (x) cm Error (y) cm

Ultrasonido Concreto 0.012 0.011

Ultrasonido Hierro 0.009 0.006

Piezoeléctrico Concreto 0.48 0.9

Piezoeléctrico Hierro 0.5 0.8 Tabla 27. Comparación de resultados de la localización en 2D

Alcance

Piezoeléctricos Ultrasonido

Más de 30 cm entre sensores 6 a 7 cm entre sensores Tabla 28. Comparación de alcance entre sensores

57

7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES:

Luego de analizar los resultados obtenidos previamente, se concluyen diferentes características con respecto

a la detección del fenómeno de emisión acústica mediante dos tipos de sensores (ultrasonido y

piezoeléctrico). Para iniciar, se comprobó que sin importar el tipo de material (concreto o hierro) se puede

detectar la aparición del fenómeno de emisión acústica mediante sensores de ultrasonido, a pesar de que no

están diseñados principalmente para la detección del fenómeno.

Aunque se pueda detectar el fenómeno de EA con sensores de ultrasonido, el alcance de detección es mucho

menor con respecto a los sensores piezoeléctricos Tabla 28. Lo anterior puede mejorar si se busca la manera

de obtener un mejor acoplamiento de los sensores de ultrasonido al material.

Dado que el alcance de detección del fenómeno de EA de ambos sensores es diferente Tabla 28, la

localización de la fuente de emisión acústica (grieta) en una o dos dimensiones también se ve limitado por

el tipo de sensor. Usando los sensores piezoeléctricos se pueden detectar la aparición de grietas (en una o

dos dimensiones) en estructuras mayor o igual a 30 cm, mientras que usando los sensores de ultrasonido se

puede detectar la aparición del fenómeno en estructuras que no superen los de largo o ancho 6cm.

Los métodos usados para la localización de una o dos dimensiones fueron bastante buenos para ambos tipos

de sensores sin importar el material, se presentó un error promedio máximo de 1 cm como se ve en la Tabla

27. Lo cual verifica la confiabilidad de las ecuaciones presentadas para la localización de la aparición del

fenómeno de emisión acústica.

Para la medición de este fenómeno se recomienda tener un buen acople de los sensores al material, ya que,

en el momento de la realización de las pruebas, si alguno de los sensores no está bien acoplado, la onda y

los resultados en las mediciones varían y se pueden presentar errores, adicionalmente se sugiere utilizar

diferentes técnicas de procesamiento de señales para poder calcular el tiempo de llegada de las señales de

emisión acústica con mayor precisión y disminuir el error que se puede presentar en las mediciones.

58

8. BIBLIOGRAFÍA:

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59

9. ANEXOS:

Los anexos están disponibles en la carpeta compartida de OneDrive en el siguiente enlace:

https://livejaverianaedu-

my.sharepoint.com/:f:/g/personal/n_amortegui_javeriana_edu_co/EiRRonadwklAt03Y_gIDxr0BvDqDs0

NYgejiPqYHuwooZQ?e=tGubcX

ANEXO 1: Circuito Esquemático Circuito de Ultrasonido

ANEXO 2: Diseño del Layout del PCB del circuito de Ultrasonido

ANEXO 3: Circuito Esquemático Circuito de los sensores Piezoeléctricos

ANEXO 4: Diseño del Layout del PCB del circuito de los sensores Piezoeléctricos

ANEXO 5: Programación en Bloques de LabView

ANEXO 6: Archivo de Impresión 3D para el acople de los sensores de Ultrasonido

ANEXO 7: Diseño del filtro Pasa-Altas del circuito de Ultrasonido

ANEXO 8: Reportes de Diseño de los dos circuitos

ANEXO 9: Datasheet Sensor de Ultrasonido

ANEXO 10: Datasheet Sensor Piezoeléctrico

ANEXO 11: Datasheet integrado TLV3544

ANEXO 12: Datasheet Osciloscopio

https://livejaverianaedu-my.sharepoint.com/:f:/g/personal/n_amortegui_javeriana_edu_co/EiRRonadwklAt03Y_gIDxr0BvDqDs0NYgejiPqYHuwooZQ?e=tGubcX



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