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Conforme apresentado na introdução deste capítulo, a medição constitui parte fundamental do processo de monitoração, e consiste no conjunto de operações que tem por objetivo determinar um valor de uma grandeza, sendo necessário para a sua realização o uso de instrumentos de medição apropriados2 (INMETRO, 1995). Na monitoração de estruturas, esses instrumentos são parte integrante da instrumentação utilizada.

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Instrumento de medição é o dispositivo utilizado para uma medição, sozinho ou em conjunto com dispositivos complementares (INMETRO, 1995).

Entende-se como instrumentação todo o conjunto de dispositivos que interligam um processo a um processador, capaz de registrar as informações correspondentes às variáveis de interesse, com finalidade de monitoração ou controle. Mais especificamente, instrumentos de medição, circuitos condicionadores de sinais, conversores analógico-digitais (A/D) e digital-analógicos (D/A), multiplexadores e todos os dispositivos e procedimentos de tratamento da informação, constituem o que se designa como a instrumentação de um processo (NOLL, 2003).

Pelo fato de que a maior parte das grandezas é passível de uma conversão para uma grandeza elétrica (tensão ou corrente); o registro, a indicação visual e mesmo a digitalização dos sinais tornaram-se possíveis através da instrumentação eletro-eletrônica. A relativa facilidade de tratamento matemático dos sinais elétricos e a possibilidade de transporte da informação por meio de técnicas adequadas permite que se monitore praticamente todos os processos industriais, biológicos e físicos, incluindo-se também o comportamento de estruturas. No contexto dos sistemas de monitoração voltados a estruturas de Engenharia Civil, os instrumentos de medição comumente utilizados são os sensores e transdutores que constituem a rede sensora.

Sensores são dispositivos que sofrem mudança de comportamento ou das suas propriedades quando sujeitos a ação de uma grandeza física ou química, podendo fornecer direta ou indiretamente um sinal indicativo da grandeza. (REGAZZI, PEREIRA e SILVA, 2005). Os transdutores são dispositivos que convertem um estímulo (sinal de entrada) em uma resposta (sinal de saída) proporcional à transferência de energia, medição ou processamento da informação, sendo que em geral o sinal de saída é uma grandeza física de natureza diferente do sinal de entrada (NOLL, 2003; SEIPPEL,1983). Assim, todo transdutor contém um sensor, sendo o primeiro correspondente ao componente completo, com características geométricas, mecânicas e funcionais que possibilitam o seu uso para a realização de medições e ligação a equipamentos de aquisição de sinal.

Atualmente, para aplicações de monitoração em Engenharia Civil, encontram-se disponíveis sensores para medições de uma expressiva lista de grandezas, destacando-se os sensores para medição de deformações, temperaturas, deslocamentos, rotações, acelerações e umidade relativa, sendo que,

para as medições destas grandezas, além dos convencionais sensores elétricos, já são bastante aplicados no exterior os sensores de fibra ópticas.

Os processos de fabricação de sensores têm experimentado várias modificações nos últimos 20 anos, com impactos diretos na qualidade, na confiabilidade e no preço dos novos produtos. Após os avanços tecnológicos na Eletrônica durante a década de 1980, que mediante o desenvolvimento dos circuitos integrados viabilizou com sucesso a integração de componentes para a construção de sensores, melhorando o desempenho e reduzindo os custos, a década de 1990 testemunhou o franco desenvolvimento das técnicas de fabricação de micro- estruturas. O atual estágio de maturidade do setor tem motivado a construção de sensores miniaturizados, muitas vezes fabricados sobre pastilhas de circuitos integrados, tornando possível a obtenção de microssistemas monolíticos, onde partes não-eletrônicas (sensores e atuadores), interface analógica (amplificadores) e processamento de sinais digitais são construídas no mesmo chip, originando um novo paradigma tecnológico, designado MEMS (Micro Electro Mechanical Systems – Sistemas Micro-Eletromecânicos, ou Microssistemas Integrados).

Já podem ser encontrados no mercado alguns tipos de sensores baseados nesta recente tecnologia, com destaque para os acelerômetros MEMS, largamente empregados na indústria automobilística, aeronáutica e aeroespacial, mas também disponíveis para utilização na monitoração de estruturas de Engenharia Civil (SHINOZUKA et al., 2004; BERNSTEIN, 2003; LAL et al., 2002).

Esses novos sensores ampliam a apreciável variedade de sensores e transdutores disponíveis para a medição das grandezas monitoradas em estruturas civis, viabilizando novas soluções aos responsáveis pelo planejamento da monitoração, cujo êxito é em grande medida condicionado à seleção de sensores apropriados, capazes de proporcionar as informações requeridas com a qualidade exigida.

2.2.1.1 Redes de sensores sem fios

Recentemente, com o desenvolvimento de dispositivos integrados constituídos por sensores baseados na tecnologia MEMS, sistema de comunicação

sem fio e tecnologia de circuitos digitais, surgiram os sensores wireless, ou sensores sem fios (figura 2.2). Estes sensores, que dispensam o uso de cabos e fios para o envio dos sinais previamente processados até a estação central, propiciaram a fundação de uma nova tecnologia na área de redes que tem sido chamada de WSN

– Wireless Sensor Networks (ESTRIN et al., 1999) ou RSSF – Rede de Sensores

Sem Fio (BARBOSA et al., 2005), e podem vir a constituir uma alternativa aos sensores convencionais, sobretudo em obras com várias seções instrumentadas e elevado número de sensores.

(a) (b) Figura 2.2 – Componentes MEMS (a, b) utilizados na construção de acelerômetros wireless. Fonte:

PCMAG (2007); NPL (2007).

A tendência atual é que os sensores sem fios sejam prduzidos em larga escala, barateando o seu custo, ao mesmo tempo em que se prevê o aumento progressivo dos investimentos no desenvolvimento tecnológico desses dispositivos, levando a novas melhorias e capacidades, tais como o aperfeiçoamento dos protocolos de comunicação e redução do consumo de energia (LYNCH, 2004).

Em 2003, os sistemas baseados em sensores sem fio já permitiam a comunicação entre sensores (transmissores) e estações locais (receptores) separadas por distâncias superiores a 16 km, viabilizando aquisições com frequências de até 1 Hz (figura 2.3) (LOUREIRO, 2003).

Comparando os sensores sem fio com os demais sensores, estes dispositivos apresentam como principais vantagens a eliminação da necessidade de cabos e fios, a facilidade de transporte, instalação, reparo ou manutenção. A principal desvantagem desses sensores refere-se à dificuldade de transmissão do

sinal através de ambientes fechados com paredes maciças, ou à sua utilização de forma embutida.

>10 milhas (16,90 km) - 16% entre 1 e 10 milhas (1,61 km e 16,90 km) -22% entre 100 pés e 1 milha (304,80 m e 1,61 km) - 34% entre 100 e 1000 pés (30,48 m e 304,80 m) - 16% < 100 pés (30,48 m) - 8% móveis - 4%

(a)

alta (1 segundo) - 15% média (15 minutos) - 30% baixa (6 horas) - 55%

(b)

Figura 2.3 – Estatísticas sobre alcance e frequência de observação de sensores sem fios em aplicações industriais. Alcance de comunicação (a) e intervalo entre observações (b). Fonte: LOUREIRO (2003)