Commissioning and Evaluation of a Fiber-Optic Sensor System for Bridge Monitoring

This paper describes the design, commissioning, and evaluation of a ?ber-optic strain sensor system for the structural health monitoring of a prestressed concrete posttensioned box girder railway bridge in Mumbai, India, which shows a number of well-documented structural problems. Preliminary laboratory trials to design the most appropriate sensor system that could be readily transported and used on site are described, followed by a description of load tests on the actual bridge undertaken in collaboration with Indian Railways and using locomotives of known weight. Results from the load tests using the optical system are compared with similar results obtained using electrical resistance strain gages. Conclusions are summarized concerning the integrity of the structure and for the future use of the sensor system for monitoring bridges of this type. Crack width measurements obtained during the load tests are also described.

Force measurement capability for robotic assisted minimally invasive surgery systems

An automated laparoscopic instrument capable of non-invasive measurement of tip/tissue interaction forces for direct application in robotic assisted minimally invasive surgery systems_ is introduced in this paper. It has the capability to measure normal grasping forces as well as lateral interaction forces without any sensor mounted on the tip jaws. Further to non-invasive actuation of the tip, the proposed instrument is also able to change the grasping direction during surgical operation. Modular design of the instrument allows conversion between surgical modalities (e.g., grasping, cutting, and dissecting). The main focus of this paper is on evaluation of the grasping force capability of the proposed instrument. The mathematical formulation of fenestrated insert is presented and its non-linear behaviour is studied. In order to measure the stiffness of soft tissues, a device was developed that is also described in this paper. Tissue characterisation experiments were conducted and results are presented and analysed here. The experimental results verify the capability of the proposed instrument in accurately measuring grasping forces and in characterising artificial tissue samples of varying stiffness.

Soft tissue characterisation using a force feedback-enabled instrument for robotic assisted minimally invasive surgery systems

An automated laparoscopic instrument capable of non-invasivemeasurement of tip/tissue interaction forces for direct application in robotic assisted minimally invasive surgery systems is introduced in this chapter. It has the capability to measure normal grasping forces as well as lateral interaction forces without any sensor mounted on the tip jaws. Further to non-invasive actuation of the tip, the proposed instrument is also able to change the grasping direction during surgical operation. Modular design of the instrument allows conversion between surgical modalities (e.g., grasping, cutting, and dissecting). The main focus of thispaper is on evaluation of the grasping force capability of the proposed instrument. The mathematical formulation of fenestrated insert is presented and its non-linear behaviour is studied. In order to measure the stiffness of soft tissues, a device was developed that is also described in this chapter. Tissue characterisation experiments were conducted and results are presented and analysed here. The experimental results verify the capability of the proposed instrument in accurately measuring grasping forces and in characterising artificial tissue samples of varying stiffness.

Sistema eletro-eletrônico para medição direta de torque em dispositivos girantes utilizando extensômetros de resistência elétrica

Neste trabalho propõe-se um sistema para medição de torque em dispositivos girantes, que utiliza extensômetros de resistência elétrica colados nos próprios elementos constituintes do arranjo mecânico sob análise. Um conjunto de circuitos eletrônicos foi especialmente desenvolvido para o sensoreamento das pequenas deformações que ocorrem nos disposotivos girantes. O sistema opera sem contato eletro-mecânico entre a parte estacionária e a parte girante. Para tanto desenvolveu-se também uma metodologia de projeto e construção de transformadores rotativos que são utilizados para transferência da energia que alimenta os circuitos eletrônicos solidários ao elemento mecânico instrumentado. Também foi necessário utilizar um transmissor em freqüência modulada do sinal elétrico proporcional ao torque medido. Uma análise comparativa, dos resultados obtidos entre os sistemas existentes e aqueles alcançados com a técnica proposta neste trabalho, demonstra sua aplicabilidade em diversas situações práticas.

Desenvolvimento teórico e análise numérica de uma plataforma de forças extensométrica com aplicação específica na impulsão para o salto em distância

Na realização de atividades físicas o corpo humano exerce forças contra o solo. Em atividades tais como correr e saltar as forças são exercidas através dos pés. Atualmente, sabe-se que estudos da magnitude e direção destas forças, e das maneiras de suas mudanças no tempo, fornecem valiosas informações sobre a performance alcançada no movimento, podendo indicar medidas corretivas que possam aprimorá-la. Na obtenção destas variáveis determinantes no desempenho do movimento utilizam-se instrumentos denominados plataformas de forças, capazes de medir a força de ação realizada sobre sua superfície de contato, e o respectivo momento, permitindo a determinação das três componentes ortogonais de força (Fx, Fy, Fz) e os momentos em torno dos três eixos ortogonais (Mx, My, Mz) simultaneamente. Este trabalho descreve o desenvolvimento teórico de uma plataforma de forças específica para aplicação na decolagem do salto em distância, bem como as alternativas de projeto geradas neste desenvolvimento. Foram buscadas soluções para a realização dos experimentos sob condições naturais de treinamento, visando a construção do instrumento e sua instalação na pista de saltos atléticos. Para isso é proposta a substituição da tábua de impulsão original pela plataforma de forças desenvolvida. Nas alternativas geradas foi utilizado o princípio extensométrico resistivo de medição de forças, que representa uma diminuição substancial no custo de manufatura estimado frente às unidades comercialmente avaliadas. Nestas alternativas, os sensores resistivos “strain gages” são localizados estrategicamente em estruturas metálicas que sustentam uma tampa de material composto com a função de superfície de contato Para a análise estrutural das alternativas estudadas foi utilizado o Método dos Elementos Finitos. Para comparar e escolher a melhor entre as diversas alternativas, foram propostos índices de desempenho. Ao final do trabalho são apresentadas conclusões sobre a metodologia empregada no estudo realizado e sobre o novo modelo de plataforma de forças desenvolvido.

Desenvolvimento de célula de carga para medir força aplicada durante a escovação dental

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema de medição para a análise biomecânica da força desenvolvida durante a escovação dental, com aquisição e processamento de dados de dinamometria para a análise da escovação dental como um processo eficaz de higiene bucal. Foi desenvolvida uma célula de carga com extensômetros de resistência elétrica, montada em uma escova dental. A célula de carga foi construída com 2 Strain Gages montados em meia ponte de Wheatstone, medindo força em flexão, e 4 Strain Gages montados em ponte completa de Wheatstone medindo força de torque. A aquisição dos dados e análise foi feita através do software SAD2. Foram selecionados 6 indivíduos, dois do sexo masculino e 4 do sexo feminino, todos destros, e instruídos a escovarem os dentes por 1 minuto. Os valores medidos para a força de flexão média variam de 24gf à 526gf e para o esforço de torque médio de –76gfmm à 1890gfmm. A célula de carga desenvolvida mostrou-se repetitiva, com boa sensibilidade e confiável com um erro em flexão de 2,7% e 5,5% em torque. A célula de carga apresentou resultados semelhantes a de outros trabalhos publicados anteriormente, sendo estes válidos para uma análise quantitativa inicial no processo de escovação.

Estudo de recapeamentos asfálticos de pavimentos através de ensaios acelerados

O objetivo deste estudo é avaliar o desempenho de recapeamentos asfálticos, aplicados sobre pavimentos severamente trincados, através do acompanhamento da degradação ocorrida em função do tráfego. Foram testados dois tipos de recapeamentos: uma camada de 5,6 cm de espessura, em concreto asfáltico convencional e um tratamento superficial duplo, modificado por polímero SBS. Os recapeamentos asfálticos foram aplicados sobre uma pista experimental já trafegada e realizou-se, artificialmente, um trincamento padronizado buscando reproduzir efeitos similares àqueles provocados pelo fenômeno de fadiga. Utilizou-se a técnica de ensaios acelerados de pavimentos através da utilização de um simulador linear de tráfego, com rodado duplo. A carga de semi-eixo de 50 kN adotada proporcionou a degradação do pavimento três meses de ensaio para cada recapeamento. O monitoramento do pavimento, em termos estruturais e funcionais, fez-se pelo levantamento periódico de deflexões, bacias deflectométricas, afundamentos de trilha de roda e o controle do surgimento de trincas na superfície. Para melhor quantificar e compreender os fenômenos de degradação estrutural, instrumentou-se a pista experimental com sensores (células de tensão total e strain gages) na interface entre pavimento trincado e recapeamentos, obtendo-se tensões e deformações nestes locais, considerados críticos no desempenho de pavimentos recapeados. Durante os períodos de ensaio, foram monitoradas as condições pluviométricas e temperaturas do ar e pavimento. A determinação dos módulos elásticos das camadas das estruturas testadas foi efetuada pela aproximação das bacias obtidas em campo com os dados gerados em uma simulação numérica, através do programa computacional FLAPS. Percebeu-se que, além do tráfego, o trincamento no recapeamento em tratamento superficial foi devido à condição estrutural inicial do pavimento existente, severidade do trincamento artificial incompatível com a espessura desse tipo de restauração e baixas temperaturas. Quanto ao recapeamento em concreto asfáltico, percebeu-se que o maior trincamento surgiu em áreas sem trincas artificiais subjacentes, partindo do fundo da camada asfáltica do pavimento existente, em função da pouca rigidez da camada granular.

Avaliação do desempenho de uma cortina de estacas espaçadas, atirantada, em areia

It is presented the analysis of a retaining wall designed for the basement of a residential building, located in Natal/RN, which consists in a spaced pile wall, anchored by tiebacks, in sand. This structure was instrumented in order to measure the wall s horizontal movements and the load distribution throughout the anchor fixed length. The horizontal movements were measured with an inclinometer, and the loads in the anchors were measured with strain gages, installed in three places throughout the anchor fixed length. Measurements for displacement were done right after the implementation of each stage of the building and right after the conclusion of the building, and the measurements for loads in the anchors were done during the performance test, at the moment of the locking off and, also, right after the conclusion of the building. From the data of displacement were obtained velocity and acceleration data of wall. It was found that the time elapsed on braced installation was decisive in the magnitude of the displacements. The maximum horizontal displacement of wall ranged between 0,18 and 0,66% of the final depth of excavation. The loads in the anchors strongly reduced to approximately half the anchor fixed length, followed an exponential distribution. Furthermore, it was found that there was a loss of load in the anchors over time, reaching 50% loss in one of them

Stresses analysis in semi-elliptic leaf spring and comparison with the SAE J788 (1982) norm

In this work are presented the values found with the experimental testing, in the semi-elliptic leaf spring, utilizing 24 strain gages, distributed in five leaves of springs; these values have been compared to the calculated values found with the application of Norm SAE J788 (1982). The results showed discrepancy between the values measured and calculated and that the Norm is not indicated to determine the actuating stress in any point of any leaf of the leaf spring, but due to its simplicity and quickness of the process it presents good precision for the pre-development of the product. Copyright © 2002 Society of Automotive Engineers, Inc.

Influência da geometria do martelo na determinação da força durante o ensaio de impacto Charpy-V

The instrumentation applied to the Charpy test machine allows the accompaniment of the specimen answer front the impact load, in form of a sign characteristically dynamic representative of the deformation process and it fractures of material tested. The main advantages of the rehearsal conventional Charpy: low cost, manufacturing sample facilities and simple handle the machine. With the instrumentation, the number of information regarding the process of fracture of the specimen increases. In this work discusses the influence of the hammer geometry in determination of the force during the process of specimen fracture submitted to the instrumented impact test Charpy-V. The purpose is obtaining a hammer, in conformity with Norma ISO 14.556, with great sensibility to register the force during the impact. Two geometries different from hammers were instrumented and rehearsed with material of low tenacity, in this case the steel ABNT 4140 in the condition of having normalized. It could be proven as larger the sensibility of the hammer, adult will be the effects of the shock waves in the strain gages of the transducer.

A load cell for grain-propelled ballistic rocket thrust measurement

A 1000-kgf resistive strain-gauge load cell has been developed for quality testing of rocket propellant grain. A 7075-T6 aluminum alloy has been used for the elastic column, in which 8 uniaxial, 120-Ω strain gauges have been bonded and connected to form a full Wheatstone bridge to detect the strain. The chosen geometry makes the transducer insensitive to moments and, also, to the temperature. Experimental tests using a universal testing machine to imposed compression force to the load cell have demonstrated that its behavior is linear, with sensitivity of 2.90 μV/kgf ± 0.34%, and negligible hysteresis. The designed force transducer response to a dynamic test has been comparable to that of a commercial load cell. © 2005 IEEE.

Development of a prototype for measuring plantar forces

Studies on the distribution of plantar pressure between the sole of the foot and the ground were developed before the 19th century. Currently, the most often employed plantar pressure measurement systems are Pedar® and FScan®, which have restrictions such as operational difficulty and high cost. In the present study, a device was constructed from two pressure plates capable of measuring plantar forces in discreet areas of the feet at a low cost, using strain-gages attached to sixteen strategic points of the mechanical elements. Sixteen prismatic beams were soldered to each frame, for which the free extremity of each beam represented a specific point of the foot. Two strain gauges were attached to each beam - one near the upper fixed extremity and the other near the lower fixed extremity. Using a Wheatstone bridge electric circuit, the gauges were used to measure the force acting on the extremity of the beam. Precision and accuracy of the prototype was about 10%. In some measurements, accuracy was 2%. The low precision and accuracy were mainly due to the restrictions of the available equipment, which only permitted four measurements at a time. Thus, it was necessary for participants to stand on the plates four separate times, which signified possible changes in the position of the feet on the pressure plates. Despite some limitations, the aim was achieved. The prototype has been used in some studies and represents a contribution to biomechanics, demonstrating the viability of using strain gauges.

Plataforma para medição de forças na região plantar de pacientes normais e hemiplégicos

This work describes an electronic system implementation with two force plates, 24 load cells with strain gages, signal conditioning circuit, interfacing circuit and data acquisition system, designed for measuring plantar force distribution in patients. The system presented linear response, low hysteresis, with determination coefficient of 0.9997, precision better than 0,84% and resolution less than 0.5 N. The Measurements are presented on a computer screen and easier visualization to specialists, mainly physicians, physiotherapists and occupational therapists. Using the system, the distribution of weight in the plantar region of 100 normal subjects and 10 hemiplegic patients was investigated. There were determined the relationship between weight distribution on the right and left forefoot, hemiplegic patients and normal patients, with the implemented system. © 2013 Springer.

Plataforma de força para aplicações biomédicas

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Dinamômetro biomédico para avaliação funcional das mãos

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)