Respostas curtas para as perguntas mais frequentes sobre strain gages óticos: procedimentos, vantagens, instalação

Os strain gages óticos estão se tornando cada vez mais popular. Eles são tão fáceis de instalar como os strain gages clássicos, não sofrem influências de campos eletromagnéticos e podem ser também usados em ambientes altamente explosivos.

Mas, como funciona uma rede de Bragg em fibra ótica? Quais são as vantagens? O que preciso levar em consideração durante a instalação? Como posso compensar perdas óticas? Quantos sensores podem ser integrados em uma fibra?

Nossos especialistas respondem a estas e a outras perguntas sobre medição com luz:

Como funciona uma rede de Bragg em fibra?

Uma rede de Bragg em fibra é composta por muitos pontos de reflexão que refletem comprimentos de onda particulares da luz incidente. Estes pontos são formados a partir da intensa luz ultravioleta que atua sobre o núcleo da fibra. Este processo é também chamado de "inscrever". Quando muitos pontos de reflexão são "inscritos" na fibra, à uma distância constante, se origina uma "rede".

Fig. 1: Estrutura básica de uma rede de Bragg em fibra

A distância entre os pontos de reflexão em uma rede de Bragg em fibra é sempre constante. A rede reflete um comprimento de onda que cabe exatamente entre dois pontos de reflexão. Todos os demais comprimentos de onda traspassam a rede sem ser refletidos ou enfraquecidos. A interferência da luz dos picos de reflexão individuais cria um pico de reflexão determinado pela distância dos pontos da rede entre si.



Se todas as reflexões apresentam a mesma fase (neste caso o comprimento de onda corresponde à distância dos pontos de reflexão), cria-se neste ponto uma interferência construtiva. O comprimento de onda de tal pico de reflexão é determinado no integrador. Tão logo a rede de Bragg em fibra seja submetida à deformação, a distância dos pontos de reflexão muda e um comprimento de onda diferente é refletido. Deste modo, a variação do comprimento de onda de Bragg pode ser determinado. Em analogia à relação dos strain gages metálicos, vale o seguinte:


onde

λ  comprimento de onde base da fibra com rede de Bragg (comprimento de onda no início da medição)
Δλ  variação do comprimento de onda na deformação produzida na rede
k    fator k
ε   deformação

Os sensores de fibra Bragg apresentam uma espessura de camada maior do que os strain gages elétricos. Por este motivo, é produzido durante a medição de deformações de flexão sobre elementos finos um erro de medição que não pode ser desconsiderado, mas que, ao mesmo tempo, é muito fácil de ser corrigido através de:


onde
εOF    deformação na superfície da peça
εAnz    deformação medida pela fibra
h    espessura da peça
d    distância entre a fibra e a superfície da peça

Nos strain gages óticos da HBM a distância "d" é de 0,5 mm.

Qual é o comprimento ativo de rede mínimo?

Um strain gage ótico não possui um comprimento ativo de rede tal como se pode definir para os strain gages elétricos. Não obstante, os strain gages óticos da HBM possuem, geralmente, um comprimento de 30 mm.

A rede de Bragg em fibra está embutida em um material plástico especial no centro do strain gage (na imagem, a zona mais clara). A deformação é aplicada à rede de Bragg em fibra através dos "pontos finais" ("endpoints") do strain gage ótico (as duas áreas mais escuras na imagem). Estes pontos têm, respectivamente, um comprimento de 5 mm. O strain gage ótico tem que ser afixado de forma plana em todo o seu comprimento.

O plástico claro especial serve como guia da fibra, especialmente nos eventos de deformação negativa. O sinal de deformação do strain gage que é fornecido ao integrador é a média de todas as deformações na área do plástico claro especial.

Quantos sensores podem ser integrados em uma fibra?

Uma grande vantagem da tecnologia de medição ótica baseada em fibras de Bragg consiste no fato de que vários sensores podem ser integrados em uma mesma fibra. A única condição é que estes sensores apresentem diferentes comprimentos de onda Bragg.

Como já descrito no ponto "Como uma rede de Bragg em fibra funciona?", o comprimento de onda Bragg varia quando temperatura e deformação incidem sobre o sensor. Picos não podem ser sobrepostos.

O sensor produz uma variação de comprimento de onda que depende da carga mecânica do sensor. Todas estas variações juntas não podem exceder a largura de banda do comprimento de onda do integrador.

Deve-se ter em conta, ademais, que distâncias de segurança precisam ser permitidas para os picos de comprimento de onda entre os sensores. Estas distâncias são necessárias para que o integrador possa classificar os sensores em função dos comprimentos de onda refletidos. Um valor recomendado é de 13 sensores por fibra. Um integrador de quatro canais permite, assim, que até 52 sensores possam ser conectados.

Qual a influência que a umidade ou a água exerce sobre o poder de fixação dos adesivos?

Em geral, os strain gages óticos são instalados usando adesivos a frio que não apresentam uma estabilidade de longo prazo em condições de alta umidade. Isso é válido sobretudo para o adesivo de cianoacrilato (Z70).

Os adesivos de resinas epoxy (X280), entretanto, são resistentes à influência da umidade. Tenha-se em conta que a umidade que atua sobre o strain gage ótico provoca "inchaço" dos materiais utilizados em níveis muito limitados. Isso leva ao surgimento de forças no interior do strain gage que repercutem na rede de Bragg, o que tem um efeito negativo sobre a estabilidade do ponto zero do lugar da medição. Em qualquer caso, recomendamos o uso de um agente de revestimento similar àqueles usados com strain gages elétricos.

Todos os agentes de revestimento da linha de produtos HBM (exceto para SL450) podem ser usados com strain gages óticos.

Qual é a diferença entre integradores estáticos e dinâmicos?

Os integradores estáticos e dinâmicos se diferem por suas taxas de amostragem ("sampling rate"). Integradores estáticos operam a uma taxa de amostragem de 1 até 10 Hz. Integradores dinâmicos funcionam a uma taxa de amostragem de 100 a 1.000Hz.

  • Números de referência de modelos de integradores estáticos da HBM: SIxxx
  • Números de referência de modelos de integradores dinâmicos da HBM: DIxxx

O que é um multiplexador?

Os multiplexadores óticos podem ser conectados à integradores de 4 canais. Eles multiplicam o número de cadeias de medição óticas por 8 ou 16. Isso permite a construção de sistemas de medição com até 320 sensores óticos. Para maiores informações, favor recorrer às folhas de características correspondentes em hbm.com.

Como é medida a deformação?

Os valores medidos pelo integrador são os comprimentos de onda dos sinais refletidos pelos sensores. Quando um comprimento de onda varia devido à uma deformação no strain gage ótico, tal variação será proporcional à deformação. Para se obter os valores correspondentes da deformação, os comprimentos de onda deverão ser convertidos em deformações.

O fator k ("gage factor") especificado na embalagem do sensor é utilizado como fator de proporcionalidade. Uma outra opção é o uso de software de aquisição e análise de dados apropriado para a tecnologia de medição ótica.



Tal software pode armazenar permanentemente todos os ajustes necessários, tais como os parâmetros para a exibição do espectro e a medição da deformação, assim como os valores de ajustamento ao ponto zero. Variações na temperatura têm uma significativa influência sobre os resultados de medição. O software de aquisição de dados de medição possibilita a compensação dos efeitos da temperatura. Isto pode ser feito também usando um sensor de compensação ou com uma correção através de um canal de temperatura.