Qual o efeito da pressão em um sensor FBG?

Há uma mudança no comprimento de onda no pico de Bragg refletido quando o sensor é sujeito à pressão. A variação do comprimento de onda é de, aproximadamente:

O efeito é, entretanto, muito pequeno quando comparado com as variações do comprimento de onda induzidas pela mudança na deformação ou na temperatura sendo, desta forma, geralmente ignorado.

Quando, ao invés da pressão, o sensor FBG é submetido a um ponto de carga lateral, ocorre um fenômeno de dupla refração. Isso significa que um novo pico aparecerá (haverá dois picos ao mesmo tempo) e seu deslocamento também pode ser quantificado.


The Technology

Como funciona uma Rede de Bragg com fibras?

Um FBG é um pequeno comprimento de fibra ótica que compreende um padrão de muitos pontos de reflexão que refletem comprimentos de onda da luz incidente. Esta estrutura pode ser criada a partir de uma intensa luz ultravioleta que atua sobre o núcleo da fibra.

 

A distância entre os pontos de reflexão em um FBG é sempre constante. O comprimento de onda que cabe exatamente entre dois pontos de reflexão é refletido pela rede. Todos os demais comprimentos de onda traspassam a rede sem ser refletidos ou enfraquecidos. Os sinais do sensor FBG são o pico do espectro que reflete cada rede. 



O comprimento de onda do pico individual de reflexão é determinado no interrogator. Assim, quando o FBG é submetido à uma deformação a distância dos pontos de reflexão muda e um comprimento de onda diferente é refletido. Isso permite que a variação do comprimento de onda de Bragg possa ser determinada. Em analogia à relação dos strain gages metálicos, vale o seguinte:

Onde:

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


How is strain measured?

The values measured by the optical interrogator (data acquisition system) are the peak wavelengths of the narrow spectrum reflected by the fiber Bragg grating sensor. When strain at the optical strain sensor causes the wavelength to change, the interrogator detects a change in the peak wavelength that is proportional to the strain.
The gauge factor or the sensor sensitivity specified on the sensor packaging is used as the proportionality factor.

HBM FiberSensing interrogators can be used with the available graphical user interfaces, such as the BraggMONITOR, and powerful acquisition and data analysis software, i.e. catman®.


Is strain measurement sensitive to temperature?

Fiber Bragg gratings are both sensitive to strain and temperature. This means that a strain measurement of a sensor that is subjected both to strain and temperature is also influenced by the temperature change. But this effect is well characterized and easy to compensate. There are several methods to compensate this effect:

  • With an additional fiber Bragg grating sensor measuring only temperature and under the same temperature change;
  • With an additional optical strain sensor as dummy (installed on the same material, but without any strain applied);
  • With an additional strain sensor ensuring that the applied strain is the same in value, but with different signals (e.g. having one strain sensor at the top and one sensor at the bottom of a cantilever);
  • With an additional bare fiber Bragg grating, not fixed and terminal;
  • Using an athermal strain sensor with a mechanical design to compensate for the undesired temperature effect in strain measurement;
  • Among others…

O que é compensação de temperatura e como funciona?

Dependência do sensor FBG de deformaçãoDependência da deformação do sensor FBG

A dependência da deformação de um sensor FBG é dada pela expressão:

 

Onde:

k - fator k do sensor FBG

 

Dependência da temperatura do sensor FBG

A dependência da temperatura de um sensor FBG é:

Onde:

 – coeficiente de expansão térmica da fibra

ζ –  coeficiente termo-ótico (dependência do índice de refração da temperatura

 
Dependência da temperatura de uma Rede de Bragg fixa 

Se o strain gage ótico é fixado em uma estrutura rígida livre de deformação, a temperatura pode mudar o índice de refração da fibra, mas sua expansão é limitada pela estrutura. Isso equivale a considerar a expansão térmica de uma fibra fixa como =0. A dependência da temperatura em um sensor FBG de deformação é:

  

Quando ocorre uma deformação durante a medição da temperatura, as medições de deformação e temperatura se confundem. A medição de deformação causada pela mudança de temperatura é:

A sensibilidade cruzada com a temperatura (TCS) é, por conseguinte, dada por:

 

A deformação efetiva deve ser calculada como a deformação medida pelo sensor menos o efeito da temperatura no sensor FBG de deformação:

  

Esta correção da deformação não leva em conta o efeito da temperatura na deformação da estrutura onde o sensor está fixado.

 
Dependência da temperatura de um sensor FBG fixado em uma estrutura

Para também compensar a deformação da estrutura devido aos efeitos da temperatura, o cálculo deve ser feito considerando o coeficiente de expansão térmica (CTE) da estrutura.

A variação total da deformação de uma estrutura é:

A variação do comprimento de onda de um sensor fixado a uma estrutura que está sujeita a carregamento e variação de temperatura é dada por:

  

 

O que significa que, para compensar a deformação da estrutura devido ao efeito da temperatura, é necessário conhecer o valor CTE do material da estrutura onde o sensor é fixado.


No caso de um estímulo combinado de tensão e temperatura, é possível medir apenas a tensão? Ou apenas o efeito da temperatura?

De modo a medir apenas a tensão, o efeito da temperatura precisa ser compensado. Existem inúmeros métodos para isso, que inclui o uso de um pacote mecânico especial ou o uso de um sensor FBG adicional.

A deformação só pode ser removida da medição se o revestimento do sensor puder isolar a deformação da estrutura do elemento sensor. Isso pode ser feito pelo projeto mecânico do sensor (por exemplo: os Sensores Óticos de Temperatura FS63 ou o Sensor Ótico de Compensação de Temperatura - OTC) ou usando um sensor FBG terminal e não fixo.


Can I measure bending strain on thin components with FBG sensors?

Fiber Bragg sensors have a higher layer thickness than electrical strain gauges. When measuring bending strain of thin components, there is a measurement error that must not be neglected but is easy to compensate for:

With
εOF   strain on the component's surface
εAnz  strain measured by the fiber
h    thickness of the component
d    distance of the fiber from the component's surface

There is, however, another aspect that should be addressed. Optical fibers have minimum bending radius due to optical losses. HBM FiberSensing sensors from the OP Line offer the possibility of measuring even on curved surfaces. The distance to consider with these sensors is d=0.5 mm.


Is there a specific reason for the standard Bragg wavelength distance to be 6.4nm for the FS Line sensors and 5nm for the OP Line sensors?

The Bragg wavelength of the optical sensors is defined on the instant the fiber Bragg grating is produced. To ease production, standard values were defined.

Historical reasons dictated that the standard wavelengths are currently different in the FS Line and the OP Line.

In any case, other customized wavelengths between 1500 nm and 1600 nm are available upon request.


Regarding harsh environments, where can the FBG technology be applied to?

Some examples of harsh environments where HBM FiberSensing optical systems have been successfully deployed are: high temperature, high radiation, high vacuum, high-voltage and cryogenic environments.

The following applications have also been successfully conducted:

  • Vibration and temperature monitoring in high power generators;
  • Hot spot monitoring in power transformers;
  • Wind blade monitoring;
  • Stress monitoring in airplane fuel tanks;
  • Strain, temperature and displacement monitoring in thermonuclear reactor;
  • Spacecraft monitoring, etc.

What is the maximum distance an optical fiber line can achieve?

The attenuation with distance is very small in optical fibers. In combination with HBM FiberSensing optical interrogators, optical fiber lengths can go up to tens of km.


What is the effect of pressure in an FBG?

There is a wavelength shift on the reflected Bragg peak when the grating is subjected to pressure. The wavelength variation is approximately:

 

This effect is, however, very small when compared with the wavelength variations induced by strain or by temperature changes being, therefore, commonly neglected.

When instead of pressure the FBG is subjected to a point lateral loading, a birefringence phenomenon occurs. This means that a new peak will appear (two peaks will coexist at the same time) and its shift can also be quantified.


Optical Sensors

Quais são as vantagens no uso de sensores óticos?

Sensores óticos, em particular, os sensores FBG (Fiber Bragg Grating) são os ideais se o número de sensores necessários é relativamente alto ou se as distâncias até os sensores e entre eles são grandes. Também, para ambientes específicos, a tecnologia pode ser uma das alternativas existentes aos sensores convencionais.

Considere o exemplo de uma aplicação onde as distâncias são adequadas para medição com strain gages elétricos. Se esta aplicação necessitar de mais de 30 sensores, a relação custo-benefício indica o uso de sensores óticos ao invés dos convencionais.

Além disso, as vantagens inerentes à tecnologia aqui podem tornar os sensores óticos/FBG como os únicos disponíveis ou a melhor solução possível para certas aplicações.

Se grandes distâncias (da ordem dos quilômetros) ou aplicações em locais muito específicos (por exemplo, altos campos magnéticos, EMI/RFI intenso, riscos de explosão, etc.) devem ser considerados, sensores óticos podem ser a única solução disponível, uma vez que sensores elétricos iriam simplesmente falhar ou causar inúmeros problemas.

Também é o caso de aplicações em ambientes criogênicos, que requerem imunidade a efeitos eletromagnéticos (EMI, RFI, faíscas, etc) e isolamento elétrico.

Dentre as diversas vantagens reconhecidas dos sensores FBG estão:

  • operação segura em atmosferas potencialmente explosivas;
  • alta capacidade de multiplexação, permitindo a conexão de um grande número de diferentes tipos de sensores a uma única fibra ótica, reduzindo a complexidade da rede e das instalações;
  • pequena dimensão e baixo peso, tornando-os ideais para locais e pontos de medição de difícil acesso;
  • acesso remoto: grande distância entre sensores e o interrogator (vários quilômetros);
  • sem falhas mecânicas e alta resistência à fadiga;
  • capacidade de fornecer medições absolutas, sem a necessidade de buscar referências: baseado na medição de um parâmetro absoluto, o comprimento de onda Bragg, independente de flutuações de energia.

How many sensors may be integrated in one fiber?

One main benefit provided by optical fiber Bragg measurement technology is that several sensors can be integrated in a single optical fiber. It is a prerequisite that these sensors hold different Bragg wavelengths.

The Bragg wavelength varies as a function of the temperature and the strain affecting the sensor. Therefore, clearance distances need to be guaranteed between the sensors' wavelength peaks so that overlapping does not occur. These are required to enable the interrogator to allocate the sensors on the basis of the reflected wavelengths within the available measurement spectrum.

Another characteristic that can affect the number of sensors is the available power at the reception of the fiber Bragg grating reflection. This depends on the emission power of the interrogator, on the losses along the way (bending, connectors, splices, fiber length…) and on the reflectivity of the fiber Bragg grating.

There are so many details that can influence the number of sensors that it is difficult to state a number. However, a recommended value is 13 or 14 sensors per fiber, which corresponds to the standard central wavelengths available at HBM FiberSensing.


Are there specific wavelenghts pre-defined for each type of optical sensor?

The Fiber Bragg Grating (FBG) wavelength is defined during the sensor’s production and can be tuned to be any value between 1500 nm and 1600 nm. All types of sensors (temperature, strain, tilt, displacement, etc.) can be produced with any wavelength. Nevertheless, there are pre-defined wavelengths that ease the production process by making it repetitive. However, these are transversal and coexisting in all sensor types. The constraint in selecting the sensors wavelengths is that it is not possible to have two FBG sensors in series (in the same fiber) reflecting the same wavelength. If multiple FBG sensors are in the same optical fiber, the only requirement in terms of their Bragg wavelength is that they do not overlap (each FBG should have a unique Bragg wavelength and should not overlap with each other within the measuring range). Sensors may reflect the same wavelengths as long as they are being measured in different optical channels of the interrogator (data acquisition system). Usually, the wavelength of the sensor is defined by the customer on request or by the engineering team during the project’s design.


Como um sensor ótico é fixado ao objeto?

O sensor ótico pode ser fixado ao modelo de diferentes maneiras. Sensores óticos produzidos pela HBM FiberSensing podem ser colados, soldados à estruturas metálicas, mergulhados (no concreto, por exemplo), inseridos em materiais compósitos, fixados com parafusos, etc.


Qual o tempo de resposta dos sensores de temperatura?

A influência da temperatura no sensor é imediata. Só depende apenas da transferência de calor através do material.


Os sensores de temperatura são entregues com suas próprias funções de calibração polinomial?

Todos os sensores de temperatura são entregues com uma folha de calibração, incluindo a função de calibração polinomial.


What active grid length may be assumed on an optical strain sensor?

An optical strain sensor does not have an active grid length as it can be defined for electrical strain gauges.

The gauge length depends on the sensor encapsulation and is stated on the sensors datasheets. In case a bare FBG is used, or a sensor where the full length of the grating is attached, the gauge length corresponds to the grating length that is approximately 6 mm.


Que influência a umidade/água tem na capacidade de soldagem do adesivo?

Com o aumento da umidade relativa, adesivos de colagem a frio usados na fixação dos sensores óticos não oferecem estabilidade em longo prazo. Isso se aplica especialmente aos adesivos cianocrilato (Z70).

Sistemas de resina epóxi (X280), entretanto, são resistentes contra a influência da umidade.

Note que a exposição de sensores óticos à umidade, resulta no inchaço dos materiais usados. No caso de strain gages óticos, isso gera forças que afetam o FBG. Isso tem um efeito negativo na estabilidade do ponto de medição.

De qualquer maneira, recomendamos o uso de um agente de cobertura similar àqueles usados com strain gages elétricos.


Regarding the tilt sensor, two FBGs are needed to eliminate temperature influences. Why?

The tilt sensor includes two FBGs and both are needed to get the angle measurement without temperature influences. The two fiber Bragg gratings operate in a push-pull configuration which means that when one sensor is being tensioned due to the sensor position the other is being compressed with the same strain value. With this configuration we can identify the angle variation by the wavelength variation that is equal in value but with opposite signals. The temperature effect causes equal wavelength variations to the FBGs and is, therefore, removed.


Does the tilt sensitivity depend on the initial positioning angle of the tilt sensor?

The sensitivity of the tilt does not depend on the initial angle of the sensor. However, the sensor operates as a pendulum, so the angle measurement range of ±5 deg is centred at the vertical and the sensor will not operate outside these boundaries.


Nearly all sensors have an operation temperature range from [-20,80]°C, why?

The temperature limitation of -20ºC to 80ºC is true for FS line sensors. The limits are given by the acrylate coating of the fiber.


What is the reason for using optical, i.e. FBG sensors on wind turbine blades instead of traditional strain gauges?

There are many reasons to select FBG sensors for the monitoring of wind turbine blades. The following table compares FBG sensors to conventional strain gauges and to other types of optical technology.

Vs Conventional Technology Vs Other Optical Technology
Passive sensors - lightning immune Internal spectral reference – long term accuracy
Fatigue resistant Auto adjustment in each 10 ms - no need for recalibration
Multiplexing - different variables using the same interrogator Wide wavelength range available  – large sensor count
Less cabling - several sensors in the same line Immunity to polarization effect – signal stability
No welding procedures High reflectivity sensors (>70%) – no limitation in distance between them

You may find more information on HBM FiberSensing optical system for monitoring and testing applications on Wind turbines here.


Qual é a máxima taxa de amostragem de um sensor FBG?

Podemos dizer que a fibra FBG sozinha (apenas a fibra) não tem limites. A limitação na taxa de amostragem está do lado do interrogator. A tecnologia do interrogator irá ditar as amostras máximas por segundo que podem ser medidas. Os interrogators padrão da HBM FiberSensing são, atualmente, limitados a 500S/s, mas a empresa possui tecnologia própria para desenvolver equipamentos com taxas de aquisição de até 10kS/s. Para sensores encapsulados, ou seja, com algum aparato mecânico ao redor, o limite virtual pode não ser o real, pois a interface mecânica limita a transferência da deformação para o FBG.


Optical Interrogators

What is the difference between static and dynamic interrogators?

The fundamental difference between the static and dynamic interrogators lays in their sampling rate: while the first is used for static applications, the second – with higher acquisition rates is for quasi-static or dynamic applications. Please check HBM FiberSensing interrogators page and the available options.

Due to their design there are also some differences in terms of performance. The static interrogators provide a better accuracy and resolution and can operate as stand-alone, while the dynamic have a slightly bigger accuracy and resolution values and do not have internal memory to store data without an additional PC.

There is one feature that is unique for the static interrogators that is the SPD. Learn more about it here.


O software BraggMONITOR é compatível com os interrogators BraggMETER estáticos e dinâmicos?

Embora a interface seja praticamente a mesma, a HBM FiberSensing dispõe de dois aplicativos distintos: o BraggMONITOR SI para o interrogator estático FS22 BraggMETER SI Industrial e o BraggMONITOR DI para o interrogator dinâmico FS22 BraggMETER DI Industrial.

 

 


When using the BraggMONITOR software, which value should I use on the Central Wavelength (CWL, λ0) field?

The central wavelength value that must be filled during the sensor edition corresponds to the wavelength (λ0 in nm) value from which the wavelength variation (x=Δλ, in nm) is calculated. This means that the result for the wavelength variation of a sensor in an instant t (xt, Δλt) is:

 

Where λt is the wavelength of the sensor measured at the instant t.

If the user’s purpose is to “zero” the measurements from an instant, the value to insert on the CWL field should be the value measured at that particular instant. On the other hand, if the user needs absolute measurements (as, for instance, on temperature sensors) the CWL to use should be the one defined on the calibration Sheet that is provided with the sensor.

 

Using the temperature sensor example

On the Calibration Sheet of an HBM FiberSensing temperature sensor, the temperature is described
as a second order polynomial of the wavelength variation:

Where:

S2 is the second order sensitivity,

S1 is the first order sensitivity,

S0 is the temperature offset.

The S0 value corresponds to the reference temperature at the calibration procedure, so to get absolute temperature values the x has to be calculated using the same central wavelength from the calibration: the used CWL in the measurements has to be the same as the stated on the calibration sheet of the sensor.

 

Using the strain sensor example

The FBG based strain sensors dependence to deformation is:

 

Where k is the k factor of the strain sensor, and S is the strain sensitivity indicated on the calibration sheet.

This deformation will always be registered from an instant that is defined as “zero” meaning that the x value will always be calculated relatively to the wavelength that the sensor was exhibiting at the “zero” moment after the sensor installation.


É possível transferir dados de medição para um PC via wireless?

Os interrogators da HBM FiberSensing se comunicam via Ethernet. Sendo assim é possível se conectar a eles via Wi-Fi ou GPS, usando um equipamento dedicado conectado ao interrogator. Porém, deve-se tomar cuidado à confiabilidade dos dados transferidos. Por exemplo, nos interrogators dinâmicos, com altas taxas de aquisição, é necessária uma grande largura de banda a fim de se garantir uma transferência de dados sem falhas.

Sensores óticos não comprometem qualquer comunicação, já que não possuem qualquer eletrônica envolvida. Sensores óticos são eletricamente passivos e contam apenas com uma fibra ótica pura.

Preciso de um PC para realizar medições com um interrogator?

Os interrogators FS22 Industrial BraggMETER da HBM FiberSensing necessitam de um PC para configuração, gerenciamento de dados e visualizações.

Após ser configurada uma medição, o interrogator estático FS22 Industrial BraggMETER SI pode ser deixado como stand-alone enquanto os dados são armazenados localmente. Posteriormente, um PC é necessário para a recuperação dos dados.

No caso do interrogator dinâmico FS22 Industrial BraggMETER DI, é diferente, pois como não possui capacidade de armazenamento, precisa de um PC para receber os dados medidos. O interrogator portátil FS42 Portable BraggMETER tem seu próprio computador interno, portanto, é completamente independente.

Existem drives disponíveis para controlar os interrogators?

Os drivers são fornecidos junto com o material de suporte dos interrogators.

A função Smart Peak Detection está disponivel em ambos os interrogators estático e dinâmico?

SPD está incorporado somente no sistema operacional do interrogator estático FS22 Industrial BraggMETER SI.

 

 

É possível inserir um interrogator ótico da HBM FiberSensing em outros sistemas?

Sim, no caso dos interrogators FS22 Industrial BraggMETER. Estes interrogators se comunicam via Ethernet com interface TCP/IP.

No caso do interrogator FS42 Portable BraggMETER, a resposta é não.

Os interrogators necessitam de calibração?

Os interrogators FS22 Industrial BraggMETER e o FS42 Portable BraggMETER são calibrados durante a produção e incluem um referência interna rastreável que garante sua precisão ao longo do tempo.

No entanto, é possível realizar uma calibração certificada com todos os interrogators de tempos em tempos.

 

 

Os sistemas de aquisição de dados da HBM FiberSensing são portáteis?

Os interrogators da HBM FiberSensing são pequenos e podem ser facilmente transportados. Entretanto, o FS22 Industrial BraggMETERs necessita de um fonte de alimentação e de um PC para interface, o que torna o equipamentode menor portabilidade.

Os interrogators portáteis FS42 BraggMETER são projetados para aplicações móveis. São interrogators autônomos que podem fornecer medições em locais dispersos e podem ser usados com qualquer tipo de sensor FBG (temperatura, deformação, inclinação, etc). Incluem baterias, uma interface touch screen e um software instalado em um PC interno. É muito comum usar estes interrogators portáteis no campo durante a instalação de redes de sensores, ou para realizar medições locais em tempo real.

É possível conectar múltiplos sensores FBG, se o intervalo do interrogator é limitado?

Existe um limite do número de sensores que podem ser conectados a um interrogator que tem um intervalor limitado, como 1.500/1.600nm. Entretanto, ainda é possível ter múltiplos sensores em uma única fibra ótica (dezenas e até mesmo centenas de sensores), contanto que os comprimentos de onda Bragg de cada sensor sejam distintos e não se sobreponham com seus intervalos de medições.

Como exemplo, o intervalor do interrogator é 1.500/1.510nm e se deseja ter 3 sensores medindo neste intervalo.

Se os comprimentos de onda Bragg dos sensores são como se segue:

sensor1 = 1.502 nm

sensor2 = 1.505 nm

sensor3 = 1.508 nm

e se todos os sensores tiverem uma mudança no comprimento de onda de ±1nm durante a medição, não haverá sobreposição durante a medição.

Se, por exemplo, os valores medidos causarem uma mudança no comprimento dos sensores de ±3nm, a sobreposição do comprimento de onda Bragg dentro do intervalo de medição aconteceria e um seria limitado por isso.

Quando estiver usando o software BraggMONITOR, qual valor devo usar no campo Comprimento de Onda Central (CWL λ0)?

O valor do comprimento de onda central que deve ser preenchido durante a edição do sensor corresponde ao valor do comprimento de onda (λ0 em nm) no qual a variação do comprimento de onda (x=Δλ, em nm) é calculado. Isso significa que o resultado para a variação do comprimento de onda de um sensor em um momento t (xt, Δλt) é:

Onde λt é comprimento de onda do sensor medido no momento t.

Se a intenção do usuário é "zerar" as medições em um momento, o valor a ser inserido no campo CWL deve ser o valor medido em um determinado momento. Por outro lado, se o usuário precisa de medições absolutas (como, por exemplo, em sensores de temperatura), o CWL a ser usado deve ser aquele definido na Carta de Calibração (Calibration Sheet) que é fornecida junto com o sensor.

 

Usando o exemplo do sensor de temperatura

Na Carta de Calibração de um sensor de temperatura da HBM FiberSensing, a temperatura é descrita como um polinômio de segunda ordem da variação do comprimento de onda:

Onde:

S2 é a sensibilidade de segunda ordem,

S1 é a sensibilidade de primeira ordem,

S0 é a temperatura compensada.

O valor Scorresponde à temperatura de referência no processo de calibração. Então, para se conseguir os valores de temperatura absoluta, o X tem que ser calculado usando o mesmo comprimento de onda central da calibração: o CWL usado nas medições tem que ser o mesmo que o indicado na carta de calibração do sensor.

 

Usando o exemplo do sensor de deformação
A dependência do sensor de deformação FBG à deformação é:

Onde K é o fator k do sensor de deformação e S é a sensibilidade da deformação indicada na carta de calibração.

Esta deformação sempre será registrada a partir do momento em que é definida como "zero", o que significa que o valor x sempre será calculado de forma relativa ao comprimento de onda que o sensor mostrou no momento "zero" após a instalação do sensor.

Qual a diferença entre interrogators estáticos e dinâmicos?

A diferença fundamental entre interrogators estáticos e dinâmicos está em sua taxa de amostragem: enquanto que o primeiro é usado para aplicações estáticas, o segundo, com altas taxas de aquisição, é para aplicações semi-estáticas ou dinâmicas. Acesse a página de interrogators da HBM FiberSensing e veja os modelos disponíveis.

Em relação ao seu design, também há algumas diferenças em termos de desempenho. Os interrogators estáticos oferecem uma precisão e resolução melhor e podem operar de forma stand-alone, enquanto que os dinâmicos possuem valores de precisão e resolução maiores e não possuem memória interna para armazenamento de dados, necessitando de um PC adicional.

Existe uma característica que é exclusiva para os interrogators estáticos: SPD. Saiba mais a respeito aqui.

Qual é a razão para o uso de tecnologia ótica, como sensores FBG, em pás de turbinas eólicas, ao invés de strain gages tradicionais?

Existem muitas razões para escolher sensores FBG para o monitoramento de pás de turbinas eólicas. A tabela a seguir compara sensores FBG com strain gages tradicionais e outros tipos de tecnologias óticas.

vs. Tecnologia Convencional vs. Outras Tecnologias Óticas
Sensores passivos - imunes à relâmpagos Referência espectral interna – precisão de longo prazo
Resistente à fadiga Auto-ajuste a cada 10ms – sem necessidade de recalibração
Multiplexagem – diferentes variáveis usando o mesmo interrogator Amplo intervalo do comprimento de onda disponível – ampla contagem de sensor
Menor cabeamento – vários sensores em uma mesma linha Imune ao efeito de polarização – estabilidade de sinal
Não há procedimentos de soldagem Sensores de alta refletividade (>70%) - sem limitação de distância entre eles

Você pode encontrar mais informações sobre o sistema ótico da HBM FiberSensing  para monitoramento e aplicações de ensaio em Turbinas Eólicas aqui.

Quase todos os sensores possuem uma faixa de temperatura de operação entre -20°C e +80°C. Por quê?

A limitação de temperatura de -20°C até +80°c é real para os sensores de Família FS. Os limites são dados pelo revestimento de acrilato da fibra.

A sensibilidade à inclinação depende do ângulo de posicionamento inicial do sensor de inclinação?

A sensibilidade da inclinação não depende do ângulo inicial do sensor. Entretanto, o sensor opera como um pêndulo, logo o ângulo do intervalo de medição de ±5° é centrado na vertical e o sensor não opera fora destes limites.

 

 

Qual comprimento de grade ativo pode ser assumido em um sensor ótico de deformação?

Um sensor ótico de deformação não possui um comprimento de grade ativo como pode ser definido para strain gages elétricos.

O comprimento da parte sensora do FBG depende do encapsulamento do sensor e é informado em seus catálogos. No caso de um sensor FBG de fibra nua ou de um sensor onde o comprimento total do grid é fixo, este comprimento corresponde ao comprimento da parte sensora do FBG, que é de aproximadamente 6mm.

Em relação ao sensor de inclinação, dois sensores são necessários para eliminar as influências de temperatura. Por que?

O sensor de inclinação inclui dois sensores FBG e ambos são necessários para se obter o ângulo de medição sem influência da temperatura. Os dois sensores operam em uma configuração push-pull, o que significa que quando um sensor está sendo tensionado devido à sua posição, o outro está sendo comprimido com o mesmo valor de deformação. Com esta configuração, podemos identificar a variação do ângulo pela variação do comprimento de onda que é igual em valor, mas com sinais opostos. O efeito da temperatura causa iguais variações de comprimento de onda aos sensores e é, portanto, removido.

 

 

Há um comprimento de onda específico pré-determinado para cada tipo de sensor ótico?

O comprimento de onda FBG é definido durante a produção do sensor e pode ser ajustado com qualquer valor entre 1.500nm e 1.600nm. Todos os tipos de sensores (temperatura, deformação, inclinação, deslocamento, etc) podem ser produzidos com qualquer comprimento de onda. Mesmo assim, existem comprimentos de onda pré-definidos que facilitam o processo de produção por torná-lo repetitivo. Contudo, são transversais e coexistentes em todos os tipos de sensores.

A restrição na seleção do comprimento de onda dos sensores é por conta de não ser possível ter dois sensores FBG conectados em série (na mesma fibra), refletindo o mesmo comprimento de onda.

Se múltiplos sensores FBG estão em uma mesma fibra ótica, o único requisito em termos de seus comprimentos de onda Bragg é que eles não devem ser sobrepostos (cada sensor FBG deve ter seu próprio comprimento de onda e não deve sobrepor com outros com o mesmo intervalo de medição).

Sensores podem refletir os mesmos comprimentos de onda enquanto são medidos em diferentes canais óticos do interrogator (sistema de aquisição de dados).

Geralmente, o comprimento de onda do sensor é definido pelo cliente no momento do pedido ou pela equipe de engenheiros durante a concepção do projeto.

Quantos sensores podem ser integrados em uma fibra?

Uma grande vantagem da tecnologia de medição de fibra ótica baseada na Rede de Bragg é que vários sensores podem ser integrados em uma mesma fibra ótica. A única condição é que estes sensores apresentem diferentes comprimentos de onda Bragg.

O comprimento de onda Bragg varia em função da temperatura e deformação afetando o sensor. Portanto, distâncias de segurança precisam ser garantidas entre os picos de comprimento de onda entre os sensores para que não ocorra sobreposição. Estas distâncias são necessárias para que o interrogator possa classificar os sensores em função dos comprimentos de onda refletidos dentroe do espectro disponível para medição.

Outra característica que pode afetar o número de sensores é a potência disponível na recepção da reflexão do sensor FBG. Isso depende da potência de emissão do interrogator, nas perdas ao longo do caminho (flexão, conectores, emendas, comprimento da fibra, etc) e na reflexibilidade do sensor FBG.

Existem inúmeros detalhes que podem influenciar no número de sensores, portanto é difícil estabelecer um número. Entretanto, um valor recomendado é de 13 a 14 sensores por fibra, o que corresponde ao comprimento de onda central padrão disponível na HBM FiberSensing.

 

 

Qual a distância máxima que um cabo de fibra ótica pode atingir?

A perda com distância é muito pequena com fibras óticas. Combinado com os interrogators óticos da HBM FiberSensing, o comprimento dos cabos de fibra ótica podem atigir até dezenas de quilômetros.

Em relação a ambientes adversos, onde a tecnologia FBG pode ser aplicada?

Alguns exemplos de ambientes adversos onde os sistemas óticos da HBM FiberSensing foram implantados com sucesso são: alta temperatura, alta radiação, alto vácuo, alta tensão e ambientes criogênicos.

As seguintes aplicações também fora conduzidas com sucesso:

  • Monitoramento de vibração e temperatura em geradores de alta potência;
  • Monitoramento de pontos de alta temperatura em transformadores de energia;
  • Monitoramento de pás eólicas;
  • Monitoramento de tensão em tanques de combustível de aeronaves;
  • Monitoramento de deformação, temperatura e deslocamento em reatores termonucleares;
  • Monitoramento de foguetes espaciais, etc.

Há uma razão específica para a distância padrão do comprimento de onda Bragg ser 6,4nm para os sensores da Família FS e 5nm para os sensores da Família OP?

O comprimento de onda Bragg dos sensores óticos é definido no momento em que o sensor FBG é produzido. Para facilitar a produção, valores padrões foram definidos.

Razões históricas ditaram que os comprimentos de onda padrão são atualmente diferentes na Família FS e na Família OP.

De qualquer forma, outros comprimentos de onda personalizados entre 1.500nm e 1.600nm estão disponíveis mediante solicitação.

Posso medir a deformação de flexão em componentes finos com sensores FBG?

Os sensores FBG possuem uma espessura maior que os strain gages elétricos. Assim quando medir a deformação de flexão em componentes finos ocorrerá um erro de medição que não deve ser desprezado, mas é fácil de compensar:

Com
εOF   deformação na superfície do componente
εAnz  deformação medida pela fibra
h      espessura do componente
d      distância da fibra da superfície do componente

Há, entretanto, outro aspecto que deveria ser abordado. Fibras óticas possuem um raio mínimo de curvatura devido às perdas óticas. Os sensores da HBM FiberSensing da Família OP oferecem a possibilidade de medição, mesmo em superfícies curvas. A distância a considerar com estes sensores é de d=0,5mm.

A medição da deformação é sensível à temperatura?

Sensores FBG são sensíveis tanto à deformação quanto à temperatura. Isso significa que uma medição de deformação de um sensor FBG é influenciada pela mudança de temperatura. Mas este efeito é bem caracterizado e fácil de compensar. Existem diversas formas para compensar este efeito:

  • Adicionando um sensor FBG de medição temperatura que esteja sob as mesmas condições de temperatura do FBG de medição de deformação;
  • Adicionando um sensor FBG de deformação para medir somente o deformação do material relativa à mudança de temperatura (instalado no mesmo material, porém isolado de qualquer deformação);
  • Adicionando um sensor FBG de deformação adicional posicionado de forma que a deformação aplicada seja de mesmo valor, porém com sinais opostos (por exemplo, tendo um sensor no topo e outro sensor na parte inferior de uma balança); 
  • Adicionando um sensor FBG não fixado;
  • Usando um sensor de deformação atérmico com um design mecânico para compensar o efeito indesejado da temperatura na medição da deformação;
  • Entre outros.

Como a deformação é medida?

Os valores medidos pelo interrogator ótico (sistema de aquisição de dados) são o pico dos comprimentos de onda do espectro refletidos pelo sensor FBG. Quando a deformação no sensor ótico de deformação causa uma mudança no comprimento de onda, o interrogator detecta esta mudança a qual é proporcional à deformação.

gauge factor ou a sensibilidade do sensor especificada na embalagem do mesmo é usado como fator de proporcionalidade. 

Os interrogators da HBM FiberSensing podem ser usados tanto com interfaces gráficas de usuário, como o BraggMONITOR, quanto com um poderoso software de aquisição e análise de dados, como o catman®.

Perguntas Mais Frequentes sobre Tecnologia & Sistemas FBG (Fiber Bragg Grating)

Sensores óticos baseados na Rede de Bragg (FBG) estão se tornando cada vez mais populares. São de fácil instalação, imunes às interferências eletromagnéticas e também podem ser usados em atmosferas altamente explosivas. Mas como uma fibra FBG funciona?

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

Is it possible to connect multiple FBG sensors, if the range of the interrogator is limited?

There is a limit to the number of sensors that can be addressed with an interrogator that has a limited range, let’s say [1500; 1600] nm. However, it is still possible to have multiple sensors in a single optical fiber (tens or even hundreds of sensors), as long as the Bragg wavelengths of each sensor are distinct and do not overlap within their measuring range.

As an example, the interrogator range is [1500; 1510] nm and one would like to have 3 sensors measuring in this range.

If the Bragg wavelengths of the sensors are as follows:

sensor1 = 1502 nm

sensor2 = 1505 nm

sensor3 = 1508 nm

and all the sensors have a wavelength shift of +/- 1 nm during measurement, there will be no overlap during measurement.

If for instance, the measurands cause the wavelength shift of the sensors to be +/- 3 nm, overlap of the Bragg wavelength within the measuring range would occur and one would be limited by that.




Are HBM FiberSensing data acquisition systems portable?

HBM FiberSensing interrogators are small and can easily be carried around. Nevertheless, FS22 Industrial BraggMETERs need power supply and a PC for an interface, which makes the equipment harder to move.

The FS42 Portable BraggMETER interrogators are designed for on-the-move applications. These are stand-alone interrogators that can provide measurements in disperse sites and be used with any type of FBG sensors (temperature, strain, tilt, etc.). They include batteries, a touch screen interface and a built-in software in the internal PC. It is very common to use these portable interrogators in the field during the installation of networks of sensors, or to perform in-situ live measurements.


Do the interrogators need calibration?

The FS22 Industrial BraggMETER and the FS42 Portable BraggMETER interrogators are calibrated upon production and include a traceable internal reference that ensures their accuracy over time.

Nevertheless, it is possible to perform a certified calibration for all interrogators from time to time.


Is it possible to embed an HBM FiberSensing optical interrogator in other systems?

Yes, in the case of the FS22 Industrial BraggMETER interrogators. These interrogators communicate via Ethernet with TCP/IP interface.

In the case of the FS42 Portable BraggMETER interrogator the answer is no.


Are there drivers available to control the interrogators?

Drivers are supplied with the interrogators’ support material.


Qual é a capacidade de armazenamento disponível no interrogator FS22 Industrial BraggMETER SI?

A capacidade de armazenamento do interrogator estático é de 2GB. Se você considerar 25 sensores/canal e um interrogator de 8 canais, 2GB serão suficiente para armazenar cerca de 3.000 horas de dados.


O interrogator FS22 Industrial BraggMETER DI possui capacidade interna de armazenamento?

Não. Entretanto, o FS22 DI possui um buffer que assegura que as medições de vários segundos não se percam, por exemplo, no caso de uma perda momentânea de comunicação.


Is the Smart Peak Detection feature available in both static and dynamic interrogators?

The SPD is only embedded in the real time operating system of the FS22 Industrial BraggMETER SI static interrogator.


É possível acessar fisicamente a memória interna do interrogator FS22 Industrial BraggMETER SI e substituí-la?

Não é possível acessar fisicamente a memória interna. Só é possível acessar os arquivos armazenados e apagá-los, se necessário.



A fim de se medir deformação, é necessário compensar a temperatura usando outro sensor. Neste caso, devo usar dois canais?

É uma boa prática juntar um sensor de temperatura a um sensor de deformação, a fim de compensar o efeito da temperatura no sensor de deformação.

Entretanto, não há necessidade de usar dois canais para medir temperatura e deformação.

Os interrogators FS22 Industrial BraggMETER da HBM FiberSensing (com até 8 canais) podem medir um conjunto com vários sensores.

O sensores de deformação atérmicos da HBM FiberSensing são capazes de medir deformação independente da temperatura com apenas um FBG.

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