O que é um sensor FBG (Fiber Bragg Grating)?

Um sensor FBG (Fiber Bragg Grating) é uma microestrutura com o comprimento típico de alguns milímetros que pode ser inserida no núcleo de uma fibra singlemode padrão de telecomunicações. Isto é feito iluminando-se transversalmente a fibra com um raio laser UV e utilizando uma máscara de fase para gerar um padrão de interferência em seu núcleo, o qual irá induzir uma mudança permanente nas características físicas da matriz de sílica (fig. 1). Esta alteração consiste em uma mudança espacial periódica do índice de refração do núcleo que cria uma estrutura ressonante.

O diâmetro da fibra, protegida por um revestimento primário, é de 250 micrómetros. Sem este revestimento, a fibra possui um diâmetro de 125 micrómetros. A luz desloca-se essencialmente através do núcleo, que tem um diâmetro que pode variar entre 4 e 9 micrómetros.

Operação

Como uma estrutura ressonante, o sensor FBG irá atuar como um espelho seletivo de comprimento de onda (wavelength selective mirror); é um filtro de banda estreito. Isso significa que, se a luz de uma fonte de banda larga for injetada na fibra ótica, apenas a luz dentro de uma região espectral muito estreita, centrada no comprimento de onda de Bragg (Bragg wavelength), irá ser refletida. A luz remanescente irá continuar seu caminho através da fibra ótica sem nenhuma perda. (fig. 2).

O comprimento de onda de Bragg é essencialmente definido pelo período da microestrutura e pelo índice de refração do núcleo.

O sensor FGB é uma estrutura simétrica. Sendo assim, sempre irá refletir o mesmo comprimento da onda Bragg, independente do sentido da luz.

Figura 2 (canto superior esquerdo: espectro da luz injetada; superior direito: espectro da luz transmitida; centro: FBG com representação gráfica da transmissão e reflexão da luz; inferior esquerdo: espectro da luz refletida)

Atuação como um sensor de deformação

Um sensor FBG (Fiber Bragg Grating) possui características únicas. Por exemplo, quando a fibra é esticada ou comprimida, o sensor FBG irá medir deformação. Isso acontece porque a deformação de uma fibra ótica ocasionará uma variação da constante foto-elástica da fibra e uma mudança no período da microestrutura, o que resulta numa variação do comprimento de onda de Bragg (Bragg wavelength) (fig. 3).

Atuação como um sensor de temperatura

Sensibilidade à temperatura também é intrínsica nos sensores FBG (Fiber Bragg Grating). Neste caso, o principal contribuinte para uma mudança no comprimento de onda de Bragg (Bragg wavelength) é a variação do índice de refração da sílica, induzido pelo efeito termo-ótico (fig. 4). Também há uma contribuição da expansão térmica, à qual altera o período da microestrutura. Este efeito é, no entanto, marginal devido ao baixo coeficiente de expansão térmica da sílica.

Multiplexagem

Uma das principais vantagens desta tecnologia é a capacidade intrínseca de multiplexagem. Na verdade, centenas de sensores FBG (Fiber Bragg Gratings) podem ser colocados em uma única fibra ótica e podem estar separdos por apenas alguns milímetros ou por vários quilômetros (fig. 5). Com o revestimento apropriado, cada uma destas microestruturas pode se tornar sensível a outros parâmetros além da temperatura ou deformação como, por exemplo, pressão, aceleração, deslocamento, entre outros, tornando-os assim, sensores com características multifuncionais. É importante enfatizar que todos os sensores podem ser endereçados usando uma única fonte ótica. Também, a adição de mais sensores em uma mesma fibra resulta em uma perda mínima, sem mistura de sinais, desde que uma banda espectral (spectral band) suficiente do espectro de luz seja reservada para cada sensor (fig. 6).

Benefícios

Por ser um sensor de fibra ótica, o sensor FBG (FiberBragg Grating) possui todas as vantagens normalmente atribuídas a estes dispositivos:

baixa perda relacionada ao comprimento da fibra
imunidade à interferências eletromagnéticas e de rádiofreqüência
pequeno e leve
operação segura em ambientes onde existem materiais perigosos
alta sensibilidade
confiabilidade a longo prazo.

Além disso, a tecnologia do sensor FBG demonstra uma grande capacidade serial de multiplexagem e uma habilidade em promover medições absolutas sem a necessidade de referências. Isto a torna uma alternativa às tecnologias de sensores elétricos convencionais.

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O sensor FBG (Fiber Bragg Grating) é uma microestrutura periódica que atua como um espelho seletivo de comprimento de onda. Isso significa que, se a luz de uma fonte de banda larga for injetada na fibra ótica, apenas a luz dentro de uma região espectral muito estreita, centrada no comprimento da onda de Bragg (Bragg wavelength), será refletida. A luz remanescente irá continuar seu caminho pela fibra ótica sem qualquer perda, mantendo assim, sua capacidade de interrogação de outros sensores que possam existir. O sensor FGB é uma estrutura simétrica e, como tal, sempre irá refletir o mesmo comprimento de onda de Bragg, independente do sentido da luz.

O comprimento de onda de Bragg (λ_B) é essencialmente definido pelo período da microestrutura (Λ) e pelo índice de refração do núcleo (nef).

Equação 1

Um sensor FBG tem características únicas. Por exemplo, quando a fibra é esticada ou comprimida, o sensor FBG irá medir deformação. Isso acontece porque a deformação da fibra ótica provoca uma mudança no período da microestrutura e, conseqüentemente, do comprimento de onda de Bragg (Bragg wavelength). Também há alguma variação no índice de refração, proveniente do efeito fotoelástico (photoelastic effect).

A sensibilidade à temperaturas também é intrínseca nos sensores FBG (Fiber Bragg Grating). Neste caso, o principal contribuinte para uma mudança no comprimento de onda de Bragg (Bragg wavelength) é a variação do índice de refração da sílica, induzido pelo efeito termo-ótico (fig. 4). Também há uma contribuição da expansão térmica, à qual altera o período da microestrutura. Este efeito é, no entretanto, marginal devido ao baixo coeficiente de expansão térmica da sílica.

Utilização como sensor de deformação (FBG)

A sensibilidade à deformação de um sensor FBG (Fiber Bragg Grating) pode ser determinada pela variação do comprimento de onda:

Equação 2

Onde:

ß_e – sensibilidade à deformação do sensor
p_e – constante fotoelástrica (photoelastic constant) - variação do índice de refração com a tensão axial

O p_e para a fibra ótica é:

O que significa que a sensibilidade à deformação de um sensor FBG é dado pela expressão:

Equação 3

O que, para um sensor FBG @1550 nm, é

Equação 4

Utilização como sensor de temperatura (FBG)

Similar à sensibilidade de deformação do sensor FBG (Fiber Bragg Grating), a dependência de temperatura pode ser determinada diferenciando a expressão do comprimento de onda (Equação 1):

Equação 5

Onde:

– sensibilidade térmica do sensor
– coeficiente de expansão térmica da fibra
– coeficiente termo-ótico (dependência do índice de refração na temperatura)

Para uma aproximação da sensibilidade à temperatura, pode-se assumir que estes valores são constantes para a gama de temperatura em questão:
= 0.55x10-6/ºC
= 5.77 x10-6/ºC

O que significa que a sensibilidade térmica aproximada é dada por:

Equação 6

O que, para FBG @1550 nm, é

Equação 7