Fig. 1: O princípio básico da operação de strain gages FBG.

Em Monitoramento Estrutural, Novas Tecnologias Estão em Ascensão

Vários tipos de infraestrutura, tais como pontes, tubulações, fundações, rodovias, barragens, etc., estão sujeitas a fatores que podem comprometê-las ou leva-las ao mau funcionamento. Estes problemas estruturais podem ser o resultado da deterioração, métodos incorretos de construção, atividades sísmicas, construções próximas, etc. Embora os strain gages elétricos tenham sido largamente usados para monitorar alterações estruturais, às vezes, falta neles a durabilidade e a integridade necessária para fornecer informações precisas e úteis por longos períodos.

O que é um sensor de fibra ótica?

Strain gages de fibra ótica, que são baseados em Rede de Bragg (FBG), operam em princípios muito diferentes ao dos strain gages elétricos. De uma forma simples, uma fibra FBG é uma microestrutura (tipicamente com alguns milímetros de comprimento) criada pela modificação de uma fibra single-mode, padrão de telecomunicações, através de um laser UV. Esta microestrutura cria uma variação periódica no índice de refração da fibra ótica. Conforme a luz atravessa a fibra, a Rede de Bragg reflete uma faixa de comprimento de onda muito estreita, enquanto todos os outros comprimentos de onda são transmitidos através da rede. O centro desta banda de comprimento de onda refletida é conhecido como comprimento de onda Bragg (fig. 1 e 2). Sob tensão mecânica, o comprimento de onda central de um FBG se altera, seja devido ao alongamento físico, seja pela compressão da fibra ótica. Esta mudança é, então, detectada e gravada pelo interrogator (por exemplo: sistema de aquisição de dados).

Fig. 2: Fabricação de uma fibra Bragg usando o método de máscara de fase. Este método cria duas ordens de refração da luz UV incidente, produzindo um padrão de interferências máximas e mínimas no centro da fibra. O índice de refração da fibra é permanentemente alterado de acordo com a intensidade da luz à qual é exposta. Este espaçamento preciso de diferentes propriedades óticas dentro da fibra constrói a Rede de Bragg.

A tecnologia ótica vem com muitas vantagens

Além da deformação, sensores FBG também são sensíveis à temperatura. Isso permite seu uso para medir temperatura, mas também significa que é recomendável que combinemos um sensor de temperatura com um sensor de deformação para fins de compensação do efeito da temperatura no sensor de deformação. Sensores FBG também podem ser usados em transdutores para monitorar uma variedade de outros parâmetros, como inclinação, aceleração, pressão, etc.

Strain gages de fibra ótica FBG oferecem uma variedade de vantagens em relação aos strain gages elétricos. Por exemplo: em longo prazo, eles proveem estabilidade de sinal e durabilidade de sistema, mesmo sob cargas de vibração altas, como em estradas e pontes com alto volume de tráfego, eles são muito menos sujeitos a falhas mecânicas. A distância e o comprimento do cabo praticamente não tem nenhum impacto na precisão da medição, porque sistemas baseados em fibra ótica sofrem apenas uma mínima atenuação de sinal: a integridade dos dados permanece alta, mesmo se o sistema de aquisição de dados estiver localizado a vários quilômetros de distância do sensor mais afastado. As fibras óticas são muito mais finas e leves que condutores de cobre e assim, os cabos de conexão são muito mais leves. Um único cabo de medição permite conectar muitos sensores com diferentes comprimentos de ondas, acarretando em uma grande diminuição de quantidade de cabos.  Sua imunidade à interferências eletromagnéticas e radiofrequência (EMI/RFI) pode ser fundamental em estruturas como pontes ou túneis, onde trens elétricos podem produzir campos eletromagnéticos intensos.

Muito menos cabeamento necessário

O uso de sensores FBG permite uma enorme redução na quantidade de cabos que um sistema de monitoramento necessita devido à alta capacidade intrínseca multiplexora de sua tecnologia, o que garante mínimo impacto nas estruturas monitoradas. Neste contexto, “multiplexagem” refere-se à capacidade de conectar muitos sensores óticos de diferentes tipos a uma única fibra ótica, o que reduz a complexidade da rede e de suas instalações. A organização com dezenas de sensores pode ser pré-montada para simplificar a instalação: podem ser facilmente colados em diversos materiais e superfícies, soldados por ponto em estruturas ou componentes, fixados ou mergulhados em concreto enquanto ele é despejado. Seu pequeno tamanho e peso também os tornam atrativos para locais com espaço limitado ou mesmo em aplicações onde a fibra fica internamente fixada aos materiais, como em estruturas de materiais compósitos. A combinação entre sensores de relativo baixo custo, vários sensores por fibra e, consequentemente, reduzida quantidade de canais de medição, faz com que seja uma solução econômica para projetos de médio e grande porte.

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Ideal para ambientes adversos

Eles são ideais para uso em ambientes adversos. Além de sua imunidade EMI/RFI, oferecem alta resistência a influências causadas pela água e umidade, sal, temperaturas extremas e alta pressão (até 400bar). Também são seguros para uso em atmosferas potencialmente explosivas e área de alta potência.

Diferentemente dos strain gages elétricos, as referências metrológicas dos sensores FBG independem do sistema de medição (interrogator). Como são baseados na medição de um parâmetro absoluto, o comprimento de onda de Bragg, se tornam independentes das flutuações de energia, sendo assim, sensíveis somente à deformação aplicada ou à mudança de temperatura. O próprio interrogator ótico, que mede os valores gerados pelos sensores, também possui uma referência interna que funciona como uma “régua” para determinar de forma precisa os valores recebidos de comprimento de onda. Esta referência interna permite uma auto-calibração do interrogator a cada medição realizada.

Fig. 3: Instalação de uma seção de medição para monitoramento de túnel.

Alinhado com o comportamento de fadiga dos materiais modernos

Sistemas de sensores de fibra ótica oferecem aos engenheiros de infraestrutura limites de fadiga mais alinhados ao comportamento de fadiga dos materiais estruturais mais modernos. Painéis de fibra de carbono, por exemplo, apresentam maiores limites de fadiga e deformação que materiais estruturais convencionais. Mesmo materiais comumente usados, como metal, concreto e madeira, tem sido cada vez mais modificados para otimizar seu comportamento de fadiga, exigindo sistemas de monitoramento projetados para limites mais altos de fadiga.

A fig. 3 ilustra um exemplo recente do uso de sensores de fibra ótica no monitoramento estrutural. A HBM FiberSensing ajudou a projetar uma rede de sensores para monitoramento em tempo real das deformações e convergências do túnel de uma linha de metrô em operação em São Paulo, Brasil, enquanto um arranha-céus era construído próximo. O sistema de monitoramento do túnel foi necessário durante a fase de escavação e construção de uma parede de suporte para garantir que a operação da linha do metrô não fosse interrompida e a segurança dos passageiros não fosse comprometida. O Método Extensométrico para Determinar Convergências em Túneis utilizado neste projeto usa sensores FBG para medir a tensão em diferentes pontos ao longo do contorno do túnel e a converte em deslocamento do suporte do túnel. Também permite a quantificação das convergências do suporte e sua evolução geométrica ao longo do tempo.

Duas sessões do túnel foram monitoradas com sete pontos de medição cada, com um sensor de tensão e um de temperatura em cada ponto. Um BraggMETER FS22 para montagem em rack com quatro canais óticos foi usado para interrogar todos os sensores, com seus dados sendo adquirido uma vez por minuto, então processados e salvos em uma base de dados. Um rack de 19" foi instalado nas proximidades para proteger a unidade de medição, o servidor PC, o UPS e uma conexão com a internet. Comprimentos de ondas medidos foram calculados para se ter as medições de tensão compensadas pelo efeito térmico no comprimento de onda Bragg e as convergências foram estimadas com o algoritmo do método. Mais detalhes deste projeto, incluindo um esquema do sistema, estão disponíveis em um documento apresentado na 15ª Conferência Internacional de Mecânica Experimental - “Remote Monitoring of São Paulo Metro Tunnel Deformations Using Fiber Optic Based Sensors” – disponível aqui:

http://paginas.fe.up.pt/clme/icem15/ICEM15_CD/data/papers/3189.pdf.

Fig. 4: Sensores de tensão sendo instalados na estrutura de uma ponte antes do concreto ser derramado.

Desempenho e recompensa otimizados

Da mesma forma, um sistema de medição de tensão e temperatura da HBM FiberSensing está sendo usado para monitoramento a longo prazo de uma ponte estaiada de 1,1km de comprimento sob o Rio Rhumel em Constantine, Argélia. O sistema foi instalado em paralelo com sensores de tecnologia convencional e equipamentos de aquisição de dados e integrado como um completo Sistema de Monitoramento Estrutural. Sensores de tensão e temperatura foram entregues pré-montados em uma matriz para serem mergulhados dentro do concreto. Cada extremidade desta matriz possuía um conector ótico. Foram usados longos cabos com saída ótica com quatro sensores cada e conectores em cada extremidade foram usados para ligar as matrizes espalhadas pelos pontos de medição.

Este trabalho de pré-montagem e preparação aumenta a eficiência da instalação, não apenas por conta do menor número de cabos, mas porque o uso de conectores garante que a instalação não necessita o uso de mão de obra ou equipamentos especiais. Um interrogator BraggMETER de quatro canais coleta dados simultâneos de 22 sensores de tensão e de 18 sensores de temperatura para um total de 40 sensores FBG. O interrogator está instalado em conjunto com outros sistemas de aquisição de dados e são controlados ao mesmo tempo usando uma interface LAN disponível.

Embora os engenheiros tenham décadas de experiência no uso de strain gages elétricos no monitoramento estrutural, estas aplicações demonstram como os sensores de fibra ótica podem oferecer uma variedade de vantagens econômicas e de desempenho.