Strain gages óticos: O que você precisa saber

Os strain gages óticos (também chamados de sensores de fibra ótica ou FOS, sensores óticos ou sensores FBG) são usados para medir deformação, mas podem ser facilmente integrados em diferentes tipos de transdutores, como por exemplo, para temperatura, aceleração ou deslocamento. Comparados com os tradicionais strain gages elétricos, os strain gages óticos não precisam de eletricidade. Em vez disso, a tecnologia é baseada na luz que se propaga através de uma fibra.

Portanto, os sensores são completamente passivos e imunes, por exemplo, a interferências eletromagnéticas. Esta é apena uma das razões pelas quais os strain gages óticos são superiores aos elétricos em determinadas aplicações.

A propósito

Para este artigo técnico, Cristina Barbosa, Gerente de Produto para os negócios óticos da HBM, explicou como funcionam os strain gages óticos.

Ela diz: “Quando as pessoas precisam medir deformação, elas primeiro se lembram dos strain gages elétricos. Os strain gages óticos podem ser úteis, porém, onde os elétricos não irão funcionar, como por exemplo, devido às condições do local”.

Schematic image: The optical strain gauge consists of a silica core and cladding that channel the light in the fiber and an outer coating (usually plastic) for protection.
O strain gage ótico consiste de um núcleo e um revestimento de sílica que direciona a luz na fibra e um revestimento externo (geralmente plástico) para proteção.

Design

Neste artigo técnico, focaremos em sensores intrínsecos de fibra ótica para deformação, onde a própria fibra é o sensor. Outros tipos de sensores de fibra ótica usam a própria fibra para conduzir a luz, e não para realizar medições com ela.

Uma fibra ótica geralmente consiste de uma fibra de vidro ou de sílica e um revestimento plástico. É como uma fibra comum de telecomunicações e pode ser de diversos quilômetros de extensão com inúmeros pontos de medição ao longo de seu comprimento. A própria fibra consiste de duas camadas: o núcleo e um revestimento circundante com menor densidade. Um revestimento plástico é enrolado em volta da fibra de sílica para proteção.

Então, por que é importante esta diferença de densidade entre o núcleo e o revestimento? Um laser é usado para enviar a luz através da fibra. As duas diferentes densidades do material da fibra criam uma barreira que canaliza a luz dentro da fibra para que ela não se disperse. Para isso funcionar, é importante que a fibra não seja muito dobrada. “Ela é flexível e não quebrará; entretanto, a luz pode escapar nas dobras”, explica a gerente de produto Cristina Barbosa.

Método de operação

A fibra como um sensor

Para criar o sensor de deformação, a fibra ótica é inscrita durante a produção com o chamado FBG (Fiber Bragg Grating). É basicamente um padrão de interferências materiais, que refletem a luz de forma diferente do resto da fibra. Para um melhor entendimento, você pode visualizar a fibra como um comprimento cilíndrico de material transparente, com uma série de camadas finas. Quando a luz do laser atinge este padrão, certos comprimentos de ondas são refletidos, enquanto que outros passam.

As interferências materiais (“camadas”) são colocadas a certos intervalos. Quando a fibra é esticada ou comprimida e, portanto, submetida a uma deformação positiva ou negativa, estes intervalos mudam. Quando a fibra é esticada, ela se alonga e os espaços ficam maiores e vice-versa.

Não é só a luz que demora um pouco mais ou menos para viajar de volta quando o sensor FBG está sob deformação, mas o comprimento de onda que é refletido também muda. Em termos científicos, o sensor FBG possui um determinado índice de reflexão. Este índice de reflexão de um material descreve quanta luz é dobrada ou refratada quando passa através do material. Quando a grade muda de formato durante a deformação, seu índice de refração também muda.

“Um sensor FBG como um todo tem aproximadamente 5mm de comprimento, embora suas interferências materiais individuais não possam ser vistas a olho nu; apenas com um microscópio”, explica Cristina Barbosa. Muitos sensores FBG podem ser inscritos em uma fibra, cada um trabalhado como um sensor de deformação individual.

Quando a fibra ótica é aplicada no material, será deformada junto com este material. A deformação medida, por sua vez, permite uma análise da deformação mecânica no material, que é o objetivo da maioria das medições de deformação.

Para dar um exemplo prático, quando a fibra é aplicada nas paredes de um túnel, ela é deformada quando há tensão no material das paredes. Isso pode acontecer, por exemplo, devido às vibrações dos trens que se aproximam. Quando as paredes acomodam ou mesmo desenvolvem pontos de fraqueza ou fissuras ao longo dos anos, isso se torna visível a partir da informação sobre a deformação e, portanto, a deformação mecânica é adquirida pelos sensores: uma indicação inicial útil de onde é necessária uma manutenção.

O papel do interrogator

Para as medições, a fibra ótica precisa estar conectada ao chamado interrogator: ele envia continuamente luz em diferentes comprimentos de onda, uma de cada vez, cobrindo assim um amplo espectro. É chamado de “laser de varredura”. A luz propaga-se pela fibra, é refletida em alguns pontos por um sensor FBG e retorna ao interrogator.

Graças aos diferentes períodos dos sensores FBGs individuais, é possível a distinção entre os sinais de diferentes sensores. O resto da luz é refratada quando alcança o final da fibra, então não há interferência com a medição. A deformação real e, por sua vez, a tensão do material podem ser deduzidos dos sinais brutos de luz que retornam dos sensores FBG.

“Enquanto há diferentes métodos de medição de deformação com diferentes tipos de sensores de fibra ótica, o que eles têm em comum é que dependem, de alguma forma, das propriedades da luz”.

- Cristina Barbosa

Então, por que essa diferença de densidade entre o núcleo e o revestimento é importante? Um laser é usado para enviar luz através da fibra. As duas diferentes densidades do material da fibra criam uma barreira que direciona a luz para dentro da fibra para que ela não se espalhe. Para isso funcionar, é importante que a fibra não esteja muito dobrada. “Ela é flexível e não quebrará; entretanto, a luz pode escapar pelas dobras”, explica a gerente de produto Cristina Barbosa.

A compensação de temperatura é crucial

Sensores de fibra ótica FBG são extremamente suscetíveis à temperatura. Obviamente, a fibra, como qualquer outro material, expande quando a temperatura aumenta e se contrai quando a temperatura diminui. O índice de refração também muda. Sem compensação, isso levaria à medição de deformação que não foi causada pela tensão do material, mas pelas variações de temperatura. Existem diversas técnicas para compensação, incluindo:

  • A instalação de um sensor de temperatura próximo ao sensor de deformação: isso permite uma compensação matemática pela comparação de dados e subtração dos efeitos da temperatura;
  • Posicionando dois sensores FBG em uma configuração push-pull para que, quando sob deformação, um deles é comprimido e o outro, esticado. Os efeitos da temperatura são idênticos para ambos (por exemplo, alongamento), mas a influência da tensão mecânica difere: para um sensor FBG a deformação é “positiva” como está sob tração, mas para o outro, a deformação é “negativa”, porque ele está sendo comprimido. Assim, a compensação matemática se torna possível;
  • Encapsulando a fibra em um aparelho mecânico que expande na direção contrária do material sob teste de uma forma que a tensão aplicada no sensor FBG cancela o efeito da temperatura e não é necessária nenhuma compensação matemática.

Aplicações para sensores de fibra ótica

“Como parte do projeto ITER na França, nossos sensores precisam lidar com uma enorme faixa de temperatura, começando de, aproximadamente, -270°C até +300°C, sob intensos campos eletromagnéticos. Isso é algo que nenhum strain gage elétrico poderia suportar”, diz Cristina Barbosa, nomeando uma de suas aplicações favoritas para sensores óticos de deformação.

Aplicações menos exóticas podem ser encontradas, por exemplo, em monitoramento estrutural.  Como uma única fibra pode acomodar centenas de sensores, a tecnologia ótica pode ser usada em enormes projetos como monitoramento de túneis ou oleodutos, já que os custos de cabeamento e instalação são menores em comparação aos strain gages tradicionais.

Além do mais, a tecnologia de medição ótica é a primeira opção para todas as aplicações onde a eletricidade necessária para os strain gages tradicionais seria um problema, incluindo ambientes com inúmeras interferências eletromagnéticas (como no espaço) ou com alto perigo de explosão (como em refinarias de petróleo). Ou, nas palavras de Cristina Barbosa:

“Onde os strain gages elétricos não funcionam, os óticos podem fazer o trabalho”.


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