Dicas para configurar um arranjo de sensores ópticos de deformação para uma instalação bem-sucedida

Uma das vantagens da tecnologia FBG (Fiber Bragg Grating) é sua capacidade de multiplexação intrínseca. Os sensores podem ter comprimentos de onda Bragg específicos e diferentes e podem ser conectados em série sem comprometer a leitura correta das medições, desde que os sinais do sensor não se sobreponham.

Os sensores podem ser adquiridos individualmente, com ou sem conectores; ou como arranjos pré-montados de sensores conectados por emendas de fusão - uma conexão permanente entre duas fibras. Na instalação, sensores e/ou arranjos podem ser conectados a um dos canais ópticos do interrogador, mas deve-se dar atenção à seleção de comprimentos de onda e às perdas de potência que os comprimentos de cabos e conexões impõem aos sinais.

1. Seleção de Sensores

Vários tipos de sensores baseados em FBG são fornecidos pela HBM, e todos eles podem ser combinados no mesmo canal óptico do interrogador, considerando que as perdas ópticas estão dentro dos limites e os sinais de comprimento de onda não se sobreponham As dicas abaixo se aplicam às medições de deformação, mas podem ser facilmente transferidas para outros tipos de sensores:

Para escolher o tipo de sensor mais adequado, os seguintes requisitos devem ser levados em consideração:

a) Faixa de medição

Encapsulamentos de sensores diferentes podem limitar suas faixas de medição. Ao selecionar o tipo de sensor correto, a faixa de medição necessária pode ser um fator de exclusão para alguns sensores.

b) Tipo de montagem

A HBM oferece soluções para os sensores a serem colados, soldados, embutidos ou aparafusados ao corpo de prova. O tipo de montagem pode interferir na velocidade e no custo de instalação, mas também pode eliminar outras opções. Gauges soldáveis podem ser considerados para a instalação de sensores em estruturas metálicas. A soldagem é uma forma rápida e eficiente de unir sensores a uma estrutura que está pronta para ser usada logo após a instalação, sem a necessidade de esperar pela cura do adesivo. Para materiais compostos, duas opções são colagem ou incorporação. As conexões de parafusos normalmente não são recomendadas para compósitos de fibra, pois a perfuração danifica as fibras, mas pode ser uma boa solução para estruturas de concreto ou metálicas.

c) Robustez

Existe uma vasta gama de sensores disponíveis com diferentes graus de robustez. Alguns sensores são projetados com cabos para laboratório e outros com cabos internos ou externos, até mesmo cabos dielétricos, que limitarão o uso do sensor sem a necessidade de proteção adicional em ambientes específicos.

d) Raio de curvatura e comprimento do cabo

Os sensores de deformação HBM FiberSensing são divididos em duas linhas de produtos, que diferem nas características da fibra óptica usada. O OP Line usa uma fibra com alta capacidade de dobrar, criando produtos e elos de fibra que podem ser usados em espaços muito estreitos com raio de curvatura apertado, ambos no caminho do cabo com perdas desprezíveis, bem como na área do sensor adequada para medição mesmo em superfícies curvadas . O FS Line mostra um nível mais baixo de flexibilidade nos sensores e cabos, mas eles podem ser usados livremente por vários quilômetros sem perdas ópticas significativas.

e) Temperatura de operação

As medições de tensão podem ser feitas em ambientes muito diferentes. Para temperaturas altas ou baixas, apenas alguns dos strain gauges ópticos são adequados.

f) Necessidades de compensação de temperatura

Os sensores de deformação baseados em FBG são sensíveis às mudanças de temperatura, e a correção é recomendada.

A HBM FiberSensing oferece a solução exclusiva de um sensor de deformação atérmico, que cancela o efeito intrínseco das mudanças de temperatura no comprimento de onda FBG (mas não na expansão térmica do material da amostra). Ao selecionar esse sensor de deformação, nenhum sensor extra é necessário para a compensação de temperatura da medição. Para todos os outros sensores de deformação, é necessário um elemento sensor extra, por exemplo:

  • Um sensor de temperatura colocado sob a mesma temperatura do sensor de deformação: Com uma medição de temperatura no mesmo local do sensor de deformação, a sensibilidade térmica cruzada do sensor (conforme indicado nas folhas de dados e de calibração) e a expansão térmica do material de base, a medição de deformação pode ser corrigida.
  • Um elemento de compensação óptica: Para alguns sensores de deformação, um sensor FBG especificamente projetado para efeitos de compensação de temperatura pode ser usado.
  • Um strain gauge óptico que deve ser aplicado ao mesmo material e submetido a condições de temperatura iguais, mas não submetido a tensão: a deformação medida por este sensor é a deformação induzida pela temperatura.
  • Um strain gauge óptico instalado na superfície oposta da amostra, onde a deformação tem o mesmo valor, mas um sinal diferente: Com sensores operando nessa configuração push-pull, o efeito da temperatura pode ser anulado pela combinação de ambas as medidas de deformação.

O número de sensores necessários em um arranjo deve considerar as opções acima.

2. Seleção do comprimento de onda

A distância do comprimento de onda Bragg entre dois sensores define a faixa máxima de medição de ambos os sensores, porque se os sinais se sobrepuserem, as medições serão comprometidas. A faixa de comprimento de onda usada de cada sensor depende da sua faixa de medição, dentro de sua faixa de temperatura de operação, juntamente com a sensibilidade do sensor e a mudança de comprimento de onda induzida pelo calor causada pela sensibilidade cruzada dos sensores e a expansão térmica do material.

A partir do comprimento de onda central do sensor (λ0), a faixa de comprimento de onda que precisa ser reservada vai do valor de comprimento de onda mínimo possível do sensor até o seu máximo:

Para facilitar a seleção, estão disponíveis comprimentos de onda pré-selecionados, adequados à faixa de medição usual do sensor.

  1. Sensores da linha FS existem em comprimentos de onda espaçados a aproximadamente 6,4 nm
  2. Existem sensores da linha OP em comprimentos de onda espaçados a 5 nm

3. Controlando Perdas Ópticas

O número de conexões que podem ser usadas por canal óptico em uma cadeia de detecção FBG depende não apenas do tipo de conexão usada, mas também do interrogador, do tipo de fibra e comprimento, bem como das perdas de sinal óptico, que podem ser causadas pelo processo de instalação (caminho do cabo, micro-curvaturas e assim por diante).

a) Conectores vs emendas

Duas conexões possíveis podem ser usadas ao conectar sensores de deformação óptica em cadeias: conectores e emendas.

Osconectores são mais fáceis de usar no site, já que eles significam literalmente "plug and play". No entanto, eles representam maiores perdas para o sinal óptico e são mais propensos à degradação com o tempo.

As junções são, por outro lado, conexões definitivas, uma fusão das duas fibras que são estáveis ao longo do tempo e apresentam baixas perdas ópticas. No entanto, a emenda requer ferramentas dedicadas, profissionais treinados e maior tempo de instalação.

Para minimizar o tempo de instalação e, ao mesmo tempo, aumentar o número de sensores que podem ser conectados em uma cadeia de sensores, a HBM FiberSensing oferece arrays pré-montados de sensores conectados por emendas protegidas para se adequarem à aplicação.

b) Tipo e comprimento da fibra

As fibras usadas nas duas linhas de sensores da HBM FiberSensing são diferentes: a fibra usada nos sensores da Linha FS tem núcleo de 9µm e a fibra usada nos sensores da Linha OP tem núcleo de 6µm.

Sensores e cabos da linha FS podem percorrer quilômetros sem comprometer os sinais do sensor, pois a fibra do núcleo de 9µm tem perdas por atenuação muito pequenas. Fibras e cabos da linha OP mostram maiores perdas por atenuação e portanto, não devem ser aplicados por longas distâncias.

Quando os dois tipos de fibras são conectados juntos, mesmo via emendas, há também altas perdas na interface que limitam o número de vezes que diferentes tipos de fibra podem ser usados dentro de uma cadeia.

c) Refletividade do sensor

O princípio de medição do sensor FBG é baseado em um espectro refletido da luz incidente. O sinal refletido de volta é uma porcentagem da luz incidente. Os sensores da linha FS têm uma refletividade de cerca de 65%, e os sensores da linha OP têm uma refletividade <15%. Ao calcular as perdas, a refletividade dos sensores também deve ser considerada.

d) Faixa dinâmica dos interrogadores

As perdas admissíveis em uma cadeia de sensores ópticos são ditadas pela faixa dinâmica disponível do interrogador. A faixa dinâmica pode ser percebida como uma medida da relação sinal-ruído do espectro óptico para detecção de pico. Sinais com valores altos ou muito próximos de perda para a faixa dinâmica não serão corretamente adquiridos pelo interrogador.

As características técnicas dos sensores, interrogadores e accessórios devem ser cuidadosamente verificadas para otimizar o desempenho de uma cadeia de detecção óptica.

A HBM pode oferecer suporte na seleção certa de componentes.

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