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Introdução às cadeias ópticas de medição baseadas em grades de fibra de Bragg (FBG)

Este artigo tem como objetivo ajudar os integradores e engenheiros de sistemas a escolher os componentes certos para soluções de monitoramento óptico multi-físico. Isso é crucial, pois todas as principais estruturas - como pontes, prédios, tubulações e túneis - são expostas a fatores que causam tensão e degradação. Sem um monitoramento confiável e preciso da tensão, temperatura e outros parâmetros físicos, defeitos e problemas estruturais podem não ser detectados, resultando em desastres.

A seguir, discutiremos o monitoramento de integridade estrutural (SHM) como uma disciplina e mostraremos como uma cadeia de medição típica baseada em Grades de Fibra de Bragg (FBG) - hospedando vários sensores em uma fibra óptica, interrogadores e PC software - pode ser facilmente projetado.

Monitoramento de integridade estrutural - prevenção de falhas em vez de reparar danos

Estruturas grandes e caras, como túneis, pontes e tubulações, precisam de monitoramento regular e econômico de sua integridade estrutural. Isso garante segurança e confiabilidade.

O monitoramento estrutural da saúde (SHM) desempenha um papel crítico aqui [1], porque adota uma abordagem proativa para manutenção e monitoramento, em vez de esperar que ocorra o dano e repará-lo. Esse método proativo pode economizar dinheiro e impedir o tempo de inatividade não planejado da estrutura.

Porém, a necessidade de uma instalação SHM confiável e precisa na grande infraestrutura é frequentemente ignorada por razões como custo, confusão sobre quais sensores usar e dificuldade em interpretar os dados de deformação. Isso se torna um problema quando ocorre dano estrutural induzido por deformação. E isso acontece regularmente, pois a infraestrutura civil é exposta a cargas constantes e agentes ambientais que causam desgaste e degradação ao longo do tempo.

Por exemplo, as pontes sofrem deterioração estrutural devido ao aumento da demanda de tráfego, bem como mudanças climáticas e condições climáticas adversas [2-3]. Métodos de construção inadequados, atividade sísmica e construção próxima também desempenham um papel [4]. E sem monitoramento consistente, falhas e problemas estruturais não podem ser detectados ou previstos, resultando em desastres. De fato, nos Estados Unidos, todas as pontes precisam passar por uma inspeção visual a cada dois anos para ajudar a impedir que esses problemas estruturais surjam [5].

Mas, de acordo com o ASCE 2017 Infrastructure Report Card, quase 10% das pontes nos Estados Unidos têm algum tipo de problema estrutural, o que as torna vulneráveis [6]. E no Canadá, quase um terço das aproximadamente 75.000 pontes rodoviárias apresentam deficiências estruturais [7]. A falha em identificar e lidar com essas deficiências estruturais pode resultar em altos custos de manutenção, desligamento da infraestrutura local e, no pior dos casos, colapso estrutural e fatalidades. Como resultado, existe um mercado imenso para a tecnologia que ajuda a monitorar de maneira fácil e econômica o desgaste da infraestrutura [8].

Uso de sensores de deformação resistivos convencionais

Desde a década de 1940, o extensômetro resistivo tem sido a referência para o monitoramento estrutural de deformações [9]. Porém, certos limites são acompanhados por extensômetros resistivos e, às vezes, dificultam a medição fácil e confiável.

Por exemplo, o número de cabos elétricos necessários pode ser um desafio. Isso ocorre porque cabos longos são caros e muitos deles podem se tornar difíceis de gerenciar quando usados em estruturas de grande escala com muitos pontos de medição [10], apesar da existência de soluções técnicas para medir tensão elétrica em distâncias de várias centenas de metros, e para ambas as tecnologias [4].

Tecnologia de grade de Bragg de fibra: Uma solução inovadora para o monitoramento estrutural da saúde

Os sensores ópticos baseados na tecnologia Fiber Bragg Grating (FBG) oferecem uma alternativa atraente às cadeias de medição elétricas convencionais.

Isso ocorre porque a tecnologia FBG possui vantagens como multissensores em uma única fibra óptica, design passivo geral leve e baixa atenuação, o que permite a instalação a longa distância. Essa tecnologia também é imune à interferência eletromagnética (EMI) e os sensores são mais estáveis em termos ambientais do que os extensômetros elétricos (para que possam suportar condições adversas). Eles também têm preços competitivos quando se trata de uma contagem de canais média a alta e um custo total de propriedade [12, 13].

Os benefícios dos sensores baseados em FBG:

  • Imune a interferência de ruído eletromagnético (EMI) 
  • Baixa atenuação e pode ser instalado em longas distâncias 
  • Pode ter vários sensores na mesma linha. Isso reduz o comprimento e a complexidade do cabo e também simplifica a instalação, que é mais econômica 
  • Pode suportar condições adversas, minimizando a necessidade de soluções de proteção complexas ou caras 
  • Estabilidade de sinal a longo prazo (sem desvio) com uma referência zero absoluta (medições relacionadas, mesmo que dispersas no tempo)

Campos de aplicação da tecnologia FBG

Graças ao fato de poder ser facilmente usado com o software do seu fornecedor, e também estar integrado a qualquer PC individual, a tecnologia FBG adquiriu uma grande participação de mercado ao longo do tempo. Agora é usado em uma ampla gama de aplicações de detecção [13].

Por exemplo, é usado em diferentes aplicações de monitoramento de saúde em engenharia civil, incluindo infraestrutura rodoviária e ferroviária, mas também em geoestruturas, petróleo e gás, monitoramento de cascos de embarcações na indústria marítima, estruturas aeroespaciais e validação de temperatura automotiva.

Mais vantagens da tecnologia FBG:

  • Multiplexando muitos e até diferentes sensores em uma única fibra. Todos os sensores serão fornecidos com diferentes comprimentos de onda, reduzindo a quantidade de fiação necessária para a rede de detecção.
  • Estabilidade de sinal a longo prazo e durabilidade do sistema, mesmo com altas cargas de vibração. É improvável que os sensores falhem em estradas e pontes, onde a demanda crescente de tráfego causa desgaste estrutural.
  • A distância e o comprimento do cabo têm um efeito mínimo na precisão da medição. Como os sensores FBG experimentam baixa atenuação, os dados são sempre confiáveis. E isso é verdade mesmo que o sistema de aquisição de dados esteja a vários quilômetros do sensor mais distante.
  • As fibras ópticas são mais finas e leves quando comparadas ao cabo de cobre.
  • E, como mencionado acima, a tecnologia FBG não é afetada de maneira alguma por interferência eletromagnética (EMI) ou interferência de radiofrequência (RFI), que permite a instalação de um sensor próximo a peças críticas de segurança, como linhas aéreas e pantógrafos. 
  • Esses sensores FBG também podem ser usados em atmosferas altamente explosivas e sob outras condições adversas.

Correntes de medição óptica: O pacote completo para SHM

Para uma cadeia de medição óptica completa, ter o sensor certo é apenas um terço da solução. Você também precisa do interrogador óptico certo e do software certo para obter resultados confiáveis em geral.

E essas três partes - sensor, interrogador e software - completam sua cadeia de medição óptica.

Em resumo, o sensor é o que mede ou 'detecta' a tensão, a temperatura, a aceleração, a força ou até a inclinação. O interrogador óptico (o segundo componente da cadeia) também é conhecido como sistema de aquisição de dados. É um instrumento optoeletrônico que 'lê' os sensores FBG. E o software é o que permite visualizar, registrar e analisar seus dados de medição.

 

   Então, o que você deve procurar ao escolher esses componentes? 

1. Sensores

Aqui estão algumas perguntas a serem feitas e o que procurar ao escolher os sensores ópticos certos com base na tecnologia FBG:

  • Onde os sensores serão instalados e qual é o método de instalação preferido? Os sensores podem ser parafusados, soldados ou colados, dependendo do design, o que significa que um método de instalação preferido pode restringir suas opções. Por exemplo, em uma estrutura metálica, a escolha imediata é a soldagem a ponto, mas se a estrutura for um tanque de GNL (ambiente perigoso), talvez tenhamos que mudar para sensores colados na superfície.
  • Qual é o intervalo de medição esperado em cada local? E quanto à resistência à fadiga? Sensores diferentes têm limites diferentes de medição e fadiga. As medições necessárias podem limitar o número de possíveis sensores a serem selecionados.
  • Qual é o nível de conhecimento da sua equipe de instalação? Os sensores e matrizes de sensores podem ser fornecidos com plugues para instalação direta, sem a necessidade de usar ferramentas ou treinamento especiais, ou sem plugues para maior flexibilidade. Mas isso também precisa de uma equipe pronta para executar as conexões de emenda no local.
  • A que ambiente os sensores serão submetidos? Eles precisam ser dielétricos? Eles precisam de cabos reforçados? Diferentes sensores oferecem diferentes níveis de proteção no próprio sensor e nos cabos.

2. Interrogadores

Lembre-se de que seu interrogador foi projetado para medir os valores gerados por seus sensores. Aqui estão algumas coisas a serem observadas ao escolher um interrogador:

  • Qual é a taxa de amostragem necessária? Um dos fatores determinantes do modelo a ser usado é a velocidade de aquisição do dispositivo.
  • Qual é a precisão absoluta necessária na medição do comprimento de onda? Nos sensores FBG, a resolução e a precisão absoluta podem ser determinadas, não apenas com os erros associados aos procedimentos de calibração, mas também com a resolução e a precisão do interrogador em combinação com a sensibilidade dos sensores. Alguns instrumentos incluem uma referência rastreável NIST absoluta que garante maior precisão na determinação do comprimento de onda de cada FBG.
  • Quantas grades de Bragg de fibra existem para medir? A faixa de comprimento de onda disponível dos interrogadores, juntamente com o número de conectores ópticos, corresponde à capacidade de medição do sistema. O número de sensores que podem ser medidos com cada dispositivo depende de vários fatores: 
    • a faixa de comprimento de onda que cada sensor precisa para a medição completa, em relação à faixa de comprimento de onda disponível do dispositivo
    • as perdas ópticas na linha do sensor devido a conexões e cabos em relação à faixa dinâmica do dispositivo
    • capacidade de processamento do dispositivo
  • Você está procurando um dispositivo industrial para operar continuamente ou um sistema para uso em testes ou durante a instalação? Dispositivos com baterias e computadores embutidos podem ser uma escolha melhor para medições, com pouco tempo e separadas no espaço. Outros dispositivos são fornecidos em diferentes formatos, tornando-os perfeitos para, por exemplo, instalação em racks de 19 ″.
  • Qual nível de complexidade de software seu sistema precisa? Nem todo software é compatível com todos os tipos de interrogadores.

3. Programas

Ao escolher o software, aqui estão algumas considerações importantes:

  • Quão amigável é a interface do software? Que tipo de feedback visual é necessário? Softwares desajeitados e difíceis de usar podem causar dores de cabeça desnecessárias e nenhum software ou driver requer uma equipe de desenvolvimento especializada para operar o dispositivo.
  • Como você precisa dos dados? É necessário armazenamento em nuvem e streaming de IoT? Você pode colocar os dados em uma unidade USB?
  • Existem mais dispositivos no sistema de medição que precisam de uma medição sincronizada? Um software mais complexo permite a combinação de mais de um dispositivo (incluindo diferentes tipos de dispositivo) e o software mais simples é limitado a um único dispositivo
  • O software é necessário para um aplicativo exclusivo? Um sistema de software versátil pode ser igualmente confiável para uso móvel em campo e testes de bancada de laboratório.
  • O operador estará familiarizado com o inglês? Nem todas as opções de software estão disponíveis em idiomas diferentes.

Conclusão

Os sensores ópticos baseados na tecnologia de Grade de Bragg em Fibra têm muitas vantagens sobre os extensômetros resistivos convencionais. Os dois tipos de sensores também podem se complementar em várias aplicações, desde infraestrutura civil e aeroespacial, até testes e energia em laboratório.

Mas, para aproveitar essas vantagens, você precisa escolher os sensores, interrogadores e software certos para sua cadeia de medição óptica. Nossa esperança é que esta breve cartilha possa ajudar engenheiros e integradores de sistemas a tomar as decisões corretas quando se trata de medições de tensão precisas e confiáveis.

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Sobre os produtos e serviços da HBM

Os engenheiros em todo o mundo confiam nos dados de medição precisos e confiáveis adquiridos usando sensores, interrogadores e software da HBM.

Por exemplo, nossos sensores ópticos da linha de produtos newLight - baseados na tecnologia FBG - permitem grandes faixas de medição de deformação com estabilidade a longo prazo. Esses sensores são a melhor escolha para o SHM (Structural Health Monitoring) devido à sua instalação rápida e fácil e à adequação a ambientes agressivos.

No lado do interrogador óptico, os instrumentos HBM fornecem medições estáticas e dinâmicas de alta resolução 24/7. Por exemplo, desenvolvemos o novo modelo MXFS para monitoramento estrutural da saúde. Juntamente com nossos sensores ópticos, este interrogador ajuda a garantir uma cadeia de medição contínua.

Por fim, o software da HBM é o elo final em sua cadeia de medição óptica. Nosso software de aquisição de dados (como o catman) gerencia milhões de conjuntos de dados e ajuda a obter seus resultados rapidamente.

Uma vantagem importante dos produtos HBM é a possibilidade de combinar e combinar sensores, interrogadores e software para atender às suas necessidades. Oferecemos um portfólio completo de produtos para SHM, oferecendo tudo o que você precisa para medições de tensão precisas e confiáveis. A tabela 1 abaixo mostra a compatibilidade dos interrogadores e do software HBM. Para obter mais informações sobre esses produtos e sobre como escolher os componentes certos para sua cadeia de medição óptica, entre em contato conosco.

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Referências

[1] Engineering.com, “Italy’s Morandi Bridge Collapse—What Do We Know?”, 2018. 
https://new.engineering.com/story/italys-morandi-bridge-collapsewhat-do-we-know

[2] Alampalli, S.,  Ettouney, M., “Role of Structural Health Monitoring In Bridge Security”. Bridge Structures 4(3,4), 143-154, 2008. 
https://www.researchgate.net/publication/245494458_Role_of_structural_health_monitoring_in_bridge_security

[3] E.Cheilakou et al. “Strain Monitoring System For Steel And Concrete Structures” Procedia Structural Integrity 10, 25-32, 2018. 
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452321618300532

[4] Cristina Barbosa “Optical Fiber Sensors vs. Conventional Electrical Strain Gauges for Infrastructure Monitoring Applications”, HBM.

[5] U.S. Department of Transportation, Federal Highway Administration, “State of the Practice and Art for Structural Health Monitoring of Bridge Substructures” (No. FHWA-HRT-09-040)], 2014. 
https://www.fhwa.dot.gov/publications/research/infrastructure/structures/bridge/09040/

[6] American Society of Civil Engineers, 2017 Infrastructure Report Card, 2017. 
https://www.infrastructurereportcard.org/cat-item/bridges/

[7] National Research Council Canada (NRCC), Construction Innovation, “Critical Concrete Infrastructure: Extending The Life of Canada’s Bridge Network”. 
https://www.nrc-cnrc.gc.ca/ci-ic/en/article/v18n1-5/

[8] Gastineau, A., Johnson, T., & Schult A. “Bridge Health Monitoring and Inspections–A Survey of Methods”, Minnesota Department of Transportation, 2009. 
https://www.researchgate.net/publication/282912591_Bridge_Health_Monitoring_and_Inspection_-_A_Survey_of_Methods

[9] The Strain Gauge User’s Handbook, Chapman and Hall, 1992.   
https://books.google.co.uk/books?id=YrNr00vhF_gC&printsec=frontcover&dq=resistive+strain+gauges&hl=en&sa=X&ved=0ahUKEwjBxdDgxMvjAhVJTsAKHWQlAroQ6AEIKjAA#v=onepage&q=resistive%20strain%20gauges&f=false

[10] Ramakrishnan et al. “Overview of Fiber Optic Sensor Technologies for Strain/Temperature Sensing Applications in Composite Materials”, Sensors, 16 (1), 99, 2016.  
https://doi.org/10.3390/s16010099

[11] Vishay Precision Group, “Noise Control in Strain Gage Measurements” Tech Note TN-501-2. 

[12] Sabri et al.“Fiber Optic Sensors: Short Review and Applications”, DOI: 10.1007/978-981-287-128-2_19, 2015. 
https://www.researchgate.net/publication/278680033_Fiber_Optic_Sensors_Short_Review_and_Applications

[13] Campanella et al., “Fibre Bragg Grating Based Strain Sensors: Review of Technology and Applications”, Sensors, 18(9):3115, 2018. 
https://www.researchgate.net/publication/327710750_Fibre_Bragg_Grating_Based_Strain_Sensors_Review_of_Technology_and_Applications 

[14] Peters et al. “Fiber Optic Sensors For Assessing And Monitoring Civil Infrastructures”, Sensor Technologies for Civil Infrastructures, 1, 121-158, 2014. 
https://doi.org/10.1533/9780857099136.121

[15] Ma et al. “Fiber Bragg Gratings Sensors for Aircraft Wing Shape Measurement: Recent Applications and Technical Analysis”, Sensors (Basel), 19(1): 55, 2019. 
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6339136/