SENSOR DE DEFORMAÇÃO BASEADO EM FBG COM COMPENSAÇÃO DE TEMPERATURA
M. Bandt Neto, V. de Oliveira
martimbneto10@hotmail.com; valmir@utfpr.edu.br
Curso de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial, CPGEI. Universidade Tecnológica Federal do Paraná, UTFPR. Curitba, Brasil.
RESUMO
Este trabalho apresenta o desenvolvimento, confecção e resultados de um sensor de deformação longitudinal, confeccionado a partir de uma chapa de alumínio 1200 H14. O sensor é baseado nas redes de Bragg em fibra óptica monomodo padrão de telecomunicações e apresenta compensação de temperatura na mesma cápsula. O projeto e simulação estrutural foi concebido pelo software de modelagem tridimensional Catia™. Os testes de tração longitudinal foram realizados até 80 N, com passos de 10 N, utilizando como sistema de leitura o interrogador da Micron Optics, modelo SM125. Os resultados obtidos apresentam razoável linearidade e sensibilidade em função do carregamento/descarregamento aplicado.
Palavras-chave: Sensor de Deformação; Encapsulamento em Alumínio; FBG.
INTRODUÇÃO
Por volta de 1978, Hill demonstrou ser possível criar uma alteração no índice de refração do núcleo de uma fíbra óptica fotossensível, lançando um laser diretamente ao núcleo da fibra e estabelecer alterações pontuais naquele núcleo, o que ficou conhecido como “Grades de Hill”. Inicialmente tratada como uma curiosidade científica, mostrou ser um importante passo no desenvolvimento de sensores em fibras ópticas (1). Meltz demonstrou ser possível realizar a alteração do
índice de refração do núcleo da fibra óptica externamente, desta maneira seria possível criar padrões de grades de interferência periódicas, então chamadas de Grades ou Redes de Bragg (2). Quando estas alterações de índice de refração estão
dispostas no núcleo da fibra de uma forma periódica, criam-se filtros onde uma pequena faixa do espectro da luz incidente nessa fibra é refletida. O comprimento de onda em que os espalhamentos são sucessivos e coerentes, formando um modo de acoplamento contra propagante é denominado comprimento de onda de Bragg λB, cujo o comprimento de onda central dado pela Equação (A).
𝜆𝜆𝐵𝐵= 2𝑛𝑛𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝛬𝛬 (A),
As redes de Bragg possuem a característica de ser um sensor intrínseco de temperatura e deformação, sendo assim, o comprimento de onda de Bragg não é fixo e em que qualquer variação em temperatura ou deformação (strain), faz com que haja a variação do comprimento de onda de Bragg (1). Desta maneira as Redes
de Bragg em Fibra (Fiber Bragg Grating - FBG) podem ser utilizadas como sensor de temperatura ou deformação entre outras aplicações. A Equação (B), define a
variação do comprimento de onda da FBG (𝛥𝛥𝜆𝜆𝐵𝐵) em função da variação de
temperatura (∆T) e deformação (∆L) aplicada à rede sensora (3-4).
𝛥𝛥𝜆𝜆𝐵𝐵= 2 �𝛬𝛬𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒+ 𝑛𝑛𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕� 𝛥𝛥𝛥𝛥 + 2 �𝛬𝛬𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒+ 𝑛𝑛𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕� 𝛥𝛥𝛥𝛥 (B),
o primeiro termo define a dependência da variação do comprimento de onda em função da deformação sobre a rede sensora, já o segundo define a dependência em função da variação de temperatura. Devido a rede sensora ser sensível à deformação e temperatura simultaneamente, surge um problema chamado de sensibilidade cruzada (5).
Devido a sensibilidade cruzada, para um sensor de deformação ou strain obter
puramente a variação do 𝜆𝜆𝐵𝐵 em função da deformação, se faz necessário a
utilização de uma técnica de compensação de temperatura. Uma das principais técnicas se dá pela utilização de duas FBGs em um mesmo segmento de fibra óptica, com comprimentos de onda próximos. A primeira FBG é montada de forma a medir a temperatura do sensor e a segunda FBG é montada de forma a medir a deformação, a qual também estará sujeita a variação térmica (6-11).
Os sensores de deformação ópticos em FBG, quando comparados com sensores convencionais, apresentam diversas vantagens (12).
• Imunidade às interferências eletromagnéticas;
• Mais estável e mais resistente, comparado ao metálico compatível.
• Passível de ser incorporado em materiais compósitos sem modificações na estrutura do referido compósito;
• Possibilidade de multiplexação de diversos sensores em uma mesma fibra óptica.
Este trabalho demonstra o desenvolvimento de uma técnica de encapsulamento de sensor óptico de deformação em FBG, utilizando duas FBGs de
comprimento de onda próximos, multiplexados em uma mesma fibra óptica. Enquanto uma FBG monitora a temperatura para a realização da compensação, a outra FBG está monitorando a deformação do encapsulamento. Desta maneira é separada a leitura da deformação, parâmetro de interesse nesse trabalho.
DESENVOLVIMENTO
Definição do Encapsulamento
O alumínio apresenta diversas vantagens que podem ser importantes para aplicações em sensores de deformação, dentre elas podemos destacar as seguintes: baixo módulo de Young ou módulo de elasticidade; baixa densidade comparada a outros metais (chegando ser 3 vezes mais leve que o aço); possibilidade de tratamento térmico; elevada resistência a corrosão. O alumínio também apresenta uma desvantagem comparado a outros metais, que é a baixa resistência a tração. Esta desvantagem pode ser compensada pela adição de outros metais, formando ligas metálicas (13).
Para o desenvolvimento deste projeto foi utilizada a liga de alumínio 1200 H14, dessa forma, há um aumento considerável na resistência a tração do alumínio. A liga 1200 possui cerca de 99% de alumínio e adição de metais como Silício e Ferro, entre outros. H14, refere-se ao tratamento dado ao material, sendo H tratamento mecânico para encruamento e 14 significa 1 operação ½ duro.
Para a fixação da fibra óptica ao corpo de alumínio do sensor nos pontos de ancoragem, foi definida a utilização da resina epóxi bi componente UHU Plus endfest 300. Segundo dados do fabricante, a temperatura de trabalho é -40 a 80 ºC, apresenta alta resistência a tração, além de alto poder de adesão com a fibra óptica (Sílica) e com o alumínio.
Confecção das Redes de Bragg
As fibras ópticas monomodo padrão de telecomunicações são largamente utilizadas em sensores baseados em FBG, pois apresentam excelente fator de
sensibilidade a deformação (14). Foi utilizado um cordão óptico com 3 m de
comprimento com conector FC-PC, em fibra óptica monomodo padrão telecom (G-652).
As FBGs foram gravadas utilizando o método de gravação direta por máscara de fase, localmente pelo grupo de pesquisa, resultando nos comprimentos de onda de Bragg, FBG1 λFBG1 =1532,43 nm para a rede sensora de temperatura e para a
FBG2 λFBG2 = 1553,05 nm para a rede sensora de deformação. As Redes de Bragg
gravadas apresentam aproximadamente 3 mm de comprimento (15).
Projeto e Simulação do Encapsulamento
Para o desenvolvimento mecânico e simulação do encapsulamento foi utilizado o software de modelagem tridimensional, Catia™. No projeto foram adotadas as seguintes primícias: fácil fixação no local a ser instrumentado; resistência a impactos; maior sensibilidade possível; necessidade de proteção mecânica da rede sensora. O encapsulamento foi desenvolvido e simulado adotando os dados do Alumínio 1200 H14. Para a proteção da fibra óptica na região onde está posicionada a FBG sensora de deformação, foi implementado um tubo capilar em Aço Inoxidável com diâmetro interno de 0,45 mm e diâmetro externo de 1,7 mm.
Por meio do software de modelagem, foi possível realizar o projeto de confecção do corpo do sensor e verificar a montagem dos componentes. A Fig. 1 apresenta o formato final projetado, onde são demonstrados: pontos de ancoragem da fibra óptica; posição das FGBs; tubo capilar de proteção da fibra óptica na região da FGB2; cola de alta flexibilidade; posição do cordão óptico; pontos de fixação do sensor, os quais são utilizados para fixação do sensor aos componentes que serão mensurados.
Fig. 1 – Projeto de confecção e montagem do encapsulamento sensor, desenvolvido utilizando o software Catia™.
A lei de Hooke define que quando um material sofre deformação na região elástica, a tensão sobre o material pode ser expressa como σ = E. ε, sendo σ a tensão aplicada ao material, E o módulo de Young e ε a deformação. Sabendo que a tensão aplicada ao material (σ) também pode ser expressa em função da força aplica (F) e à área da seção transversal (A) pela equação σ = F/A, podemos dizer que a deformação do material está relacionada à força, à área e à constante elástica, podendo ser escrita como a Equação (C),
𝜀𝜀 =𝐴𝐴.𝐸𝐸𝐹𝐹 (C).
Como o sensor foi projetado a fim de trabalhar na região elástica (onde o alumínio tem a capacidade de deformar e voltar a condição inicial mesmo após o carregamento), a força de carregamento possui uma distribuição uniforme entre os pontos de fixação do sensor e o módulo de Young é constante em todo o metal, pode-se concluir que a deformação ao longo do encapsulamento se dará em função da área transversal do corpo sensor. Desta forma a maior deformação está localizada entre os pontos de fixação desta FBG onde o corpo do sensor é mais delgado e concentrando a deformação na região de medição da FBG de deformação.
A fim de definir o limite de carregamento sobre o corpo do sensor de modo a trabalhar dentro da faixa de deformação elástica, foi realizada a simulação pelo
software de desenvolvimento, utilizando o método de elementos finitos. Para tal
simulação foram utilizadas as especificações de material fornecidas pelo fabricante da liga utilizada, neste caso o alumínio 1200 H14.
Pelos resultados obtidos a partir da simulação, a máxima carga aplicada ao corpo do sensor deve ser de 8,4 kg ou aproximadamente 82,3 N para o material deformar dentro da região de deformação elástica, desta maneira foi admitido como limite de carregamento a carga de 8 kg ou 78,45 N.
Confecção Mecânica
A confecção do encapsulamento partiu da usinagem do material utilizando uma chapa de alumínio com espessura de 2,00 mm da liga especificada, de forma a moldar às medidas de projeto. Este processo foi realizado por meio de um centro de usinagem da marca Romi, modelo discovery 360.
A Figura 2 apresenta o corpo do sensor após a usinagem nas medidas de projeto, sendo 90 x 25 x 2 mm.
Fig. 2 – Corpo do sensor em alumínio após a usinagem nas medidas de projeto. A montagem do encapsulamento seguiu os seguintes passos:
• Aplicação da cola de alta flexibilidade e fixação do tubo capilar preparado com microfilme nas extremidades e um fio metálico na região da fibra óptica.
• Retirada do fio metálico e posicionamento da fibra óptica na posição de colagem.
• Colagem do primeiro ponto de fixação da fibra óptica ao corpo do sensor. • Colagem da saída da fibra óptica ao corpo do sensor por meio da cola de alta
flexibilidade. Neste momento a fibra óptica foi mantida sob uma tensão inicial de cerca de 0,2 N.
• Colagem do segundo ponto de fixação da fibra óptica ao corpo do sensor. A Figura 3 apresenta o sensor após a finalização de todos os passos de montagem.
Fig. 3 – Sensor finalizado após a montagem dos componentes.
TESTES E METODOLOGIA
Para se ter um comparativo entre a sensibilidade à deformação do sensor encapsulado em relação à fibra óptica nua, os testes foram divididos em duas etapas. Na primeira etapa foi realizada a caracterização das FBGs sensoras em fibra
óptica nua e na segunda etapa foi realizada a caracterização do encapsulamento do sensor.
Para o sistema de interrogação e monitoramento da Δλ das FBGs, foi utilizado o interrogador SM125 da Micron Optics em todas as etapas. Este interrogador possui resolução 5 pm e banda de operação 1510 até 1570 nm, os dados gerados foram gravados pelo software do interrogador a cada 1 segundo.
Caracterização de deformação das FBGs em Fibra Óptica Nua
Para se obter a sensibilidade da FBG em fibra óptica nua, foram realizadas caracterizações quanto à deformação em dois procedimentos distintos, sendo: medição da variação do comprimento de onda em função de deslocamento controlado (tração) e medição da variação do comprimento de onda em função da tração por carregamento com massas padrão.
Para executar a caracterização de deformação em função do deslocamento controlado, foi utilizado um equipamento desenvolvido pelo grupo de pesquisa. Neste dispositivo a fibra óptica está fixada em duas bases de ancoragem com a FBG posicionada entre elas, uma base é fixa e a outra é deslocada por um controlador. Conforme é executado o deslocamento, o monitoramento de deslocamento é realizado por meio de um micrômetro. Na caracterização por deslocamento controlado, foram executados ciclos de tração e relaxação entre 0 e 1800 µε (µε refere-se à deformação relativa de 1 µm/m).
A segunda caracterização de deformação em fibra óptica nua, foi realizada por meio de carregamentos com massas padrão. Neste procedimento foram executados os testes fixando a fibra óptica a um dispositivo estático e carregando as massas calibradas na ponta solta da fibra óptica de forma que a FBG deformasse em função da força gravitacional. Para esta caracterização foram executados carregamentos com as massas padrão entre 0 e 1 N, com passos de 0,1 N.
Caracterização do Encapsulamento Sensor em Temperatura
A caracterização por temperatura do encapsulamento sensor foi realizada a fim de definir os coeficientes de sensibilidade térmica da FBG1 de compensação de temperatura e da FBG2, sensora de deformação. Os testes foram executados utilizando o banho térmico da marca Lauda, modelo RE212, onde o encapsulamento
sensor permaneceu submerso em água para realizar a troca térmica. Para a caracterização os testes foram executados entre 5 e 50 °C, com passos de 5 °C.
Um segundo teste foi realizado de modo a monitorar o tempo de resposta do encapsulamento em função da variação de temperatura, onde foi retirado o sensor da água a 50 °C e deixado em temperatura ambiente (aproximadamente 20 °C).
Caracterização do Encapsulamento Sensor em Deformação
Para determinar a sensibilidade à deformação do sensor, o encapsulado foi submetido a testes de tração uniaxial com a utilização de massas padrão contra a força da gravidade. Foram realizados diversos ciclos de carga e descarga entre 0 e 8 kg, com passos de 1 kg. Em cada patamar de carga/descarga, foram executadas medições da deformação exercida sobre o sensor utilizando um relógio apalpador micrométrico da marca Mitotoyo, medindo a deformação em µm. Juntamente com a deformação, foram registrados os comprimentos de onda das FBGs por meio do interrogador. A Fig. 5.a apresenta a montagem experimental com o relógio apalpador micrométrico realizando a medição de deformação exercida sobre o encapsulamento em determinado passo, já na Fig. 5.b, é apresentada a realização da montagem dos testes de deformação do encapsulamento sensor, utilizando as massas padrão em plena carga (8 kg).
Fig. 5 – (a) Detalhe da montagem dos testes de deformação do encapsulamento sensor. (b) Montagem experimental com máxima carga.
Um segundo teste de deformação foi executado carregando e descarregando o encapsulamento com a máxima carga a fim de mensurar o tempo de resposta do encapsulamento sensor.
RESULTADOS
Os resultados obtidos nas caracterizações foram tratados e convertidos utilizando o software Origin. Os valores das massas padrão utilizadas para
carregamento, foram convertidos utilizando 9,806 m/s2 como coeficiente da
aceleração gravitacional, desta forma os valores são expressos em Newton (N). As deformações obtidas em µm foram convertidas em µε (𝜀𝜀 = 𝛥𝛥𝛥𝛥 𝛥𝛥0⁄ ).
FBGs em Fibra Óptica Nua
As FBGs em fibra óptica nua apresentaram uma sensibilidade de 1,13 pm/µε na deformação por deslocamento controlado. Já em relação a deformação por carregamento com massas padrão, a sensibilidade obtida foi de 1,35 nm/N.
Encapsulamento Sensor em Temperatura
A caracterização por temperatura do encapsulamento definiu a sensibilidade térmica da FBG1 de compensação de temperatura e da FBG2 sensora de
deformação. Foram obtidos os λFBG1 e λFBG2 em cada patamar de temperatura e
por meio da análise matemática, foram obtidas as curvas de resposta à variação de temperatura de cada rede sensora.
A FBG1 apresentou uma sensibilidade térmica de 16,27 pm/°C e para a FBG2 foi obtida uma sensibilidade de 27,14 pm/°C. A maior sensibilidade térmica apresentada pela FBG2 se dá pela variação dimensional do encapsulamento frente às variações de temperatura. Utilizando as curvas de resposta da FBG1 e FBG2, é possível determinar a equação que rege a compensação de temperatura. Desta forma, pela Equação (D), o comprimento de onda da FBG2 sem carga (𝜆𝜆𝐹𝐹𝐵𝐵𝐹𝐹2) pode ser definido em função da temperatura mensurada pela FBG1 (𝜆𝜆𝐹𝐹𝐵𝐵𝐹𝐹1).
𝜆𝜆𝐹𝐹𝐵𝐵𝐹𝐹2 = 𝜆𝜆𝐹𝐹𝐵𝐵𝐹𝐹25°C + �� 𝜆𝜆
𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹1−𝜆𝜆𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹15°C
A curva de resposta de temperatura do sensor, retirando da água a 50°C e deixando esfriar naturalmente em temperatura ambiente, apresentou um tempo total para estabilização de aproximadamente 360 segundos. Considerando a variação de 10 a 90% da variação total de temperatura, o tempo de resposta foi de 130 segundos.
Encapsulamento Sensor em Deformação
Os resultados obtidos de sensibilidade do encapsulamento sensor, foram divididos em variação do comprimento de onda em função do carregamento com massas padrão (apresentado na Figura 7.a) e variação do comprimento de onda em função da deformação obtida (apresentado na Figura 7.b). Em ambos os gráficos são apresentadas as retas obtidas por meio da utilização da ferramenta de ajuste linear, também são representadas as barras de erro obtidas em cada passo de carregamento, onde são consideradas as incertezas em relação aos equipamentos de medição, incertezas referentes as massas padrão, além das incertezas obtidas na repetibilidade e na precisão intermediária. A sensibilidade do encapsulamento sensor obtida em função do carregamento pelas massas padrão é de 7,91 pm/N, com uma incerteza de ± 0,02 N e a sensibilidade em deformação é 1,71 pm/µε ± 0,03 µε.
Fig. 7 – Graficos de resposta da variação do comprimento de onda do sensor em função da deformação.
Pelos testes realizados de carga e descarga com a máxima carga do sensor, foi obtido um tempo de resposta de 5 s para carregamento e descarregamento,
assim foi definida a frequência máxima de resposta do sensor como 0,2 Hz. A resolução do sensor foi definida em função da resolução do interrogador divido pela sensibilidade do encapsulamento sensor, já a linearidade (expressa em percentual do fundo de escala) foi definida considerando o maior desvio experimental em relação as retas de calibração. A Tabela 1, apresenta as especificações do encapsulamento sensor em função da deformação ou da carga aplicada.
Tabela 1 – Dados de especificação do sensor
CONCLUSÃO
Sensores de deformação ou strain em FBG estão presentes em diversas aplicações e desde o seu surgimento algumas técnicas de compensação de temperatura e encapsulamento foram desenvolvidas. Este trabalho trás uma abordagem de forma que, se pode medir uma força aplicada diretamente ao sensor como uma célula de carga ou a deformação exercida sobre o encapsulamento. O encapsulamento em alumínio torna o sensor versátil e leve, além da técnica de compensação de temperatura proporcionar que o sensor seja implementado em aplicações com variações de temperatura. Devido o projeto ser desenvolvido em um software de modelagem tridimensional, pode ser facilmente adequado e confeccionado para aplicações reais.
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DEFORMATION SENSOR BASED ON FBG WITH TEMPERATURE COMPENSATION
ABSTRACT
This work presents the development, confection and results of a longitudinal strain sensor, made from a 1200 H14 aluminum plate. The sensor is based on the Bragg networks using telecommunication standard single mode optical fibre and presents temperature compensation in the same capsule. Design and structural simulation was made by three-dimensional modeling software, Catia™. The longitudinal traction tests were performed up to 80 N in 10 N steps, using the Micron Optics interrogator model SM125 as the reading system. The results obtained show reasonable linearity and sensitivity by loading/unloading applied.
