As fibras ópticas são filamentos de materiais vítreos ou polímeros, realizados de modo a que se possa consuzir no seu interno a luz (propagação guiada). Cada fibra óptica é composta por dois estratos de material transparente extremamente puro: um núcleo cilíndrico central, core e uma capa protectora (cladding).
O core apresenta um diâmetro standard muito pequeno de cerca 10 µm para os monomodo e 50 µm para os multimodo, enquanto que o cladding tem um diâmetro de cerca 125 µm. A fibra óptica funciona como uma espécie de espelho tubular. A luz que entra no core tem um certo ângulo (ângulo limite) propaga-se mediante uma série de reflexões na superfície de separação entre os dois materiais do core e do cladding.
Na parte externa da fibra encontra-se uma baínha protectora polímera chamada jacket que serve para dar resistência ao stress físico e à corrosão e evitar o contacto entre a fibra e o ambiente externo.
Diversos tipos de fibras distinguem-se pelo diâmetro do core, indíce de refracção, características do material, perfil de transacção do índice de refracção e dopagem (junção de pequenas quantidades de outros materiais para modificar as características ópticas).
ESPALHAMENTO ESTIMULADO DE BRILLOUIN
O uso da difusão de Brillouin apresenta um interessante potencial para o controle distribuído da temperatura e das deformações. Este sistema é em grado de medir as variações locais destes parâmetros em distâncias até centenas de km com uma resolução espacial variável de 10 cm até ao metro.
Brillouin é o resultado da interacção entre as ondas acústicas e ópticas que se propagam na fibra. As ondas acústicas termicamente excitadas (fonões) produzem uma modulação periódica do índice de refracção. A dispersão Brillouin acontece quando a luz que se propaga na fibra é difractada para trás deste retículo em movimento, gerando uma componente deslocada em frequência.
As ondas acústicas podem ser também geradas injectando às duas extremidades opostas da fibra dois feixes de luz com uma diferença de frequência igual à deslocação de Brillouin. Através de um fenómeno de electrostrição, estas duas ondas provocam uma onda acústica móvel que reforça a população de fonões. Este processo é denominado difusão estimulada de Brillouin.
Quando o campo luminoso incidente é suficientemente intenso, tal processo pode ser estimulado (SBS). Em tal caso, a onda acústica é gerada pelo pattern interferencial formado pela onda incidente e a onda de Stokes contra-propagante através do fenómeno de electrostrição. A onda acústica, por sua vez, produz uma modulação do índice de refracção no meio, que torna possível uma transferência de potência da onda incidente à onda de Stokes por defracção. É necessário lançar dois sinais contra-propagados denominados onda de pump (onda incidente) e onda íntregras (onda di Stokes). Os sensores distribuídos baseados no scattering de Brillouin (λ) permitem efectuar medidas distribuídas de tensão e temperatura através da medida do shift de Brillouin. A cada variação local de temperatura e/ou de tensão na fibra, ou seja, agindo sobre a velocidade acústica produz uma variação no valor local do shift de Brillouin.
A técnica mais utilizada para medir a tensão e a temperatura consiste na aplicação de duas fibras ópticas adjacentes das quais uma é vinculada à entidade que deve ser monitorada em grado de identificar deformações e a outra, não vinculada rigidamente ou loose em grado de identificar somente as variações de temperatura. A discriminação tensão-temperatura ocorre por confronto.
BAINHA EXTERNA
CLADDING REVESTIMENTO
Nos últimos anos o desenvolvimento dos sensores em fibra óptica viu aumentar enormemente a possibilidade de monitorar constantemente as variações das deformações e de temperatura em âmbito geotécnico e na engenharia.
Nas obras de engenharia, a utilização de um sistema de monitoramento da fibra óptica consente de confrontar o comportamento efectivo, quer em termos de deformação que em termos de solicitação, com os resultados dos cálculos de verificação, durante as diferentes fases construtivas e operativas durante a fase de exercício, assinalar a presença de eventuais diferenças no comportamento esperado e, assim, individuar a zona ou as zonas de intervenção.
O sistema proposto tem as seguintes principais peculiariedades: Medidasdosperfisdevariaçãodasdeformaçõesedatemperatura Medidasdeamploalcanceealtaresoluçãoespacial ElementosensívelrepresentadoporumafibraparaTLC Imunidadeàsinterferênciaselectromagnéticas InvasãoMínima Integrabilidadenasestruturas Mediçãodotempo
As peculiaridades do sistema conduzem a consideráveis vantagens no monitoramento das obras, seja em fase de realização que em fase de exercício dando a possibilidade de: IDENTIFICAÇÃO de anomalias estruturais ao longo do
percurso em que é instalada a fibra óptica
DIAGNOSE de potenciais condições de perigo em
tempo real
PLANIFICAÇÃO de intervenções de manutenção de
forma direccionada e exacta.
Com o termo early warning são indicados alarmes difusos no intervalo de tempo intercorrente entre o momento em que são observados fenómenos indicadores da geração de um evento potencialmente perigoso e o momento em que o evento atinge uma determinada localidade.
O Grupo DIMMS adquiriu uma notável experiência na projectação de sistemas de early warning, contendo uma estimativa probabilística dos parâmetros e de preparação de sistemas que incluem:
redes de sensores digitais a uma alta densidade
espacial;
sistema de transmissão de dados capaz de trabalhar em
condições extremas e remotas;
capacidade de elaborar dados e fornecer informações
em tempo real;
estratégias de informação e difusão; Solução de problemas legais.
O sistema de monitoramento distribuído na fibra óptica desenvolve também a função de prevenção incêndio conseguindo evidenciar, de forma extremamente precisa, as áreas nas quais se verificam anomalias térmicas.
As medidas efectuadas e as anomalias térmicas verificadas podem ser geridas e diagnosticadas em tempo real e em remoto e existe ainda a possibilidade de definir limites de atenção e de alarme.
A capacidade de análise e de monitoramento do comportamento das estruturas, também amplas, que apresentam elementos críticos importantes é considerada, pelos projectadores, uma problemática de importância cada vez maior. Normalmente, nas aplicações civís, as características estruturais são um parâmetro de projecto e eventuais incertezas são mantidas sob controlo através de elementos de segurança.
A avaliação quantitativa dos parâmetros do projecto é desenvolvida realizando, por exemplo no momento de verificação, testes de carga; a seguir a estrutura é controlada durante o exercício, mediante inspecções periódicas.
O desenvolvimento e a utilização dos sistemas de monitoramento estrutural com fibra óptica distribuída oferece a oportunidade de avaliar constantemente e em tempo real as características estruturais e a sua degradação durante o tempo de vida da estrutura.
Alguns resultados que se podem obter implementando sistemas de monitoramento distribuído nas fibras ópticas são o nível de segurança, devido essencialmente a um monitoramento constante no tempo em lugar de uma simples estimativa da evolução dos danos e a redução dos custos de manutenção, devido à optimização das intervenções.
Podem acontecer melhoramentos a nível de projectação e modelação, disfrutando um maior conhecimento do comportamento das estruturas em desenvolvimento. O uso de sensores em fibra óptica permanentemente ligados às estruturas para monitorar, consente a realização das ditas ‘estruturas inteligentes’, estruturas capazes em prática de dar informações sobre o seu estado e a sua integridade.
As potencialidades de um sensor constituído por uma simples fibra óptica encontra-se em grado de fornecer um perfil de deformação ou de temperatura para um comprimento de diferentes quilómetros e uma resolução espacial de métrica a sub-centimétrica, são enormes quando é necessário controlar grandes estruturas como barragens, pontes, grandes edifícios, etc.
O Grupo DIMMS através de um acordo de partnership com a BRUGG CABLES, multinacional leader no desenvolvimento, produção e fornecimento de cabos ópticos pode contar com uma vasta gama de tipologias de cabos com fibra óptica capazes de indentificar variações de deformações, temperatura, acústica/vibração, pressão e humidade.
O sodalício entre as duas sociedades permite estudar, projectar e planificar soluções ad-hoc para cada tipologia de obra a monitorar.
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