4 Sensor de campo magnético baseado em redes de Bragg

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Sensor de campo magnético baseado em redes de Bragg

Neste capítulo é apresentado um sensor de campo magnético utilizando redes de Bragg em fibra óptica (FBG). Basicamente, o sensor consiste numa FBG recoberta por uma camada de um compósito magnetostritivo formado por partículas de Terfenol-D dispersas em uma matriz polimérica. Protótipos do sensor proposto são caracterizados através de ensaios estáticos e dinâmicos. O foco da caracterização foi voltado para a propriedade de magnetostrição dos protótipos e sua relação com a sensibilidade, faixa de linearidade e resposta em freqüência do sensor.

Os ensaios realizados com os protótipos são subdivididos em duas partes: ensaios estáticos e dinâmicos. Nos ensaios estáticos analisou-se a influência de diferentes parâmetros sobre a resposta do sensor. Em particular, os parâmetros avaliados foram o tamanho das partículas utilizadas no compósito, percentagem em volume de Terfenol-D, pré-tensão e inclinação do sensor em relação à direção do campo magnético. Já nos ensaios dinâmicos, avaliou-se a desempenho do sensor sob campos magnéticos alternantes. Na parte final do capítulo é apresentada uma calibração de temperatura e um teste de performance da resina epóxi (RE) a uma temperatura de 40oC. Este último teve a finalidade de avaliar a resposta mecânica do sistema formado pela fibra óptica e o revestimento magnetostritivo sob condições mais próximas das que podem ser encontradas na operação do sensor.

4.1.

Projeto do sensor de campo magnético baseado em redes de Bragg

A preparação do compósito para a fabricação do sensor seguiu o mesmo procedimento descrito no Capítulo 3 e utilizado na fabricação das amostras produzidas para a caracterização magnética do compósito. A escolha do material matriz, a percentagem e o tamanho das partículas de Terfenol-D utilizadas no protótipo desenvolvido foram definidas a partir dos resultados obtidos no capítulo anterior. Estes resultados apontaram para a resina epóxi (RE), a percentagem em volume de 30% e as partículas de maior

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tamanho (>200 µm) como sendo a melhor configuração. Os fundamentos teóricos relacionados com a magnetostrição e os sensores baseados em FBG já foram apresentados no Capítulo 2.

O sensor de campo magnético proposto é mostrado na Figura 11. Foi realizada a compensação térmica do sensor dividindo-o em duas partes, uma que responde apenas a variações de temperatura e a outra sensível tanto ao campo magnético quanto à temperatura. A fibra óptica contém duas redes de Bragg gravadas em comprimentos de onda diferentes e com 4 mm de espaçamento entre elas. A porção da fibra contendo as duas FBGs é recoberta por uma camada cilíndrica de resina epóxi (RE), parcialmente preenchida por partículas de Terfenol-D de forma que apenas uma das redes de Bragg esteja revestida pelo compósito magnetoestritivo. Esta parte do sensor é a que responde tanto a variações de campo magnético como de temperatura. A FBG recoberta somente pela resina epóxi, sem o preenchimento de Terfenol-D, é a parte do sensor sensível somente à temperatura. Diferentes diâmetros de recobrimento do sensor foram investigados, tendo-se chegado à conclusão que este é um parâmetro geométrico que não afeta a sua sensibilidade ao campo magnético. Os resultados de ensaios apresentados neste capítulo foram produzidos por um sensor com diâmetro de 1,5 mm e 7 mm de comprimento.

É importante ressaltar que ambas as redes de Bragg do sensor responderiam a carregamentos longitudinais na fibra. Entretanto, como o sensor é montado na extermidade livre da fibra óptica ele não estará sujeito a esforços mecânicos axiais, de forma que este efeito pode então ser descartado. Por outro lado, caso deseje-se multiplexar vários sensores ao longo de uma única fibra óptica, deve-se evitar que estes sejam submetidos a esforços axiais. Neste caso, as mesmas soluções, já comerciais, empregadas em termômetros a rede de Bragg distribuídos ao longo de uma única fibra ótica podem ser utilizadas para o sensor magnético aqui proposto. Estas, entretanto, fogem do escopo do presente trabalho.

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Figura 11. Esquema do sensor magnetostritivo.

4.1.1

Princípio de Funcionamento

O princípio de operação do sensor baseia-se na variação das dimensões do compósito em função do campo magnético, ou seja, no efeito magnetostritivo. Deformações longitudinais são transferidas para a rede de Bragg pelo compósito Epóxi/Terfenol-D que recobre a fibra óptica quando o mesmo é sujeito ao campo magnético. Estas deformações, como discutido no Capítulo 2, produzem deslocamentos no comprimento de onda de Bragg da FBG. A configuração básica do sistema de sensoriamento consiste em uma luz de um laser sintonizável que se propaga ao longo de uma fibra monomodo contendo duas FBGs. Os comprimentos de onda refletidos pelas FBGs são monitorados por um analisador de espectro óptico. A partir da variação do comprimento de onda da FBG calcula-se, através de curvas de calibração, a temperatura e a deformação induzida pela deformação do revestimento magnetostritivo devido ao campo magnético externo aplicado. Tanto a fonte de luz como o analisador de espectro podem estar integrados num interrogador óptico. Dois diferentes interrogadores comercializados pela empresa norte-americana Micron Optics foram utilizados: o modelo sm-125 para os ensaios estáticos e o modelo sm-130 para os ensaios dinâmicos, ambos com resolução em comprimento de onda de 1 pm e incerteza de ± 5 pm.

4.1.2.

Ensaios de Calibração: “Magnetostrição versus campo magnético aplicado”

Devido à dificuldade de reprodução numa única bancada de ensaios de laboratório de condições similares às encontradas na operação de hidrogeradores, foi necessário o desenvolvimento de duas bancadas de testes: uma para ensaios estáticos e outra para os

Terfenol-D Fibra óptica Resina FBG FBG H Fibra óptica PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0611806/CA

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ensaios dinâmicos. A estrutura básica destas montagens consiste numa fonte de campo magnético e um interrogador óptico para a monitoração das deformações induzidas no protótipo em decorrência dos campos magnéticos aplicados.

Na montagem para os testes estáticos procurou-se determinar o campo magnético de saturação do sensor, sua região de linearidade e sensibilidade. Por outro lado, na montagem dos testes dinâmicos, procurou-se avaliar a resposta do sensor a campos magnéticos oscilantes. É importante ressaltar que estes testes são preliminares e têm por finalidade validar a proposta do protótipo de forma qualitativa e não metrológica. Sendo assim, nem todas as características metrológicas do sensor foram exatamente determinadas.

4.1.3.

Ensaio estático 4.1.3.1.

Montagem experimental

Para esta montagem foram utilizados um eletroímã modelo GMW-3470 (Fig.12a) e um interrogador óptico comercial da Micron Optics, modelo sm-125. O eletroímã permite atingir campos magnéticos máximos próximos de 750 mT quando a separação entre os pólos é de 9 mm e a corrente igual a 3 A. O teste consistiu em fixar o sensor entre os dois pólos do eletroímã e variar o campo magnético, na direção axial, de –750 mT a + 750 mT, ao mesmo tempo que o comprimento de onda era monitorado através do interrogador sm-125.

4.1.3.2.

Resultados: "Sensibilidade do sensor"

A Figura 12b mostra a resposta magnetostritiva do sensor confeccionado utilizando-se um compósito formado pela resina epóxi com 30% em volume de partículas de Terfenol-D Classe III (> 200 µm). A medição foi realizada em condições de temperatura controlada a 23 ± 2°C. Observa-se que a resposta é aproximadamente linear entre 50 e 250 mT. A sensibilidade pode ser expressa como a razão /∆ , onde é a deformação induzida na FBG, relacionada com a mudança de comprimento de onda através da equação de Bragg (Eq.10 do Capítulo 2), e ∆ é campo magnético aplicado.

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Para esta configuração do sensor, a sensibilidade estimada foi de 2,2 10 mT-1_{. O}

sistema de interrogação de FBG empregando (sm-125) nos testes estáticos, tem uma resolução em comprimento de onda de 1 pm, o que corresponde a uma deformação de 0,8 10 . Conseqüentemente, o sensor apresenta uma resolução de 0,4 mT para o campo magnético.

Figura 12. a) Fotografia da montagem para testes estáticos utilizada na calibração do sensor. b) Curva característica de magnetostriçao, versus campo magnético aplicado do compósito (M x H),

4.1.3.3.

Resultados "Dependência no tamanho da partícula e da concentração de Terfenol-D, na magnetostrição do sensor"

Para ilustrar a influência da composição do material magnetostritivo sobre a resposta do sensor, compósitos com diferentes percentuais em volume e dimensões das partículas de Terfenol-D foram empregados na montagem de protótipos. A Figura 13a mostra a relação entre a magnetostrição e o campo magnético aplicado para sensores confeccionados com mesma fração volumétrica, de 30%, porém com partículas de diferentes tamanhos conforme a classificação apresentada na Tabela 2 do Capítulo 3. Verifica-se neste resultado que o valor de magnetostrição e de saturação aumentam conforme aumenta o tamanho da partícula do compósito. Observa-se que para um campo aplicado de ± 700 mT, há um aumento de 23% na magnetostritição quando utiliza-se partículas Classe III no lugar das de Classe II. Este resultado é equivalente ao apresentado na Figura 9 do Capítulo 3 para o compósito magnetostritivo sem a fibra óptica, onde foi encontrada uma diferença de 20% entre a magnetização das amostras com partículas Classes III e II, também para um campo magnético de ± 700 mT.

Sensor Bobina Sensor Bobina -840 -560 -280 0 280 560 840 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Mag netostriç ão ( με ) 30 % [TbDyFe] RE III

Campo Magnético Aplicado (mT) Δ ε Δ Η Δ ε Δ Η = 2.2 με / mT PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0611806/CA

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Na Figura 13b foram analisados dois protótipos com frações volumétricas de Terfenol-D de 13% e 26% respectivamente, ambos confeccionados com partículas Classe III. Neste caso a diferença na magnetostrição maxima é de 50%, mostrando novamente uma relação direta com os resultados obtidos na Figura 10 do Capítulo 3 para magnetização de amostras do compósito magnetostritivo sem a fibra óptica.

O aumento da magnetostrição ( ) com a magnetização ( ) esta de acordo com a teoria que prediz uma relação quadrática crescente entre estas duas propriedades (Sandlund et

al., 1994). No entanto, os resultados encontrados apresentam um desvio de 23% em

relação a esta dependência funcional. Uma diferença que pode ser justificada se consideradas as possíveis fontes de erro existentes tanto nas medidas quanto na confecção dos protótipos. Uma delas está associada à própria medição da magnetização, que dependendo da montagem, apresenta um erro de aproximadamente 10%. A outra, ao fato de que as duas medições independentes (magnetização e magnetostrição) foram realizadas utilizando-se amostras diferentes, que apesar de serem confeccionadas com a mesma formulação nominal do compósito, podem apresentar desvios inerentes ao método artesanal de fabricação empregado.

-840 -560 -280 0 280 560 840 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Mag neto s tr iç ão ( με ) 30 % [TbDyFe] RE III 30 % [TbDyFe] RE II

Campo Magnético Aplicado (mT)

Figura 13. Curva magnetostrição versus campo magnético aplicado (M x H), (a) para as classes (II e III), com uma percentagem de 30% de volume de Terfenol-D. (b) para a classe III, com percentagem em volume de Terfenol-D entre 13% e 26%.

-840 -560 -280 0 280 560 840 0 100 200 300 400 500 600 700 800 26 % [TbDyFe] RE III 13 % [TbDyFe] RE III Mag netostriç ão ( με )

Campo Magnético Aplicado (mT)

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4.1.3.4.

Resultados "Magnetostrição em função da pre-tensão e o ângulo entre o eixo axial do sensor e campo magnético"

Sabe-se que esforços mecânicos compressivos modificam a resposta de materiais magnetostritivos. (Armstrong et al., 2002). Uma pré-tensão compressiva muda a inclinação e o valor máximo de deformação na curva de magnetostrição vs. campo magnético. A fim de avaliar o efeito de uma pré-compressão sobre a resposta do sensor, uma célula de carga, montada e calibrada no laboratório, foi utilizada para aplicação de diferentes pré-cargas em um dos protótipos (detalhe na Figura 14a). Nesta caracterização, a célula de carga contendo o sensor deve ser posicionada entre as bobinas do eletroímã, o que aumenta o mínimo espaçamento entre os pólos do equipamento e consequentemente limita a amplitude máxima do campo magnético que pode ser aplicada nos ensaios de magnetostrição.

A Figura 14a apresenta uma comparação entre as respostas do sensor com e sem a pré-carga. Descarregado, este apresenta uma resposta linear até que o campo magnético atinja uma amplitude de aproximadamente 250 mT. Já quando as pré-cargas de 4 MPa e 8,6 MPa são aplicadas, a resposta mantém-se linear até um campo de pelo menos ± 300 mT, que corresponde a máxima amplitude de campo que pode ser aplicada pelo equipamento tendo em vista o mínimo espaçamento possível entre os pólos do eletroímã, limitado pelo comprimento da célula de carga. Apesar desta dificuldade experimental, uma análise da tendência das curvas de magnetostrição apresentadas na Figura 14a permite estimar que o limite de linearidade aumenta com a pré-carga e se extende para além de 300 mT no caso das pré-cargas compressivas de 4 MPa e 8,6 MPa. Além do aumento na faixa de linearidade, as curvas da Figura. 14a mostram que o sensor torna-se mais sensível ao campo magnético quando uma pré-carga é aplicada. Para o pré-carregamento de 8,6 MPa, o sensor apresenta uma sensibilidade de 3,1 10 mT-1_{, ou seja, um valor 40% superior ao obtido para o sensor sem}

pré-carga.

A Figura 14b mostra a influência da inclinação do sensor em relação à direção do campo magnético aplicado. No gráfico, representa o ângulo entre o eixo longitudinal do sensor, aquele onde encontra-se a FBG, e a direção do campo magnético. De acordo

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com os resultados apresentados na Figura 9b, a sensibilidade do sensor diminui 1,3% para cada variação de 1° no ângulo .

Figura 14. Curvas de magnetostrição versus campo aplicado, em função da (a) pré-carga; e (b) a inclinação do sensor em relação à direção do campo magnético.

4.1.4.

Ensaio dinâmico

Os ensaios dinâmicos tiveram a finalidade de verificar a resposta do sensor aos campos magnéticos oscilantes. -750 -600 -450 -300 -150 0 0 150 300 450 600 750 900 Ma gne tostriça o ( με ) 0 M pa 4 M pa 8,6 M pa

Cam po m agnêtico aplicado (m T)

~

Sensor Mola Paraf uso

H

0 150 300 450 600 750 0 150 300 450 600 750 900 Magnetost riçao ( με )

Campo magnêtico aplicado (mT)

θ = 0o θ = 30o θ = 45o ~ PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0611806/CA

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4.1.4.1.

Montagem experimental

Para a geração dos campos magnéticos oscilantes projetou-se um rotor de ímãs permanentes acoplado a um motor. Na fotografia da Figura 15 é possível visualizar o rotor acoplado ao motor. Oito imãs permanentes de neodímio-ferro-boro (NdFeB), de alta energia magnética, com um campo magnético de ordem de 220 mT, em formato de arco (400) e 4mm de espessura foram utilizados. Quatro pólos, cada um com 2 ímãs permanentes, foram posicionados simetricamente ao redor do eixo axial do rotor com as suas polaridades intercaladas, ou seja, note-sul-norte-sul, (detalhe da Fig.15).

Nas medidas, como padrões de referência, foram também utilizados um sensor de campo magnético tipo Hall e um sensor óptico de posição. Conforme indica a Figura 16.b, os três sensores foram posicionados lado a lado, a uma distância r do rotor. Com a finalidade de minimizar vibrações, estas medições foram realizadas simultaneamente com o rotor girando com a mínima velocidade de rotação possível, (4,6rad/s).

Figura 15. Fotografia da montagem para testes dinâmicos (no inset rotor com imãs).

4.1.4.2.

Resultados: "Distribuição angular de campo magnético e perfil geométrico do rotor"

A distribuição angular da componente radial do campo magnético e o perfil geométrico do rotor são mostrados na Figura 16a. A curva de cor preta corresponde ao sensor

66 mm 82 mm PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0611806/CA

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proposto (FBG). A curva em vermelho corresponde ao sensor de campo magnético comercial (FW Bell 5070), cuja resolução e incerteza, na escala entre 0 e 200 mT, são respectivamente 0,1 mT e ±2%. Em verde, mostra-se a curva obtida através do sensor óptico de posição (optoNCDT), cuja resolução, na escala de 0,5 a 200 mm, correspondem a 0,16 mm.

Figura 16. (a) Distribuição angular do campo magnético e o perfil geométrico (a) sensor Hall e sensor de posição.(b) Esquemático do rotor e posicionamento dos sensores.

-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 4 3 2 Hall

Normalizado FBGNormalizado LaserNormalizado

1 r Laser (OptoNCDT) Hall (FW Bell) FBG PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0611806/CA

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É importante lembrar que as polaridades dos imãs no rotor são intercaladas, e que o sensor magnetostritivo mede o valor absoluto do fluxo, não importando a direção. Por isso, para facilitar a comparação, apresenta-se na Figura 16a o módulo do sensor de campo magnético. Os sinais de ambos os sensores foram normalizados. Assim, observa-se que a distribuição da componente normal do campo magnético, curva vermelha e/ou curva preta, está de acordo com a disposição dos ímãs montados no rotor, curva verde. Cada pico representa a amplitude do módulo do fluxo magnético em torno de um pólo do rotor. Os valores da densidade de fluxo magnético nos espaços vazios entre os imãs são próximos a zero e exatamente nulos na região central dessas regiões.

Ainda é possível observar na Figura 16a que as formas de onda das curvas correspondentes ao sensor comercial (FW Bell 5070) e ao sensor proposto (FBG) são semelhantes, evidenciando claramente que existe uma concordância entre as medições de ambos os sensores. De fato, observa-se que os dois sensores indicam um desbalanço do campo magnético no pólo Número 1 (região sombreada fig.16a), que apresenta um campo magnético cerca de 7% maior que dos demais.

4.1.4.3.

Resultados: “Excentricidade”

Um desbalanceamento no rotor foi forçado, pela adição de uma massa desbalanceadora. Com o intuito de verificar se o sensor de campo magnético (FBG) proposto teria condição de medir a variação de campo magnético induzida pela excentricidade, produzida pelo desbalanceamento. Os sensores ópticos de posição (optoNCDT) e de campo magnético (FBG) foram posicionados, um do lado do outro, uma distancia r do rotor. As figuras 17a e 17b, mostram a distribuição geométrica e a distribuição de campo magnético para duas velocidades de rotação diferentes: em preto para a mínima velocidade de rotação possível e em vermelho para uma velocidade próxima à velocidade critica do sistema, a fim de maximizar a amplitude da vibração.

O desbalanceamento observado na posição do rotor (~0,7mm), medida com o sensor de posição (optoNCDT) foi transformado em desbalanceamento magnético que implicou uma variação delta lambda de ~20pm.

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Figura 17. (a) Distribuição angular do campo magnético e o perfil geométrico (a) sensor Hall e sensor de posição.(b) Esquemático do rotor e posicionamento dos sensores.

4.1.5.

Ensaios de Calibração: “Temperatura”

Nesta seção são apresentados resultados de testes realizados com objetivo de avaliar a desempenho do protótipo quando submetido a temperaturas superiores à ambiente, procurando reproduzir condições mais próximas das encontradas no cenário de operação do sensor. O primeiro teste consistiu na avaliação da resposta do protótipo desmagnetizado ao longo de um ciclo de temperatura na faixa de 23°C a 63°C. Foi

-0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 Δλ (nm) ω =4,6 rad/s ω =57,1 rad/s Sensor FBG -2,6 0,0 2,6 5,2 7,8 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -2,6 0,0 2,6 5,2 7,8 ω =4,6 rad/s ω =57,1 rad/s Sensor optoNCDT Voltagem (V) PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0611806/CA

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empregado um banho térmico controlado, cuja estabilidade em temperatura é superior a ± 0,1° C. A sensibilidade à temperatura medida para a FBG revestida unicamente pela resina epóxi foi de 48 pm/oC. Observou-se uma pequena queda na sensibilidade para a FBG revestida com o compósito magnetostritivo, tendo-se obtido um valor de 44 pm/oC.

A Figura 18 mostra a variação do comprimento de onda das duas FBGs do sensor ao longo do ciclo térmico. A região sombreada com linhas verticais corresponde a um período de tempo no qual a temperatura permaneceu em 63oC, e a região sombreada com linhas horizontais corresponde ao período em que a temperatura manteve-se constante a 23o C.

Enquanto a temperatura era mantida a 23oC, foi realizado um teste qualitativo para verificar a sensibilidade de cada FBG ao campo magnético. O teste consistiu em retirar o sensor do banho térmico e aproximá-lo a um imã permanente. A região sombreada em vermelho na Figura 18 ressalta o momento em que o imã e sensor se aproximaram. Apesar deste teste ter sido meramente qualitativo, ele confirmou que só uma das FBGs responde ao campo magnético.

Figura 18. Variação do comprimento de onda das duas FBGs do sensor ao longo do ciclo térmico. T1 T2 5600 5800 6000 6200 6400 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 23 oC Δλ (n m ) Tempo (s) Δλ _Τ1 Δλ _Τ2 43 oC 43 oC T1 : sensor Temperatura

T2 : sensor Temperatura+ Campo Magnético

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No segundo teste procurou-se avaliar a resposta mecânica da resina RE em diferentes temperaturas. Uma FBG foi encapsulada com resina RE, neste caso, em formato retangular (ver detalhe da Fig. 19.a). Para o teste foi utilizada uma viga de aço em balanço com o carregamento concentrado na extremidade livre. Próximo à extremidade engastada, utilizando-se um adesivo a base de cianoacrilato (Loctite® 498 – Super Bonder), foram coladas duas redes de Bragg, uma encapsulada com resina (RE) e a segunda sem recobrimento algum. A viga instrumentada foi colocada num forno onde a temperatura era controlada. Mudanças na deformação da viga foram induzidas através de incrementos de massa aplicados na sua extremidade livre.

As Figuras 19a e 19b mostram comparações entre as deformações medidas pelas duas redes de Bragg a 20oC e 40oC. No eixo y estão as deformações medidas pelo sensor revestido com a resina RE e no eixo x pelo sensor sem recobrimento. Observa-se que o coeficiente angular da reta que aproxima a relação entre as duas medidas é aproximadamente três vezes menor a 40o_{C do que a 20}o_{C (Fig. 19). A diminuição na}

inclinação da curva indica que as propriedades mecânicas da resina foram afetadas pela temperatura, e as deformações da viga não foram totalmente transmitidas para a FBG pela resina RE. Os resultados indicam que esta resina não deve ser empregada em aplicações onde a temperatura de operação seja próxima ou maior do que 40oC.

Figura 19. Relação entre as deformações medidas pelo sensor revestido com a resina RE no eixo y e no eixo x pelo sensor sem recobrimento, (a) a 20oC e (b) a 40oC.

Dado o baixo rendimento da resina RE sob temperaturas moderadamente elevadas, foi realizado um estudo bibliográfico que indicou a Poli(éter imida) (PEI) como uma promissora candidata a substituí-la no sensor magnético. Uma característica da PEI é

0 200 400 600 800 0 200 400 600 800 1000 1200 Teste de deformação a 20 οC Fit Linear FBGResinaRE= 1,27 * FBG

FBG( με ) Resi na R E FBG (με) 0 100 200 300 400 500 -50 0 50 100 150 200 250 FBG ( με ) Re si na RE FBG (με) Teste de deformação a 40ο C

Ajuste Linear FBGResinaRE = 0,42 FBG -5,10

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sua excelente estabilidade térmica. Foram então preparados e caracterizados novos sensores, usando a matriz PEI e os resultados preliminares do mesmo teste a 60oC foram satisfatórios. Apesar das boas características desta nova resina, resolveu-se continuar com os testes utilizando a RE, porém limitando a sua utilização à temperatura ambiente.