José António Ferreira Monteiro - … · Nomenclatura ..... xix Capítulo 1 -Introdução ... 3.2...
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José António Ferreira Monteiro Sensores de Fibra Ótica Baseados em Novos Materiais Flexíveis José António Ferreira Monteiro Julho de 2013 UMinho | 2013 Sensores de Fibra Ótica Baseados em Novos Materiais Flexíveis Universidade do Minho Escola de Engenharia
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José António Ferreira Monteiro
Sensores de Fibra Ótica Baseados emNovos Materiais Flexíveis
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Universidade do MinhoEscola de Engenharia
Julho de 2013
Tese de MestradoCiclo de Estudos Integrados Conducentes ao Grau de Mestreem Engenharia Eletrónica Industrial e de Computadores
Trabalho efetuado sob a orientação doProfessor Doutor João Paulo Carmo
José António Ferreira Monteiro
Sensores de Fibra Ótica Baseados emNovos Materiais Flexíveis
Universidade do MinhoEscola de Engenharia
“O importante na ciência não é tanto obter fatos novos, mas descobrir novas maneiras de pensar sobre eles.”
Sir William Lawrence Bragg
v
Agradecimentos
Eu gostaria de aproveitar esta oportunidade para expressar os meus sinceros
agradecimentos a todas as pessoas que contribuíram e apoiaram na realização desta
dissertação.
Em primeiro lugar, quero agradecer ao meu orientador, o Professor Doutor João
Paulo Carmo, que me propôs este trabalho. Da sua parte recebi sugestões, motivação e
inteira disponibilidade, tornando a realização desta dissertação mais acessível e
aliciante.
Gostaria de agradecer aos colegas do Laboratório de Micro/Nanotecnologias e
Aplicações Biomédicas, destacando de um modo particular o investigador José Miguel
Gomes pelos conselhos e ideias ao longo do trabalho experimental.
Agradeço ainda a todos os técnicos do Departamento de Eletrónica Industrial pela
sua ajuda e disponibilidade.
Uma palavra de gratidão aos meus amigos Daniel Dias, Vítor Fernandes, Jaime
Ferreira e Bruno Duarte pela amizade e companheirismo ao longo de todo o curso.
Por último, mas não menos importante, quero agradecer aos meus pais, irmã e
namorada pelo apoio incondicional durante todo o meu percurso académico.
vii
Resumo
Esta dissertação apresenta um sensor ótico baseado em fibra ótica com redes de
Bragg (FBG) para medir deformações, curvaturas e vibrações. Este sensor foi embebido
num material flexível para proteger e assegurar uma boa ligação com a estrutura a
monitorizar. O material selecionado foi o Polidimetilsiloxano (PDMS). O FBG utilizado
foi criado pelo método da máscara de fase para refletir o comprimento de onda de
1552.43 nm, tendo sido embebido no PDMS antes do processo de solidificação para
assegurar uma forte aderência entre os dois componentes.
O protótipo fabricado foi caracterizado do ponto de vista estático e dinâmico. No
primeiro caso, foi utilizado um setup de teste construído especificamente para esse
propósito. Foram realizadas cinco medições com um deslocamento máximo de 8 mm e
obtidas as curvas da variação do comprimento de onda refletido em função da
elongação do sensor. Posteriormente, o FBG embebido em PDMS foi exposto a
elevadas temperaturas (150 a 200 °C) e repetidos os testes para averiguar o
comportamento do sensor e do material.
A caracterização dinâmica dividiu-se em dois testes distintos. No primeiro foi
aplicada uma frequência fixa ao sistema oscilatório, enquanto no segundo foi aplicada
uma variação linear da frequência. No primeiro teste, o protótipo foi colocado a
elevadas temperaturas e repetidos os diferentes testes. Isto permitiu avaliar a resposta
dinâmica do sensor após a degradação térmica.
Em todos os testes, foi possível observar que o sensor caracteriza razoavelmente os
deslocamentos dos provetes de teste.
Palavras-Chave: FBG; Polidimetilsiloxano (PDMS); Fibra Ótica.
ix
Abstract
This dissertation presents an optical sensor based on optical Fiber Bragg Grating
(FBG) to measure displacements, strains and vibrations. This sensor has been embedded
into a flexible material so as to provide protection and to ensure a good bond with the
structure to be monitored. The material selected was the Polydimethylsiloxane (PDMS).
The FBG was created by the phase mask method to reflect the wavelength of 1552.43
nm and it was embedded in PDMS before solidification process to ensure a strong
adhesion between the two components.
The prototype produced was characterized both in terms of static and dynamic
behavior. In the first case, it was used a test setup specifically built for this purpose. Sets
of five measurements were performed up to a maximum displacement of 8 mm and at
the same time, it was obtained the curves of the reflected wavelength according to the
elongation of the sensor. Subsequently, the FBG embedded on PDMS was exposed to
high temperatures (150 to 200 oC). In these cases, the tests were repeated to investigate
the behavior of the sensor and the material with relation to the temperature.
The dynamic characterization was divided into two distinct tests. At first, it was
applied a fixed frequency to the shaking system, while on the second a linear variation
of the frequency was applied. In the first test, the prototype was placed at high
temperatures and at the same time, the different tests were repeated. This allowed the
evaluation of the dynamic response of the sensor after the thermal degradation.
On all tests, it was possible to observe the ability to characterize with a reasonable
degree, the displacements suffered by the test structures (specimen).
Keywords: FBG; Polydimethylsiloxane (PDMS); Optical Fiber.
xi
Índice
Agradecimentos ....................................................................................................... v
Abstract .................................................................................................................... ix
Lista de Figuras .................................................................................................... xiii
Lista de Tabelas ..................................................................................................... xv
Lista de Acrónimos .............................................................................................. xvii
Nomenclatura ....................................................................................................... xix
Capítulo 1 - Introdução .......................................................................................... 1
1.1 Enquadramento ................................................................................................ 1
1.2 Motivação ........................................................................................................ 2
1.3 Objetivos .......................................................................................................... 2
1.4 Organização e Estrutura da Dissertação .......................................................... 3
Capítulo 2 - Componentes Óticos .......................................................................... 5
2.1 Fibra Ótica ....................................................................................................... 5
2.1.1 Aspetos Construtivos ................................................................................. 6
2.1.2 Mecanismos de Propagação ...................................................................... 7
2.1.3 Tipos de Fibras Óticas ............................................................................... 8
2.1.4 Gamas Espectrais .................................................................................... 10
2.1.5 Atenuação ................................................................................................. 11
2.2 Emissores Óticos ........................................................................................... 12
2.2.1 Física ....................................................................................................... 13
2.2.2 LEDs ....................................................................................................... 14
2.2.3 Díodos LASER ....................................................................................... 14
2.3 Detetores Óticos ............................................................................................ 15
2.3.1 Fotodíodos PIN ....................................................................................... 16
2.3.2 Fotodíodos ............................................................................................... 17
2.3.3 Fotodíodos de efeito avalanche (APD) ................................................... 17
2.4 Juntas e Conetores Óticos .............................................................................. 18
2.4.1 Acoplamento Fibra-Fibra ........................................................................ 19
2.4.2 Mecanismos de perdas em juntas ............................................................ 22
2.4.3 Acoplamento Emissor-Fibra e Fibra-Detetor .......................................... 23
2.5 FBGs .............................................................................................................. 24
2.5.1 Princípio de Funcionamento ................................................................... 24
2.5.2 Processo de Fabrico ................................................................................ 26
2.5.3 Aplicações ............................................................................................... 27
xii
Capítulo 3 - Integração do FBG em PDMS ........................................................ 29
3.1 Seleção do Material ....................................................................................... 29
3.1.1 Polidimetilsiloxano (PDMS) ................................................................... 30
3.2 Conceção do FBG em PDMS ........................................................................ 31
3.2.1 Desenho do Setup .................................................................................... 31
3.2.2 Fabrico do Setup ...................................................................................... 32
3.2.3 Processo de inserção do FBG em PDMS ................................................ 33
3.3 Protótipos ....................................................................................................... 34
Capítulo 4 - Caracterização do Sensor ................................................................ 35
4.1 Provete de teste .............................................................................................. 35
4.2 Software e Hardware de Leitura (Comprimento de Onda) ............................ 36
4.3 Caracterização Estática .................................................................................. 37
4.3.1 Setup de teste ........................................................................................... 38
4.3.2 Sensores FLX-01 ..................................................................................... 40
4.3.3 Software e Hardware de Leitura (Tensão) .............................................. 43
4.3.4 Teste à temperatura ambiente .................................................................. 44
4.3.5 Testes às Restantes Temperaturas ........................................................... 46
4.4 Caracterização Dinâmica ............................................................................... 48
4.4.1 Setup de Teste .......................................................................................... 49
4.4.2 Teste Dinâmico (Frequência Fixa) .......................................................... 50
4.4.2 Teste Dinâmico (Variação Linear da Frequência) ................................... 58
4.5 Degradação Visual com a Temperatura ......................................................... 60
Capítulo 5 - Conclusões e Trabalho Futuro ........................................................ 63
Referências ............................................................................................................. 67
xiii
Lista de Figuras
Figura 2.1: Esquema de transmissão genérico de sinais em fibra ótica. ............................................... 5
Figura 2.2: Estrutura da Fibra Ótica...................................................................................................... 6
Figura 2.3: Corte transversal da fibra ótica com duas camadas de revestimento. ................................. 6
Figura 2.4: Refração e reflexão de um feixe de luz na fronteira entre dois meios diferentes. .............. 7
Figura 2.5: Corte longitudinal da fibra com transmissão de luz no interior do núcleo. ........................ 8
Figura 2.6: Corte longitudinal e transversal de uma fibra monomodo de índice em degrau. ............... 9
Figura 2.7: Corte longitudinal e transversal de uma fibra multimodo de índice em degrau. ................ 9
Figura 2.8: Corte longitudinal e transversal de uma fibra multimodo de índice gradual. ................... 10
Figura 2.9: Transferência de energia numa junção pn. ....................................................................... 13
Figura 2.10: Estrutura básica de um fotodíodo PIN. ........................................................................... 16
Figura 2.11: Estrutura básica de um fotodíodo. .................................................................................. 17
Figura 2.12: Extremidades das fibras óticas: a) Face defeituosa (lábios); b) Face defeituosa (joelho);
c) Face de boa qualidade (plana)......................................................................................................... 19
Figura 2.13: Kit para junção de fibras óticas: a) Alicate descarnador; b) Álcool Etílico; c) Máquina
de corte (Furukawa Electric S325A); d) Máquina de fusão (Furukawa Electric S123C)................... 20
Figura 2.14: Etapas do processo de fusão de duas fibras: 1) Posição inicial; 2) Pré-aquecimento das
extremidades; 3) Fibras pressionadas entre si; 4) Junta executada com sucesso. ............................... 21
Figura 2.15: Empalme de proteção para juntas de fibra ótica. ............................................................ 21
Figura 2.16: Desalinhamento mecânico nas juntas: a)Longitudinal; b)Lateral ou axial; c)Angular. .. 22
Figura 2.17: Conetores Óticos: a) Tipo FC/PC; b) Tipo ST; c) Tipo LC; d)Tipo SMA; e) Tipo SC ... 23
Figura 2.18: Ilustração do princípio de funcionamento dos FBGs. .................................................... 25
Figura 2.19: Comprimento de onda refletido da fibra: a) Posição normal; b) Alongada; c)
Comprimida. ....................................................................................................................................... 26
Figura 2.20: Ilustração do processo de gravação da rede de Bragg por máscara de fase. ................... 26
Figura 3.1: Composição química do Polidimetilsiloxano (PDMS). .................................................... 30
Figura 3.2: PDMS em estado: a) Líquido [29]; b) Sólido [27]. .......................................................... 30
Figura 3.3: Modelo CAD da estrutura para conceção dos sensores FBG em PDMS [30]. ................. 32
Figura 3.4: Ilustração da estrutura finalizada com fibra ótica embebida em PDMS [30]. .................. 33
Figura 3.5: Protótipo do sensor FBG embebido em PDMS. ............................................................... 34
Figura 3.6: Ilustração da flexibilidade dos protótipos constituídos com PDMS. ................................ 34
Figura 4.1: Fotografia com pormenor do provete de teste. ................................................................. 35
Figura 4.2: Diagrama de blocos do sistema de leitura ótica................................................................ 36
Figura 4.3: Fotografia das caixas com o sistema de leitura ótica. ....................................................... 36
Figura 4.4: Programa em LabVIEW para leitura do comprimento de onda. ...................................... 37
Figura 4.5: Setup de teste para caracterização estática: a) Vista frontal; b) Vista superior. ................ 38
Figura 4.6: Ilustração do funcionamento do setup de teste: Vista frontal; b) Vista superior. .............. 39
xiv
Figura 4.7: Sensor FLX-01 Sparkfun SEN-08606. ............................................................................. 40
Figura 4.8: Gráficos da variação da resistência em R1 e R2. ............................................................... 41
Figura 4.9: Divisor de tensão dos sensores FLX-01. .......................................................................... 41
Figura 4.10: Ilustração da curvatura do sensor FBG embebido em PDMS. ....................................... 42
Figura 4.11: Painel do programa LabVIEW para leitura da tensão. ................................................... 44
Figura 4.12: Gráfico das cinco medições mostrando a variação do comprimento de onda em relação
ao deslocamento na direção axial do FBG. ......................................................................................... 45
Figura 4.13: Gráfico da média das medições e das equações de regressão......................................... 46
Figura 4.14: Gráfico da média das medições após exposto o protótipo a diferentes temperaturas. .... 47
Figura 4.15: Gráfico das retas de regressão das diferentes temperaturas. ........................................... 48
Figura 4.16: Componentes do setup de teste dinâmico: a) Excitador de vibração programável; b)
Amplificador de potência; c) Shaker vibracional. ............................................................................... 49
Figura 4.17: Setup de teste dinâmico: a) Vista lateral; b) Vista Superior. ........................................... 50
Figura 4.18: Gráfico da variação do comprimento de onda para uma oscilação do shaker a uma
frequência de 5 Hz e amplitudes de 1, 3 e 6 mm ................................................................................ 51
Figura 4.19: Representação da FFT para uma frequência de 5 Hz e amplitudes de 1, 3 e 6 mm. ...... 52
Figura 4.20: Gráfico da variação do comprimento de onda para uma oscilação do shaker a uma
frequência de 10 Hz e amplitudes de 1, 3 e 6 mm. ............................................................................. 53
Figura 4.21: Representação da FFT para uma frequência de 10 Hz e amplitudes de 1, 3 e 6 mm.. ... 53
Figura 4.22: Gráfico da variação do comprimento de onda para uma oscilação do shaker a uma
frequência de 25 Hz e amplitudes de 1, 3 e 6 mm. ............................................................................. 54
Figura 4.23: Representação da FFT para uma frequência de 25 Hz e amplitudes de 1, 3 e 6 mm. .... 54
Figura 4.24: FFT para uma frequência de 10 Hz e amplitude de 3 mm após exposto o protótipo à
temperatura de: a) 150 °C; b) 160 °C; c) 170 °C; d) 180 °C; e) 190 °C; f) 200 °C. ........................... 57
Figura 4.25: Representação da variação do comprimento de onda em função do tempo de três partes
do sinal adquirido. ............................................................................................................................... 59
Figura 4.26: Representação das FFTs de três partes do sinal adquirido. ............................................. 59
Figura 4.27: Protótipo do FBG inserido em PDMS: a) Antes do primeiro aquecimento; b) Após
aquecimento a 200 °C. ........................................................................................................................ 60
Figura 4.28: Fibra ótica e protótipo do FBG inserido em PDMS após exposição à maior temperatura
(200 °C). ............................................................................................................................................. 61
Figura 5.1: Ilustração de uma roseta de extensómetros. ..................................................................... 65
Figura 5.2: Ilustração de uma roseta de FBGs inseridos em PDMS ................................................... 65
xv
Lista de Tabelas
Tabela 2.1: Janelas de Transmissão das fibras óticas em vidro. .......................................................... 11
Tabela 2.2: Valores de atenuação para as janelas de transmissão. ...................................................... 12
Tabela 2.3: Materiais semicondutores mais utilizados no fabrico de LEDs e díodos LASER............ 15
Tabela 2.4: Materiais Semicondutores mais utilizados no fabrico de detetores óticos. ...................... 18
Tabela 2.5: Exemplos de aplicações dos FBG. ................................................................................... 28
Tabela 4.1: Resistências reais dos sensores FLX-01 Sparkfun SEN-08606. ...................................... 40
Tabela 4.2: Relação do pico dominante e picos secundários para as amplitudes de 1, 3 e 6 mm à
frequência de 5 Hz. ............................................................................................................................. 52
Tabela 4.3: Relação do pico dominante e pico secundário para as amplitudes de 1, 3 e 6 mm à
frequência de 10 Hz. ........................................................................................................................... 54
Tabela 4.4: Relação do pico dominante e pico secundário para as amplitudes de 1, 3 e 6 mm à
frequência de 25 Hz. ........................................................................................................................... 55
Tabela 4.5: Magnitudes dos picos dominantes para as diferentes temperaturas. ................................ 58
xvii
Lista de Acrónimos
FBG Fiber Bragg Grating
PDMS Polidimetilsiloxano (Polydimethylsiloxane)
LED Díodo emissor de luz (Light Emitting Diode)
LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
PIN P-Intrinsic-I
FET Transístor de efeito de campo (Field-Effect Transistor)
APD Díodo de efeito de avalanche (Avalanche PhotoDiode)
UV Ultravioleta
PVC Policloreto de vinilo (Polyvinyl chloride)
PMMA Polymethyl Methacrylate
PVAc Polyvinyl acetate
CAD Projeto assistido por computador (Computer-Aidded Design)
CNC Computer Numerical Control
LabVIEW Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench
FFT Transformada rápida de Fourier (Fast Fourier Transform)
xix
Nomenclatura
Símbolo Descrição Unidade
ϴ Ângulo º
ni Índice de refração de um meio -
α Atenuação por unidade de comprimento dB.km-1
Pi Potência ótica de entrada m-1
Po Potência ótica de saída m-1
L Comprimento da fibra ótica m
Eg Energia de gap eV
h Constante de Plank eV.s
f Frequência Hz
c Velocidade da luz no vazio m.s-1
𝜆 Comprimento de onda m
𝜆B Comprimento de onda de Bragg m
neff Índice de refração efetivo -
𝛬 Período dos gratings m
𝛬m Período das ranhuras da máscara de fase m
R Resistência elétrica Ω
V Tensão V
εΔ Elongação %
𝜌 Coeficiente de correlação -
1
CAPÍTULO 1
Introdução
Neste capítulo é apresentado o enquadramento desta dissertação e a sua motivação.
Os objetivos são expostos, sendo simultaneamente esclarecida a organização e respetiva
estrutura.
1.1 Enquadramento
Esta dissertação pretende expor uma solução alternativa para a utilização e
caracterização de sensores de fibra ótica, nomeadamente os sensores de fibra ótica com
redes de Bragg (FBG). Nas últimas três décadas, a utilização destes sensores tem
sofrido um aumento significativo, podendo ser encontrados nos vários setores da
indústria. A preferência recai nos FBGs devido às suas propriedades intrínsecas,
destacando-se como principais vantagens a transmissão com baixas perdas, elevada
imunidade contra interferências eletromagnéticas, dimensões reduzidas e isolamento
elétrico [1]. Estes sensores permitem a monitorização de diferentes parâmetros, tais
como a pressão, temperatura, deformação e vibrações, sendo os dois últimos abordados
nesta dissertação [2].
A parte sensora está presente no interior do núcleo da fibra ótica, sendo criada
através de luz ultravioleta. O seu funcionamento equipara-se a um filtro ótico,
permitindo a transmissão de luz ao longo da fibra, exceto num determinado
comprimento de onda, que é refletido para trás. O comprimento de onda refletido
permite fazer a caracterização dos sensores no âmbito das suas necessidades para a
aplicação em instrumentação, nomeadamente da sua sensibilidade à deformação
ocorrida na fibra ótica [3].
O trabalho realizado centra-se na caracterização e teste dos sensores, tendo como
finalidade apresentar a resposta destes quando expostos a diferentes situações. Estes
testes permitem uma análise minuciosa do novo material em que vai ser embebida a
fibra ótica.
2
1.2 Motivação
Ao longo dos últimos anos, tem-se assistido a um aumento significativo na
utilização de fibras óticas na área das telecomunicações. Com a maior utilização e
conhecimento, outras funcionalidades e tecnologias associadas às fibras foram sendo
desenvolvidas, destacando-se os sensores baseados em comunicações óticas. Estes têm
vindo ser utilizados numa grande diversidade de aplicações, tendo despertado um maior
interesse na área da Robótica, Biomédica, Têxtil, assim como medições de temperatura
e vibrações [4]. O problema inerente a este tipo de sensores não se prende pelos
sensores em si, mas sim como estão embebidos na fibra ótica. A fibra apresenta assim
dois problemas que necessitam ser resolvidos para que os sensores possam ser
utilizados de forma correta [5]. Em primeiro lugar, a fibra devido às suas características,
é particularmente frágil, podendo facilmente danificar-se ou quebrar quando exposta a
condições adversas. O segundo problema, não menos importante, deve-se ao facto de a
fibra necessitar de um material que assegure uma boa ligação com a estrutura que se
pretende monitorizar, considerando que este não provoque interferências na informação
enviada das estruturas para os sensores e simultaneamente não degrade a sua
sensibilidade.
De modo a resolver estes dois problemas, a solução encontrada passa pela
utilização de um material capaz de providenciar simultaneamente proteção e uma boa
ligação entre a fibra e a estrutura em estudo. O PDMS (Polidimetilsiloxano) é o material
com estas características que se apresenta nesta dissertação. A escolha recaiu no PDMS
devido às suas características singulares, destacando-se a alta flexibilidade, tolerância a
altas temperaturas e as suas propriedades inertes [6]. Outro fator de valorização deste
material prende-se com o baixo custo, comparativamente com os restantes materiais
utilizados neste tipo de situações. Este projeto de investigação apresenta assim como
motivação alcançar os bons resultados proporcionados por soluções já existentes na
indústria, de modo a oferecer um produto com as mesmas garantias, com a vantagem de
se tornar uma opção economicamente mais acessível.
1.3 Objetivos
O objetivo predominante desta dissertação é a caracterização dos sensores de fibra
ótica, nomeadamente os FBG. Estes sensores são utilizados pois já provaram ser uma
melhor solução, comparando com os restantes tipos de sensores óticos em condições
3
específicas onde um tipo de deslocamento esteja presente. A caracterização dos sensores
será feita do ponto de vista estático e dinâmico, sendo necessários dois setups de teste
onde a fibra embebida em PDMS vai estar colocada, tornando assim possível a recolha
de informação.
Posteriormente à sua caracterização, o PDMS será exposto a altas temperaturas de
forma gradual, com o objetivo de analisar a influência da temperatura no material e na
informação lida pelos sensores. Após toda a investigação laboratorial, o objetivo é ter-se
adquirido toda a informação sobre os sensores, assim como do papel do PDMS neste
processo, de forma a analisar se este material pode ser considerado uma solução viável.
1.4 Organização e Estrutura da Dissertação
O presente documento encontra-se organizado em cinco capítulos, denotando a
seguinte estrutura:
No capítulo introdutório é apresentado o enquadramento e a motivação que levou à
concretização deste projeto de investigação, sendo igualmente expostos os principais
objetivos.
No segundo capítulo é descrita a teoria dos componentes óticos associados ao
funcionamento dos FBGs. O capítulo inicia-se com a clarificação do conceito de fibra
ótica, incluindo os seus aspetos constituintes, tipos de fibras existentes, mecanismos de
propagação da luz e as suas gamas espectrais. Seguidamente são apresentados os
diferentes tipos de emissores e detetores óticos, sendo também exposto o seu princípio
de funcionamento. As juntas em fibras são igualmente abordadas, exibindo as técnicas
utilizadas para os diferentes acoplamentos, assim como os mecanismos de perdas. O
capítulo termina com os FBGs, abrangendo as suas características principais e
aplicações na indústria.
No capítulo três é exibida a técnica de integração do sensor em PDMS. É explicada
a razão da escolha ter recaído neste material, assim como todas as etapas da conceção
do FBG inserido no PDMS. Na parte final são apresentados os protótipos
desenvolvidos.
O quarto capítulo aborda as questões de natureza prática deste projeto. Inicialmente
é descrito o setup e todo o processo de caracterização dos sensores do ponto de vista
estático, apresentando todos os resultados obtidos. Em seguida, são exibidos os
resultados da caracterização dinâmica dos sensores, estando esta dividida em dois testes
distintos. O primeiro consiste em provocar uma vibração constante, sendo no segundo
4
teste aplicada uma variação linear da vibração nos sensores. Em ambas as situações, o
PDMS foi exposto a temperaturas elevadas e repetidos os testes para analisar a reação
do material.
Finalmente, no último e sexto capítulo são apresentadas as conclusões e um
conjunto de sugestões de trabalho futuro.
5
CAPÍTULO 2
Componentes Óticos
O propósito deste capítulo é apresentar alguns fundamentos teóricos dos
componentes óticos associados ao funcionamento dos FBGs. O capítulo inicia-se com a
clarificação dos conceitos de fibra, seguindo-se os emissores e detetores óticos,
incluindo os seus aspetos constituintes e princípio de funcionamento. As juntas em
fibras são igualmente abordadas, exibindo as diferentes técnicas utilizadas, assim como
os mecanismos de perda. O capítulo termina com a teoria presente nos FBGs, estando
exposto o seu princípio de funcionamento, o seu método de fabrico e apresentadas
algumas aplicações na indústria.
2.1 Fibra Ótica
A fibra ótica é um meio de transmissão que utiliza um sinal luminoso para
transportar a informação. Antes da sua transmissão na fibra, os sinais elétricos são
convertidos em sinais óticos através de um emissor, sofrendo no final da transmissão o
processo inverso operado por um detetor. A figura 2.1 apresenta um esquema
simplificado do sistema de comunicação utilizando fibras óticas.
Figura 2.1: Esquema de transmissão genérico de sinais em fibra ótica.
Este modo de transportar a informação revolucionou a área das telecomunicações,
apresentando inúmeras vantagens comparadas com os métodos de transmissão
convencionais. A constituição das fibras, assim como a teoria presente no seu
funcionamento é apresentado em seguida.
6
2.1.1 Aspetos Construtivos
A fibra ótica, relativamente à sua constituição, é formada especialmente por
materiais dielétricos (plástico ou vidro), ou seja, materiais com elevada resistência
elétrica [7]. A fibra apresenta uma estrutura cilíndrica de secção circular, flexível e
transparente, com dimensões bastante reduzidas, equiparando-se às de um fio de cabelo
humano. A sua construção é composta por três camadas distintas, sendo estas ilustradas
na figura 2.2.
Figura 2.2: Estrutura da Fibra Ótica.
A figura 2.2 permite observar fundamentalmente a existência de um núcleo central,
constituído por um material dielétrico, envolvido por uma outra camada, também
dielétrica, denominada bainha. A luz propaga-se ao longo da fibra no interior do núcleo,
tendo a bainha como função impedir qualquer perda de energia para o exterior. A fibra
pode apresentar uma ou mais camadas de revestimento, permitindo estas uma maior
flexibilidade e elasticidade, assim como fornecer proteção contra impurezas externas.
Na presença de duas camadas de revestimento poderá ainda existir um gel que protege a
fibra de pressões vindas do exterior [7]. Esta configuração é exemplificada na
figura 2.3.
Figura 2.3: Corte transversal da fibra ótica com duas camadas de revestimento.
7
2.1.2 Mecanismos de Propagação
A capacidade de propagar luz de um ponto para o outro no interior do núcleo da
fibra ótica deve-se a um fenómeno designado Reflexão Interna Total [8]. Este conceito
pressupõe que quando um feixe de luz incide na fronteira entre dois meios diferentes,
com um determinado ângulo, uma parte da luz é refratada e a outra parte é, novamente,
refletida para o meio original, com um ângulo de reflexão igual ao ângulo de incidência.
Quando um raio de luz se propaga de um meio com elevado índice de refração, Meio1,
para um meio com baixo índice de refração, Meio 2, não ocorre refração da luz se o
ângulo de incidência for superior a um determinado ângulo, denominado ângulo crítico,
ϴc [8]. Na figura 2.4 podem-se verificar três feixes de luz, com diferentes ângulos de
incidência.
Figura 2.4: Refração e reflexão de um feixe de luz na fronteira entre dois meios diferentes.
Observando a figura 2.4, verifica-se que a luz ao incidir na fronteira entre os dois
meios, com um ângulo inferior ou igual a ϴc, não será totalmente refletida, saindo uma
parte da energia do raio incidente para o Meio 2. Estes casos estão exemplificados pelo
raio 1 e raio 2, com ângulos de incidência ϴ1 e ϴ2, respetivamente. No terceiro caso, o
ângulo de incidência é superior ao ângulo crítico, sendo a luz totalmente refletida de
novo para o Meio 1.
Relativamente à fibra ótica, os dois materiais dielétricos que constituem o núcleo e
a bainha têm de necessariamente apresentar índices de refração ligeiramente diferentes.
Seguindo o fenómeno explicado em cima, o índice de refração do núcleo, designado por
n1, necessita de ser superior ao índice de refração da bainha, n2. Deste modo, e com um
ângulo de incidência superior ao ângulo crítico, a luz propaga-se ao longo de todo o
comprimento da fibra exclusivamente no interior do núcleo sendo continuamente
refletida na fronteira com a bainha. A forma como a luz é conduzida ao longo da fibra é
apresentada na figura 2.5.
8
Figura 2.5: Corte longitudinal da fibra com transmissão de luz no interior do núcleo.
O mecanismo de propagação da luz apresentado contribui para que a fibra ótica
seja um meio de transmissão de dados bastante rápido e fiável. Para que este modo de
propagação funcione corretamente, os materiais presentes na estrutura do núcleo e da
bainha necessitam de ser extremamente puros, ou seja, não devem conter elevado
número de impurezas, pois tal origina perdas no sinal transmitido.
2.1.3 Tipos de Fibras Óticas
As fibras óticas podem ser classificadas em grupos distintos, estando presentes
como fatores de diferenciação o número de raios de luz que conseguem transmitir e a
variação do índice de refração no núcleo.
2.1.3.1 Fibras Monomodo e Multimodo
A capacidade de transferir informação ao longo da fibra deve-se a um conjunto de
raios de luz injetados no interior do núcleo, podendo estes ter diferentes trajetórias até
alcançar o seu destino. Estes feixes de luz com diferentes trajetórias são classificados
como modos de propagação. Considerando este fator, a fibra pode ser classificada de
duas formas distintas: monomodo e multimodo.
As fibras monomodo, devido à dimensão reduzida do seu núcleo central, apenas
permitem conduzir um raio de luz no seu interior, tendo somente um modo de
propagação. Neste tipo de fibras, o núcleo apresenta diâmetros reduzidos, estando
compreendidos entre os 8 e os 10 µm, enquanto a bainha tem um diâmetro na ordem dos
125 µm [9]. Estas dimensões reduzidas do meio de transmissão fazem com que a onda
de luz se propague praticamente em paralelo com o eixo da fibra. Na figura 2.6 está
representada a sua estrutura.
9
Figura 2.6: Corte longitudinal e transversal de uma fibra monomodo de índice em degrau.
Por sua vez, as fibras multimodo ostentam dimensões do seu núcleo bastante
superiores, tendo assim a capacidade de transmitir vários modos de propagação. Os
vários feixes de luz com o mesmo comprimento de onda são conduzidos ao longo da
fibra com diferentes trajetórias, podendo apresentar velocidades de transmissão
diferentes. O núcleo apresenta usualmente diâmetros de 50 ou 62,5 µm, sendo que a sua
camada envolvente mantém o diâmetro das fibras monomodo, ou seja, com dimensões
de 125 µm [9]. Uma ilustração das fibras multimodo é exibida na figura 2.7.
Figura 2.7: Corte longitudinal e transversal de uma fibra multimodo de índice em degrau.
Comparando estes dois tipos de fibras óticas, destacam-se algumas vantagens e
desvantagens relacionadas com o seu funcionamento. As fibras monomodo apresentam
como um dos pontos a favor a capacidade de transmitirem praticamente na íntegra o
sinal, obtendo à saída um feixe de luz com elevada qualidade. Outra das vantagens
prende-se com o facto de conseguirem conduzir a luz a grandes distâncias sem a
utilização de repetidores. Como desvantagens é de salientar as reduzidas dimensões do
núcleo, tornando o modo de injeção da luz significativamente mais caro e complexo.
Em contrapartida, as fibras multimodo possuem um núcleo com dimensões
superiores, permitindo a utilização de materiais mais baratos e simples em todo o
processo de transmissão. As suas principais desvantagens prendem-se com a menor
qualidade do sinal e as menores distâncias alcançadas relativamente às fibras com um
único modo de propagação [10].
2.1.3.2 Fibras de Índice em Degrau e Índice Gradual
A variação do índice de refração no interior do núcleo, ao longo do processo de
transmissão da luz, pode ocorrer de duas formas distintas. Deste modo, a fibra ótica é
classificada em dois diferentes tipos: fibra de índice em degrau e fibra de índice gradual.
10
Nas fibras de índice em degrau, o núcleo apresenta um índice de refração uniforme
sofrendo uma transição abrupta quando a luz incide na fronteira com a camada
envolvente [11]. Este género de fibras pode funcionar em regime monomodo e
multimodo, estando estas representadas pelas figuras 2.6 e 2.7, respetivamente.
As fibras de índice gradual, contrariamente às fibras em degrau, não possuem
núcleo com índice de refração constante, decrescendo este desde o seu centro até à zona
de fronteira com a bainha [11]. As fibras deste tipo transmitem a luz apenas em regime
multimodo, estando na figura 2.8 demonstrada a forma como as ondas se propagam.
Figura 2.8: Corte longitudinal e transversal de uma fibra multimodo de índice gradual.
Estes dois tipos de fibras podem ser comparados quando funcionam em regime
multimodo. As fibras de índice gradual são muito mais utilizadas apesar do seu fabrico
ser mais complexo, pois é necessário utilizar substâncias dopantes no interior do núcleo
de modo a que o índice de refração tenha o comportamento explicado anteriormente. Os
fatores que levam à opção recair nestas fibras em detrimento das outras são a melhor
qualidade do sinal à saída em termos de interferência intersimbólica, assim como uma
maior capacidade de transmissão da fibra ótica [12].
2.1.4 Gamas Espectrais
As frequências de trabalho das fibras óticas são extremamente elevadas, estando
situadas na ordem dos Tera-Hertz, dificultando assim a análise do seu funcionamento.
De modo a simplificar, utiliza-se o conceito de comprimento de onda para representar as
diferentes gamas de operação das fibras. Os comprimentos de onda utilizados na
transmissão ótica, relativamente ao espectro, estão um pouco acima do visível, e assim
sendo não são detetáveis ao olho humano [13].
As fibras com constituição em óxido de silício (vidro) apresentam três regiões de
baixa atenuação, sendo estas denominadas por janelas de transmissão. Cada uma destas
janelas é centrada num comprimento de onda de operação específico, como se pode
constatar na tabela 2.1.
11
Tabela 2.1: Janelas de Transmissão das fibras óticas em vidro.
Janelas de Transmissão Limites das Janelas
[nm]
Comprimento de Onda
de Operação [nm]
1ª Janela 800 – 900 850
2ª Janela 1250 – 1350 1310
3ª Janela 1500 – 1600 1550
A janela de transmissão centrada no comprimento de onda de 850 nm foi a região
utilizada nos primeiros sistemas de fibra ótica, obtendo resultados satisfatórios na época
em questão [15]. Esta gama espectral é utilizada apenas em fibras multimodo. O avanço
da tecnologia das fibras e dos componentes a si associados permitiu o aparecimento da
segunda janela de transmissão centrada nos 1310 nm [15]. Esta região passou a ser mais
utilizada pois apresentava perdas óticas mais baixas comparativamente com a 1ª janela e
permitia a transmissão em regime multimodo e monomodo. Finalmente, anos mais tarde
apareceu a terceira janela de transmissão com comprimento de onda de operação de
1550 nm. Esta janela é aplicável somente para fibras monomodo, tendo a transmissão da
luz com menor atenuação das três gamas espectrais [13].
As fibras menos utilizadas (plástico), exceto em redes locais de baixo custo e curtas
distâncias, operam igualmente em três janelas de transmissão, estando centradas nos
comprimentos de onda de 525, 575 e 650 nm [7].
2.1.5 Atenuação
A atenuação, também conhecida por perda de sinal, pode-se definir como a
diminuição da intensidade de energia ao propagar-se [7]. Esta é uma das propriedades
mais importantes da fibra ótica, pois determina, em grande parte, a distância máxima
entre um transmissor e recetor sem recurso a repetidores. Isto é importante devido ao
custo elevado do fabrico, instalação e manutenção destes componentes, levando a que o
grau de atenuação seja uma grande influência no custo total.
Em termos matemáticos, a atenuação exprime-se em decibel por quilometro
[dB.km-1
] e representa-se por α, sendo obtida através:
α =
10
𝐿log (
𝑃𝑖𝑃𝑜)
(2.1)
12
onde Pi e Po são a potência ótica de entrada e saída, respetivamente, e L o comprimento
da fibra. Idealmente, a potência de saída é igual à potência de entrada (referente a uma
atenuação nula). Sendo isto ainda impossível devido a pequenas perdas, o objetivo
passa por obter uma atenuação muito próxima de zero, elevando assim a qualidade do
sinal transmitido. Os mecanismos que provocam o aumento da atenuação são
normalmente causados por absorção, espalhamento e deformações mecânicas da fibra. A
atenuação varia ainda de acordo com o comprimento de onda utilizado, estando
demonstradas na tabela 2.2 o grau de atenuação para cada uma das três janelas de
transmissão apresentadas acima [7].
Tabela 2.2: Valores de atenuação para as janelas de transmissão.
Janelas de Transmissão Comprimentos de Onda,
𝞴[nm] Atenuação,
α[dB/km]
1ª Janela 850 3 – 5 dB/Km
2ª Janela 1310 0.7 – 1.5 dB/Km
3ª Janela 1550 0.2 dB/Km
A tabela 2 permite verificar que a terceira janela de transmissão, centrada nos
1550 nm, apresenta a atenuação mais baixa, permitindo-lhe assim obter melhores
resultados à saída e percorrer uma maior distância entre o transmissor e o recetor.
Relativamente às fibras em plástico, destinam-se apenas a pequenas distâncias
devido às suas atenuações bastante elevadas, presentes entre os 50 e os 450 dB/Km [7].
2.2 Emissores Óticos
O emissor ótico é o mecanismo responsável pela conversão do sinal elétrico no
sinal luminoso que irá percorrer a fibra ótica. A sua estrutura baseia-se normalmente em
duas partes constituintes, sendo elas a fonte de luz e um dispositivo de comando capaz
de controlar a potência ótica emitida. Em alguns casos, pode ainda possuir um comando
de polarização das fontes óticas.
A física associada ao funcionamento dos emissores óticos, assim como as duas
fontes de luz mais utilizadas, díodos emissores de luz (LEDs) e díodos LASER, serão
apresentados seguidamente.
13
2.2.1 Física
As fontes de luz baseiam o seu funcionamento numa junção pn. Este tipo de junção
utiliza duas camadas distintas fabricadas com materiais semicondutores, estando a
camada n dopada com átomos dadores de eletrões e a camada p com átomos aceitadores
de eletrões. Tal como os díodos normais, os díodos capazes de emitirem luz podem ser
polarizados direta ou indiretamente. Se a tensão aos terminais da fonte ótica for tal que
o polarize diretamente, irá haver uma corrente elétrica do ânodo (do lado p) para o
cátodo (o lado n) [14]. Nesta situação, irá ocorrer uma recombinação com os eletrões da
banda de condução da camada n e as lacunas da banda de valência da camada p, como
demonstrado na figura 2.9.
Figura 2.9: Transferência de energia numa junção pn.
A situação de recombinação de um eletrão com uma lacuna fará com que transite
de um estado de maior energia, Ec [eV], (a banda de condução) para um estado de
menor energia, Ev [eV], (a banda de valência). Esta diferença de energia fará com haja a
emissão de um fotão, ou seja, emissão de luz pela fonte ótica [14]. A geração de fotões
pode ser classificada como espontânea, quando um eletrão e uma lacuna emitem apenas
um fotão, ou estimulada, quando o fotão gerado leva à criação de um novo fotão. Destas
duas formas distintas de geração de fotões resulta a existência dos dois tipos de fontes
de luz mais utilizados, os díodos emissores de luz (LEDs) e os díodos LASER.
O comprimento de onda da luz emitida na fibra depende da energia de gap,
Eg=Ec-Ev [eV], dos materiais que compõe a junção pn. Entre os materiais constituintes,
somente os semicondutores de gap direto aproveitam o fenómeno da recombinação de
eletrões para emitir fotões, ou seja para gerar um feixe de luz [14]. Um material de gap
14
direto com energia de gap, Eg [eV], emite fotões de comprimento de onda dado pela lei
de Plank:
𝐸𝑔 = ℎ𝑓 =
ℎ𝑐
𝜆 (2.2)
sendo h4.13610-15
eV.s a constante de Plank, f [Hz] a frequência, c=3108 m/s a
velocidade da luz no vazio e [m] o comprimento de onda com que os fotões são
emitidos.
2.2.2 LEDs
Os díodos emissores de luz, regularmente conhecidos por LEDs (Light Emitting
Diodes), são as fontes mais simples para emissão de luz no interior da fibra ótica [15].
Entre as suas principais características destacam-se a baixa potência de alimentação,
grande tempo de vida e a possibilidade de fabricar um elevado número de dispositivos
na mesma série. Isto por um lado reduz parcelarmente o custo unitário por componente
e simultaneamente permite fabricar equipamento menos exigente em termos elétricos e
de dimensões mais reduzidas e consequentemente mais baratos. No entanto, estas fontes
de luz apresentam algumas desvantagens quando utilizadas conjuntamente com fibras
óticas, salientando-se o seu espectro mais largo, uma menor eficiência de acoplamento
da luz e maiores tempos de resposta comparados com outras fontes [15].
Os LEDs, relativamente à estrutura da fibra, apresentam grandes dimensões,
impossibilitando assim a sua utilização como fontes óticas em fibras monomodo. Isto
leva a que os LEDs apenas possam transportar os feixes luminosos em regime
multimodo, e assim sendo apenas têm possibilidade de conduzir a luz nas duas
primeiras janelas de transmissão, com comprimentos de onda de 850 e 1310 nm.
Consequentemente, estas fontes óticas são utilizadas maioritariamente em sistemas de
curto alcance e baixa capacidade.
2.2.3 Díodos LASER
Os díodos LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) são
as fontes óticas com maior capacidade para transmissão da luz ao longo da fibra. Estas
fontes de luz apresentam um fabrico mais complexo e de custo superior,
comparativamente aos LEDs, denotando ainda um menor tempo de vida. Apesar disto,
os díodos LASER apresentam múltiplas vantagens relativamente às fontes óticas
15
expostas anteriormente. Entre elas, destacam-se a potência ótica elevada, um espectro
mais estreito e apresentam uma maior eficiência de acoplamento da luz na fibra [15].
Relativamente às dimensões, os díodos LASER são ligeiramente inferiores aos
LEDs, permitindo a sua utilização em fibras com tamanhos mais reduzidos do seu
núcleo, como as fibras monomodo. Isto leva a que estas fontes de luz possam ser
utilizadas em ambos os tipos de fibra, possibilitando o seu funcionamento nas três
janelas de transmissão. Com a possibilidade de transmitir com o comprimento de onda
de 1550 nm, faz com que os díodos LASER sejam utilizados em sistemas de grande
capacidade e de alto fluxo de informação.
Os materiais utilizados no fabrico das duas fontes óticas apresentadas são os
mesmos, variando apenas com o comprimento que se pretende transmitir. Existe uma
grande variedade de materiais para fabricar estas fontes, mas apenas os semicondutores
de gap direto aproveitam o fenómeno da recombinação de eletrões para emitir fotões, ou
seja para gerar um feixe de luz, como referido em cima. Assim os materiais utilizados
para o fabrico de LEDs e díodos LASER para as três janelas de transmissão são
apresentados na tabela 2.3.
Tabela 2.3: Materiais semicondutores mais utilizados no fabrico de LEDs e díodos LASER.
Janelas de
Transmissão
Comprimento de Onda, 𝞴 [nm]
Material Semicondutor
1ª Janela 850 GaAs
GaAlAs
2ª Janela 1310 InGaAsP
InGaAsN
3ª Janela 1550 InGaAsP
InGaAsNSb
2.3 Detetores Óticos
As comunicações com fibras óticas apresentam na sua parte final um dispositivo
capaz de converter os sinais luminosos em corrente elétrica, denominado detetor ótico
ou fotodetetor. Estes dispositivos são usualmente díodos semicondutores que operam
polarizados inversamente, ou seja, quando um fotodetetor é iluminado, as partículas de
energia luminosa, ou fotões, são absorvidas gerando pares eletrão-lacuna, que em
presença de um campo elétrico produzem uma corrente elétrica [16]. Esta corrente
gerada é bastante baixa, na ordem dos nano-ampére, e portanto torna-se necessária a
16
amplificação de modo a manipular adequadamente o sinal. Normalmente é ainda
utilizado um filtro, de forma a eliminar o ruído existente no sinal.
Os detetores óticos apresentam parâmetros essenciais que conduzem à sua seleção,
destacando-se a alta sensibilidade, a zona espectral de funcionamento, a contribuição
mínima de ruido e a grande largura de banda, conduzindo esta a uma resposta mais
rápida. Os fotodetetores com estas características, ou seja, muito rápidos, com alta
sensibilidade e pequenas dimensões, que usualmente são utilizados em sistemas de fibra
ótica são os fotodíodos PIN, fotodíodos e os fotodíodos de efeito avalanche (APD).
2.3.1 Fotodíodos PIN
O fotodíodo PIN (P-Intrinsic-N) é o detetor mais utilizado nos sistemas de
comunicação ótica. Estes fotodetetores são relativamente fáceis de fabricar, altamente
fiáveis, apresentam níveis bastante baixos de ruido e são compatíveis com os circuitos
amplificadores de tensão. Para além disto, os fotodíodos PIN são sensíveis a uma ampla
largura de banda devido a não possuírem qualquer mecanismo de ganho [17].
A estrutura destes detetores óticos compõe-se basicamente por duas zonas (p e n)
altamente condutoras, estando entre elas uma zona intrínseca muito pouco condutora.
Os feixes de luz provenientes da fibra ótica, ou seja os fotões emitidos, ao entrarem em
contacto com a zona intrínseca geram pares eletrão-lacuna. O díodo, contrariamente aos
emissores óticos, apresenta uma tensão de polarização inversa (10 V) de modo a
acelerar as cargas presentes na zona intrínseca, sendo estas dirigidas para os elétrodos
aparecendo sob a forma de corrente elétrica [17]. Este processo é bastante rápido e
eficiente, estando demonstrado de forma simplificada na figura 2.10.
Figura 2.10: Estrutura básica de um fotodíodo PIN.
Este tipo de detetores óticos apresenta normalmente um problema inerente ao seu
funcionamento, estando este associado à sua baixa sensibilidade. Para resolver esta
desvantagem, são utilizados pré-amplificadores de entrada FET (Transístor de Efeito de
17
Campo). Estes transístores melhoram o funcionamento do fotodíodo PIN, tornando a
sua largura de banda maior, permitindo a sua utilização nos diferentes tipos de fibra
óticas e nas três janelas de transmissão [18].
2.3.2 Fotodíodos
Os fotodíodos apresentam um funcionamento semelhante aos fotodíodos PIN na
conversão dos sinais luminosos em corrente elétrica. Estes baseiam-se numa junção pn,
de tal modo que quando a luz alcança esta junção é gerada uma corrente elétrica
proporcional à luz incidente [17]. Este processo é alcançado quando os fotões emitidos
percorrem a zona entre as duas camadas, p e n, conduzindo à geração de pares eletrão-
lacuna. Como nos fotodíodos anteriores, o campo elétrico presente proporciona uma
rápida recombinação dos pares gerados sendo encaminhados para os elétrodos, gerando
assim uma corrente elétrica. Na figura 2.11 está demonstrada a composição dos
fotodíodos.
Figura 2.11: Estrutura básica de um fotodíodo.
Observando a figura 2.11, comparativamente com os fotodíodos PIN, destaca-se
essencialmente as dimensões da zona entre a camada p e n, ou seja, da zona onde ocorre
a geração de pares eletrão-lacuna. Nos fotodíodos, esta zona denota uma área bastante
inferior para todo este processo e ocupa a área da determinada zona de depleção. Por
esta razão, e ainda pela elevada velocidade de resposta dos fotodíodos PIN, os
fotodíodos são usualmente preteridos na seleção de detetores óticos.
2.3.3 Fotodíodos de efeito avalanche (APD)
Os fotodíodos de efeito avalanche ou APD (Avalanche PhotoDiode) são
fotodetetores especialmente desenhados para medir os feixes de luz de muito baixa
intensidade que outros detetores óticos não são capazes de detetar [17]. Similarmente
aos dois tipos de fotodetetores apresentados anteriormente, estes fotodíodos ao serem
18
incididos com luz, ou fotões, geram pares eletrão-lacuna, sendo estes acelerados por um
campo elétrico. A particularidade que distingue estes fotodíodos centra-se na sua tensão
de polarização inversa ser bastante elevada (100-200 V), levando a que os eletrões
devidos aos pares gerados sejam de tal forma acelerados (eletrões quentes) que colidem
com a rede cristalina que forma o semicondutor, criando novos pares eletrão-lacuna.
Este processo repete-se continuamente, conduzindo a um efeito de avalanche.
Os fotodíodos APD, devido ao seu princípio de funcionamento, são os fotodetores
que apresentam uma maior sensibilidade e elevada velocidade de resposta, sendo assim
utilizados maioritariamente em sistemas que este fator seja necessário. A sua utilização
é menos requisitada que os fotodíodos PIN devido a algumas desvantagens a si
associadas, destacando-se o elevado custo, maior ruído e não linearidade provocada
pelo efeito avalanche.
Os materiais semicondutores presentes no fabrico dos fotodíodos APD são os
mesmos utilizados na estrutura dos fotodíodos e fotodíodos PIN. A seleção dos
materiais está dependente do comprimento de onda que se pretende detetar, ou seja, da
janela de transmissão dos feixes de luz. Na tabela 2.4 estão presentes os materiais
semicondutores mais utilizados nos diferentes detetores óticos nas três janelas de
transmissão [17].
Tabela 2.4: Materiais Semicondutores mais utilizados no fabrico de detetores óticos.
Janelas de
Transmissão
Comprimento de Onda, 𝞴 [nm]
Material Semicondutor
1ª Janela 850 Si
2ª Janela 1310 Ge
InGaAs
3ª Janela 1550 InGaAs
2.4 Juntas e Conetores Óticos
Os sistemas baseados em fibras óticas, tal como os outros sistemas de
comunicação, necessitam de uniões capazes de interligar todos os elementos
constituintes no processo de transmissão. Estas uniões são normalmente divididas em
duas categorias distintas, nomeadamente as juntas e os conectores óticos [19]. As juntas
ou emendas são usualmente uniões permanentes e assim utilizadas maioritariamente
para fazer um acoplamento de duas fibras. Contrariamente, os conectores são uniões não
19
permanentes, permitindo assim um fácil e rápido conectar e desconectar das fibras
óticas. Estes são geralmente utilizados em pontos onde é necessário uma maior
flexibilidade das ligações, ou seja, nas uniões da fibra com emissores e detetores óticos.
O processo de união de duas fibras óticas é relativamente complexo, podendo
provocar perdas significativas no sinal, se mal executado. Os mecanismos que
provocam estas perdas de sinal, assim como as diferentes formas de acoplamento das
fibras, são abordados seguidamente.
2.4.1 Acoplamento Fibra-Fibra
A junção de duas fibras é um procedimento recorrente nos sistemas de
comunicação ótica, estando o seu número dependente do comprimento da ligação
pretendida. Este processo inicia-se com a preparação das extremidades das fibras que se
pretendem unir, centrando-se esta como uma etapa crucial para a execução de uma boa
junta [19]. A meta passa por obter extremidades completamente lisas e uniformes, e
ainda, perpendiculares ao eixo da fibra. Na figura 2.12 são apresentados exemplos de
faces defeituosas e de uma face de boa qualidade para a execução de uma junta.
Figura 2.12: Extremidades das fibras óticas: a) Face defeituosa (lábios); b) Face defeituosa (joelho); c)
Face de boa qualidade (plana).
Conforme ilustrado na figura 2.13, para obter uma fibra com uma face de boa
qualidade é necessário seguir três passos cruciais. Inicialmente é utilizado um alicate
descarnador (a) de forma a retirar o revestimento exterior das fibras óticas, sendo em
seguida limpas com álcool etílico (b) para retirar as impurezas provenientes da etapa
anterior. Por fim utiliza-se um pequeno aparelho (c) onde se coloca a extremidade da
20
fibra no seu interior e com apenas um passo executa-se o corte, obtendo-se a face plana
pretendida.
Posteriormente ao processo de corte, as duas fibras são introduzidas manualmente
numa nova máquina (d) capaz de exibir a qualidade das faces produzidas, assim como a
posição de ambas as fibras. Se o procedimento anterior tiver sido bem executado e as
fibras devidamente alinhadas, pode-se iniciar o processo de união das fibras. Os
mecanismos essenciais a todo este procedimento estão demonstrados na figura 2.13.
Figura 2.13: Kit para junção de fibras óticas: a) Alicate descarnador; b) Álcool Etílico; c) Máquina de
corte (Furukawa Electric S325A); d) Máquina de fusão (Furukawa Electric S123C).
Atualmente existe uma grande variedade de máquinas destinadas ao processo de
união das fibras, sendo que a sua maioria recorre ao fenómeno da fusão. Esta união é
alcançada colocando as extremidades de ambas as fibras expostas a um elevado
aquecimento, levando o seu material a atingir o seu ponto de fusão. Isto ocorre através
de uma descarga elétrica provocada entre dois elétrodos onde as fibras estão colocadas
[19]. Os passos essenciais deste processo são exemplificados na figura 2.14.
21
Figura 2.14: Etapas do processo de fusão de duas fibras: 1) Posição inicial; 2) Pré-aquecimento das
extremidades; 3) Fibras pressionadas entre si; 4) Junta executada com sucesso.
Como passo final, após obter uma boa união entre as fibras, é colocada uma
proteção sobre a junta de modo fornecer o revestimento retirado anteriormente. As
máquinas de fusão mais recentes, como a demonstrada na figura 2.13, estão equipadas
com um mecanismo capaz de fixar esta proteção à fibra. Na figura 2.15 é exibida a
constituição de um empalme de proteção.
Figura 2.15: Empalme de proteção para juntas de fibra ótica.
A junção das fibras acabadas de sair do processo de fusão é inserida na parte
central do tubo interior do empalme. A máquina produz um aquecimento sobre o
empalme, levando a que o tubo exterior encolha e consequentemente fixe a fibra à
camada de proteção. A haste de metal tem como função proteger a junção de sofrer
deformações que possam levar à rutura da junta obtida [20].
22
2.4.2 Mecanismos de perdas em juntas
O sucesso ou insucesso do processo de ligação entre duas fibras está dependente na
sua maioria da perícia da pessoa que o realiza. As dimensões reduzidas da fibra ótica
dificultam a execução deste procedimento, principalmente na fase de corte e
alinhamento no interior da máquina de fusão. Estas dificuldades, assim como as
próprias características da fibra, podem originar pequenas ou significativas perdas do
sinal na junta conseguida. Os mecanismos que provocam perdas nas juntas são assim
divididos em fatores extrínsecos e intrínsecos [19].
Entre os fatores extrínsecos, as causas mais comuns capazes de provocar perdas são
o desalinhamento mecânico e a qualidade das superfícies das extremidades das fibras.
Este último ponto já foi abordado anteriormente, estando representadas na figura 2.12
configurações de faces defeituosas e com boa qualidade. Relativamente ao primeiro
ponto, existem diferentes tipos de desalinhamento mecânico, destacando-se o
desalinhamento longitudinal, lateral e angular [19]. O primeiro resulta quando as duas
fibras estão bem alinhadas mas apresentam uma distância entre as suas extremidades. O
desalinhamento lateral ou axial ocorre quando os eixos das duas fibras não apresentam o
mesmo alinhamento. O último tipo de desalinhamento ocorre quando é criado um
ângulo na junta, de modo que as extremidades das fibras deixam de ser paralelas. Estes
três tipos de desalinhamento mecânico são exibidos na figura 2.16.
Figura 2.16: Desalinhamento mecânico nas juntas: a)Longitudinal; b)Lateral ou axial; c)Angular.
23
Em relação aos fatores intrínsecos, o desalinhamento dos núcleos das fibras e a
discrepância dos índices de refração dos núcleos e bainhas são os principais
mecanismos causadores de perdas [19]. No primeiro caso, qualquer diferença na
geometria dos dois núcleos origina um desfasamento das áreas de emissão e receção da
luz transmitida, deteriorando o sinal. No segundo caso, as perdas são causadas por
índices de refração diferentes das duas fibras unidas. Ambas as situações podem ocorrer
mesmo que a junta do ponto de vista externo seja efetuada perfeitamente.
2.4.3 Acoplamento Emissor-Fibra e Fibra-Detetor
O acoplamento dos emissores e detetores com a fibra é constituído usualmente por
ligações não permanentes, designadas por conectores óticos. Estes são dispositivos,
comparativamente com as juntas, mais complexos de fabricar e difíceis de implementar,
dado que devem garantir que a união possa ser desfeita e refeita um número incontável
de vezes sem que esta perca qualidade. De modo a proporcionar esta qualidade, os
conectores devem garantir baixas perdas na ligação durante todo o processo, assim
como apresentar imunidade contra fatores exteriores (temperatura, poeiras, etc.). Outras
características essenciais para a utilização deste tipo de ligadores são a facilidade de
conexão e o baixo custo a si associados. Na figura 2.17 estão demonstrados os
principais tipos de conectores utilizados em sistema de comunicação por fibra
ótica [21].
Figura 2.17: Conetores Óticos: a) Tipo FC/PC; b) Tipo ST; c) Tipo LC; d)Tipo SMA; e) Tipo SC
24
2.5 FBGs
A popularização da fibra ótica como método de comunicação de dados nas últimas
décadas proporcionou um grande crescimento na utilização de sensores a si associados.
É neste contexto que surgem os sensores de fibra ótica com redes de Bragg ou FBG
(Fiber Bragg Grating). Estes ganharam ainda maior relevância e atenção devido às suas
características favoráveis, comparativamente com os sensores elétricos e mecânicos.
Entre as principais vantagens, destacam-se a imunidade a interferências
eletromagnéticas, baixas perdas na transmissão, dimensões reduzidas e isolamento
elétrico [5].
Relativamente aos sensores de fibra ótica, os FBGs distinguem-se pelas suas
propriedades óticas e estruturais. Estes não são sensíveis às flutuações da amplitude da
fonte ótica, uma vez que o mecanismo de leitura é baseado no comprimento de onda em
detrimento da intensidade da luz. Outro ponto a seu favor passa pela inserção da rede
Bragg no interior do núcleo com radiação UV, mantendo a estrutura da fibra intacta. Por
fim, são um tipo de sensores que podem ser produzidos em larga escala a baixo custo,
oferecendo assim uma solução competitiva em termos de preço. Todas estas vantagens
levam a que este tipo de sensores apresente um grande crescimento na sua utilização nas
mais distintas áreas da indústria, permitindo monitorizar grandezas físicas como
deslocamento, vibração ou temperatura.
2.5.1 Princípio de Funcionamento
O FBG pode ser definido como uma microestrutura capaz de provocar uma
alteração periódica no índice de refração do núcleo da fibra [22]. O conceito por trás
deste fenómeno designa-se por fotossensibilidade. Esta, quando associada a fibras
óticas, define-se como a capacidade de introduzir alterações permanentes no índice de
refração do núcleo, quando exposto a luz com características específicas ao qual é
sensível [23]. Esta alteração no índice de refração leva a que a luz incidente não seja
totalmente transmitida, sendo uma pequena parte do sinal refletida. Isto sucede devido
ao conceito da teoria da reflexão de Fresnel, já apresentado anteriormente quando
explicado o processo de Reflexão Interna Total no interior da fibra ótica. Tal como nesse
caso, nas estruturas de Bragg quando a luz incide na fronteira entre dois meios com
índices de refração diferentes, esta reflete-se e refrata-se, dividindo-se em dois sinais
diferentes [22]. A figura 2.18 demonstra o princípio de funcionamento destes sensores.
25
Figura 2.18: Ilustração do princípio de funcionamento dos FBGs.
Os FBGs utilizam o comprimento de onda como mecanismo de leitura em
detrimento da intensidade da luz. O comprimento de onda refletido, também
denominado comprimento de onda de Bragg (𝜆B), permite fazer a caracterização e
estudo sensorial, sendo obtido pela seguinte equação:
𝜆𝐵 = 2𝑛𝑒𝑓𝑓 ∗ 𝛬 (2.3)
onde neff é o índice de refração efetivo e 𝛬o período de cada elemento constituinte da
rede de Bragg (gratings). Este comprimento de onda varia consoante uma alteração no
sistema de medida onde o sensor está colocado e é extremamente sensível a variações
axiais relativas ao eixo da fibra. Um exemplo desta variação é demonstrado na figura
2.19. A fibra ótica quando está na sua posição normal apresenta um comprimento de
onda característico, presente numa das três janelas de transmissão, diferenciando-se
usualmente de sensor para sensor. Sabendo este comprimento de onda, pode-se fazer a
análise sensorial observando a sua variação quando a fibra é exposta a condições de
teste.
No exemplo da figura 2.19, a fibra ótica é alongada provocando um aumento do
período dos gratings da rede de Bragg. Segundo a fórmula 2.3, o comprimento de onda
refletido aumenta, uma vez que é diretamente proporcional a este período. Em
contrapartida e seguindo o mesmo raciocínio, quando a fibra é comprimida leva a uma
diminuição do período dos gratings e por sua vez a um comprimento de onda de Bragg
menor. Este conceito permite que estes sensores possam medir diferentes grandezas
físicas através do comportamento da fibra associado ao comprimento de onda refletido.
26
Figura 2.19: Comprimento de onda refletido da fibra: a) Posição normal; b) Alongada; c) Comprimida.
2.5.2 Processo de Fabrico
A alteração periódica no índice de refração do núcleo da fibra pode ser introduzida
utilizando diferentes métodos baseados na radiação com laser UV [24]. As técnicas por
máscara de fase, ponto-a-ponto e por interferómetro são as mais comuns para realizar
esta operação, no entanto o método por máscara de fase é o mais utilizado, tanto em
laboratório como em processos industriais [22]. A figura 2.20 demonstra o princípio de
funcionamento do método da máscara de fase.
Figura 2.20: Ilustração do processo de gravação da rede de Bragg por máscara de fase.
27
A máscara de fase apresenta uma estrutura usualmente em silício de elevada
qualidade com a finalidade de fornecer total transparência à luz UV. A sua superfície
inferior é composta por várias ranhuras, sendo estas obtidas por fotolitografia, agentes
químicos ou por feixes de eletrões [22]. O laser de radiação UV é colocado
perpendicularmente à máscara de fase, podendo em alguns casos ser introduzida uma
lente cilíndrica e uma pequena abertura. A lente tem como função a focagem do feixe de
luz UV incidente na secção da fibra onde se pretende introduzir o sensor. A pequena
abertura é colocada após a lente de forma a controlar o comprimento da rede de Bragg.
A radiação UV ao percorrer a máscara de fase é dividida em duas ondas distintas,
devido às ranhuras presentes na superfície desta. Estas ondas cruzam-se entre si, logo
após a máscara, originando um padrão de interferência periódica que ao entrar em
contacto com a fibra introduz alterações no índice de refração do núcleo nos locais de
maior intensidade [24]. O período deste padrão de interferência vai ser exatamente igual
ao dos gratings da rede de Bragg, estando diretamente relacionado com o período das
ranhuras da máscara. Este é obtido através da seguinte equação:
𝛬 =
𝛬𝑚2
(2.4)
em que 𝛬é o período dos gratings da rede de Bragg e 𝛬m o período das ranhuras da
máscara de fase. A obtenção do período do FBG desta forma é uma das grandes
vantagens deste método, uma vez que ao contrário das outras técnicas não depende da
luz UV, aumentando assim a imunidade a perturbações externas. Em contrapartida, para
fibras com diferentes períodos dos gratings e consequentemente diferentes
comprimentos de onda (equações 2.3 e 2.4), é necessário a aplicação de diferentes
máscaras de fase, aumentando o custo associado a esta técnica.
2.5.3 Aplicações
As características e funcionalidades dos FBGs atraíram a atenção na última década,
tornando-se numa tecnologia muito importante e incontornável nas mais diversas áreas
da indústria. Para além de todas as suas vantagens, estes sensores apresentam dimensões
reduzidas e um baixo custo a larga escala, permitindo monitorizar uma grande variedade
de grandezas desde que alguma forma de deslocamento mecânico esteja presente
(deslocamento, temperatura, pressão, etc). Isto leva a que os sectores da indústria
utilizem estes sensores em situações distintas e com diferentes finalidades. O ponto em
28
comum que apresentam estas diferentes soluções passa pela forma como os sensores são
utilizados. Usualmente, os sensores são encapsulados num material (PVC, PDMS, etc.)
capaz de fornecer proteção, sendo posteriormente colados à estrutura que se pretende
monitorizar. Na tabela 2.5 estão presentes diferentes áreas, assim como exemplos de
aplicações destes sensores [24].
Tabela 2.5: Exemplos de aplicações dos FBGs.
Áreas da Indústria Aplicações
Civil
Monitorização da integridade estrutural durante a construção
e vida útil;
Análise do comportamento estrutural durante testes de carga.
Energia
Monitorização da vibração e temperatura em postes de alta
tensão;
Análise do comportamento das pás dos geradores eólicos.
Transportes
Deteção de comboios nas linhas férreas;
Monitorização da integridade da estrutura de cascos de
navios.
Petróleo e Gás Natural Monitorização da pressão e temperatura nos furos;
Aeroespacial
Monitorização da temperatura em satélites de
telecomunicações;
Análise do sistema de reabastecimento em voo.
Apesar das suas inúmeras aplicações e vantagens, os FBGs combatem atualmente
contra alguns impedimentos do mercado. O desconhecimento de como estes operam e
dos seus benefícios, bem como a ideia subliminar da fragilidade das fibras são exemplos
destes obstáculos [22].
29
CAPÍTULO 3
Integração do FBG em PDMS
Este capítulo tem a finalidade de demonstrar o processo de integração de FBGs em
PDMS. Na fase inicial serão apresentadas as características que levam à seleção dos
materiais, assim como as razões da escolha ter recaído neste polímero. Seguidamente
são exibidas todas as etapas deste processo, desde o projeto e fabrico de um pequeno
setup até à inserção do sensor no PDMS. Na parte final do capítulo são apresentados os
protótipos desenvolvidos.
3.1 Seleção do Material
As fibras óticas são usualmente embebidas num determinado material para
colmatar algumas lacunas associadas à sua constituição e manuseamento. Estas
apresentam maioritariamente uma estrutura em vidro no seu interior, podendo quebrar
ou se danificar quando curvadas a ângulos acentuados ou expostas a condições adversas
[5]. Outra contrariedade prende-se com a difícil integração da fibra no sistema ou
estrutura que se pretende monitorizar, relacionada com as suas reduzidas dimensões. O
material onde a fibra é inserida deve ser capaz de resolver estes problemas e
simultaneamente deve fornecer proteção e assegurar uma boa ligação com a estrutura,
tendo em conta que não provoque interferências na informação enviada para os
sensores. Adicionalmente, a sua sensibilidade não deve degradar-se significativamente.
Atualmente existe um leque de materiais com capacidade de serem utilizados no
processo de utilização dos FBGs, destacando-se polímeros como o PVC (Polyvinyl
chloride) [5], PMMA (Polymethyl Methacrylate) [25] e o PVAc (Polyvinyl acetate)
[26]. O crescimento na utilização deste tipo de sensores proporcionou a procura de
novos materiais, com o intuito de descobrir um melhor recurso para este tipo de
situação. É neste contexto que surge o material abordado ao longo desta dissertação, o
Polidimetilsiloxano (PDMS).
30
3.1.1 Polidimetilsiloxano (PDMS)
O PDMS é um polímero mineral orgânico (cuja estrutura contêm carbono e silício)
pertencente à família das siloxanas, comummente denominadas por borrachas de
silicone [27]. Desta família de polímeros, o PDMS é o mais utilizado, tendo aplicações
em setores da indústria como a Eletrónica, Medicina, Mecânica, entre outros [28]. A sua
composição química baseia-se numa cadeia de átomos de silício (Si) e de oxigénio (O)
interligados entre si (siloxanas), estando radicais metil (CH3) unidos aos átomos de
silício. A sua estrutura química é demonstrada na figura 3.1.
Figura 3.1: Composição química do Polidimetilsiloxano (PDMS).
Esta composição baseia-se na fórmula química (C2H6OSi)n, sendo n o índice da
matriz, indicando o número de repetições das ligações presentes no seu interior e
consequentemente o tamanho da cadeia. Dependendo deste tamanho, o PDMS pode ser
praticamente líquido quando o n for baixo ou sólido quando este tiver um valor elevado
[27]. Usualmente este material é adquirido no estado líquido, necessitando de um agente
endurecedor para o solidificar. Este agente também no estado líquido é misturado com o
polímero numa proporção de um para dez, ou seja, uma porção de agente e dez do
polímero [28]. Posteriormente é comum expor esta mistura a um tratamento térmico
com o intuito de diminuir o tempo de solidificação. Na figura 3.2 é demonstrado o
PDMS no seu estado líquido e sólido.
Figura 3.2: PDMS em estado: a) Líquido [29]; b) Sólido [27].
31
A estrutura química do PDMS concede-lhe características singulares para utilização
em sistemas com fibras óticas, salientando-se qualidades como a elevada elasticidade e
flexibilidade, boa propriedade dielétrica, alta tolerância ao calor e à chama, resistência a
humidades e envelhecimento, assim como uma larga faixa de temperaturas (-45 a
200 °C) [28]. Além de todas estas vantagens, a sua simplicidade e baixo custo tornam
este material numa solução bastante atrativa.
3.2 Conceção do FBG em PDMS
O processo de embeber o FBG, ou seja, a fibra ótica em PDMS requer a utilização
de uma estrutura de suporte para os materiais envolventes. Existem diferentes estruturas
para este procedimento, sendo demonstrada nesta dissertação o setup desenvolvido que
levou à criação dos protótipos utilizados. As características, desenho e fabrico do setup,
assim como o passo final de embeber o sensor em PDMS é explicado em seguida.
3.2.1 Desenho do Setup
A estrutura desenvolvida foi executada de forma a garantir um processo bastante
rápido e simples para embeber a fibra ótica num determinado material. Tendo em
consideração alguns parâmetros, como o diâmetro da fibra (125 µm) e o comprimento
do FBG (8 mm), foi desenhada uma cavidade no centro do setup com dimensões de
65×10×0,9 mm (comprimento x largura x altura) [30]. Esta cavidade foi concebida com
o intuito de ser preenchida com o PDMS no estado líquido e com a fibra ótica para
posterior solidificação.
A fibra é colocada centralmente em dois canais posicionados nas extremidades da
estrutura com profundidade de 450 µm, ou seja, metade da altura da cavidade
desenvolvida. Nas extremidades são ainda colocados dois mecanismos para suporte da
fibra, com a finalidade de a manter sempre no interior dos canais durante todo o
processo. Estes suportes devem assegurar também que a tensão da fibra permaneça
constante, mantendo-a sempre esticada, garantindo que esta fique centrada no PDMS de
uma extremidade à outra.
O projeto e desenho desta estrutura foram concebidos com um modelo CAD
(Computer-Aidded Design), podendo este ser observado na figura 3.3.
32
Figura 3.3: Modelo CAD da estrutura para conceção dos FBGs em PDMS [30].
3.2.2 Fabrico do Setup
Finalizado o procedimento de desenho da estrutura, é carregado numa máquina
CNC (Computer Numerical Control) o ficheiro do modelo CAD demonstrado na
figura 3.3. O software da máquina utilizada, modelo Roland Modela MDX-20, permite
controlar o processo de fresagem, assim como todos os parâmetros deste método. Entre
estes parâmetros é definida a velocidade da operação de corte nos três diferentes eixos,
tornando este procedimento rápido e eficaz. Após sair da máquina são aparafusados nas
extremidades da estrutura os mecanismos de suporte da fibra ótica.
O material selecionado para a estrutura deve possuir particularidades que o tornem
uma boa solução, uma vez que deve garantir que o PDMS após o tratamento térmico e
posterior solidificação seja retirado facilmente. O material utilizado que preenche este
requisito foi o PMMA. Outro ponto a favor deste material prendeu-se com a facilidade
de manuseamento quando utilizado para construção de estruturas em máquinas CNC
[30].
Concluído o fabrico do setup, obtém-se uma estrutura com capacidade de embeber
FBGs em PDMS um número incontável de vezes de forma simples e com poucos
recursos. Qualquer modificação no processo de fabrico da estrutura ou das dimensões
da cavidade são conseguidas alterando os parâmetros do modelo CAD e carregando de
novo o ficheiro na máquina CNC. Estas características apresentadas oferecem uma
forma bastante simples, rápida e de baixo custo de inserir a fibra num determinado
33
material. Na figura 3.4 é possível observar a estrutura finalizada com a fibra ótica já
embebida no PDMS colocado na cavidade central.
Figura 3.4: Ilustração da estrutura finalizada com fibra ótica embebida em PDMS [30].
3.2.3 Processo de inserção do FBG em PDMS
A etapa final da conceção do FBG passa por introduzir a fibra ótica no material
protetor, sendo neste caso o PDMS com a referência Sylgard 184 do fabricante Dow
Corning. A estrutura apresentada na figura 3.4 e explicada anteriormente é utilizada para
executar este processo, sendo necessário obter antecipadamente algumas informações. A
quantidade de material a introduzir na cavidade central, assim como a quantidade de
agente endurecedor devem ser conhecidas antes de se iniciar o processo. Neste sentido,
sabendo as dimensões da cavidade (65×10×0,9 mm) é possível obter o seu volume
multiplicando as três medidas, sendo este de 585 mm3. Sabendo que a densidade pode
ser alcançada através da relação entre a massa e o volume (densidade=massa/volume) e
rearranjando a equação torna-se fácil descobrir a quantidade de material que a cavidade
consegue suportar. A densidade do PDMS é conhecida, sendo de 965 kg.m-3
[31]. Com
isto sabe-se qua a massa do PDMS e do agente endurecedor para embeber o sensor é de
0,565 g.
Atendendo ao método de solidificação apresentado na secção 3.1, a proporção de
agente endurecedor é de um para dez do polímero PDMS no estado líquido. Sabendo
isto, a massa de PDMS e do agente que se coloca na cavidade é de 0,5136 g e 0,0514 g,
respetivamente. Após executada a mistura nas quantidades corretas e preenchida a
34
cavidade central da estrutura, é feito usualmente um tratamento térmico, sendo o setup
colocado num forno à temperatura de 85 °C durante o período de uma hora. Este
procedimento é necessário, uma vez que à temperatura ambiente a transição do estado
liquido para o sólido pode demorar pelo menos 48 horas [32].
3.3 Protótipos
Os protótipos foram concebidos utilizando o setup e o processo demonstrado na
secção 3.2. Foram desenvolvidos vários exemplares, no entanto no decorrer deste
projeto de investigação foi utilizado apenas um dos protótipos desenvolvidos. Na figura
3.5 é apresentado o sensor embebido em PDMS caracterizado nesta dissertação.
Figura 3.5: Protótipo do sensor FBG embebido em PDMS.
A figura 3.5 demonstra a fibra ótica totalmente inserida no material, garantindo-lhe
assim uma maior proteção e facilidade de manuseamento. Desta forma, torna-se
bastante simples a sua integração em diversos sistemas, sendo os sensores usualmente
fixados na superfície da estrutura a monitorizar. O PDMS proporciona ainda uma
grande flexibilidade a estes protótipos, podendo esta ser observada na figura 3.6.
Figura 3.6: Ilustração da flexibilidade dos protótipos constituídos com PDMS.
.
35
CAPÍTULO 4
Caracterização do Sensor
Este capítulo apresenta os resultados experimentais desta dissertação. Na fase
inicial é apresentada a placa de teste onde foi inserido o sensor. Em seguida, são
exibidos os resultados da caracterização estática, assim como todos os aspetos
constituintes deste processo. A caracterização dinâmica do sensor está dividida em dois
testes distintos. O primeiro consiste em provocar uma vibração com uma frequência
fixa, enquanto no segundo aplica-se uma variação linear da vibração no sensor
(variando linearmente no tempo a frequência). Tanto na caracterização estática como na
dinâmica, o PDMS foi exposto a temperaturas elevadas e repetidos os testes para
analisar a reação do sensor e do material. Na parte final são exibidas algumas imagens
da degradação do material após exposto às diferentes temperaturas.
4.1 Provete de teste
O protótipo do FBG embebido em PDMS demonstrado no capítulo 3 (Figuras 3.5 e
3.6) foi inserido numa pequena placa, de modo a tornar possível os testes experimentais.
A placa apresenta dimensões de 14×4×0,1 cm (Comprimento × Largura × Espessura),
possuindo uma secção com cola, permitindo uma fácil fixação do sensor. Nesta secção,
colocada na parte central da placa, foram ainda colados dois sensores comerciais FLX-
-01 [33] e feitos três pequenos furos para inserção de um parafuso para suporte no
shaker. O provete de teste utilizado é exibido na figura 4.1.
Figura 4.1: Fotografia com pormenor do provete de teste.
36
4.2 Software e Hardware de Leitura (Comprimento de Onda)
A leitura do comprimento de onda refletido pelo FBG foi conseguida da mesma
forma para a caracterização estática e dinâmica. O FBG utilizado foi produzido pelo
método da máscara de fase, apresentando um comprimento de onda de Bragg de
1552.43 nm. Conforme ilustrado na figura 4.2, o hardware do sistema de leitura é
composto por uma fonte ótica, um circulador ótico e um detetor ótico. A fotografia da
figura 4.3 refere-se ao setup ilustrado na figura 4.2.
É recomendado que uma fonte ótica apresente uma grande largura de banda [30],
tendo sido por isso selecionada uma capaz de emitir um feixe de luz com um espectro
no intervalo entre 1530 e 1570 nm. Por sua vez, o detetor ótico utilizado consegue
converter os sinais óticos no intervalo entre 1529 e 1561 nm. O circulador ótico foi
usado com a função de separar o comprimento de onda refletido do espectro injetado
pela fonte ótica. Estes componentes foram colocados em duas caixas e ligados ao FBG
através de um conector ótico, podendo ser vistas na figura 4.3.
Figura 4.2: Diagrama de blocos do sistema de leitura ótica.
Figura 4.3: Fotografia das caixas com o sistema de leitura ótica.
37
A caixa da direita na figura 4.3 permite fazer a ligação com o computador, de modo
a tornar possível a visualização da variação do comprimento de onda refletido pelo
FBG. Para este efeito utilizou-se o programa em LabVIEW ilustrado na figura 4.4. Este
permite a escolha da frequência da recolha de dados, assim como o número de amostras
a obter. O gráfico permite observar o comprimento de onda em função do tempo,
podendo estes dados ser guardados em ficheiro para futura análise.
Figura 4.4: Programa em LabVIEW para leitura do comprimento de onda.
4.3 Caracterização Estática
A caracterização estática do sensor foi conseguida através da utilização de um setup
de teste construído exclusivamente para este propósito. Esta consiste em provocar uma
deformação na placa e analisar a variação do comprimento de onda refletido pelo FBG.
Os testes foram realizados à temperatura ambiente, ou seja, após a saída do sensor do
processo de fabrico, e posteriormente efetuados após a exposição a várias temperaturas
para averiguar o comportamento do material protetor. As diferentes etapas do método de
caracterização estática são apresentadas nesta secção, assim como todos os
componentes necessários para a sua execução.
38
4.3.1 Setup de teste
O setup de teste foi pensado e desenvolvido especificamente para a realização de
medições do ponto de vista estático, tendo em consideração as dimensões da placa
ilustrada na figura 4.1. A sua estrutura é constituída na sua totalidade em acrílico
apresentando três faces quadradas (10×10 cm) ligadas entre si. No interior destas foi
colocada uma outra placa de acrílico situada exatamente a meio da estrutura. O setup
que serviu de suporte aos testes é demonstrado na figura 4.5.
Figura 4.5: Setup de teste para caracterização estática: a) Vista frontal; b) Vista superior.
Como pode ser observável pela figura 4.5(a), foram colocadas duas ranhuras na
parte superior das faces laterais da estrutura. Estas servem de suporte para o provete de
teste mantendo esses dois pontos da placa fixos durante a sua deformação. Nestas
ranhuras foram coladas duas borrachas, ilustradas na figura 4.5(a) a cor-de-laranja,
39
fornecendo uma menor rigidez nestes pontos, comparativamente com o acrílico, de
modo a não danificar os componentes.
No interior da estrutura foi inserido um parafuso situado na parte frontal, a meio do
comprimento das ranhuras, de forma a ficar centrado com o provete de teste. Este é o
elemento capaz de provocar uma curvatura na placa, podendo esta operação ser
executada manualmente devido às dimensões do parafuso. Na parte posterior está
presente um bloco em madeira, onde foi colado papel milimétrico devidamente centrado
com as ranhuras, de modo a observar o deslocamento vertical. Na figura 4.6 é exibido o
funcionamento deste setup de teste.
Figura 4.6: Ilustração do funcionamento do setup de teste: Vista frontal; b) Vista superior.
40
4.3.2 Sensores FLX-01
As medições obtidas do comprimento de onda refletido pelo FBG, quando o
sistema sofre uma deformação, são usualmente relacionadas com a elongação do sensor.
Deste modo foram utilizados dois sensores FLX-01 (Sparkfun SEN-08606) colados
adjacentemente ao PDMS, como ilustrado na figura 4.1. Estes são sensores resistivos
bastante simples, denotando uma variação da sua resistência quando são defletidos. Este
modelo dos sensores apresenta uma resistência de 10 kΩ como referência, podendo esta
diminuir ou aumentar consoante o lado do sensor que é curvado. Desta forma os
sensores foram colados na placa contrariamente um ao outro, ou seja, com as faces
iguais em sentidos opostos. As duas faces dos sensores utilizados podem ser vistos na
figura 4.7.
Figura 4.7: Sensor FLX-01 Sparkfun SEN-08606.
A configuração destes sensores no sistema de teste leva a que um deles diminua a
sua resistência (R1) e o outro aumente (R2), quando o parafuso provoca uma deformação
na placa. Antes de se incorporarem os sensores no sistema, foi necessária recolher
antecipadamente algumas informações imprescindíveis para alcançar a elongação
sofrida pelo FBG. As resistências reais dos sensores em plano e quando curvados a 90º
foram medidas, sendo ilustradas na tabela 4.1. Tabela 6Ta bela 7 Tabel a 8Ta bela 9
Tabela 4.1: Resistências reais dos sensores FLX-01 Sparkfun SEN-08606.
R1 (kΩ) R2 (kΩ)
0º 10.48 10.49
90º 9.68 14.72
As resistências reais para 0º são semelhantes e um pouco maiores que a referência
(10 kΩ), denotando comportamentos diferentes na variação crescente e decrescente da
resistência. Para 90º, R1 diminui significativamente pouco em comparação com o
aumento verificado em R2. A partir dos dados da tabela 4.1 foi possível alcançar os
gráficos da figura 4.8, onde são retiradas as equações de R1 e R2.
41
Figura 4.8: Gráficos da variação da resistência em R1 e R2.
Através dos gráficos apresentados é possível obter a equação dos dois sensores em
relação ao ângulo de curvatura (ϴ ϵ[0o,90o]). As equações obtidas são as seguintes:
R1 = 10.48 + Aθ (4.1)
R2 = 10.49 + Bθ (4.2)
em que A e B representam o declive das retas, sendo obtidos pelas seguintes expressões:
A =
9.68 − 10.48
90 (4.3)
B =
14.72 − 10.49
90 (4.4)
Após obter estas informações preliminares, os sensores FLX-01 foram colocados
na placa e conectados a um divisor de tensão da seguinte forma:
Figura 4.9: Divisor de tensão dos sensores FLX-01.
Os sensores FLX-01 são posicionados desta forma no divisor de tensão, de modo a
que a tensão de saída (Vout) aumente com a maior curvatura da fibra ótica. A sua
expressão é dada pela equação 4.5.
42
Vout =
R2R1 + R2
Vdd (4.5)
Utilizando esta equação e substituindo R1 e R2 com as equações 4.1 e 4.2,
respetivamente, obtêm-se:
Vout =
10.49 + Bθ
10.48 + Aθ + 10.49 + BθVdd (4.6)
Rearranjando a equação 4.6 em função de ϴ, torna-se possível obter o ângulo de
curvatura (Figura 4.10) sabendo apenas os valores da tensão de entrada e saída do
divisor de tensão.
θ =10.49Vdd − 20.9Vout(A + B)Vout − BVdd
(4.7)
Após obter o valor do ângulo e analisando a figura 4.10, onde é demonstrada a
deformação causada na fibra embebida em PDMS, pode-se alcançar a elongação sofrida
no centro da fibra através de alguns cálculos.
Figura 4.10: Ilustração da curvatura do sensor FBG embebido em PDMS.
De forma a perceber melhor a figura 4.10, os diferentes parâmetros exibidos na
imagem são explicados. A variável R indica a distância até ao material, sendo H e Ф a
espessura do PDMS e da fibra ótica, respetivamente. As quatro variáveis d simbolizam a
curvatura nos diferentes pontos do sistema. Estas são dadas pelas seguintes equações:
43
𝑑1 = 𝑅𝜃 (4.8)
𝑑2 > 𝑑1 →𝑑2 = (𝑅 + 𝐻)𝜃 (4.9)
𝑑3 > 𝑑2 > 𝑑1 →𝑑3 = (𝑅 + 𝐻 +Ф)𝜃 (4.10)
Como os sensores estão inseridos no núcleo da fibra é calculada a curvatura no seu
centro, representada na figura 4.10 por dc, obtendo-se:
dc =
d2 + d32
= (R + H +Ф
2)θ (4.11)
A variação da curvatura ao longo do processo de deformação é dada pela seguinte
expressão:
∆𝑑 = 𝑑𝑐 − 𝑑1 = (𝐻 +Ф
2)𝜃 (4.12)
Esta variação fica assim dependente do valor do ângulo de curvatura, uma vez que
os valores do diâmetro da fibra (Ф = 125 µm) e do PDMS (0.9 mm) são fixos. Assim o
valor de H é conhecido e dado por:
𝐻 =
0.9 ∗ 10−3 −Ф
2 (4.13)
Obtida a variação da curvatura no centro da fibra é possível obter o deslocamento
axial que esta sofre durante o processo de medição. A elongação do FBG (εΔ) é dada em
percentagem e obtida pela seguinte equação:
𝜀∆ =∆𝑑
𝑑0∗ 100% (4.14)
em que d0 representa o comprimento do sensor quando está em repouso, sendo neste
caso de 8 mm.
4.3.3 Software e Hardware de Leitura (Tensão)
A saída do divisor de tensão dos dois sensores FLX-01 (Vout) necessita de hardware
e software capazes de fazer a leitura e guardar a informação para posterior análise.
Neste sentido, foi utilizado um Arduino Mega 2560 para fazer a ligação com o
computador e fornecer a tensão de entrada para o circuito (Vdd). Com o suporte do
44
software do Arduino foi feito um pequeno código para a leitura da informação e para
definir a frequência de transmissão de dados. Esta frequência é importante, uma vez que
tem que ser igual à frequência utilizada na medição do comprimento de onda. Recorreu-
se ainda à utilização de um filtro passa-baixo com o objetivo de diminuir ao máximo o
ruído do sistema.
A visualização da tensão é conseguida através de um pequeno programa em
LabVIEW que converte a informação vinda do Arduino (bits). Esta conversão é
posteriormente apresentada num gráfico, sendo os valores da tensão automaticamente
guardados em ficheiro. Na figura 4.11 é exibido o programa LabVIEW utilizado.
Figura 4.11: Painel do programa LabVIEW para leitura da tensão.
4.3.4 Teste à temperatura ambiente
O primeiro teste experimental com o objetivo de caracterizar estaticamente o
sensor FBG passou por provocar uma deformação na placa de teste utilizando o setup
demonstrado anteriormente. O parafuso foi girado de forma manual, provocando a sua
subida até a distância máxima de 8 mm. O FBG utilizado apresenta um comprimento de
onda de Bragg (𝜆B) de 1552.43 nm correspondente à posição horizontal e inicial (ϴ=0º)
do provete de teste. Os gráficos foram obtidos em função da variação do comprimento
de onda Δ𝜆,tendocomoreferênciaocomprimentodeondadeBragg(porexemplo,
Δ𝜆=𝜆-𝜆B).
45
Os valores do comprimento de onda e da tensão foram recolhidos e posteriormente
analisados utilizando a ferramenta Excel. Após realizados todos os cálculos de modo a
obter o deslocamento axial do FBG, é apresentada em gráfico a variação do
comprimento de onda refletido (Δ𝜆) em função da sua elongação (εΔ). Foram realizadas
cinco medições nas mesmas condições, sendo estas apresentadas na figura 4.12.
Figura 4.12: Gráfico das cinco medições mostrando a variação do comprimento de onda em relação ao
deslocamento na direção axial do FBG.
As equações das medições de comprimento de onda em relação à elongação são
obtidas por regressão, podendo ser aproximadas a uma função polinomial de segunda
ordem:
∆𝜆 = 𝐴. 𝜀∆
2 + 𝐵. 𝜀∆ + 𝐶 (4.15)
As equações de regressão das cinco medições foram obtidas através de
funcionalidades da ferramenta Excel, assim como os respetivos coeficientes de
correlação (𝜌).
∆𝜆1 = −0.2486𝜀∆
2 + 1.4415𝜀∆ − 0.3039 → 𝜌1 = 0.9981
∆𝜆2 = −0.4141𝜀∆2 + 1.5755𝜀∆ − 0.2992 → 𝜌2 = 0.9971
∆𝜆3 = −0.4113𝜀∆2 + 1.6911𝜀∆ − 0.3928 → 𝜌3 = 0.9974
∆𝜆4 = −0.3546𝜀∆2 + 1.5741𝜀∆ − 0.3518 → 𝜌4 = 0.9980
∆𝜆5 = −0.2681𝜀∆2 + 1.3824𝜀∆ − 0.3087 → 𝜌5 = 0.9984
(4.16)
46
Após obter as diferentes equações e os coeficientes de correlação, foram calculadas
as suas médias, de modo a obter a equação geral de regressão que caracteriza o
comportamento do sensor.
∆𝜆 = −0.3504𝜀∆2 + 1.5329𝜀∆ − 0.3202 → = 0.9978 (4.17)
Esta equação está representada na figura 4.13, onde pode ser comparada com a
média das cinco medições efetuadas.
Figura 4.13: Gráfico da média das medições e das equações de regressão.
Conforme observado no gráfico da figura 4.13, a média das medições é
praticamente coincidente com a média das equações de regressão. Considerando isto, e
com um coeficiente de correlação bastante elevado (próximo de 1), pode-se concluir
que a equação 4.17 aproxima razoavelmente o comportamento estático do sensor à
temperatura ambiente.
O FBG inserido em PDMS pode assim ser utilizado para monitorizar estruturas em
que uma curvatura ou deslocamento estejam presentes.
4.3.5 Testes às Restantes Temperaturas
O teste anterior foi repetido após expor o protótipo do FBG em PDMS a diferentes
temperaturas. Estes testes foram efetuados com o intuito de analisar a influência da
temperatura no material e nos resultados lidos pelo sensor. Inicialmente, o protótipo foi
47
colocado num forno à temperatura de 150 °C durante duas horas, sendo depois
realizadas as cinco medições como no primeiro caso. Este processo foi repetido em
escalões de 10 °C até à temperatura máxima que o PDMS teoricamente consegue
suportar (200 °C). As médias das medições para cada temperatura estão ilustradas no
gráfico da figura 4.14.
Figura 4.14: Gráfico da média das medições após exposto o protótipo a diferentes temperaturas.
As equações de regressão da média das medições das diferentes temperaturas são
as seguintes:
∆𝜆150 = −0.3807𝜀∆
2 + 1.7344𝜀∆ − 0.4321 → = 0.9955
∆𝜆160 = −0.3481𝜀∆2 + 1.8363𝜀∆ − 0.7321 → = 0.9985
∆𝜆170 = −0.9041𝜀∆2 + 2.5683𝜀∆ − 0.6221 → = 0.9983
∆𝜆180 = −0.7947𝜀∆2 + 2.5544𝜀∆ − 0.7331 → = 0.9977
∆𝜆190 = −0.8073𝜀∆2 + 2.3851𝜀∆ − 0.8234 → = 0.9958
∆𝜆200 = −0.8863𝜀∆2 + 2.7255𝜀∆ − 1.118 → = 0.9946
(4.18)
Utilizando estas equações foram obtidas as diferentes curvas de regressão para cada
temperatura, ilustradas no gráfico da figura 4.15. Neste pode-se comparar as diferentes
ondas, tendo como referência a média das equações à temperatura ambiente (∆𝜆𝑇𝐴).
Com o aumento da temperatura verifica-se que no início do processo o comprimento de
onda refletido vai baixando, assim como para a máxima elongação. Todavia, isso não é
problema graças à natureza auto-calibradora do processo de medição com FBGs. No
48
caso da máxima elongação, com o aumento da temperatura denota-se uma diminuição
da sensibilidade do sensor, definida por:
𝑆 =𝜕
𝜕𝜀∆(∆𝜆) (4.19)
Este é o declive da função Δ𝜆=Δ𝜆(εΔ). O caso mais extremo ocorre a 200 °C, onde
a sensibilidade do FBG é praticamente nula a partir da máxima elongação reproduzida
na figura 4.15 (εΔ = 1.549 %).
Figura 4.15: Gráfico das retas de regressão das diferentes temperaturas.
4.4 Caracterização Dinâmica
A análise da resposta dinâmica do sensor foi conseguida através da realização de
diferentes testes, de modo a avaliar a sua precisão e consistência. Neste contexto, foi
utilizado um setup de teste capaz de provocar uma vibração com uma frequência pré-
definida para simular o comportamento do FBG quando colocado em plataformas
oscilantes. A caracterização dinâmica dividiu-se assim em dois testes distintos. O
primeiro consiste em aplicar à placa de teste uma vibração com algumas frequências
fixas, sendo no segundo teste provocada uma variação da frequência. No primeiro caso
foram ainda repetidos os testes após aquecer o material a diferentes temperaturas, como
no procedimento da caracterização estática.
49
4.4.1 Setup de Teste
A fim de analisar o comportamento dinâmico do FBG, foi montada uma
configuração de teste capaz de produzir sinais sinusoidais com amplitude e frequência
variável, traduzindo-as em movimento. A onda sinusoidal é gerada por um excitador de
vibração programável (Brüel & Kjael Vibration Exciter Control Type 1050), sendo
definidos todos os parâmetros pelo utilizador. O sinal gerado é em seguida amplificado
por um amplificador de potência (Brüel & Kjael Power Amplifier Type 2706), que por
sua vez aciona um shaker (PM Vibration Exciter Type 4806) responsável pela vibração.
Estes três componentes do setup de teste estão exibidos na figura 4.16.
Figura 4.16: Componentes do setup de teste dinâmico: a) Excitador de vibração programável; b)
Amplificador de potência; c) Shaker vibracional.
A placa de teste foi ligada numa das suas extremidades ao shaker através de um
parafuso colocado na sua zona central. A outra extremidade da placa foi fixada com a
ajuda de um torno, permitindo que as vibrações provocadas pelo shaker sejam aplicadas
uniformemente sobre o provete de teste com o FBG. Na ponta superior do parafuso que
liga o shaker à placa de teste foi colocado um acelerómetro (Brüel & Kjaer
Accelerometer Type 4371) com ligação ao excitador de vibração. Esta ligação cria um
circuito de realimentação de malha fechada para controlar o deslocamento do shaker. A
50
figura 4.17 ilustra a forma como a placa de teste foi fixada nas suas extremidades para a
realização dos diferentes testes.
Figura 4.17: Setup de teste dinâmico: a) Vista lateral; b) Vista Superior.
Este setup de teste, conforme a figura 4.17, foi utilizado na realização dos
diferentes testes dinâmicos, ou seja, com frequência fixa e variável.
4.4.2 Teste Dinâmico (Frequência Fixa)
A caracterização dinâmica do FBG recorrendo a uma frequência fixa baseou-se na
realização de vários testes a diferentes amplitudes e frequências. Na fase inicial, os
testes foram efetuados após a saída do sensor da fase de integração em PDMS, sendo
51
designados por testes à temperatura ambiente. Posteriormente, o protótipo foi exposto a
diferentes temperaturas, e repetidos os testes para uma frequência e amplitude definidas,
com o intuito de analisar o comportamento do sensor e do material envolvente.
4.4.2.1 Testes à Temperatura Ambiente
Os testes realizados consistiram em provocar uma vibração no shaker aplicando um
sinal sinusoidal com uma frequência e amplitudes fixas. Foram efetuados vários testes,
tendo sido escolhidas três frequências (5, 10 e 25 Hz) e obtidos os gráficos da variação
do comprimento de onda do sensor. Para cada uma das frequências, foram selecionadas
três amplitudes distintas (1, 3 e 6 mm). Os gráficos apresentam a variação do
comprimento de onda em função do tempo, sendo os dados recolhidos pelo programa
LabVIEW, conforme demonstrado na secção 4.2. Os dados foram obtidos a uma
frequência alta (1.143 kHz), sendo selecionado o dobro do número de amostras (2286),
perfazendo um tempo de total de amostragem de dois segundos. No entanto, os gráficos
apresentam a variação do comprimento de onda em apenas meio segundo, para tornar
percetíveis os sinais sinusoidais de maiores frequências. Utilizando estes dados, foram
feitas as diferentes FFT (Fast Fourier Transform) para cada uma das frequências e
amplitudes pré-definidas. As FFT apresentam um pico dominante na frequência da onda
sinusoidal da variação do comprimento de onda.
Frequência = 5 Hz
Figura 4.18: Gráfico da variação do comprimento de onda para uma oscilação do shaker a uma
frequência de 5 Hz e amplitudes de 1, 3 e 6 mm
52
Figura 4.19: Representação da FFT para uma frequência de 5 Hz e amplitudes de 1, 3 e 6 mm.
A FFT da figura 4.19 demonstra um pico predominante na frequência de 5 Hz e
alguns picos secundários presentes de 5 em 5 Hz. Estes picos secundários representam a
não linearidade produzida pelo shaker e pelo sistema de suporte. A alta sensibilidade do
sensor permite a sua deteção e quantificação. O grau de não linearidade introduzido no
sistema é um indicador numérico e pode ser definido de acordo com as amplitudes do
pico principal (A1) em relação aos picos secundários (A2 e A3). Como os gráficos das
FFTs são apresentados em magnitude, esta relação passa pela divisão da amplitude do
pico principal pelos picos secundários que sejam relevantes. Quanto maior for este
valor, maior será a diferença entre os picos e consequentemente será menor a não
linearidade introduzida no sistema.
Neste caso, a amplitude do terceiro pico (A3) é relevante, uma vez que é maior que
a do segundo. Considerando isto, a tabela 4.2 sumariza a relação do pico dominante
com os picos secundários das três amplitudes de entrada (1, 3 e 6 mm).
Tabela 4.2: Relação do pico dominante e picos secundários para as amplitudes de 1, 3 e 6 mm à
frequência de 5 Hz.
Amplitude
[mm] A1 A2 A3 A1/A2 A1/A3
1 0.029 0.002 0.003 14.5 9.67
3 0.076 0.011 0.011 6.9 6.9
6 0.131 0.022 0.033 5.9 3.97
53
Frequência = 10 Hz
Figura 4.20: Gráfico da variação do comprimento de onda para uma oscilação do shaker a uma
frequência de 10 Hz e amplitudes de 1, 3 e 6 mm.
Figura 4.21: Representação da FFT para uma frequência de 10 Hz e amplitudes de 1, 3 e 6 mm..
Neste caso, a FFT demonstra os picos dominantes para as diferentes amplitudes na
frequência de 10 Hz. Os picos secundários são menos relevantes comparativamente com
a FFT de 5 Hz, especialmente o terceiro pico, podendo este (e pela mesma razão, os de
ordem superior) ser desprezado. Assim a tabela 4.3 exibe a relação do pico dominante e
do segundo pico para as três amplitudes de entrada.
54
Tabela 4.3: Relação do pico dominante e pico secundário para as amplitudes de 1, 3 e 6 mm à frequência
de 10 Hz.
Amplitude
[mm] A1 A2 A1/A2
1 0.041 0.0018 22.7
3 0.11 0.0046 23.9
6 0.17 0.011 15.5
Frequência = 25 Hz
Figura 4.22: Gráfico da variação do comprimento de onda para uma oscilação do shaker a uma
frequência de 25 Hz e amplitudes de 1, 3 e 6 mm.
Figura 4.23: Representação da FFT para uma frequência de 25 Hz e amplitudes de 1, 3 e 6 mm.
55
A FFT da figura 4.23 demonstra o pico principal na frequência pré-definida, ou
seja, de 25 Hz. Nesta frequência o terceiro pico continua a ser mais baixo que o
segundo, podendo ser desprezado. Na tabela 4.4 são exibidas as relações do pico
principal e o pico secundário para as diferentes amplitudes a uma frequência de 25 Hz.
Tabela 4.4: Relação do pico dominante e pico secundário para as amplitudes de 1, 3 e 6 mm à frequência
de 25 Hz.
Amplitude
[mm] A1 A2 A1/A2
1 0.022 0.0015 14.7
3 0.100 0.023 4.35
6 0.213 0.051 4.18
Analisando todos os gráficos das FFTs para as diferentes frequências, observa-se
que o seu pico predominante coincide sempre com a frequência induzida no sistema (5,
10 e 25 Hz). Nos três casos, a variação do comprimento de onda aumenta com uma
maior amplitude aplicada (1, 3 e 6 mm). Estes dois parâmetros permitem concluir que o
sensor apresenta uma resposta dinâmica linear ao movimento induzido no sistema.
Assim sendo, o FBG embebido em PDMS pode ser utilizado em sistemas onde ocorra
uma variação oscilatória da sua estrutura.
4.4.2.1 Testes às Restantes Temperaturas
Conforme os ensaios realizados à temperatura ambiente, foi selecionada uma
frequência (10 Hz) e uma amplitude (3 mm) para se repetirem os testes após a
exposição do sensor inserido em PDMS a diferentes temperaturas. O processo utilizado
foi o mesmo que na caracterização estática, aquecendo o protótipo a temperaturas
compreendidas entre 150 e 200 °C, com incremento de 10 °C. As diferentes FFTs para
10 Hz e 3 mm foram obtidas para cada temperatura e ilustradas na figura 4.24.
56
(a)
(b)
(c)
57
(d)
(e)
(f)
Figura 4.24: FFT para uma frequência de 10 Hz e amplitude de 3 mm após exposto o protótipo à
temperatura de: a) 150 °C; b) 160 °C; c) 170 °C; d) 180 °C; e) 190 °C; f) 200 °C.
58
As FFTs para as diferentes temperaturas apresentam um pico dominante
praticamente constante e próximo da frequência desejada (10 Hz). A tabela 4.5 mostra a
magnitude do pico dominante (A1) de cada FFT para todas as temperaturas.
Tabela 4.5: Magnitudes dos picos dominantes para as diferentes temperaturas.
Temperatura
[ºC]
Pico Dominante
(A1)
150 0.131
160 0.148
170 0.155
180 0.170
190 0.176
200 0.231
Após expor o PDMS a elevadas temperaturas, verifica-se que o sensor continua a
detetar corretamente a oscilação provocada pelo shaker, mantendo a boa resposta
dinâmica perante um determinado movimento. Observando a tabela 4.5, denota-se que a
magnitude das diferentes FFTs apresenta uma ordem crescente com o aumento da
temperatura.
4.4.2 Teste Dinâmico (Variação Linear da Frequência)
O teste com a variação linear da frequência oscilatória foi realizado com o objetivo
de obter uma caracterização dinâmica mais completa. Neste sentido, foram realizados
nove testes com a frequência a aumentar 5 Hz linearmente em cada um, tendo como
mínimo os 5 Hz e o máximo os 50 Hz.
Para representação gráfica considerou-se o intervalo inicial (5-10 Hz), central (25-
-30 Hz) e o final (45-50 Hz). No entanto o gráfico ficaria muito grande e pouco
percetível, sendo selecionados os primeiros 0.6 segundos de cada intervalo para
visualização. Na figura 4.25 é apresentada a variação da frequência para as diferentes
partes de cada intervalo.
59
Figura 4.25: Representação da variação do comprimento de onda em função do tempo de três partes do
sinal adquirido.
As FFTs foram obtidas consoante a totalidade dos três intervalos, estando ilustradas
na figura 4.26.
Figura 4.26: Representação das FFTs de três partes do sinal adquirido.
As FFTs demonstradas na figura 4.26 apresentam uma equidistância entre os seus
picos dominantes como desejado, uma vez que os intervalos de frequência em termos de
incremento encontram-se à mesma distância entre si.
Este teste, com frequência variável, confirma a boa resposta do sensor quando
presente com um determinado movimento.
60
4.5 Degradação Visual com a Temperatura
O protótipo do FBG inserido em PDMS foi exposto a elevadas temperaturas
consecutivamente até 200 °C. Durante todo este processo, o PDMS não se deformou,
relativamente à sua estrutura, e manteve a ligação com a fibra. Visualmente, a única
alteração no PDMS foi o seu escurecimento, ganhando uma tonalidade acastanhada,
principalmente após ter sido exposto às temperaturas mais elevadas (190 e 200 °C). A
comparação do protótipo antes e depois do processo de aquecimento é demonstrada na
figura 4.27.
Figura 4.27: Protótipo do FBG inserido em PDMS: a) Antes do primeiro aquecimento; b) Após
aquecimento a 200 °C.
A fibra ótica que juntamente com o protótipo foi colocada no forno durante o
aquecimento, também ganhou uma tonalidade acastanhada, não denotando qualquer
deformação na sua estrutura. A figura 4.28 mostra apenas o protótipo e a fibra após a
exposição à temperatura.
61
Figura 4.28: Fibra ótica e protótipo do FBG inserido em PDMS após exposição à maior temperatura
(200 °C).
63
CAPÍTULO 5
Conclusões e Trabalho Futuro
Esta dissertação apresenta o fabrico e caracterização de um sensor composto por
um FBG embebido num material flexível. O material flexível selecionado foi o PDMS.
Algumas das razões por trás da seleção incluem a sua elevada elasticidade e
flexibilidade, boa propriedade dielétrica, resistência ao calor e à chama e estrutura
intacta numa gama larga de temperaturas. Além disto, a sua simplicidade e baixo custo
foram outros parâmetros fundamentais na sua escolha.
O processo de embebimento do FBG em PDMS foi abordado, tendo igualmente
sido demonstradas as suas diferentes etapas. O FBG usado foi criado utilizando o
método da máscara de fase, centrado nos 1552.43 nm (𝜆B). O FBG situa-se no interior
do núcleo da fibra ótica, tendo esta sido embebida em PDMS com auxílio de um setup
de fabrico. A fibra foi centrada na cavidade do setup, sendo esta preenchida com o
PDMS e um agente endurecedor, ambos no estado liquido. O passo final deste processo
centrou-se na solidificação do material, colocando o setup num forno à temperatura de
85 °C durante uma hora. Após o fabrico do sensor, a caracterização estática e dinâmica
foi efetuada.
A caracterização estática do sensor foi conseguida com recurso a uma estrutura
criada especificamente para este efeito. A placa de teste, com o sensor fixado, foi
colocada na estrutura, sofrendo uma deformação induzida manualmente com o auxílio
de um parafuso. A variação do comprimento de onda refletido (𝜆-𝜆B) em função da
elongação sofrida pelo sensor foi obtida. Foram realizados cinco testes nas mesmas
condições com um deslocamento vertical máximo de 8 mm. A média das equações de
regressão das cinco medições foi obtida, assim como dos diferentes coeficientes de
correlação. Esta foi comparada com a média das medições e verificado que apresentam
curvas bastante similares. Isto, conjuntamente com um coeficiente de correlação
próximo de 1, permite afirmar que a média das equações aproxima razoavelmente o
comportamento estático do sensor à temperatura ambiente.
Ainda no âmbito da caracterização estática, o protótipo do sensor foi exposto a
elevadas temperaturas e posteriormente repetidos os testes nas mesmas condições.
64
Verificou-se uma diminuição do comprimento de onda refletido na fase inicial e final
dos testes com o aumento da temperatura. Após sujeitar o sensor à temperatura máxima
de 200 °C, a sensibilidade torna-se praticamente nula para uma elongação superior a
1.488 %.
A caracterização dinâmica do sensor dividiu-se em dois testes distintos. O primeiro
consistiu na aplicação de uma frequência fixa e o segundo numa variação linear da
frequência. Para a realização de ambos, foi utilizado um setup composto por um
excitador de vibração programável ligado a um amplificador de potência, que por sua
vez aciona um shaker responsável pelo movimento oscilatório. A placa de teste foi
ligada numa das suas extremidades ao centro do shaker, sendo a outra extremidade
presa a um torno.
No primeiro teste foram aplicados três sinais com frequências de trabalho fixas (5,
10 e 25 Hz) e diferentes amplitudes (1, 3 e 6 mm), tendo sido obtida a variação do
comprimento de onda refletido em função do tempo. As FFTs demonstram a existência
de um pico dominante nas frequências de trabalho a todas as amplitudes. Isto demonstra
que o sensor responde coerentemente a um movimento oscilatório de uma estrutura. Tal
como na caracterização estática, o sensor foi exposto a elevadas temperaturas e
repetidos os testes. Neste caso selecionou-se apenas uma frequência (10 Hz) e uma
amplitude (3 mm), obtendo-se as diferentes FFTs. Verifica-se que com o aumento da
temperatura, o pico dominante fica sempre próximo dos 10 Hz, ou seja, o sensor
continua a seguir de forma coerente o movimento oscilatório, não obstante a exposição
a elevadas temperaturas.
Para completar a caracterização dinâmica do sensor foi realizado um teste com uma
variação linear da frequência. A frequência mínima selecionada foi de 5 Hz, tendo sido
aumentada linearmente até 50 Hz em intervalos de 5 Hz. As FFTs de três intervalos à
mesma distância de frequência foram realizadas, podendo-se a observar a equidistância
entre os seus picos dominantes. Isto comprova que FBG embebido no PDMS é capaz de
monitorizar estruturas onde outros tipos de oscilações ou vibrações estejam presentes.
Relativamente ao trabalho futuro, e para capitalizar o fabrico, trabalho
experimental e os resultados obtidos, propõe-se a realização de um protótipo capaz de
medir simultaneamente deformações em dois eixos ortogonais. Para este efeito, utiliza-
se um procedimento semelhante ao utilizado nas rosetas de extensómetros [34]. Esta
configuração é apresentada na figura 5.1.
65
Figura 5.1: Ilustração de uma roseta de extensómetros.
Neste sentido utilizar-se-iam três FBGs com comprimento de onda de Bragg
diferentes (𝜆1, 𝜆2 e 𝜆3) e devidamente embebidos em PDMS. A fibra onde cada um dos
sensores está incorporado sairia do material para possibilitar a fusão entre eles. Esta
configuração é demonstrada na figura 5.2.
Figura 5.2: Ilustração de uma roseta de FBGs inseridos em PDMS
Espera-se portanto com esta configuração, conforme a figura 5.2, a monitorização
de deslocamentos em dois eixos ortogonais. Desta forma seria possível obter uma
informação mais pormenorizada da deformação sofrida por uma estrutura.
67
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