Comparação de medições utilizando extensômetros elétricos e por fibra óptica

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1 Comparação de medições utilizando extensômetros elétricos e por fibra óptica João Carlos Sávio Cordeiro 1, Luiz Eduardo Lopes 1, Mario L. Pereira Filho 2, Antonio F. G. Ferreira Jr 2 1 Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo Laboratório de Equipamentos Mecânicos e Estruturas, São Paulo, Brasil, 2 Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo Laboratório de Equipamentos Elétricos e Ópticos, São Paulo, Brasil 1 leme@ipt.br ; 2 leo@ipt.br Resumo: Este trabalho apresenta medidas de deformação de uma estrutura mecânica especialmente desenvolvida utilizando simulação computacional para permitir a comparação de duas técnicas de extensometria: a elétrica e a FBG. Foram estudadas duas formas distintas para adesivação dos sensores FBG e seus resultados foram comparados aos de extensometria elétrica. Palavras-chave: extensometria; tensão mecânica; FBG; fibra óptica. Abstract: This work presents the deformation values measured on a specially designed device that allowed the comparison between two distinct strain-gage technologies: electric and optical strain-gages. The sensors were bonded to the substrate by means of two different methods. Eventually the performance of both sensors was compared with each other. Keywords: strain-gage technology, stress, FBG, optical fiber 1

2 1. INTRODUÇÃO A técnica de monitoramento de tensões mecânicas através da utilização de sensores FBG (Fiber Bragg Grating) [1] tem como princípio a construção de uma grade de interferência na estrutura do núcleo da fibra ótica que impõe a reflexão de um comprimento de onda específico do espectro luminoso incidente em sua entrada [2]. A execução desta grade utiliza a técnica de interferência entre dois feixes, cujas condições geométricas associadas às propriedades de foto sensibilidade do núcleo da fibra permitem definir a configuração do sensor FBG construído, bem como o seu comprimento de onda de operação [2]. Quando a grade de interferência da fibra sofre a influência de alterações dimensionais em sua estrutura, por conta de deformações mecânicas devidas a esforços de tração, compressão ou dilatação térmica, há uma alteração proporcional no valor do comprimento de onda inicialmente refletido. [2-3]. A existência de outros parâmetros que podem alterar o comprimento de onda da luz refletida pelo sensor FBG (como a polarização da luz da fonte) pode ser controlada através de cuidados no sistema de interrogação [2]. O uso sensores FBG tem se destacado pelos benefícios a eles associado, como imunidade à interferência eletromagnética, não necessitar de energia elétrica no sensor, não apresentar risco de faiscamento [4], tornando possível sua utilização em ambientes explosivos [5], além de possibilitar a estruturação de complexas malhas de medição. Contudo, por se tratar de um sensor que deve ser colado à estrutura que se quer monitorar, são necessários cuidados durante sua instalação para que, agora como parte integrante da estrutura, atenda à expectativa de vida daquela. Nesta fase o adesivo e a proteção utilizados exercem grande influência no processo [6]. O conhecimento das combinações de adesivo e proteção adequados ao meio onde serão instalados é de vital importância ao sucesso da implantação de um programa de monitoramento de saúde estrutural (SHM) utilizando este tipo de sensor. O IPT dispõe de conhecimento consolidado na aplicação de extensômetros elétricos ( strain gages ) [7-13] que pode ser usado na área de monitoramento com sensores FBG. Para a consolidação do uso da técnica FBG em processo de monitoramento de saúde estrutural, este trabalho se propõe a avaliar o comportamento de duas diferentes técnicas de colagem aplicadas a sensores do tipo FBG como também a extensômetros elétricos comuns. É verificado o comportamento de ambos quando submetidos a ambiente com temperatura de 55ºC, como também a ambiente com alto índice de umidade relativa. Os dados provenientes destes ensaios são comparados aos resultados de uma análise de elementos finitos aplicada ao sistema modelado. 2. MÉTODOS Para a comparação das medidas da extensometria elétrica e a FBG foi idealizado um dispositivo de teste com uma geometria tal que possuísse uma região com grande uniformidade na distribuição de tensão mecânica; de forma que eventuais erros de posicionamento durante o processo de colagem dos sensores não proporcionasse alterações significativas nos valores medidos. Este dispositivo também deveria apresentar grande sensibilidade, de tal forma que a montagem com a aplicação de pesos mortos pudesse ser feita em bancada. O desenho de montagem deste dispositivo, com a placa triangular de alumínio onde os sensores foram colados, e suas dimensões principais, é mostrado na figura 1. Após a definição da estrutura, foram instrumentadas 2

3 duas placas triangulares, para atender a condições distintas: uma foi submetida à temperatura de 55ºC e a outra permaneceu em câmara com umidade relativa entre 90% e 98%, sem condensação. As medições de deformação nas placas, quando submetidas a três patamares de carregamento, foram feitas ao longo de 98 dias, para o caso de temperatura elevada, e durante 46 dias, para o caso de umidade relativa elevada. Figura 1- Geometria do dispositivo Simulação Computacional A simulação computacional do comportamento da estrutura sob diferentes carregamentos foi feita através do método de análise de elementos finitos, na plataforma NASTRAN. Apesar de a geometria da placa utilizada como base para a aplicação dos sensores ser relativamente simples, foi avaliada a influencia do elemento de malha bem como suas dimensões nos resultados obtidos na simulação, objetivando a adequação à resolução espacial requerida pelo posicionamento dos sensores. Na figura 2 encontram-se indicados o ponto de carregamento e a região escolhida para receber os sensores. As regiões coloridas indicam os níveis de tensão mecânica (na direção Y) associados ao carregamento simulado. Ponto de carregamento Figura 2- Indicação do ponto de carregamento e da região instrumentada. A fim de avaliar a homogeneidade das tensões mecânicas aplicadas aos sensores, foi feito um levantamento com base no posicionamento destes na placa. A figura 3 mostra os pontos onde foram colados os sensores e seus respectivos níveis de tensão mecânica são mostrados na tabela 1, para um caso de carregamento. Os resultados apresentados na tabela 1 evidenciam a adequação deste dispositivo aos propósitos da investigação. Estes valores foram utilizados como referencia durante a parte experimental. Tabela 1- Tensão calculada pela simulação de elementos finitos nos pontos de instrumentação. Ponto de medição Tensão (MPa) 25 50, ,845 Linha de simetria da placa Centro dos sensores. Ponto 25 4 mm 4 mm Região Instrumentada Figura 3- Indicação dos pontos de instalação dos sensores no modelo. Y Ponto 26 Y 3

4 2.2. Instrumentação da Estrutura Os extensômetros elétricos e FBG foram colados na região dos pontos 25 e 26 descritos no item anterior. Com o propósito de avaliar dois tipos diferentes de adesivos, foram montados dois corpos de prova: em um deles os sensores foram colados com adesivo à base de cianoacrilato, e no outro foram colados com adesivo à base de epóxi. É sabido que adesivos à base de cianoacrilato possuem vantagens tais como: serem facilmente manuseados, exibirem baixo tempo de cura e apresentarem baixo custo, o que os torna uma boa escolha para ensaios de monitoramento estrutural de curta duração. Entre as desvantagens estão sua baixa resistência à umidade como também menor durabilidade e desempenho mais baixo. Os adesivos à base de epóxi são utilizados principalmente na fabricação de transdutores, onde se deseja alto desempenho e vida longa. São, porém, adesivos mais caros e sua utilização requer uma série de cuidados e equipamentos especiais [14]. Para este trabalho foram escolhidos estes tipos de adesivos devido a eles serem os mais utilizados nos trabalhos com extensometria. Vale ressaltar aqui que, neste estudo, os sensores FBG receberam o mesmo tratamento em sua colagem que os extensômetros elétricos, ou seja, o preparo das superfícies, a forma de colar o sensor e os procedimentos de pós-cura relativos ao uso de adesivo epóxi foram feitos em ambos. Desta forma buscou-se uma maior aproximação da utilização de sensores FBG aos métodos já consagrados de instalação de extensômetros elétricos. Os extensômetros elétricos usados são de fabricação da Kyowa Sensors, modelo KFG C1-23L2M3R e os extensômetros FBG são de fabricação da Micron Optics, modelo OS A proteção dos sensores foi feita com cera microcristalina e, no caso dos sensores submetidos à umidade, foi utilizada inicialmente uma proteção específica para este fim. Esta proteção foi, no decorrer dos testes, retirada, pois causou erros nas leituras das deformações, devido ao enrijecimento da placa triangular pela adição de diferentes camadas protetoras. A partir daquele momento os sensores mantiveram somente a camada de cera micro cristalina. A figura 4 mostra a placa triangular instrumentada com ambos os sensores e a figura 5 mostra um detalhe desta mesma placa. Figura 4- Placa Instrumentada. A figura 6 mostra o dispositivo de ensaio já montado, com o ponto de carregamento instalado e os sensores colados. Figura 5- Detalhe dos sensores. Ponto de carregamento. Figura 6- Dispositivo de ensaio. As placas receberam então a seguinte designação: CP01 Sensores colados com 4

5 adesivo à base de cianoacrilato; CP02 Sensores colados com adesivo à base de epóxi. O CP01 foi acondicionado em estufa com temperatura mantida em 55ºC. Ao fim de cada intervalo mostrado na tabela 2 aquele era retirado da estufa, montado no dispositivo mostrado na figura 6 e então submetido a três séries de carregamentos segundo a aplicação das massas indicadas na tabela 3, para verificar os níveis de deformação mecânica devidos à tração. A placa era então invertida para se repetir as medidas, agora devidas aos esforços de compressão. A este procedimento deu-se o nome de Tomada, representado também por n. O CP02 foi acondicionado em câmara com umidade relativa mantida entre 90% a 98%, sem condensação. Ao fim de cada intervalo mostrado na tabela 4 ele seguia os mesmos passos do CP01: montagem no dispositivo de ensaio e carregamentos segundo a tabela 3 e então invertido para levantar os esforços em regime de compressão. Tabela 2 Intervalos de medição do CP01. Tomada Duração(dias) Tabela 3- Massas utilizadas para os carregamentos da placa instrumentada. Massas para carregamento 1 suporte 50,22 ± 0,01g 2 m1 199,97g ± 0,01g 3 m2 500,10g ± 0,01g Cabe esclarecer aqui que o carregamento de 50,22g se refere ao suporte dos pesos mortos utilizados para fazer o carregamento da placa instrumentada. Tabela 4 Intervalos de medição do CP02. n Duração (dias) Prot Integral 2 16 Integral 3 8 Cera 4 7 Cera 3. RESULTADOS A partir dos dados obtidos nas três séries de carregamentos, foram geradas tabelas com o valor médio e o desvio padrão das tensões medidas. A tabela 5 apresenta o resultado deste procedimento para uma tomada de dados no caso de uso do adesivo de cianoacrilato. As análises posteriores foram feitas a partir dos dados obtidos com o carregamento de 500,10g. Os resultados são apresentados nas figuras numeradas de 7 a 10. Tabela 5 Tomada de dados para adesivo de cianoacrilato. n 3 Cianoacrilato - Tração Média Desvio Padrão Carr. FBG SG FBG SG (g) (µε) (µε) (µε) (µε) 0 0,70 0,30 0,00 0,14 50,22 61,00 58,77 0,71 0,21 199,97 299,53 292,50 0,41 0,16 500,10 662,00 649,20 0,82 0,43 Nestas figuras, além dos valores médios e dos desvios padrão para cada tomada de dados, foram também incluídos os valores de deformação obtidos pelo método de elementos finitos (FEA Finite Element Analysis). 5

6 Deformação (µε) Deformação (µε) Deformação (µε) Jornal da Metrologia Na figura 8 a tomada 1 não foi incluída por problemas de ordem experimental. Nas figuras 9 e 10 as tomadas 1, 2 e 3 referem-se aos sensores instalados com a proteção sugerida por fabricantes de extensômetros elétricos em casos de exposição a ambiente com alto índice de umidade relativa (proteção integral). Tal como foi dito anteriormente, esta proteção acabou por influenciar o comportamento da placa triangular tendo como resultado a leitura de valores de deformação menores do que os esperados. A proteção foi então retirada, permanecendo somente a camada de cera micro cristalina, que deu origem às tomadas 4 e 5. As figuras 7 e 8 ilustram o desempenho dos sensores colados com adesivo à base de cianoacrilato. No período observado não foi verificada nenhuma indicação de degradação da sensibilidade e também da repetibilidade das medidas obtidas nos sensores quando estes foram expostos a um ambiente com temperatura elevada. As figuras 9 e 10 possuem uma área em destaque que corresponde aos dados obtidos quando os sensores ainda estavam protegidos com os componentes recomendados pelo fabricante de extensômetros elétricos para o caso de exposição a ambiente com alto índice de umidade relativa. É notória a diferença entre os valores obtidos com esta proteção e aqueles obtidos a partir do momento em que a proteção foi retirada (tomadas 4 e 5). A indicação de degradação nesta amostra foi comprometida pela retirada da proteção dos extensômetros e consequente diminuição do número de tomadas válidas. Apesar disto, quando se compara a média dos valores obtidos nas tomadas 4 e 5 com a média daqueles obtidos quando do uso de adesivo à base de cianoacrilato, chega-se a uma diferença máxima da ordem de 3% que, no escopo deste trabalho, representa boa concordância. Figura 7 Desempenho dos sensores sob tração quando colados com cianoacrilato Tomada de dados FBG Figura 8 Desempenho dos sensores sob compressão quando colados com cianoacrilato Figura 9 Desempenho dos sensores sob tração quando colados com epóxi. SG Nastran Tomada de dados FBG SG Nastran Tomada de dados FBG prot SG prot SG cera FBG cera Modelo 6

7 Deformação (µε) Jornal da Metrologia Tomada de dados FBG prot SG prot SG cera FBG cera Modelo Figura 10 Desempenho dos sensores sob compressão quando colados com epóxi. 4. CONCLUSÃO E COMENTÁRIOS A utilização de extensômetros ópticos do tipo FBG vem sendo objeto de diversos estudos para comprovar sua viabilidade quando comparada à tecnologia já consolidada dos extensômetros elétricos. Este trabalho teve por finalidade comparar o desempenho destas duas tecnologias usando como base a dos extensômetros elétricos. Desta forma os sensores FBG foram colados e protegidos utilizando os mesmos materiais e técnicas empregados na utilização daqueles. Os resultados encontrados após mais de 2300 horas de exposição a ambiente com temperatura de 55 o C e mais de 1100 horas a ambiente com índice de umidade relativa de 90% a 98% sem condensação não permitiram identificar um comportamento de degradação que pudesse diferenciar as duas técnicas. O escopo deste trabalho limitou-se à aplicação de carregamentos estáticos, desta forma não foi estudada a degradação da resposta dos sensores quando submetidos a carregamentos cíclicos, bem como falhas devido à fadiga. O comportamento dos sensores quando submetidos a grandes deformações, superiores a 3000 µε, que é de interesse da área de materiais compostos, não foi avaliado neste trabalho pelas limitações impostas devido ao uso de alumínio como substrato para aplicação dos sensores. Também não foi avaliada neste trabalho a sensibilidade transversal do sensor FBG utilizado, e sua relação com a área onde o adesivo foi depositado. Tais estudos serão propostos durante a continuidade do projeto. 5. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao Instituto de Pesquisas Tecnológicas, que subsidiou este trabalho através do Projeto Interno A. Também agradecem à equipe da área de Instrumentação do Laboratório de Equipamentos Mecânicos e Estruturas, e à equipe do Laboratório de Equipamentos Elétricos e Ópticos, ambos pertencentes ao Centro de Tecnologia Mecânica, Naval e Elétrica do IPT. REFERÊNCIAS [1] Lee, Byoungho. Review of present status of optical fiber sensors. Optical Fiber Technology, v.9, 2003, p [2] Hill, K. O.; Meltz G. Fiber Bragg Grating Technology Fundamental and Overview. J. Lightwave Technology, v. 15, 1997, p [3] Guan, B. et al. Simultaneous Strain and Temperature Measurement Using a Superstructure Fiber Bragg Grating. IEEE Photonics Technology Letters, v. 12, n. 6, 2000, p [4] Chan,T.H.T., Yu, L., Tam, H.Y., Ni, Y.Q., Liu, S.Y., Chung, W.H., Cheng, L.K.. Fiber Bragg Grating sensors for Structural Health Monitoring of Tsing Ma bribge: Background and experimental observation. Engineering Strucutures, v. 28, 2006, p

8 [5] Haase, K. Strain sensors based on Bragg gratings. In: 20th TC3 IMEKO International Conference, Mexico,2007. [6] Montero, Ander; Saez de Ocariz, Idurre; Lopez, Ion; Venegas, Pablo; Gomez,Javier;Zubia, Joseba. Fiber Bragg Gratings, IT Techniques and strain gauge validation for strain calculation on aged metal specimens. Sensors, v 11,2011, p [7] Relatório Técnico IPT No Avaliação da Dinâmica do Aeromóvel. São Paulo [8] Relatório Técnico IPT No Medição de diversas grandezas físicas no eixo superior do 1º terno de um conjunto de moenda 37 x 38. São Paulo, [9] Relatório Técnico IPT No Ensaios estruturais em um vagão gôndola basculante. São Paulo,1988 [10] Relatório Técnico IPT No Pesagem de vagões. São Paulo, [11] Relatório Técnico IPT No Engate dinamométrico e aferição. São Paulo [12] Relatório Técnico IPT No Levantamento de dados para avaliação do material rodante da MRS. São Paulo [13] Relatório Técnico IPT No Instrumentação e monitoramento de parâmetros de trem de minério equipado com freio eletro-.pneumático São Paulo [14] Strain gage Accessories,Catalog A110, Vishay Micro-measurements, Raleigh, USA,