ACELERÔMETRO ÓPTICO TRIAXIAL Sérgio R. K. Morikawa Alexandre S. Ribeiro Rogério D. Regazzi Luiz C. Guedes Valente Arthur M. B. Braga PUC-Rio DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA Trabalho apresentado na 6 a Conferência sobre Tecnologia de Equipamentos, Salvador, agosto de 2002 As informações e opniões contidas neste trabalho são de exclusiva responsabilidade dos autores.
SINÓPSE Um acelerômetro óptico triaxial, com compensação para os efeitos de temperatura, empregando fibras ópticas com redes de Bragg como elemento sensor foi desenvolvido. Um esquema experimental empregando filtros ópticos ajustáveis e um conversor optoeletrônico foi montado. Testes realizados em uma faixa de freqüência até 750Hz mostraram uma resposta plana e boa linearidade.
1. INTRODUÇÃO Acelerômetros são amplamente usados na medição de choque e vibrações em todas as áreas da engenharia. Seu princípio de operação é o do oscilador linear. Um acelerômetro típico consiste de uma massa suspensa por uma mola, que na maioria das vezes é o próprio elemento sensor, cujo princípio de operação pode basear-se em diferentes tecnologias [1]. Acompanhando o rápido desenvolvimento que vem ocorrendo na tecnologia de sensores a fibra óptica, inúmeros pesquisadores propuseram, nos últimos anos, novos projetos de construção para acelerômetros baseados em uma variedade de princípios de medição em fibras ópticas [2-11]. Apesar desses e de outros esforços, acelerômetros baseados em fibras ópticas ainda não estão comercialmente disponíveis no mercado. Considerando entretanto as inúmeras vantagens dos acelerômetros a fibra óptica, tais como imunidade ao campo eletromagnético, monitoração remota, capacidade de multiplexação, baixo peso, e pequenas dimensões, entre outras, ainda há um campo aberto para novos projetos de construção como o apresentado neste trabalho. Das inúmeras possíveis escolhas para sensores a fibra óptica, aqueles baseados em redes de Bragg têm provado ser muito úteis em transdutores projetados para medir as mais diferentes grandezas físicas e químicas. As redes de Bragg também têm sido empregadas em acelerômetros [4-6,10-12]. Muitos desses projetos foram baseados em vigas em balanço. O acelerômetro triaxial descrito nesse trabalho, também emprega redes de Bragg como elemento sensor. Seu princípio de operação é ilustrado na Figura 1. Figura 1. Princípio de operação do acelerômetro óptico trixial. Como é mostrado no desenho, fibras ópticas com redes de Bragg são usadas como elementos de mola. Efeitos de temperatura são compensados utilizando-se dois sensores na mesma fibra, na mesma temperatura de operação, mas sujeitos a deformações opostas. A construção triaxial reduz a sensibilidade transversal. A massa do acelerômetro pode ser escolhida de modo a se obter a sensibilidade desejada. Cálculos simples mostram que se um fibra óptica de 125 µm de diâmetro, com módulo de elasticidade de 70 GPa, é usada, uma massa de 0,85 g vibrando a 1 G de aceleração, produzirá deformações de aproximadamente 10 µm/m na rede de Bragg. Neste trabalho será demonstrada o funcionamento do protótipo do acelerômetro triaxial proposto. Nesta primeira implementação, apesar de se ter realizado uma construção triaxial, apenas uma direção foi instrumentada com uma fibra contendo duas redes de Bragg. Resultados dos testes e calibrações realizadas
foram obtidos empregando-se a montagem experimental esquematicamente mostrada na Figura 2. Figura 2. Esquema de medição para testes e calibração. 2. CONSTRUÇÃO E ESQUEMA EXPERIMENTAL As redes de Bragg para o eixo vertical foram escritas em uma mesma fibra e espaçadas numa distância de 12 mm entre elas. A Figura 3 apresenta o espectro das duas redes de Bragg, com a posição dos picos inicialmente separada de 14,3 nm. Nesta primeira implementação, as fibras utilizadas nos outros dois eixos (Figura 1) não foram instrumentadas com redes de Bragg. O corpo do acelerômetro foi fabricado a partir de uma liga comercial de titânio. Seu peso foi de 47,56 g. A massa sísmica foi usinada no formato de um cubo, em latão, pesando 1,0037 g. As três fibras passam através dos orifícios de 1 mm de diâmetro, perfurados nas três direções e se cruzando no centro do cubo de latão. Esses orifícios foram preenchidos com adesivo comercial de forma que as fibras ficassem coladas ao cubo. Após a montagem do acelerômetro, os picos no espectro das duas redes de Bragg no eixo vertical foram deslocadas para 1512,9 e 1526,8nm. A Figura 4 mostra uma foto do protótipo montado. Figura 3. Espectro óptico da reflexão das duas redes na fibra usada no eixo vertical (medição feita após a montagem).
Figura 4. Acelerômetro óptico montado em um excitador eletromagnético. Como no primeiro protótipo a vibração foi medida em apenas uma direção, empregou-se o esquema já mostrado na Figura 2. Um diodo emissor de banda larga (LED), centrado na faixa de 1550 nm e modulado em 2 khz foi usado como fonte de luz. Dois filtros ópticos, com largura a meia altura de 1,3 nm e ajustáveis em uma faixa de 1530-1560nm, foram usados no circuito óptico. Para eliminar erros de offset, o conversor optoeletrônico de quatro canais desenvolvido na PUC-Rio utiliza fotodiodos PIN configurados para medições AC. O estágio final do circuito eletrônico possui uma freqüência de corte de 200Hz, que foi portanto a freqüência limite superior nos procedimentos de calibração. Uma outra configuração experimental foi também utilizada para a obtenção da resposta em freqüência do transdutor em uma faixa mais ampla. Como mostrado na Figura 4, um excitador eletromagnético foi usado em todos os testes. Também são mostrados na Figura 4 os acelerômetros piezoelétricos convencionais, previamente calibrados, usados como padrões de trabalho nos experimentos. 3. RESULTADOS EXPERIMENTAIS Inicialmente, o protótipo foi submetido a uma vibração senoidal em diferentes freqüências dentro da faixa de trabalho do circuito optoeletrônico, isto é, abaixo de 200 Hz. Espectros de freqüência típicos dos sinais provenientes de uma das redes de Bragg no eixo vertical e do acelerômetro piezoelétrico são apresentados na Figura 5, obtidos quando ao excitador foi aplicado um sinal AC de 100 Hz. Observa-se que a razão sinal ruído do acelerômetro óptico e de seu sistema de demodulação é bastante satisfatória. A linearidade da resposta em duas freqüências, 50 e 100 Hz, é ilustrada na Figura 6, que mostra uma comparação entre sinais de ambos acelerômetros, óptico e piezoelétrico, à medida que a excitação é amplificada mantendo-se a freqüência inalterada.
Figura 5. Resposta em freqüência de ambos acelerômetros para uma excitação senoidal de 100Hz. Figura 6. Sensibilidade de ambos acelerômetros excitados em freqüências constantes. Respostas no tempo dos dois canais do acelerômetro excitado com um sinal senoidal de 100 Hz são plotadas na Figura 7. Como esperado, os dois sinais estão 180º fora de fase possibilitando a desejada compensação de temperatura. O gráfico na Figura 8 mostra a linearidade em resposta de amplitude de ambos canais. Figura 7. Resposta fora de fase 180º das duas redes de Bragg sob excitação de 100Hz.
Figura 8. Linearidade em resposta de amplitude dos dois sensores na fibra do eixo vertical. Finalmente, a resposta em freqüência do acelerômetro óptico é mostrada na Figura 9. Este resultado foi obtido para apenas um canal de medição no eixo vertical, e com um circuito demodulador diferente daquele que havia sido utilizado para obter os resultados anteriores. Agora, de modo a estender a faixa de freqüência de medição, um conversor New Focus 2153, com uma freqüência de corte em 750Hz, substituiu o circuito optoeletrônico desenvolvido na PUC-Rio. O excitador foi acionado com um sinal aleatório (ruído branco), e a resposta do acelerômetro óptico foi dividida pela do acelerômetro piezoelétrico utilizado como padrão de trabalho. Foi observada uma um resposta satisfatória, plana na faixa de freqüência da medição. Figura 9. Resposta em freqüência do acelerômetro óptico. 4. CONCLUSÕES Um acelerômetro óptico triaxial foi projetado e testado, produzindo resultados encorajadores. Na primeira implementação, apenas o eixo vertical foi instrumentado. Testes mostraram uma boa linearidade na resposta de amplitude e que, a principio, a compensação do efeito de temperatura pode ser obtida uma vez que as respostas das duas redes de Bragg são sempre defasadas de 180º. A faixa de freqüência do primeiro protótipo foi limitado à freqüência de corte do circuito optoeletrônico empregado nos experimentos. Entretanto, testes até 800Hz foram conduzidos
utilizando uma configuração de equipamentos diferentes, e a resposta em freqüência obtida pode ser considerada satisfatória. 5. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem o apoio da ANP, bem como do Ministério da Ciência e Tecnologia através de suas agências de amparo à pesquisa, CNPq e FINEP/CTPETRO. 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Meydan, T., Recent trends in linear and angular accelerometers, Sensors and Actuators A, vol. 49, 43-50, 1997. 2. Castro, F.A., Carneiro, S.R.M., Lisboa, O., and Carrara, S.L.A., 2-Mode optical fiber accelerometer, Optics Letters, vol. 17, 1474-1475, 1992. 3. Storgaard-Larsen, T., Bouwstra, S., and Leistiko, O., Opto-mecanical accelerometer based on strain sensing by a Bragg grating in a planar waveguide, Sensors and Actuators A, vol. 52, 25-32, 1996. 4. Berkoff, T. A., and Kersey, A.D., Experimental demonstration of a fiber Bragg grating accelerometer, IEEE Photonics Technology Letters, vol. 8, 1677-1679, 1996. 5. Theriault, S., Hill, K.O., Bilodeau, F., Johnson, D.C., Albert, J., Drouin, G., and Beliveau, A., High-g accelerometer based on an in-fiber Bragg grating sensor, Optical Rev., vol. 4, 145-147, 1997. 6. Lopez-Higuera, J.M., Morante, M.A., and Cobo, A., Simple low-frequency optical fiber accelerometer with large rotating machine monitoring applications, Journal of Lightwave Technology, vol.15, 1120-1130, 1997. 7. Kimura, M., and Toshima, K., Vibration sensor using optical-fiber cantilever with bulb-lens, Sensors and Actuators A, vol. 66, 178-183, 1998 8. Kalenik, J., and Pajak, R., A cantilever optical-fiber accelerometer, Sensors and Actuators A, vol. 68, 350-355, 1998. 9. Todd, M.D., Johnson, G.A., Althouse, B.A., and Vohra, S.T., Flexural beambased fiber Bragg grating accelerometers, IEEE Photonics Technology Letters, vol. 10, 1605-1607, 1998. 10. Spammer, S.J., and Fuhr, P.L., Temperature insensitive fiber optic accelerometer using a chirped Bragg grating, Optical Engineering, vol. 39, 2177-2181, 2000. 11. Mita, A., and Yokoi, I., Fiber Bragg grating accelerometer for buildings and civil infrastructures, Proceedings of Smart Structures and Materials 2001, SPIE Proceedings # 4330, 479-486, 2001.