TÉCNICAS DE LEITURA PARA SENSORES A FIBRA ÓPTICA BASEADOS EM REDES DE BRAGG Luiz C. Guedes Valente Luiz C. N. da Silva Alexandre S. Ribeiro Adriana Triques Rogério D. Regazzi 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 A tecnologia de sensores a fibra óptica vem se desenvolvendo rapidamente nos últimos anos. Acompanhando o significativo crescimento da indústria de fotônica, que tem resultado na oferta de componentes optoeletrônicos a preços cada vez mais acessíveis, estes sensores têm encontrando mercados em sistemas de medida das mais diversas grandezas físicas, químicas e biológicas. Dentre as várias classes de sensores a fibra óptica, aqueles baseados em redes de Bragg hoje se destacam como uma excelente opção para aplicações onde sistemas de sensoriamento mais tradicionais têm se mostrado ineficientes. Nesta contribuição são discutidas as principais técnicas de leitura de sensores a rede de Bragg aplicados a medidas de temperatura e deformação, enfatizando-se parâmetros como a capacidade de multiplexação, faixa de freqüência de aplicação e custo. Em particular, são apresentadas com maior detalhe as técnicas ora em desenvolvimento no Laboratório de Transdutores da PUC-Rio, que já permitem, a um custo baixo, a realização de leituras multiplexadas (16 canais) de deformação com exatidão de 0,03% do fundo de escala, numa faixa dinâmica de 6000 µm/m, e em banda de freqüência de até 200 Hz. Discute-se também alguns aperfeiçoamentos em curso e resultados preliminares de medições com equipamentos comerciais de reflectometria óptica no domínio do tempo, que podem permitir a interrogação estática de centenas de sensores em uma mesma fibra óptica com excelente precisão, grande resolução espacial e a custos uma ordem de grandeza inferiores aos de outras técnicas disponíveis no mercado.
1. INTRODUÇÃO O desenvolvimento das telecomunicações ópticas teve seu início na década de 1970 quando fibras com atenuação suficientemente baixa para permitir a propagação da luz a distâncias superiores a 1 km começaram a ser produzidas. Desde então grandes avanços foram alcançados e as dimensões deste mercado vêm crescendo forma ininterrupta. Hoje pode-se dizer que o mundo está totalmente ligado por fibras ópticas que cruzam os oceanos conduzindo informações a taxas superiores a 10 giga bits por segundo. Junto com fibras de altíssima qualidade, fontes luminosas, fotodetetores, acopladores ópticos, ferramentas e equipamentos especiais foram desenvolvidos e estão hoje disponíveis comercialmente a preços acessíveis. Desde o início das atividades de pesquisa voltadas para o setor de telecomunicações, esforços paralelos têm sido conduzidos por diversos grupos visando o desenvolvimento de técnicas de medição utilizando fibras ópticas. Os principais motivos para tal são algumas características inerentes às fibras ópticas como, baixo peso, flexibilidade, longa distância de transmissão, baixa reatividade do material, isolamento elétrico e imunidade eletromagnética. Além destas existe, em muitos casos, a possibilidade de se multiplexar os sinais de vários sensores, inclusive de grandezas diferentes, e até mesmo a possibilidade se realizar medidas continuamente distribuídas ao longo da fibra sensora. Hoje, num mercado cujo tamanho estimado em 1994 era de US$ 920 milhões e com um crescimento projetado para cerca de US$ 5 bilhões em 2010 [1-3], é possível encontrar sensores e transdutores baseados em fibras ópticas capazes de medir as mais variadas grandezas físicas, químicas e mesmo biológicas [1-7]. A fatia ocupada por sensores a fibra óptica no mercado mundial de sensores é ainda pequena, tendo sido estimada em cerca de 2% em 1997 [2]. Entretanto, o aumento desta ainda pequena fatia tem sido impulsionado pelo fenomenal crescimento da indústria de Fotônica, e beneficiado pela queda nos preços de componentes optoeletrônicos largamente empregados no setor de Telecomunicações. Por exemplo, o metro de fibras ópticas monomodo, que custava aproximadamente US$ 20 em 1979, é hoje vendido no mercado por menos de dez centavos de dolar americano. Do mesmo modo, outros componentes optoeletrônicos que integram sistemas de medição a fibra óptica têm hoje preços muito mais acessíveis que os de vinte anos atrás. Este é o caso de diodos laser, que custavam cerca de US$ 3 mil em 1979 e que hoje têm maior durabilidade e confiabilidade, podendo ser comprados, em grandes quantidades, por poucas dezenas de dólares americanos. Se hoje sensores a fibra óptica são ainda pouco mais caros que os seus concorrentes convencionais, eles por outro lado apresentam inúmeras vantagens que torna sua utilização atrativa para algumas aplicações onde tecnologias mais tradicionais têm se mostrado ineficientes. De fato, é nos setores aeroespacial, de infraestrutura e de petróleo que a utilização de sensores a fibra óptica para o monitoramento de diferentes grandezas têm apresentado o maior potencial de crescimento. As vantagens para aplicações na indústria aeroespacial, principalmente na monitoração da integridade estrutural de componentes e partes de aeronaves, estão associadas ao baixo peso, capacidade de multiplexação, e imunidade eletromagnética dos sensores a fibra óptica [8-9]. No setor de infraestrutura, o sensoriamento a fibra óptica têm se mostrado particularmente interessante não só pela facilidade de inserção de um grande número de sensores em concreto e outros materiais estruturais, mas também
pela possibilidade de se realizar o monitoramento de deformações e de outras variáveis em grandes estruturas a distâncias que, tanto do ponto de vista técnico quanto econômico, seriam impraticáveis empregando-se soluções convencionais [10-12]. Já na produção de petróelo, a principal vantagem competitiva dos sensores a fibra óptica reside na sua capacidade de operação em altas temperaturas, podendo portanto ser utilizados na monitoração de diferentes parâmetros dentro do poço, tornando praticável o conceito de completação inteligente [13-17]. Ainda na indústria de petróleo, outras aplicações potenciais podem ser encontradas na detecção de vazamentos de petróleo e derivados [18-19] e no monitoramento da integridade estrutural de linhas de produção submarinas [20]. Quanto ao princípio de operação, sensores a fibra óptica são sensores ópticos que utilizam fibras como meio de conexão para a luz entre o mensurando e a região de leitura. Pode-se dividi-los entre extrínsecos e intrínsecos. Na primeira categoria estão aqueles em que a fibra serve simplesmente para guiar a luz e o efeito óptico a ser medido ocorre fora da fibra. No segundo caso, a fibra serve também como meio onde ocorre o acoplamento entre o mensurando e a luz, o que torna os sensores intrínsecos mais interessante do ponto de vista mecânico. Os sensores podem também ser divididos quanto ao tipo de efeito óptico a ser medido, podendo ser uma alteração na intensidade, na polarização, no espectro ou na fase da onda luminosa. Dentre as várias classes de sensores a fibra óptica intrínsecos, aqueles baseados em redes de Bragg hoje se destacam como uma excelente opção entre as demais tecnologias disponíveis. Neste artigo são discutidas as principais técnicas de leitura de sensores a rede de Bragg aplicados a medidas de temperatura e deformação, enfatizando parâmetros como a capacidade de multiplexação, faixa de freqüência de aplicação e custo. Em particular, são apresentadas com maior detalhe as técnicas ora em desenvolvimento no Laboratório de Transdutores da PUC-Rio, que já permitem, a um custo baixo, a realização de leituras multiplexadas (16 canais) de deformação com exatidão de 0,03% do fundo de escala, numa faixa dinâmica de 6000 µm/m, e em banda de freqüência de até 200 Hz. Discute-se também alguns aperfeiçoamentos em curso e resultados preliminares de medições com equipamentos comerciais de reflectometria óptica no domínio do tempo, que podem permitir a interrogação estática de centenas de sensores em uma mesma fibra óptica com excelente precisão, grande resolução espacial e a custos uma ordem de grandeza inferiores aos de outras técnicas disponíveis no mercado. 2. REDES DE BRAGG EM FIBRAS ÓPTICAS Desde o início da década de 1990 um novo componente óptico tem se tornando cada dia mais importante tanto para a indústria de telecomunicações quanto para aplicações na área de sensores. Este componente, chamado de rede de Bragg ou grade de Bragg [21], nada mais é que um filtro óptico reflexivo com altíssima seletividade espectral. Sua construção se baseia em gerar uma modulação periódica no índice de refração do núcleo da fibra, esta estrutura reflete de forma eficiente o comprimento de onda λ B que satisfaz a condição de Bragg em primeira ordem para incidência normal, ou seja λ B = 2nΛ (1)
onde Λ é período espacial da modulação do índice e n o índice de refração da fibra. A Fig. 1 apresenta uma representação esquemática de uma rede Bragg em Fibra e os espectros da luz transmitida e refletida por ela. A Fig. 2 apresenta um espectro óptico típico refletido por uma rede de Bragg fabricada no Laboratório de Transdutores da PUC-Rio. Potência Comprimento de Onda Fibra Óptica Potência λ b Λ λ B = 2 n Λ Potência Comprimento de Onda Figura 1. Rede de Bragg e os espectros de transmissão e refelxão. Figura 2. Espectro óptico típico refletido por uma rede de Bragg. A capacidade de sensoriamento de redes de Bragg está relacionada ao fato de que λ B pode ser alterado por esforços mecânicos que modificam a periodicidade da estrutura, Λ, ou através de temperatura que modifica o índice de refração n. Estas dependências podem ser resumidas, de forma linear aproximada, na expressão λ B / λ B = 9 x 10-6 T + 0,78 ε (2) onde T é a variação de temperatura em o C e ε representa a deformação em m/m. As constantes numéricas são características do material que compõe a fibra. A constante térmica pode apresentar variações entre fibras. O grande atrativo para o uso das redes de Bragg como sensores se deve ao fato da informação estar contida no espectro, o que significa uma medida absoluta e fácil de ser multiplexada. Resulta da equação (2) a verificação de que, para os comprimentos de onda comumente utilizados em telecomunicações (1300 e 1550 nm), a medida de λ B deve ser realizada com exatidão da ordem de 1 pm para que se possa medir 1 µm/m de deformação ou 0,1 o C de
temperatura. Embora esta possa parecer uma tarefa extremamente difícil, existem, como será apresentado a seguir, diversas formas de se alcançar este objetivo. 3. TÉCNICAS DE LEITURA PARA SENSORES A REDE DE BRAGG Diferentes procedimentos podem ser empregados para a medida de deformações ou variações de temperatura a partir das modificações induzidas no espectro óptico de reflexão de redes de Bragg. A escolha não é óbvia e depende fundamentalmente da aplicação a que se destina, devendo-se em cada caso considerar as bandas de freqüência envolvidas, o número de sensores interrogados, sua distribuição espacial, a faixa dinâmica de deformações ou temperaturas a serem medidas, limitações de espaço e peso do sistema de medição e, é claro, o custo. 3.1. Técnicas Baseadas em Filtros de Banda Ajustável Algumas das técnicas mais utilizadas para leitura de sensores a rede de Bragg são aquelas que utilizam filtros de banda ajustável para a varredura do espectro óptico. Neste contexto enquadra-se aquela que é, sem dúvida, a técnica mais simples, consistindo na leitura direta através de um Analisador de Espectro Óptico (OSA do inglês Optical Spectrum Analyzer). O diagrama da Fig. 3 ilustra a montagem do circuito óptico quando um OSA é empregado. Pode-se obter uma exatidão da ordem de 3 pm na leitura do espectro, correspondente a deformações próximas de 3 µm/m ou variações de temperatura de 0,3 o C. OSA Sensores Sensores LED Figura 3. Circuito óptico para leitura com um Analisador de Espectro Óptico (OSA). A faixa dinâmica na medida de deformações com OSAs comerciais é limitada de acordo com o número de sensores interrogados. Utilizando-se dois LEDs nos comprimentos de onda típicos de 1300 nm e 1550 nm, a relação entre a faixa dinâmica, ε, e o número de sensores, N, pode ser estimada através da relação: ε = 10 5 / N (em µm/m) (3) Assim, por exemplo, para a leitura de 100 sensores utilizando-se um OSA comercial, a faixa dinâmica estimada para cada ponto de medida é da ordem de 1.000 µm/m. A principal vantagem no emprego de um OSA de uso geral é a simplicidade e rapidez na montagem do sistema de medidas. Deve-se pesar entretanto, o custo elevado do equipamento e a lentidão com que a varredura do espectro óptico é realizada, tipicamente uma varredura por minuto numa faixa de 100 nm, o que praticamente limita sua utilização a medidas estáticas. Portanto, esta técnica deve ser considerada em situações onde as medidas não são realizadas continuamente, de forma que o equipamento possa ser também utilizado em outras aplicações que possam repartir o
seu custo elevado. No caso de se desejar medir um grande número de sensores em uma mesma fibra, esta alternativa pode se tornar economicamente atraente. Deve-se ainda ressaltar que estes equipamentos podem ser utilizados como um sistema de filtro fixo, semelhante ao que será discutido mais adiante. Esta forma de aplicação permite a obtenção de medidas dinâmicas (algumas centenas de Hz) mas certamente não deverá ser empregada de forma contínua devido ao alto custo do equipamento. Finalmente, uma característica muito interessante é a facilidade de calibração que pode ser feita, de forma contínua ou periódica, através da introdução de uma referência de comprimento de onda que pode ser uma célula de gás ou uma rede de Bragg em encapsulamento térmicamente compensado. Nos últimos anos começaram a surgir no mercado equipamentos chamados de medidores de comprimento de onda, eles se distinguem dos OSA por terem menor flexibilidade de medida e maior velocidade e estabilidade nas medições. Tipicamente podem ser medidas centenas de posições de pico em poucos segundos com exatidão inferior a 1 pm (ver, e.g. http://www.burleigh.com/products/testmeas/wa7600.asp). No entanto, estes equipamentos são desenhados para determinação de comprimento de onda de lasers de telecomunicações e necessitam de uma densidade espectral de potência óptica relativamente alta se comparada com a dos LEDs comuns. Uma alternativa pode ser o uso de fontes de banda larga baseadas em fibras dopadas com érbio, conhecidas como fontes ASE (Amplified Spontaneous Emission). Estas fontes, de alto custo, permitirem a iluminação de um número limitado de sensores, uma vez que possui banda espectral da ordem de 30 nm. Deve-se também ressaltar seu custo ainda elevado, que hoje é da ordem de US$ 10.000,00. Filtros Fabry-Perot, com banda espectral determinada por uma cavidade que pode ser dinamicamente alterada através, por exemplo, de atuadores piezoelétricos, são também utilizados para realizar varreduras espectrais [22]. Um circuito óptico que pode ser empregado em conjunto com um filtro Fabry-Perot de banda passante ajustável é esquematicamente representado na Fig. 4. Faz-se variar a banda passante de forma alternada através de rampas lineares, de tal maneira que cada um dos sensores interrogados é sequencialmente iluminado. Resoluções próximas de 1 µm/m podem ser obtidas através desta técnica. Estes filtros têm a varredura tipicamente limitada a cerca de 100 nm, com resposta em freqüência que dificilmente ultrapassa algumas dezenas de Hz. O custo desta técnica independe do número de sensores a serem interrogados, o que a torna mais competitiva a medida que a quantidade de pontos medidos aumenta. Alguns sistemas para medidas de deformação baseados em técnicas semelhantes já são há algum tempo comercializados, com custo em torno de US$ 1.000 por canal de medição.
λ Filtro de Fabry-Perot com banda ajustável λ1 λ2... λn LED (Banda Larga) Detetor Sensores AD Gerador de Sinais Figura 4. Circuito óptico para leitura com filtro Fabry-Perot de banda ajustável. 3.2. Técnicas Baseadas em Filtros Fixos Uma alternativa de menor custo é empregar filtros espectrais fixos. Tais filtros podem ser do tipo Fabry-Perot, interferômetro de Mach-Zehnder [23], ou mesmo uma rede de Bragg [24]. Esta tem sido a solução aplicada na maioria dos projetos ora em desenvolvimento na PUC-Rio. A Fig. 5 apresenta circuitos ópticos baseados nesta técnica. CANAL Detetor (referência) Detetor (sinal) Canal Sensor LED Filtro (a) (b) Canal 1 Canal 2 Sensor 1 LED Sensor 2 LED Sensor 3 Canal 3 Canal 4 Sensor 4 (c)
LED Canal 1 LED Canal 2 Canal 3 Canal 4 (d) Figura 5. Circuitos ópticos utilizando redes de Bragg como filtros de banda passante fixa: (a) Canal de leitura; (b) Circuito para um sensor; (c) Circuito para quatro sensores em fibras diferentes; (d) Circuito para quatro sensores em uma mesma fibra. O sistema emprega fontes de banda larga e o sinal refletido pela rede utilizada como sensor é dirigido, através de um acoplador de 3 db, para o filtro e para um detetor de referência. O sinal óptico resultante da interação com o filtro é então guiado para o outro detetor, e sua saída elétrica é dividida pela obtida a partir do detetor de referência. A utilização de um sinal de referência tem por objetivo compensar flutuações na fonte óptica. Na implementação proposta em [25], verificou-se experimentalmente que este procedimento permite que o sinal de leitura se mantenha estável, com uma variação inferior a ±1,5% enquanto a potência entregue pelo LED é reduzida em até 50%. As topologias propostas para leitura de quatro sensores, apresentadas na Fig. 5, podem ser facilmente ampliadas para até 16 sensores sem problemas técnicos aparentes. A utilização de duas fontes torna o sistema mais robusto. O custo da implementação das soluções propostas na Fig. 5 é bastante pequeno para a leitura de apenas um sensor, cerca de US$ 500. Entretanto este custo cresce linearmente a medida que mais canais são adicionados ao sistema. A principal vantagem na utilização de filtros espectrais fixos é a possibilidade de aplicação em medidas dinâmicas de poucos sensores. A faixa de freqüência é limitada pela resposta dos fotodetetores e dos circuitos eletrônicos de amplificação utilizados, podendo sem dificuldade chegar a algumas centenas de khz. A modelagem computacional da reflexão de um sinal óptico de banda larga pelo sensor e depois pelo filtro, indica que as menores incertezas são obtidas utilizando-se duas redes (sensor e filtro) com espectros idênticos. A incerteza e resolução são ditadas pela resposta em freqüência do fotodetetor, podendo-se, a partir de simulações, estimar que para medidas numa banda de 1 khz, incertezas de ±1% do fundo de escala numa faixa dinâmica de 3.000 µm/m seriam facilmente obtidas [25]. Se a técnica de demodulação baseada na utilização de um filtro fixo espectralmente casado com cada sensor permite medidas, a custos competitivos, em bandas largas de freqüência, limitadas apenas pelo circuito optoeletrônico de detecção, ela por outro lado impõe restrições sobre a faixa dinâmica de leitura [24]. Uma alternativa para ampliar esta faixa é utilizar dois filtros ópticos. Uma implementação desta nova configuração, para a leitura de apenas um sensor, é esquematicamente ilustrada na
Fig. 6 [26]. A expansão do circuito opoeletrônico para multiplexação de vários sensores segue os esquemas já apresentados na Fig. 5. LED SENSOR (rede de Bragg) FILTRO SENSOR CONVOLUÇÃO FILTRO 1 FILTRO 2!! A/D DET 1 DET 2 Figura 6. Implementação experimental do sistema de leitura com dois filtros fixos [26]. Na implementação da Fig. 6 os dois filtros devem ser centrados em comprimentos de onda diferentes, porém próximos o suficiente para que haja uma superposição entre seus espectros. O gráfico da Fig. 7 mostra espectros de uma rede sensora, não deformada, e de dois filtros utilizados em uma das séries de testes com o sistema de dois filtros fixos [26]. O custo adicional em relação a implementação anterior, que utiliza apenas um filtro fixo, é de mais um filtro por canal de leitura. Caso redes de Bragg sejam adotadas como filtros, a implementação do circuito baseado no esequma da Fig. 6 pode representar, considerando preços atuais de mercado, um acréscimo no custo do conversor optoeletrônico de cerca de US$ 100 por canal de medição. Espectro Óptico Normalizado Normalized Grating Spectrum 1.2 1.0 0.8 0.02+0.98exp(-1.6(λ-1541.33) 2 ) 0.02+0.98exp(-1.6(λ-1542.24) 2 ) 0.02+0.98exp(-1.9(λ-1540.09) 2 ) λ s = 1541.33 nm b s = 1.33 nm λ F1 = 1542.24 nm b F1 = 1.3 nm λ F2 = 1540.09 nm b F2 = 1.16 nm 0.6 0.4 0.2 0.0 1538 1540 1542 1544 1546 Comprimento Wavelength, de Onda (nm) λ, (nm) Figura 7. Espectro de transmissão dos filtros (picos em 1540,1 e 1542,2 nm) e espectro de de reflexão do sensor (pico am 1541,3 nm). Testes e simulações realizados na PUC-Rio com o sistema de leitura utilizando dois filtros fixos demostraram ser possível alcançar faixas dinâmicas de 6.000 µm/m com incertezas abaixo de 2 µm/m em toda a faixa [26]. Neste caso, para sensores com
largura de banda de 1,5 nm, foram utilizados filtros com largura espectral de 4 nm e espaçamento entre picos de 11,2 nm [26]. 3.3. Técnicas Baseadas em Multiplexação no Tempo e no Espectro Outra família de procedimentos com potencial para aplicação na leitura de sistemas que requerem a interrogação de vários sensores a rede de Bragg é aquela baseada em multiplexação temporal. Uma técnica de fácil implementação consiste na utilização de um equipamento para Reflectometria no Domínio do Tempo (OTDR - Optical Time Domain Reflectometer). Um sistema de leitura para vários sensores em uma mesma fibra utilizando um OTDR comercial e um filtro óptico de banda passante ajustável é apresentado na Fig. 8 [27,28]. Resultados de ensaios realizados na PUC-Rio utilizando o sistema de leitura com OTDR são reproduzidos na Fig. 9 [27,28]. Nestes ensaios, o sistema foi testado em um conjunto de 20 redes de Bragg, composto por quatro grupos de cinco redes cada, todas com reflectividade de 0,8%. A distância espacial entre grupos consecutivos foi de 20 m, enquanto o espaçamento entre cada rede de um mesmo grupo foi de 1 m. Os comprimentos de onda centrais do espectro das cinco redes de cada grupo, quando indeformadas, estavam posicionados na faixa de 1527 a 1556 nm, separados por uma distância spectral de 7 nm, como pode ser verificado no espectro combinado do conjunto de 20 redes reproduzido na Fig. 9(a). A Fig. 9(b) apresenta o mesmo espectro quando apenas um dos sensores é deformado. Um traço típico obtido do OTDR, quando o filtro de banda passante era ajustado para permitir a iluminação pulsada da fibra utilizando apenas aquele modo do laser do OTDR casado com um dos comprimentos de onda das redes de um mesmo grupo, é mostrado na Fig. 9(c). Finalmente, o resultado experimental obtido para a potência relativa medida pelo OTDR em função da variação na deformação imposta em uma das redes do conjunto é apresentado na Fig. 10. OTDR Filtro de Banda Passante Ajustável Figura 8. Técnica de leitura utilizando OTDR [27,28].... ( FBG 1 FBG 2... FBG n ) 1 λ 1 λ 2 λ n ( FBG n... FBG 2 FBG 1 ) 2 λ n... λ 2 λ 1 ( FBG 1 FBG 2... FBG n ) N λ 1 λ 2 λ n...... (a) (b)
Reflexões dos conectores Posições das 4 redes em λ B =1548nm: 35,5m 61,5m 86,8m 111,9m Final da fibra X: 20m/div. Y: 5dB/div. (c) Figura 9. (a) Espectro de reflexão para as vinte redes; (b) Espectro de reflexão para as vinte redes com uma delas submetida a uma deformação de 2900 µm/m; (c) Traço do OTDR obtido com filtro ajustado para o comprimento de onda de uma das redes dos quatro grupos (1548 nm) [27-28]. -10 Relative Power [db] -15-20 -25 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 Relative Deformação Elongation (%) [%] Figura 10. Potência refletida em função da deformação [28]. Esta implementação pode ser facilmente estendida para até centenas de sensores, com resolução espacial limitada pelo comprimento da rede de Bragg (alguns poucos mm), justificando o custo da utilização dedicada de um equipamento cujo preço pode variar de treze a vinte mil dólares americanos. As redes sensoras, que podem ser escritas num mesmo comprimento de onda e numa mesma fibra óptica, devem ter uma reflectividade baixa, da ordem de 1%. Deve-se ressaltar, entretanto, que devido ao princípio de funcionamento do OTDR, a utilização desta técnica limita-se a medidas estáticas. 4. CONCLUSÕES
As principais técnicas de leitura de sensores a rede de Bragg aplicadas a medidas de temperatura e deformação foram revistas, enfatizando-se parâmetros como a capacidade de multiplexação, faixa de freqüência de aplicação e custo. Com maior detalhe foram apresentadas as técnicas em desenvolvimento no Laboratório de Transdutores da PUC-Rio, que já permitem, a um custo baixo, a realização de leituras multiplexadas (16 canais) de deformação com exatidão de 0,03% do fundo de escala, numa faixa dinâmica de 6000 µm/m, e freqüências até 200 Hz. Resultados preliminares de medições com um equipamento comercial de reflectometria óptica no domínio do tempo mostraram ainda que esta nova técnica pode permitir a interrogação estática de centenas de sensores em uma mesma fibra óptica a custos uma ordem de grandeza inferiores aos de outras técnicas disponíveis no mercado. 5. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem o apoio do CENPES/Petrobras, da ANP, através de seu programa de formação de recursos humanos (PRH-ANP), e do Ministério da Ciência e Tecnologia através de suas agências de amparo à pesquisa, CNPq e FINEP/CTPETRO.
6. REFERÊNCIAS 1. Keck, D. B., Optical Sensors and Specialty Fibers, in: JTEC Panel on Optoelectronics in Japan and the United States, http://itri.loyola.edu/opto/, 1996. 2. Hardin, R.W., Fiber Optic Sensors Seek to Prove their Utility, OE Reports, no. 178, SPIE Web, http://www.spie.org/web/oer/october/oct98/fiberop.html, October,1998. 3. Willsch, R., Application of Optical Fiber Sensors: Technical and Market Trends, in: Applications of Optical Fiber Sensors, A. J. Rogers, ed., Proceedings of SPIE Vol. 4074, pp. 24-31, 2000. 4. Grattan, K.T.V., and Meggitt, B.T., Optical Fiber Sensor Technology, Chapman & Hall, London, 1995. 5. Grattan, K.T.V., and Sun, T., Fiber Optic Sensor Technology: An Overview, Sensors and Actuators, Vol. 82, pp. 40-61, 2000. 6. Migani, A. G., and Lefèvre, H. C., eds., Proceedings of The 14th International Conference on Optical Fiber Sensors, SPIE Vol. 4185, 2000. 7. Udd, E., and Claus, R. O., eds., Proceedings of The 15th Optical Fiber Sensors Conference OFS 2002, IEEE Cat. Number 02EX533, 2002. 8. Ecke W., Latka I., Willsch R., Reutlinger A., and Graue R., Fibre Optic Sensor Network for Spacecraft Health Monitoring, Measurement Science Technology, Vol. 12, pp. 974-980, 2001. 9. Betz, D., Staudigel, L., and Trutzel, M.N., Test of a Fiber Bragg Grating Sensor Network for Commercial Aircraft Structures, Proceedings of The 15th Optical Fiber Sensors Conference OFS 2002, IEEE Cat. Number 02EX533, pp. 55-58, 2002. 10. Inaudi, D., Application Of Optical Fiber Sensor in Civil Structural Monitoring, in: Smart Structures and Materials 2001: Sensory Phenomena and Measurement Instrumentation for Smart Materials, SPIE Proceedings Vol. 4328, pp. 1-10, 2001. 11. Leung, C.K.Y., Fiber Optic Sensors in Concrete: The Future? NDT & Engineering International, Vol. 34, pp. 35-94, 2001. 12. Guemes, J.A., and Menéndez, J.M., Response of Bragg Grating Fiber Optic Sensors When Embedded in Composite Laminates, Composites Science and Technology, Vol. 62, pp. 959-966, 2002. 13. Kersey, A.D., Optical Fiber Sensors for Permanent Downwell Monitoring Applications in the Oil and Gas Industry, IEICE Trans. Electron., E83-C, No. 3, pp. 400-404, 2000. 14. Kragas, T.K., Willians, B.A., and Myers, G.A., The Optical Oil Field: Deployment and Application of Permanent In-Well Fiber Optic Sensing Systems for Production and Reservoir Monitoring, paper SPE 71529, presented at the 2001 SPE Annual Technical Conference and Exhibition, New Orleans, Louisiana, September-October, 2001 15. Ballinas, J., Evaluation and Control of Drilling, Completion and Workover Events with Permanent Downhole Monitoring: Applications to Maximize Production and Optimize Reservoir Management, paper SPE 74395, presented
at the 2002 SPE International Petroleum Conference and Exhibition of Mexico, Villahermosa, Mexico, February, 2002. 16. Schroeder, R.J., The Present and Future of Fiber Optic Sensors for the Oilfield Service Industry: Where is There a Role? Proceedings of The 15th Optical Fiber Sensors Conference OFS 2002, IEEE Cat. Number 02EX533, pp. 39-42, 2002. 17. Gysling, D.L., Changing paradigms in Oil and Gas Reservoir Monitoring The Introduction and Commercialization of In-Well Optical Sensing Systems, Proceedings of The 15th Optical Fiber Sensors Conference OFS 2002, IEEE Cat. Number 02EX533, pp. 43-46, 2002. 18. Vogel, B., Cassens, C., Graupner, A., and Tostel, A., Leakage Detection Systems by Using Distributed Fiber Optical Temperature Measurement, Smart Structures and Materials 2001: Sensory Phenomena and Measurement Instrumentation for Smart Materials, SPIE Proceedings Vol. 4328, pp. 23-34, 2001. 19. MacLean, A., Moran, C., Johnstone, W., Culshaw, B., Marsh, D., and Andrew, G., A Distributed Fibre Optic Sensor for Liquid Hydrocarbon Detection, Smart Structures and Materials 2001: Sensory Phenomena and Measurement Instrumentation for Smart Materials, SPIE Proceedings Vol. 4328, pp. 47-53, 20. Andersen, M., Berg, A., and Saevik, S., Development of Optical Monitoring System for Flexible Risers, paper OTC 13201, presented at the 2001 Offshore Technology Conference, Houston, Texas, May, 2001.2001. 21. Kashyap, R., Fiber Bragg Gratings, Academic Press, 1999. 22. Kersey, A.D., Berkoff, T.A., and Morey, W.W, Fiber Fabry-Perot Demodulator for Bragg Grating Strain Sensors, Optics Letters, Vol. 18, p. 1370, 1993. 23. Kersey, A.D., davis, M.A., and Tsai, T., Fiber Optic Bragg Grating Strain Sensor with Direct Reflectometry Interrogation, Proceedings 11 th Optical Fiber Sensor, OFS'96, Sapporo, Japan, May, p. 634, 1996. 24. Matos, C.J.S., Ebner, E.C., Leiderman, R., Braga, A.M.B., Carvalho, I.C.S., Margulis, W., and Valente, L.C.G., Optical Fiber Bragg Grating Sensors, Revista Brasileira de Física Aplicada e Instrumentação, vol. 13, no.1, 1998. 25. Leiderman, R., Valente, L.C.G., Braga, A.M.B., Tabares, R.H., and Gama, A.L., Low Cost Fiber Bragg Grating Strain Measurement System, Proceedings of the SEM Annual Conference, pp. 452-455, Cincinatti, June, 2000. 26. Nunes, L.C.S., Valente, L.C.G., and Braga, A.M.B., Analysis of a Demodulation System for Fiber Bragg Grating Sensors Using Two Fixed Filters, submitted to: Optics and Lasers in Engineerings, 2002. 27. Valente, L.C.G., Braga, A.M.B., Ribeiro, A.S., Regazzi, R.D., Ecke, W., Chojetzki, Ch., and Willsch, R., Time and Wavelength Multiplexing of Fiber Bragg Grating Sensors Using a Commercial OTDR, Proceedings of The 15th Optical Fiber Sensors Conference OFS 2002, IEEE Cat. Number 02EX533, pp. 151-154, 2002. 28. Valente, L.C.G., Braga, A.M.B., Ribeiro, A.S., Regazzi, R.D., Ecke, W., Chojetzki, Ch., and Willsch, R., Combined Time and Wavelength Multiplexing Technique of Fiber Bragg Grating Sensors Array Interrogation Using a Commercial OTDR Equipment, submitted to: IEEE Sensors Journal, 2002.