Encontro Nacional BETÃO ESTRUTURAL - BE2012 FEUP, 24-26 de outubro de 2012 Transdutor de deslocamento baseado na tecnologia das fibras óticas. Rémy de Faria 1 Bruno Costa 2 Joaquim Figueiras 3 RESUMO Desenvolveu-se um transdutor para medição de deslocamentos relativos em estruturas de engenharia civil, tais como pontes e viadutos. O aparelho permite medir a variação de comprimento entre dois pontos de uma peça, ou peças, por ele instrumentadas, estando direcionado o para a medição de movimentos de juntas e de apoios em obras de arte. Este transdutor pode ser integrado em sistemas de monitorização da integridade estrutural baseados em tecnologia ótica, de carácter temporário ou permanente. Eventualmente, poderá incluir tecnologia tradicional de base elétrica em substituição, uma vez que esta ainda predomina nos sistemas de monitorização que atualmente são implementados. Este transdutor apresenta um princípio de funcionamento e uma arquiteturaa interna inovadores associados a uma célula de carga de elevado desempenho e estabilidade. Desta forma, obtém-se um transdutor de deslocamento de natureza ótica, com comportamento linear ao longo do campo de medida, com elevada sensibilidade e estabilidade metrológica sob condições ambientais extremas a longo prazo. Palavras-chave: Transdutor deslocamento, Sensor ótico, Monitorização de estruturas, Movimento de juntas, Obras de arte. 1. INTRODUÇÃO A observação automática do comportamento de viadutos e pontes é um tema em crescente expansão, donde sobressaem inúmeras potencialidades e assinalável interesse em qualquer processo de avaliação, manutenção e reforço estrutural. A informação proveniente da observação do comportamento das 1 NewMENSUS, Rua do Actor Ferreira da Silva, 100, 4200-298 Porto, Portugal. remy.faria@newmensus.com 2 LABEST, Faculdade de Engenharia, Universidade da Beira Interior, Edifício II das Engenharias, Calçada Fonte do Lameiro,6200-001 Covilhã, Portugal. bjac@ubi.pt 3 LABEST, Faculdade de Engenharia, Universidade do Porto, Porto, Portugal. jafig@fe.up.pt
Transdutor de deslocamento baseado na tecnologia das fibras óticas. referidas obras de arte é, em diferentes contextos, um elemento preponderante no controlo da qualidade e segurança da construção e um indicador relevante na gestão e manutenção da infraestrutura ao longo de todo o seu período de vida útil. No âmbito proposto, a medição de deslocamentos relativos em estruturas de engenharia civil resposta das juntas de dilatação e aparelhos de apoio, nomeadamente em pontes e viadutos - constitui uma das grandezas mais representativas do seu comportamento e um parâmetro de referência na avaliação da sua segurança e integridade [1,2]. O transdutor também é adequado à observação in situ do comportamento de outras estruturas, nomeadamente, barragens, grandes edifícios e estruturas especiais. O desenvolvimento e conceção do transdutor resultaram da necessidade de responder às exigências encontradas em recentes projetos de monitorização de estruturas, os quais preconizaram a adoção de sistemas de medição exclusivamente óticos. Nos sistemas tradicionais de observação, caracterizados por uma tecnologia de base elétrica, o conjunto de transdutores existentes no mercado é muito vasto, de tipologia diversa, com valores comerciais baixos em resultado da forte concorrência existente. Pelo contrário, no domínio da instrumentação ótica as soluções disponíveis são escassas, muito onerosas, e com características metrológicas pouco adequadas às especificidades da monitorização estrutural. Por outro lado, a franca expansão que a monitorização de base ótica tem vindo a revelar durante a última década, beneficiando de um conjunto de vantagens assinaláveis face à congénere de base elétrica, perspetiva um futuro promissor para a comercialização de novos instrumentos que vão ao encontro das exigências do mercado. 2. CONSTITUIÇÃO DO TRANSDUTOR A medição de deslocamentos relativos em estruturas é realizada por intermédio de um dispositivo mecânico (transdutor) [3], com a geometria e configuração externa ilustrada na Figura 1, donde se destacam os componentes internos fundamentais ilustrados na Figura 2 e nos cortes ilustrados na Figura 3. Figura 1 Ilustração 3D do transdutor. Figura 2 Ilustração 3D dos elementos componentes do transdutor. 2
Rémy, Costa e Figueiras a) Corte A -A plano I b) Corte A -A plano II Figura 3 Ilustração dos elementos componentes do transdutor. O transdutor é constituído por um invólucro exterior cilíndrico ou prismático (1), ligado à estrutura com recurso a rótulas (7). O acesso ao interior deste invólucro exterior (1) é realizado por intermédio de uma tampa amovível (13) fixada ao corpo principal com recurso a uma rosca (14). Em condições de serviço, é no interior do invólucro (1) que se encontra a mola previamente tracionada (4), dentro de um campo de medida previamente definido (8). Este corpo rígido (1), em aço inox, garante também a fixação de todos os componentes mecânicos internos por intermédio de um elemento fixador central (5), localizado na tampa superior (13). A mola (4), previamente tracionada, sujeita à variação de comprimento que se pretende medir, traduzida por uma variação da sua força de tração, encontra-se acoplada a uma célula de carga (2) e suspensa da tampa superior (13) do corpo exterior (1) do transdutor. A variação da força atuante sobre a mola helicoidal, instalada no interior do invólucro (1), é diretamente proporcional à sua variação de comprimento. As dimensões do invólucro foram concebidas para que seja possível alcançar o campo de medida pretendido, sendo um elemento passível de ser adptado quer relativamente ao campo de medida quer relativamente à sensibilidade do sensor. A célula de carga (2), especificamente desenvolvida para este efeito, tira partido de uma geometria estudada com o intuito de permitir uma elevada sensibilidade e estabilidade na medição da força induzida pela mola helicoidal. Este elemento apresenta uma geometria em U, com os pontos de aplicação das forças (9/11 e 10/12) nas suas extremidades e submetida, na região central, a esforços de flexão circular composta. Além do mais, resultado de uma combinação de duas espessuras, é um elemento de elevada rigidez, contribuindo deste modo para um desvio desprezável da medição em 3
Transdutor de deslocamento baseado na tecnologia das fibras óticas. relação ao valor real. Um par de sensores extensométricos (3), localizados em faces opostas da região central da célula de carga (2) (zona submetida a flexão circular composta), confere-lhe maior rigor na medição e permite a compensação dos efeitos da temperatura, podendo esta ser realizada quer por via analítica quer por via metrológica. Desta forma, o efeito da flexão é isolado permitindo a eliminação total da deformação devida ao esforço axial instalado na peça e dos efeitos associados à variação de temperatura. Um tratamento conveniente do sinal proveniente dos extensómetros, com compensação de todos os efeitos térmicos, conduz a uma relação de proporcionalidade direta entre o comprimento da mola e a respetiva ponderação dos sinais medidos. Realce-se ainda o facto de ser um transdutor versátil na natureza e tecnologia do seu sinal, que, ainda que concebido para acolher sensores óticos de rede de Bragg pode ser concebido com extensómetros de resistência elétrica, caso tal seja necessário. As ligações entre a célula de carga (2) a mola helicoidal (4) e a forqueta (5), ocorrem de forma pontual por intermédio de um sistema prismático de encaixe (9/10 e 11/12) existente tanto na célula de carga (2) como nos respetivos suportes (5 e 10). Este pormenor contribui para um posicionamento repetível e estável dos pontos de aplicação das forças na célula de carga. Um sistema de fixação do transdutor por intermédio de rótulas (7) deverá garantir a fixação rígida do transdutor à estrutura e também assegurar a aplicação de forças e deslocamentos apenas segundo o eixo do transdutor. Dois conectores mecânicos (15) (óticos ou elétricos em função da natureza dos extensómetros adotados) permitem a ligação do presente transdutor a uma rede de sensores e ao respetivo equipamento de aquisição. 3. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO O transdutor para medição de deslocamentos desenvolvido com o propósito da medição e observação do comportamento de juntas de dilatação e aparelhos de apoio em obras de arte de engenharia civil, assenta, deste modo, no princípio da Lei de Hooke, lei da física relacionada com a elasticidade dos corpos. A estrutura do presente transdutor de deslocamento relativo encontra-se esquematizada nas Figuras 1 e 2. O princípio básico para a obtenção do deslocamento consiste na medição da força da mola de geometria e propriedades previamente estudadas (4). Recorre-se, desta forma, à Lei de Hooke, para deduzir a força da mola, uma vez que esta é diretamente proporcional ao seu deslocamento no estado inicial (equilíbrio). (1) Tendo em consideração a estabilidade e sensibilidade pretendidas, bem como as variações de deslocamento a medir, concebeu-se um transdutor de força, célula de carga (2), de características também inovadoras. Desenvolveu-se, então, um elemento transdutor com uma geometria em U, que acolhe nas suas extremidades a força da mola. A força atuante (força externa à célula de carga) deforma naturalmente este elemento gerando tensões e deformações mecânicas. Neste particular, tratando-se de uma peça isostática, isto é, com uma distribuição dos esforços internos dependente exclusivamente de condições de equilíbrio estático, é passível de ser caracterizado o comportamento mecânico teórico da referida peça. A estrutura esquemática da presente célula de carga, bem como, os esforços internos nela instalados encontram-se representados na Figura 3 e tomam na região central o valor de: (2) onde N e M correspondem aos esforços instalados na peça, nomeadamente esforço axial e momento fletor, respetivamente, F m é a força da mola aplicada na célula de carga (força exterior atuante) e a o respetivo braço da força. 4
Rémy, Costa e Figueiras Fig. 3 Princípio de funcionamento da célula de carga. Face à distribuição interna de esforços, um par de extensómetros, colocados em fibras opostas na zona central de menor espessura (ver Figura 4) submetida a flexão circular composta, constitui a base deste sensor e conduz a um elemento que, para além, de grande sensibilidade apresenta elevada estabilidade temporal e metrológica, tornando-o particularmente apto para aplicações permanentes de monitorização estrutural. Genericamente, a deformação mecânica, ε m, é numericamente dada pela soma da parcela de deformação axial, ε m,n, e da parcela de deformação por flexão, ε m,m, calculada por: Fig.4 Detalhe da célula de carga. ε ε, ε, N EA M EI y (3) onde E é o módulo de elasticidade do material, A é a área da secção transversal, I é o momento de inércia da secção transversal e y é a coordenada local da fibra onde é medida a extensão perpendicular ao respetivo eixo. Contudo, para além das deformações mecânicas, há ainda que ter em consideração as deformações aparentes de origem térmica. Estas deformações aparentes, não dependem dos esforços instalados, mas são resultado de variações nas condições ambientais, designadamente variações de temperatura, que conduzem igualmente a alterações das dimensões da peça. Com a célula de carga livre de se deformar devido às variações de temperatura, T, estas variações de deformação aparente, εt são dadas por: ε α T (4) onde α T é o correspondente coeficiente de dilatação térmica do material e T é a variação de temperatura. Estas duas componentes de deformação atuam, no presente transdutor, em simultâneo e variam potencialmente ao longo do tempo. A deformação total, ε tot, alvo de medição por um extensómetro é dada, de acordo com o exposto, pela soma das referidas parcelas e corresponde a: ε ε ε ε, ε, ε N EA M EI yα T (5) 5
Transdutor de deslocamento baseado na tecnologia das fibras óticas. Face à existência de um par de extensómetros (3) [4,5] instalados em faces opostas do elemento submetido a flexão circular composta, demonstra-se aqui a possibilidade de compensação dos efeitos de natureza térmica por aplicação da decomposição das respetivas extensões medidas na sua parcela axial, idêntica nas duas fibras opostas, e na parcela de flexão, simétrica nessas mesmas fibras. Considera-se, então, a variação de deformação medida em cada extensómetro dada por:! " ε # F EA F a y EI & 'α T "" ε # F EA ( F a y EI & 'α T (6) Da combinação algébrica das duas relações anteriores, prova-se que: " "" *Δε (Δε, 2ay & " "" ΔF EI.*Δε (Δε, 2ay & K l (7) EI Por equilíbrio estático, deduz-se, então, que a parcela de deformação decorrente da flexão da peça, diferencial, varia exclusivamente e de forma proporcional com a força instalada, logo, por tudo atrás exposto, de forma linear com o respetivo deslocamento da mola, l. Desta forma, e isolando este efeito, torna-se possível compensar os supracitados efeitos perturbadores e tem-se uma proporcionalidade direta entre a extensão da mola e a variação da diferença das extensões medidas. Uma calibração conveniente de cada sensor permite encontrar, experimentalmente, a constante de proporcionalidade que melhor ajusta a relação entre a variação de deslocamento medido e as respetivas variações das extensões medidas, ou melhor, entre a variação do deslocamento e a variação do sinal ótico proveniente da ponderação dos extensómetros respetivos. Destaca-se ainda que esta célula de carga, para além de apresentar uma geometria e dimensões ajustadas à sua função e à sensibilidade e campo de medida pretendidos (8), apresenta condições de fronteira perfeitamente definidas (9/11 e 10/12) que permitem, de forma clara e estável, caracterizar os esforços internos instalados. Com as condições propostas e com base na pormenorização estabelecida e nos materiais utilizados ( ε menor que a extensão limite de proporcionalidade elástica do material) consegue-se igualmente garantir a ausência de fenómenos de não linearidade relacionados com o estado de deformação da peça (não linearidade geométrica e material). O facto de todas as peças móveis do transdutor não terem qualquer contacto com o corpo do transdutor garante a inexistência de forças de atrito perturbadoras. 4. CONSTRUÇÃO DE PROTÓTIPOS Foi construído um protótipo do transdutor com o objetivo de avaliar a seu funcionamento, o protótipo tem a capacidade de captar um deslocamento relativo de 200mm, uma geometria cilíndrica com um diâmetro externo de 50mm e um comprimento de 445mm em aço inox, como é ilustrado na Figura 4. 6
Rémy, Costa e Figueiras Figura 4 Foto do protótipo do transdutor No interior do invólucro encontram-se todos os elementos que constituem o sensor, fabricados em duralumínio à exceção da mola em aço. O elemento sensor da célula de carga corresponde a uma chapa de aço inox de 0,8mm de espessura onde foi usada um fibra ótica com dois FBGs, colados sucessivamente numa e noutra face da chapa como é ilustrado na figura 5. Figura 5 Chapa metálica instrumentada com os FBGs. 5. TESTES E RESULTADOS DO PROTÓTIPO Os ensaios de calibração do transdutor em análise foram realizados com um atuador servo-hidráulico e decorreram com aplicação de carga com controlo de deslocamentos. Foram aplicados um conjunto de ciclos de deslocamento, sinusoidais, mantendo solidárias as extremidades do atuador e do transdutor. O deslocamento do sistema de calibração e a variação de comprimento de onda dos dois sensores de Bragg (FBGs) da célula de carga do transdutor foram registados de forma automática, e em simultâneo, com uma frequência de 10Hz. A carga foi aplicada de acordo com uma lei sinusoidal no tempo para uma amplitude de 140mm. A Figura 6 ilustra os resultados obtidos num conjunto de 5 ciclos de calibração, enquanto a Figura 7 apresenta as retas de calibração de cada um dos FBGs, e a Figura 8 a calibração do protótipo ensaiado. Nas figuras a variação do comprimento de onda, λ é apresentado em nanómetros (nm) e o deslocamento em milímetros (mm). A calibração do protótipo ensaiado proporcionou uma lei de resposta dada por a (mm) = 83.521 ( λ1 λ2), com λ1, λ2 em nanómetros, da qual se infere como constante de calibração do transdutor K = 83.521. 7
Transdutor de deslocamento baseado na tecnologia das fibras óticas. mm 160 140 120 100 80 60 40 20 0 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0-0.2-0.4-0.6-0.8 Δλ Atuador (mm) Δλ1 Δλ2-20 -1 0 100 200 300 400 500 600 700 Tempo (s) Figura 6 Resultados de 5 ciclos de ensaio com uma amplitude de deslocamento de 140mm. 0.8 (nm)δλ 1 0.6 0.4 y = 0.006x -0.0039 R² = 0.9998 0.2 0-0.2 Δλ1 Δλ2-0.4-0.6-0.8 y = -0.0059x - 0.0061 R² = 0.9998-1 mm 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Figura 7 Retas de calibração de cada um dos sensores de Bragg em fibra ótica. mm 160 140 120 y = 83.521x R² = 0.9999 100 80 Δλ1-Δλ2 60 40 20 0 (nm)δλ 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 Figura 8 Calibração do transdutor ensaiado. CONCLUSÕES O transdutor permite a medição de grandes deslocamentos relativos, acompanhada de boa sensibilidade, ao contrário das atuais soluções existentes no mercado. A medição deste tipo de grandeza é fulcral na observação do comportamento de juntas de dilatação e aparelhos de apoio em 8
Rémy, Costa e Figueiras estruturas de engenharia civil. A informação proporcionada é extremamente útil para a manutenção e/ou reparação daqueles órgãos, os quais têm sido sucessivamente identificados como focos principais de anomalias durante o tempo de serviço das estruturas. Uma das principais vantagens do transdutor reside na sua quase insensibilidade às amplitudes térmicas, o que lhe confere uma capacidade única nas observações exteriores de longo prazo. Por outro lado, os ensaios já realizados ao protótipo desenvolvido permitiram concluir que o sinal de saída apresenta uma grande estabilidade no tempo, e por conseguinte, o comportamento dos seus elementos constituintes não enferma de quaisquer efeitos diferidos. Uma terceira vantagem, tão ou mais importante que as anteriores, reside no relativo baixo custo de produção por comparação com outros transdutores já existentes do mesmo tipo. Na verdade, excetuando os elementos sensores óticos, todos os componentes são peças correntes de fácil fabrico ou aquisição. Outras vantagens que lhe podem ser atribuídas são a robustez, grande fiabilidade, resistência ao choque e queda. A facilidade e rapidez das operações de manutenção e reparação do equipamento são manifestas, podendo na grande maioria dos casos ser executadas em obra. Adicionalmente, é um transdutor versátil na natureza e, eventualmente na tecnologia do seu sinal, uma vez que pode incorporar sensores extensométricos elétricos em substituição dos de fibra ótica. O aparelho permite alcançar na monitorização em obras de arte de engenharia civil, as vantagens indiscutíveis da cada vez mais emergente tecnologia ótica, nomeadamente o facto do sinal de natureza ótica por eles emitido poder ser adquirido de forma automática, com elevada precisão e estabilidade. Além disso, é insensível a campos eletromagnéticos, podendo ser incorporado em sistemas que utilizem técnicas de multiplexagem, possuindo ainda a capacidade de reduzir ou eliminar a perda de sinal por aumento da potência da fonte luminosa. AGRADECIMENTOS Os autores gostariam de agradecer à Universidade do Porto Inovação, UPIN, nomeadamente pela ajuda e financiamento prestado na patente NPat.96; e ao Laboratório da Tecnologia do Betão e do Comportamento Estrutural, LABEST, pelo apoio dado em instalações, equipamento e recursos humanos. Agradece-se ainda o apoio na construção de protótipos do projeto QREN Nº 013 675 NaOticaDaNewMensus. REFERÊNCIAS [1] Lee JJ and Shinozuka M. A vision-based system for remote sensing of bridge displacement. NDT E Int 2006. [2] Hou X, Yang X and Huang Q. Using inclinometers to measure bridge deflection. J Bridge Eng 2005. [3] J. Figueiras, Rémy F. e B. Costa. Long Gage fiber-optic based displacement transducer, Portuguese Patent, Ref. UPIN NPat.96, 2010. [4] Zhang L, Zhang W and Bennion I. In-fiber grating optic sensors. In: Yu FTS, Yin S (eds) Fiber optic sensors. Chap. 4. New York: Marcel Dekker, 2002. [5] Kersey AD, David MA, Patrick HJ, LeBlanc M, Koo KP, Askins CG, et al. Fiber grating sensors. J Lightwave Technol, 1997. 9