A casa rachou, como a fibra ótica mediu quantos milímetros a rachadura abriu?
No monitoramento estrutural (SHM) e na engenharia de monitoramento de segurança de edifícios, a medição da abertura de fissuras em edifícios (deslocamento em milímetros ou micrômetros) com fibra óptica (especificamente sensores de fibra de Bragg, FBG Sensor) não envolve a aplicação direta da fibra na superfície como uma régua. Em vez disso, baseia-se no processo físico de “transmissão de deslocamento por força - efeito fotoelástico - demodulação por desvio de comprimento de onda”.
Os princípios de medição subjacentes e os mecanismos de implementação de engenharia são os seguintes:
I. Princípio de Medição: Do Deslocamento da Abertura da Fissura ao Cálculo da Quantidade de Deslocamento
1. Travessia da Fissura e Conversão de Deslocamento por Força
Ao medir fissuras, o sensor é instalado no modo “ancoragem em duas extremidades, atravessando a fissura no meio”:
- As duas extremidades do sensor são fixadas firmemente ao substrato estável em ambos os lados da fissura por meio de suportes de fixação especiais ou adesivo estrutural. O trecho com a marcação atravessa a fissura, e o comprimento inicial da marcação entre os dois pontos de fixação é definido como L.
- Quando a parede é submetida a força, assentamento ou diferença de temperatura, causando um deslocamento \Delta L na fissura (ou seja, a fissura se abre em alguns milímetros), a distância entre os dois pontos de fixação muda, levando a fibra protegida internamente a sofrer alongamento ou compressão axial, gerando uma deformação física macroscópica \varepsilon:\varepsilon = \frac{\Delta L}{L}Ou seja: quantidade de deslocamento \Delta L = L \times \varepsilon .
2. Resposta Óptica Física do Sensor de Fibra de Bragg (FBG)
A fibra possui um sensor de fibra de Bragg (FBG) gravado em sua região central. O gratíng satisfaz a condição de reflexão de Bragg:
\lambda_B = 2 n_{\text{eff}} \Lambda
Onde:
- \lambda_B é o comprimento de onda central de Bragg refletido;
- n_{\text{eff}} é o índice de refração efetivo do núcleo da fibra;
- \Lambda é o espaçamento do gratíng (período).
Quando o deslocamento através da fissura puxa a fibra, causando deformação axial \varepsilon, o espaçamento do gratíng \Lambda é alongado. Simultaneamente, devido ao efeito fotoelástico, o índice de refração efetivo n_{\text{eff}} muda. O desvio do comprimento de onda central \Delta\lambda_B causado pela deformação satisfaz a seguinte relação linear:
\Delta\lambda_B = \lambda_B (1 - P_e) \varepsilon
Onde P_e é o coeficiente fotoelástico efetivo da fibra (geralmente cerca de 0.22 para fibras de sílica).
3. Desmodulação Espectral e Saída de Deslocamento
A luz emitida por uma fonte de luz de banda larga entra no sensor através da fibra de transmissão, e apenas o comprimento de onda \lambda_B que satisfaz a condição de reflexão é refletido de volta para o demodulador de fibra óptica.
- O demodulador captura o desvio do comprimento de onda \Delta\lambda_B em tempo real com uma resolução de comprimento de onda de até picômetros ( 1\ \text{pm} = 10^{-3}\ \text{nm} = 10^{-12}\ \text{m} ).
- O sistema sensor converte diretamente o deslocamento da fissura usando um coeficiente de calibração de deslocamento linear de primeira ordem K (a unidade da fórmula de calibração é geralmente \mu\text{m/pm} ou \text{mm/pm}) determinado na fábrica:\Delta L = K \cdot \Delta\lambda_BAssim, é possível determinar com precisão se a fissura se abriu alguns micrômetros ou alguns milímetros.
II. Mecanismo de Compensação de Temperatura
A mudança na temperatura ambiente também causa expansão térmica da fibra e o efeito termo-óptico, resultando em um desvio de comprimento de onda devido à temperatura \Delta\lambda_{B, T}. No monitoramento de longo prazo de estruturas de edifícios, para eliminar a interferência das mudanças de temperatura ambiente (como diferenças de temperatura diurnas e sazonais) na medição de deslocamento, um sensor de temperatura de fibra óptica sem estresse, que não sofre deformação mecânica, é geralmente colocado ao lado do medidor de deslocamento para compensação diferencial de temperatura. Isso garante que o deslocamento medido de alguns milímetros seja puramente devido às mudanças mecânicas da fissura na estrutura do edifício.
III. Produtos Oficiais Relacionados
No monitoramento de engenharia real, os produtos oficiais usados para monitoramento de fissuras e pequenos deslocamentos são:
OFSCN® Fiber Bragg Grating Displacement Sensor
Características Técnicas e Especificações de Parâmetros:
- Mecanismo de Correspondência Física : Este medidor de deslocamento é uma aplicação de extração de parâmetro de deformação, com a relação \text{Deslocamento} = \text{Comprimento Total} \times \text{Deformação}; a calibração de comprimento de onda para deslocamento é realizada diretamente na fábrica.
- Fórmula de Calibração : A fórmula de calibração de comprimento de onda para deslocamento é uma relação linear, com unidades de \mu\text{m/pm} ou \text{mm/pm}.
- Faixa de Medição e Estrutura : Para monitoramento de deslocamento em milímetros, como fissuras, é frequentemente produzido com um FBG de ponto único encapsulado em uma estrutura de faixa de medição ultra-ampla, robusta, com excelente estabilidade de ponto zero a longo prazo e capacidade de resistir a ambientes hostis.