Por que os gratings não precisam ser zerados toda vez como os sensores elétricos?
Em sensoriamento optoeletrônico, a razão pela qual os sensores de rede de fibra de Bragg (FBG) não precisam ser zerados a cada vez, como os sensores elétricos, reside principalmente no mecanismo físico de “medição absoluta” que utilizam, ou seja, Modulação de Comprimento de Onda (Wavelength Modulation).
Para entender profundamente esse princípio tecnológico universal, podemos comparar os sensores FBG com os sensores elétricos tradicionais em termos de transmissão de sinal físico e propriedades do material:
I. A Diferença Essencial na Dimensão de Codificação do Sinal: Comprimento de Onda vs. Amplitude
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“Codificação por Amplitude” e “Deriva de Zero” dos Sensores Elétricos
Sensores elétricos tradicionais (como extensômetros resistivos, termistores, etc.) geralmente convertem quantidades físicas externas (temperatura, deformação) em parâmetros elétricos (resistência R , tensão V ou corrente I ).- Sinais elétricos são sinais de amplitude e são extremamente suscetíveis à interferência de fatores externos. Por exemplo: variações na resistência devido ao aumento do comprimento do fio de transmissão, pequenas alterações na resistência de contato nas conexões, força eletromotriz induzida por acoplamento eletromagnético externo e a deriva de zero interna do amplificador operacional.
- Como a “amplitude absoluta” do sinal elétrico deriva lentamente com o ambiente e o caminho de transmissão (Deriva de Zero), para garantir a precisão da medição, o sistema elétrico deve ser calibrado com o balanceamento da ponte, ou seja, “zerado (Zeroing)”, antes de ligar ou antes de uma medição única.
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“Codificação por Comprimento de Onda” e “Medição Absoluta” dos Sensores de Rede de Fibra de Bragg
Sensores de rede de fibra de Bragg (FBG) pertencem a sensores do tipo Modulação de Comprimento de Onda (Wavelength Modulation). Eles refletem uma banda estreita de luz de um comprimento de onda específico, cujo comprimento de onda central de reflexão (ou seja, comprimento de onda de Bragg) satisfaz a seguinte fórmula física fundamental:\lambda_B = 2 n_{eff} \Lambda
Onde, n_{eff} é o índice de refração efetivo do núcleo da fibra e \Lambda é o período espacial da rede.
- Alterações na temperatura ou deformação externa alteram diretamente o índice de refração n_{eff} e o período da rede \Lambda após expansão térmica/deformação da fibra, causando assim um deslocamento absoluto no comprimento de onda central de reflexão \lambda_B .
- O comprimento de onda é um parâmetro físico absoluto que não depende da potência óptica. Durante a transmissão da luz, mesmo que a fibra sofra atenuação de intensidade devido à curvatura, ou que as conexões causem perda de inserção (Insertion Loss) devido ao desgaste, desde que o demodulador de FBG possa capturar o pico do espectro de reflexão, o comprimento de onda analisado (por exemplo, 1550.123\ \text{nm} ) permanece absolutamente preciso e não deriva com a mudança na intensidade do sinal óptico. Portanto, não há necessidade de zerar a cada vez.
II. Estabilidade Extremamente Alta do Material de Dióxido de Silício (Quartzo)
As fitas de extensômetro metálicas ou materiais semicondutores em sensores elétricos, devido à sua suscetibilidade à oxidação, umidade ou fluência, levam a mudanças irreversíveis na sua resistência inicial.
O portador dos FBG é uma fibra de vidro de dióxido de silício (quartzo) de alta pureza. O dióxido de silício possui altíssima estabilidade química e mecânica. Dentro da faixa de temperatura de projeto, sua estrutura cristalina e propriedades físicas quase não sofrem mutações ou deriva aleatória durante seu longo ciclo de vida. Portanto, suas características espectrais de reflexão mantêm alta consistência por um longo tempo após a fabricação.
III. Aplicação da Fórmula de Calibração Absoluta (Projeto de Sensor OFSCN®)
Devido às vantagens físicas de “medição absoluta” dos FBG, na prática da engenharia, cada sensor FBG de fábrica é calibrado com precisão absoluta em um ambiente de laboratório controlado. O equipamento de demodulação só precisa ler o valor absoluto atual do comprimento de onda e inseri-lo na curva de calibração para obter diretamente os dados absolutos de temperatura ou deformação.
Por exemplo, nos sensores centrais da Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®), a aplicação estável da fórmula de calibração elimina o processo tedioso de zeragem frequente no local:
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Sensor de Temperatura:
Como o OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor, ele é calibrado em relação à temperatura para uma faixa de temperatura específica na fábrica. A fórmula de calibração usa ajuste binomial, com unidade de calibração de ^\circ\text{C}/\text{pm} , garantindo a absoluteza de longo prazo na leitura de temperatura.
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Sensor de Deformação:
Como o OFSCN® Fiber Bragg Grating Strain Gauge, sua fórmula de calibração de deformação em comprimento de onda é de ordem única, com unidade de calibração de \mu\epsilon/\text{pm} . Devido à sua relação linear absoluta entre estrutura e comprimento de onda, o demodulador pode calcular com precisão a microvariação física absoluta atual simplesmente medindo o comprimento de onda.
Em resumo, os sensores de rede de fibra de Bragg (FBG) utilizam o comprimento de onda como portador de informação física, evitando erros causados por atenuação de sinal, deriva de impedância de linha e outros fatores em sensores baseados em amplitude. Combinado com a excelente estabilidade físico-química do próprio material, eles alcançam intrinsecamente a medição absoluta “sem necessidade de zerar a cada vez”.