Como selar três fibras óticas juntas para que ela possa sentir como está se curvando?
Empacotar três (ou mais) fibras ópticas juntas para detectar a forma de curvatura em um espaço tridimensional pertence ao campo tecnológico central da Sensagem de Forma por Fibra Óptica (Fiber Optic Shape Sensing). Seu mecanismo físico subjacente utiliza o gradiente de deformação não axial (Strain Gradient) gerado durante a curvatura do material.
I. Princípio de Detecção Física
Quando um corpo flexível se curva:
- Eixo Neutro (Neutral Axis): Localizado no centro da seção transversal, seu comprimento permanece inalterado e a deformação é zero.
- Tração Externa e Compressão Interna: Posições excêntricas na parte externa da curvatura sofrem estresse de tração, gerando deformação positiva (alongamento +\varepsilon ); posições excêntricas na parte interna da curvatura sofrem estresse de compressão, gerando deformação negativa (compressão -\varepsilon ).
Uma única fibra óptica pode apenas medir a deformação axial unidimensional de tração/compressão e não pode determinar a direção física da curvatura. Para determinar completamente a curvatura (Curvature \kappa) e o ângulo de direção de curvatura (Bending Angle \theta) em um plano bidimensional ou espaço tridimensional, é necessário dispor pelo menos 3 fibras ópticas em uma mesma seção transversal, não colineares e afastadas do eixo neutro (ou usar uma Fibra Multicore com mais de 3 núcleos excêntricos).
II. Elementos Chave do Processo de Encapsulamento para Sensagem de Forma com Três Fibras Ópticas
Para encapsular perfeitamente três fibras ópticas juntas e detectar a curvatura com precisão, os seguintes quatro problemas críticos precisam ser resolvidos na engenharia de encapsulamento:
1. Configuração Geométrica Simétrica da Seção Transversal (Ângulo Espacial de 120^\circ)
As três fibras ópticas devem ser fixadas simetricamente ou embutidas paralelamente ao redor da circunferência de um substrato central (como um fio de liga flexível, um núcleo de polímero, etc.) em intervalos iguais de 120^\circ. Essa simetria geométrica garante a solução matemática para o desacoplamento ortogonal das direções durante o cálculo da deformação nos três eixos.
2. Transmissão de Deformação de Cisalhamento sem Deslizamento (Camada de Solidificação Rígida)
Uma cola especial com alto módulo de cisalhamento ou um processo contínuo de encapsulamento composto de polímero deve ser usado para solidificar firmemente as fibras ópticas e a estrutura do substrato. É estritamente proibido o deslizamento relativo entre a fibra óptica e o substrato. Se houver um pequeno deslocamento relativo na interface, a microdeformação gerada pela curvatura não será transmitida sem perdas para a unidade sensora de luz (como o Fibre Bragg Grating - FBG) dentro da fibra óptica.
3. Alinhamento Preciso dos Pontos de Medição Longitudinais (Array de FBG)
Nas três fibras ópticas, a posição do eixo longitudinal (eixo z) dos segmentos de medição de Fibre Bragg Grating (FBG) gravados deve ser estritamente alinhada. Ao calcular os parâmetros de curvatura de uma determinada seção transversal, o algoritmo deve extrair dados de deslocamento de comprimento de onda de cada uma das três fibras ópticas na mesma posição longitudinal z_i.
4. Desacoplamento de Temperatura e Deformação (Supressão de Modo Comum)
A mudança na temperatura ambiente causa expansão térmica isotrópica no material da fibra óptica, gerando uma deformação térmica de igual quantidade (sinal de modo comum) nas três fibras ópticas. A deformação de modo diferencial, com direções opostas (tração externa, compressão interna), é produzida pela deformação de curvatura. Ao realizar um cálculo de diferença entre as deformações das três fibras ópticas na mesma seção transversal, a interferência da deriva de temperatura ambiente pode ser naturalmente eliminada, alcançando a medição de curvatura pura sem sensibilidade cruzada de temperatura.
III. Modelo Matemático de Reconstrução de Forma Tridimensional
Na mesma posição de seção transversal z do eixo de coordenadas, as deformações axiais medidas pelas três fibras ópticas são \varepsilon_1(z), \varepsilon_2(z) e \varepsilon_3(z), respectivamente.
De acordo com as relações geométricas da mecânica dos materiais, a curvatura \kappa(z) nessa posição pode ser calculada:
\kappa(z) = \frac{2}{3r} \sqrt{\varepsilon_1^2 + \varepsilon_2^2 + \varepsilon_3^2 - \varepsilon_1\varepsilon_2 - \varepsilon_2\varepsilon_3 - \varepsilon_3\varepsilon_1}
(Onde r é o raio de excentricidade da fibra óptica em relação ao eixo neutro da seção transversal)
Ao mesmo tempo, o ângulo de direção de curvatura \theta(z) é calculado:
\theta(z) = \arctan\left( \frac{\sqrt{3}(\varepsilon_3 - \varepsilon_2)}{2\varepsilon_1 - \varepsilon_2 - \varepsilon_3} \right)
Integrando geometricamente os pontos de medição contínuos da curvatura \kappa(z) e do ângulo \theta(z) ao longo do comprimento do eixo da fibra (por exemplo, com base na derivação do referencial de Frenet-Serret ou no método da matriz de transferência), a verdadeira postura e trajetória geométrica de curvatura de todo o sensor de fibra óptica no espaço tridimensional podem ser completamente reconstruídas.
IV. Produtos e Soluções OFSCN® Relacionados
Com base na tecnologia de encapsulamento de Fibre Bragg Grating, a Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) oferece produtos padronizados e customizados para sensagem de forma e medição de deformação multiaxial:
1. Sensor de Forma de Fibra Óptica Grating
Utiliza processos de encapsulamento composto de polímero e liga elástica para solidificar com precisão múltiplos sensores FBG, permitindo o monitoramento da curvatura e da postura de estruturas flexíveis.
Sensor de Forma de Fibra Óptica Grating OFSCN®
2. Fibre Bragg Grating Multicore
Adota uma única fibra multicore (MCF) e grava arrays de Fibre Bragg Grating em diferentes núcleos, reduzindo significativamente o diâmetro externo da unidade sensora de deformação multiaxial e o desvio do eixo neutro de curvatura.
Fibre Bragg Grating Multicore / Série FBG OFSCN® (Fibra Nua)
3. Sensor de Força Tridimensional de Fibra Óptica Grating
Disposto longitudinalmente com 3 segmentos de medição FBG em intervalos de 120^\circ na circunferência de um substrato de liga dura, usado para determinação precisa da força multidirecional e vetores de curvatura.
Sensor de Força Tridimensional de Fibra Óptica Grating OFSCN®
