A fibra óptica além da internet gamer

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Sensores Ópticos: Forças Bidirecionais

A Fibra Óptica é um filamento flexível, normalmente fabricada de plástico, vidro ou sílica e é considerada um condutor de altíssimo rendimento, que transporta luz ao invés de cargas elétricas. É formada por duas camadas: o núcleo, que realmente transmite os raios luminosos devido ao seu elevado índice de refração, e a casca, que serve como proteção.

O uso da fibra óptica é vantajoso, pois proporciona uma grande velocidade de transmissão, na ordem de grandeza dos gigabits por segundo (10^9 bits por segundo), é imune à interferência eletromagnética, devido à sua construção em material dielétrico, causa baixa atenuação de sinal, em média 0,2dB/km, o custo para sua produção é menor que o de um fio de cobre comum, possui uma elevada vida útil e ocupa um espaço reduzido.

Ela é popularmente empregada para transmissão de dados de internet, telefone, televisão, redes e rádios, mas uma aplicação menos usual das fibras ópticas são os sensores. E esse é o assunto deste “Como Funciona?”

Sensor óptico de deformação FS63 | HBM

Para uma fibra óptica ser aplicada como sensor ela precisa sofrer alguns pequenos “cortes” ao longo de seu comprimento, esses cortes são chamados de redes de difração, eles são considerados um processo de modulação do índice de refração. Assim, farão com que a luz, ao atravessar a rede, sofra uma distorção em seu caminho. A rede mais comum de ser utilizada é a Rede de Período Longo em Fibra (LPFG), por ser de uma estrutura mais simples e possuir um período de modulação maior. As LPFGs podem ser consideradas um filtro rejeita-faixa e é essa peculiaridade que torna o emprego dos sensores possível.

O comprimento de onda central da luz que atravessa a LPFG é uma função que possui a influência do ambiente como parâmetro, como os índices de refração do núcleo e da casca e o período da fibra. Quando o sensor de fibra óptica sofre alguma deformação em uma direção (X ou Y) ou em duas direções (X e Y), o efeito da birrefringência é percebido, e o estresse aplicado sobre o sensor causa uma variação no período da fibra. Portanto, o comprimento de onda ressonante da luz que atravessa o sensor se desloca para valores maiores ou menores de acordo com a intensidade e o ângulo da força aplicada sobre ele.

Um exemplo de aplicação de sensores ópticos é em manipuladores robóticos. O sensor pode ser fixado em uma junta e, assim, conseguir medir a intensidade e o ângulo de inclinação da força realizada pelo manipulador. 

A seguir são apresentados dados obtidos em simulação para diferentes esforços sob uma mesma fibra óptica, feitos sempre com um ângulo de inclinação de 0°.

Esse gráfico apresenta os comprimentos de onda ressonantes, que são os vales, para uma força de 0,7848N ou 0,08kg. Pode-se perceber que eles estão bem próximos. No entanto, quando a força aplicada aumenta, esses vales se afastam.

Esse fenômeno propicia uma análise do estresse sofrido pelo sensor e torna possível estimar uma função matemática que caracterize a relação entre a força e o comprimento de onda ressonante.

Os sensores de fibra óptica também podem ser usados em outras situações, como automação industrial, monitoramento de redes elétricas, smart grids e análise de misturas (etanol-água, leite).

Por: Júlia Bittencourt

Júlia Bittencourt

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