Novo arranjo de fibras ópticas para sensoriamento de vibrações localizadas utilizando sensores acústicos distribuídos = New optical fiber serpentine arrangements for localized vibration sensing using distributed acoustic sensors
Resumo
Resumo: Atualmente, Sensores Acústicos Distribuídos (DAS) utilizando fibras ópticas baseados no método de Reflectometria Óptica no Domínio do Tempo (OTDR) reconstruída por fase são considerados como alternativas promissoras para monitoramento de ativos. Esses sensores possuem a capacidade de monitorar continuamente e em tempo real ondas acústicas, vibração mecânica e temperatura do ambiente externo por dezenas de quilômetros ao longo do comprimento da fibra óptica. O sensor tem despertado grande interesse científico, pois pode ser aplicado em ambientes hostis, onde são necessárias imunidade eletromagnética e/ou medições ao longo de grandes comprimentos. As aplicações industriais incluem monitoramento ferroviário, levantamento sísmico e monitoramento de poços de petróleo como alternativas a sensores clássicos ou introduzidos como novos métodos de medição. O DAS utiliza atributos da luz retroespalhada para inferir as quantidades físicas a serem medidas. Um pulso óptico é lançado no guia de onda, caracterizado pelo núcleo da fibra óptica, e excitações externas causam mudanças no índice de refração em regiões discretas ao longo da fibra. Técnicas de processamento de sinal convertem a deformação longitudinal e a mudança de temperatura em mudanças de fase medidas no interrogador. Uma desvantagem do DAS é que a menor resolução de detecção é de cerca de 1 metro de comprimento de fibra. Embora muitos estudos no campo do DAS abordem métodos para melhorar o desempenho de sensoriamento, a maioria não leva em consideração a interação entre ondas de pressão e ondas mecânicas nas estruturas medidas pelo sistema. O corrente trabalho tem como objetivo o estudo da aplicação do sensor baseado em fibras óticas para análise de vibrações estruturais com medições localizadas para aplicação em pequenas estruturas e dispositivos, incluindo métodos de aplicação do sensor que promovem o aumento da sensibilidade, e melhorias da qualidade da resposta à vibração medida e da resolução espacial. Um novo método de medição da deformação dinâmica local de estruturas usando DAS é proposto e analisado. O método utiliza configurações da fibra ótica em forma de serpentina para medir o espectro de frequência dos sinais de deformação em fase em regiões limitadas da estrutura, permitindo que o DAS determine, entre outros parâmetros de vibração, a função resposta em frequência de deformação (FRFD). Estudos experimentais da aplicação do sensor com diferentes arranjos em pequenas estruturas são realizados. Um modelo que converte o sinal de fase óptica medido em deformação é desenvolvido utilizando os coeficientes elasto-ópticos de Pockel. A resposta do arranjo de fibras óticas em serpentina é calculada utilizando o Método de Elementos Finitos (MEF). Resultados experimentais apresentam boa concordância com resultados numéricos utilizando MEF e usando sensores de referência, demonstrando uma melhoria significativa na precisão do FRFD do DAS usando a configuração em serpentina e um aumento de até 12,9 dB na relação Pico-Ruído (PNR) para baixas forças de excitação no caso de vibração em vigas. A resposta recuperada permitiu a reconstrução dos modos de vibração. Além disso, neste trabalho uma câmara anecóica foi desenvolvida para experimentos acústicos e um estudo de vibrações medidas por fibras óticas em serpentina em uma placa de aço sendo excitada por fontes acústicas foi realizado. Os resultados demonstram que o arranjo em serpentina permite a medição da FRFD com um nível de pressão acústica de 54dB. O estudo apresentado pode ser aplicado para avanços no campo de monitoramento estrutural, identificação de sinais acústicos, e demonstra que o sensor pode ser aplicado em estruturas em escalas inferiores em comparação com as escalas utilizadas atualmente. Abstract: Distributed Acoustic Sensors (DAS) using optical fibers based on phase sensitive Optical Time Domain Reflectometry are seen as one of the most promising alternatives for monitoring assets today, with the ability to continuously monitor in real-time acoustic waves, mechanical vibration and temperature of the external environment for many kilometers along the length of the optical fiber. The sensor has attracted widespread scientific interest as it can be applied where electromagnetic immunity or spatially continuous measurements are required. Industrial applications include rail monitoring, seismic surveying and well monitoring as alternatives to classic sensors and as potential sensors for completely new applications. DAS uses attributes of the backscattered light to infer the physical quantities to be measured. An optical pulse is launched into the optical fiber waveguide and external excitation causes changes in the refractive index at discrete regions of the optical fiber. Signal processing techniques convert longitudinal strain and temperature change into phase changes measured in the interrogator. A drawback of DAS is that the lowest sensing resolution is around 1 to 3 meters long. Although many studies in the field of DAS are concerned with improving acoustic performance, most do not take into consideration the interaction between pressure waves and mechanical waves in the structures being measured. The scope of this thesis comprises of analyzing methods of application of the sensor that grant improved sensibility, enhanced vibration response and improved spatial resolution for distributed sensing of mechanical vibrations and acoustic excitation. A novel method of measuring local dynamic strain of structures using DAS is analyzed. The method uses serpentine configurations to measure the frequency spectrum of the in-phase strain signals at discrete regions of the structure, enabling DAS to determine, among other vibration parameters, the strain frequency response function (SFRF). Experimental studies of the sensor application with different arrangements in small structures are performed. A method of converting the measured optical phase signal into strain using the Pockel elastooptic coefficients is developed considering the arrangement and implemented Finite Element Analysis. Experimental results show agreement with numerical results developed by the Finite Element Method (FEM) and using reference sensors, demonstrating a significant improvement of the DAS SFRF accuracy using the serpentine configuration and up to 12.9 dB increase in Peak-to-Noise Ratio (PNR) for low excitation forces in the case of beam vibration. The recovered response enabled the reconstruction of mode shapes. In addition, this work presents the development of an anechoic chamber for acoustic experiments using optical fiber sensors and a study in the characterization of structures using optical fibers with acoustic sources. The results demonstrate that the serpentine optical fiber system arrangement is able to measure the SFRF with a 54 dB sound source sweep for flexural modes. The methodology presented here can be the basis for advances in the field of structural health monitoring, signal identification and acoustics by demonstrating that the sensor system can be applied to small and large structures alike.
Collections
- Teses [64]