PT106075A - ACCELEROMETER AND OPTICAL BIDIMENSIONAL INCLINOMETER BASED ON DIFFERENTION NETWORKS RECORDED IN OPTICAL FIBERS - Google Patents
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Abstract
NESTA INVENÇÃO É PROPOSTO UM ACELERÓMETRO E INCLINÓMETRO BIDIMENSIONAL ÓTICO BASEADO EM REDES DE DIFRAÇÃO GRAVADAS EM FIBRAS ÓTICAS (3) E EM DUAS PEÇAS (1, 2) ACOPLADAS ENTRE SI, QUE COMPREENDEM UMA MASSA INERCIAL (2) SOBRE UMA BASE (1). AS PRINCIPAIS VANTAGENS DESTA TECNOLOGIA ÓTICA EM RELAÇÃO ÀS SOLUÇÕES ELECTRÓNICAS TRADICIONAIS SÃO A POSSIBILIDADE DE MULTIPLEXAR UM ELEVADO NÚMERO DE SENSORES EM SÉRIE NO MESMO CABO ÓTICO, REDUZINDO O NÚMERO DE CABOS NECESSÁRIOS, CUSTOS DE IMPLEMENTAÇÃO E PESO; A IMUNIDADE A CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS E A POSSIBILIDADE DE TRANSMISSÃO A LONGAS DISTÂNCIAS SEM NECESSIDADE DE AMPLIFICADORES ADICIONAIS. O SENSOR PROPOSTO PERMITE MEDIR A EVOLUÇÃO DAS ACELERAÇÕES E VARIAÇÕES ANGULARES EM DUAS DIRECÇÕES ORTOGONAIS, QUE PODE SER UTILIZADO NA MONITORIZAÇÃO DE ESTRUTURAS, NOMEADAMENTE EM AMBIENTES HOSTIS ONDE NÃO É POSSÍVEL A UTILIZAÇÃO DE SENSORES ELETRÓNICOS COM SEGURANÇA.In this invention there is proposed an optical two-dimensional accelerator and inclinometer based on optical diffraction gratings (3) and on two parts (1, 2) connected between them, which comprise an inertial mass (2) on a base (1). THE MAIN ADVANTAGES OF THIS OPTICAL TECHNOLOGY IN RELATION TO TRADITIONAL ELECTRONIC SOLUTIONS ARE THE POSSIBILITY OF MULTIPLEXING A HIGH NUMBER OF SERIES SENSORS ON THE SAME OPTICAL CABLE, REDUCING THE NUMBER OF NECESSARY CABLES, IMPLEMENTATION COSTS AND WEIGHT; IMMUNITY TO ELECTROMAGNETIC FIELDS AND THE POSSIBILITY OF TRANSMISSION TO LONG DISTANCES WITHOUT NEED OF ADDITIONAL AMPLIFIERS. THE PROPOSED SENSOR ALLOWS TO MEASURE THE EVOLUTION OF ANGLE ACCELERATIONS AND VARIATIONS IN TWO ORTOGONAL DIRECTIONS, WHICH MAY BE USED IN THE MONITORING OF STRUCTURES, ESPECIALLY IN HOSTIS ENVIRONMENTS WHERE THE USE OF SAFETY ELECTRONIC SENSORS IS NOT POSSIBLE.
Description
DESCRIÇÃO "ACELERÓMETRO E INCLINÓMETRO BIDIMENSIONAL ÓTICO BASEADO EM REDES DE DIFRAÇÃO GRAVADAS EM FIBRAS ÓTICAS"DESCRIPTION " ACCELEROMETER AND TWO-DIMENSIONAL OPTICAL INCLINOMETER BASED ON DIFFERENTION NETWORKS RECORDED IN OPTICAL FIBERS "
Domínio técnico da invenção A presente invenção diz respeito a um dispositivo medidor de aceleração e/ou inclinação, em particular baseado em redes de Bragg.TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to an acceleration and / or incline measuring device, in particular based on Bragg nets.
Sumário da invenção A presente invenção descreve um acelerómetro e inclinómetro ótico que compreende: uma base (1); uma massa inercial (2) encastrada em consola na referida base (1); e duas redes de difração em fibra ótica (rede 1, rede 2) fixadas entre a base (1) e a massa inercial (2), dispostas sobre uma mesma direção e em lados opostos da massa inercial (2); de modo a que, em caso de aceleração da massa inercial (2) , a extensão de uma das duas redes (rede 1, rede 2) corresponda à contração da outra rede, ou vice-versa, para que a diferença de comprimentos de onda refletidos pelas duas redes (rede 1, rede 2) corresponda à aceleração da massa inercial (2) na referida direção.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention describes an optical accelerometer and inclinometer comprising: a base (1); an inertial mass (2) cantilevered in said base (1); and two optical fiber diffraction gratings (grid 1, net 2) fixed between the base (1) and the inertial mass (2) arranged in the same direction and on opposite sides of the inertial mass (2); so that, in case of acceleration of the inertial mass (2), the extension of one of the two networks (network 1, network 2) corresponds to the contraction of the other network, or vice versa, so that the difference in wavelengths reflected by the two networks (network 1, network 2) corresponds to the acceleration of inertial mass (2) in said direction.
Numa realização preferencial as referidas redes de difração (rede 1, rede 2) estão compreendidas na mesma fibra ótica.In a preferred embodiment said diffraction gratings (net 1, net 2) are comprised in the same optical fiber.
Numa realização preferencial as referidas redes de difração (rede 1, rede 2) estão compreendidas em diferentes fibras óticas.In a preferred embodiment said diffraction gratings (net 1, net 2) are comprised in different optical fibers.
Numa realização preferencial as referidas redes de difração (rede 1, rede 2) estão localizadas em lados opostos da 1 massa inercial (2) e descentradas do eixo rotacional da massa inercial (2), de modo a que, em caso de rotação da massa inercial (2) , a extensão de uma das duas redes corresponda à extensão da outra rede, ou a contração de uma das duas redes corresponda à contração da outra rede, para que a diferença de comprimentos de onda refletidos pelas duas redes (rede 1, rede 2) seja independente da aceleração rotacional (2).In a preferred embodiment said diffraction gratings (gratings 1, gratings 2) are located on opposite sides of the inertial mass (2) and are offset from the rotational axis of the inertial mass (2), so that, in case of rotation of the mass (2), the extension of one of the two networks corresponds to the extension of the other network, or the contraction of one of the two networks corresponds to the contraction of the other network, so that the difference in wavelengths reflected by the two networks (network 1, 2) is independent of the rotational acceleration (2).
Numa realização preferencial tem duas redes de difração (rede 1, rede 3), fixadas entre a base (D e a massa inercial (2) , localizadas em diferentes lados da massa inercial (2) < 2 descentradas do eixo rotacional da massa inercial (2) , de modo a que, em caso de rotação da massa inercial (2), a extensão de uma das duas redes corresponda à contração da outra rede, ou vice-versa, para que a diferença de comprimentos de onda refletidos pelas duas redes corresponda à aceleração rotacional sobre a massa inercial (2).In a preferred embodiment there are two diffraction gratings (net 1, net 3) fixed between the base (D and the inertial mass (2) located on different sides of the inertial mass (2) <2 from the rotational axis of the inertial mass (2) in such a way that, in case of rotation of the inertial mass (2), the extension of one of the two networks corresponds to the contraction of the other network, or vice versa, so that the difference in wavelengths reflected by the two networks corresponds to the rotational acceleration on the inertial mass (2).
Numa realização preferencial duas redes de difração (rede 3, rede 4) estão fixadas entre a base (1) e a massa inercial (2), dispostas em lados opostos da massa inercial (2) sobre uma segunda direção, diferente da direção das duas primeiras redes (rede 1, rede 2), de modo a que, em caso de aceleração da massa inercial, a extensão de uma das duas redes (rede 3, rede 4) corresponda a contração da outra rede, ou vice-versa, para que a diferença de comprimentos de onda refletidos pelas duas redes (rede 1, rede 2) corresponda à aceleração da massa inercial (2) nesta referida segunda direção. 2In a preferred embodiment two diffraction gratings (lattice 3, lattice 4) are fixed between the base (1) and the inertial mass (2) arranged on opposite sides of the inertial mass (2) in a second direction, different from the direction of the two (network 1, network 2) so that, in case of acceleration of the inertial mass, the extension of one of the two networks (network 3, network 4) corresponds to the contraction of the other network, or vice versa, to that the difference in wavelengths reflected by the two networks (network 1, network 2) corresponds to the acceleration of inertial mass (2) in said second direction. 2
Numa realização preferencial as referidas direções são ortogonais.In a preferred embodiment said directions are orthogonal.
Numa realização preferencial tem quatro redes de difração (rede 1, rede 2, rede 3, rede 4), fixadas entre a base (1) e a massa inercial (2), em duas direções ortogonais e seus quatro sentidos relativamente à massa inercial (2).In a preferred embodiment there are four diffraction gratings (network 1, network 2, network 3, network 4) fixed between the base (1) and the inertial mass (2) in two orthogonal directions and their four directions relative to the inertial mass ( 2).
Numa realização preferencial, a massa inercial (2) e a base (1) são realizadas em metal, de preferência aluminio.In a preferred embodiment, the inertial mass (2) and the base (1) are made of metal, preferably aluminum.
Numa realização preferencial a massa inercial (2) é um cilindro com secção reduzida, diâmetro preferencial de 2 a 6 mm, na sua parte inferior.In a preferred embodiment the inertial mass (2) is a cylinder of reduced cross-section, preferably 2 to 6 mm in diameter, at its bottom.
Antecedentes da Invenção A monitorização dinâmica é um tópico extremamente relevante para a caracterização do comportamento de estruturas, para a análise do seu estado de conservação/degradação ou para a avaliação de parâmetros de conforto dos seus utilizadores. A realização destas medidas requer a utilização de acelerómetros. No entanto, a utilização de acelerómetros tradicionais baseados em tecnologias eletrónicas apresenta diversos condicionantes, tais como o custo de instalação, sensibilidade a campos elétricos ou limitação de aplicação em ambientes hostis. A mitigação destas fragilidades impõe a utilização de uma tecnologia ótica na produção dos acelerómetros, em contraponto à tradicional tecnologia eletrónica.BACKGROUND OF THE INVENTION Dynamic monitoring is an extremely relevant topic for the characterization of structure behavior, for the analysis of its conservation / degradation state or for the evaluation of comfort parameters of its users. The implementation of these measures requires the use of accelerometers. However, the use of traditional accelerometers based on electronic technologies has several constraints, such as the cost of installation, sensitivity to electric fields or limitation of application in hostile environments. The mitigation of these weaknesses requires the use of an optical technology in the production of accelerometers, as opposed to traditional electronic technology.
Atualmente, os sensores de aceleração apresentam-se como ferramentas chave na monitorização estrutural de infraestruturas, especialmente para a deteção de parâmetros 3 da resposta estrutural fora dos limites esperados para ações raras, como por exemplo o vento, ou danos estruturais provocados por sismos, colisões ou explosões, entre outras. Monitorizar a resposta dinâmica das estruturas é uma excelente opção para a avaliação das caracteristicas do seu comportamento dinâmico, bem como para a determinação do seu estado de conservação global, permitindo identificar a localização e extensão de danos ocorridos para uma ação acidental. A informação decorrente da caracterização dinâmica é fundamental ainda para a calibração de modelos numéricos de análise estrutural. Para as estruturas danificadas, a análise da resposta dinâmica poderá servir para a identificação das maiores fragilidades estruturais, para apoiar os técnicos na definição de soluções de reabilitação e reforço mais adequadas, otimizando custos e niveis de segurança associados [1-3].Currently, acceleration sensors are presented as key tools in the structural monitoring of infrastructures, especially for the detection of structural response parameters 3 outside the expected limits for rare actions, such as wind or structural damage caused by earthquakes, collisions or explosions, among others. Monitoring the dynamic response of the structures is an excellent option for the evaluation of the characteristics of its dynamic behavior, as well as for the determination of its global conservation status, allowing to identify the location and extent of damages occurred for an accidental action. The information derived from the dynamic characterization is still fundamental for the calibration of numerical models of structural analysis. For damaged structures, dynamic response analysis may serve to identify the greatest structural weaknesses to support technicians in defining more appropriate rehabilitation and reinforcement solutions, optimizing costs and associated safety levels [1-3].
As redes de Bragg apresentam caracteristicas intrínsecas ideais para integrar sistemas sensores apropriados, permitindo integrar numa só fibra ótica um elevado número de sensores óticos, nomeadamente acelerómetros, sensores de deslocamento, pressão e temperatura, com vantagens, relativamente aos sensores tradicionais semicondutores, piezoeléctricos, resistivos ou capacitivos, já largamente comercializados. Comercialmente encontra-se disponível um vasto leque de sensores de aceleração em circuito integrado. São sensores de pequenas dimensões (da ordem de mm2), de baixo custo (desde cerca de 3 euros até cerca de 20 euros), com sensibilidades desde alguns mV/g até cerca de lOOOmV/g, que permitem medir acelerações desde lg até cerca de 250g [4]. 4The Bragg networks present ideal intrinsic characteristics to integrate suitable sensor systems, allowing to integrate in a single optical fiber a high number of optical sensors, namely accelerometers, displacement sensors, pressure and temperature, with advantages, in comparison with traditional semiconductor, piezoelectric, resistive sensors or capacitive, already widely commercialized. Commercially available a wide range of integrated circuit acceleration sensors. They are sensors of small dimensions (in the order of mm2), low cost (from about 3 euros to around 20 euros), with sensitivities from a few mV / g to about 100OOmV / g, which allow to measure accelerations from 1g up to about of 250g [4]. 4
As principais vantagens da tecnologia ótica em relação às soluções eletrónicas tradicionais são a possibilidade de multiplexar um elevado número de sensores em série no mesmo cabo, reduzindo o número de cabos necessários, custos de implementação e peso; a imunidade a campos eletromagnéticos e a possibilidade de transmissão a longas distâncias sem necessidade de amplificadores adicionais. Além destas características, a tecnologia ótica permite uma significativa redução na relação sinal/ruido, quando comparada com dispositivos elétricos/eletrónicos [5].The main advantages of optical technology over traditional electronic solutions are the possibility of multiplexing a large number of sensors in series on the same cable, reducing the number of cables required, implementation costs and weight; the immunity to electromagnetic fields and the possibility of transmission over long distances without the need for additional amplifiers. In addition to these characteristics, the optical technology allows a significant reduction in the signal-to-noise ratio when compared to electrical / electronic devices [5].
Na última década verificou-se um aumento significativo do investimento na investigação deste tipo de sensores, que têm vindo a ser utilizados não só em aplicações de investigação, mas também em alguns estudos e ensaios de caracterização do comportamento estrutural de pontes, edifícios altos e barragens [6-12], A necessidade de sensores que garantam uma maior fiabilidade e segurança em ambientes de alto risco, como são exemplo as plataformas petrolíferas ou as centrais nucleares, tem vindo a impulsionar a investigação deste tipo de sensores.In the last decade there has been a significant increase in investment in the investigation of this type of sensors, which have been used not only in research applications but also in some studies and tests to characterize the structural behavior of bridges, high-rise buildings and dams [6-12] The need for sensors to ensure greater reliability and safety in high-risk environments, such as oil rigs or nuclear power plants, has been driving the investigation of such sensors.
Atualmente existe um grande número de investigadores a trabalhar nesta área e vários protótipos de acelerómetros óticos têm sido desenvolvidos [13-17]. 0 documento US7137299 B2 compreende um acelerómetro uniaxial que permite compensar efeitos de variações de temperatura ambiente e reduzir o efeito de eixos cruzados, no entanto a montagem é de complexidade elevada pela aplicação de várias molas de suporte da massa inercial. 5 0 documento US6955085 Β2 mostra um sistema que utiliza redes de Bragg como elemento sensor de um sistema em que a massa inercial exerce uma força de compressão sobre a fibra ótica, provocando um alongamento da fibra com a rede de Bragg. Este sistema permite compensar de algum modo os efeitos de eixos cruzados, no entanto a sua complexidade de montagem mostra-se como uma desvantagem. 0 documento referido compreende ainda um sistema triaxial em que são utilizados três acelerómetros uniaxiais colocados em direções diferentes. 0 documento JP2005030796 (A) descreve um acelerómetro uniaxial. Apesar da sua configuração simples, este mostra-se, de forma desfavorável, sensível a efeitos de eixo cruzado, bem como efeitos de variação de temperatura ambiente.Currently there are a large number of researchers working in this area and several prototypes of optical accelerometers have been developed [13-17]. The document US7137299 B2 comprises a uniaxial accelerometer which allows to compensate for effects of variations in ambient temperature and reduce the effect of cross axes, however the assembly is of high complexity by the application of several support springs of the inertial mass. The document US6955085 Β2 shows a system that uses Bragg networks as a sensor element of a system in which the inertial mass exerts a compressive force on the optical fiber, causing an elongation of the fiber with the Bragg network. This system makes it possible to compensate for the effects of cross-axes in some way, but its complexity of assembly is a disadvantage. The document further comprises a triaxial system in which three uniaxial accelerometers are placed in different directions. JP2005030796 (A) describes a uniaxial accelerometer. Despite its simple configuration, it is unfavorably sensitive to cross-axis effects as well as effects of ambient temperature variation.
Como referido anteriormente, atualmente impõe-se o desafio de desenvolver sensores óticos de baixo custo, alta capacidade de multiplexação e boa relação sinal/ruído, possibilitando a sua utilização em ambientes adversos onde não possam ser utilizados sensores convencionais.As previously mentioned, the challenge of developing low-cost optical sensors, high multiplexing capacity and good signal-to-noise ratio is currently being challenged, enabling them to be used in adverse environments where conventional sensors can not be used.
Descrição geral da invençãoOverview of the invention
Numa realização preferencial, o sistema proposto consiste em duas peças maquinadas de aluminio (1) e (2), ligadas entre si na base, preferencialmente por quatro parafusos de ligação e na parte superior ligam-se preferencialmente quatro fibras óticas com redes de Bragg (3) inscritas, tal como descrito na figura 1. As fibras óticas encontram-se ligadas entre as duas peças, preferencialmente com epóxi, e são pré-tensionadas. A peça de alumínio (2) é um cilindro com secção reduzida (diâmetro preferencial de 2 a 6 mm, por 6 ex. 4 mm) na sua parte inferior, tal como se mostra na figura 1. A parte superior do cilindro forma a massa inercial do sensor, que com aceleração externa se pode movimentar livremente, sendo o movimento caracterizado nas duas direções independentes xx e yy. Este movimento vai provocar um alongamento/compressão nas fibras óticas. Esta variação de comprimento das fibras óticas provoca um desvio mensurável no comprimento de onda refletido pelas redes de Bragg que será relacionado com a aceleração externa aplicada. Neste caso, a aceleração externa será aferida pela diferença de comprimentos de onda refletidos por duas redes em cada direção. Assumido, por exemplo, uma aceleração externa segundo a direção do eixo dos xx e sentido positivo, irá provocar um alongamento da rede de Bragg 1 e uma compressão da rede de Bragg 2, ver figura 2. A variação de comprimento de onda total será dada pela diferença de variações de comprimentos de onda. Deste modo, a sensibilidade é duplicada. Assumindo uma qualquer variação da temperatura ambiente, como as redes de Bragg são gravadas na mesma fibra ótica e apresentam a mesma sensibilidade à temperatura, a variação de comprimentos de onda será semelhante em ambas as redes e, portanto, a diferença de desvios de comprimentos de onda será nula. Assim, o acelerómetro proposto é insensivel a variações externas de temperatura. Assumindo uma aceleração externa segundo o eixo dos xx, sentido aleatório, ambas as redes de Bragg sensiveis à aceleração segundo o eixo dos yy, redes 3 e 4 da figura 2, sofrem um alongamento semelhante. Como estas redes são gravadas na mesma fibra ótica, e apresentam sensibilidade à deformação semelhante, a diferença entre variações de comprimento de onda será nula. Assim, o acelerómetro proposto apresenta insensibilidade a efeitos de eixo cruzado. 7 como 0 sensor proposto pode ainda ser utilizado inclinómetro dinâmico, permitindo medir variações angulares relativamente aos eixos perpendiculares à sua base, sendo que neste caso a aceleração detetada é a da gravidade.In a preferred embodiment, the proposed system consists of two machined aluminum parts (1) and (2), connected to each other at the base, preferably by four connecting screws and at the top preferably four optical fibers are connected with Bragg nets ( 3), as described in Figure 1. The optical fibers are bonded between the two parts, preferably epoxy, and are pre-tensioned. The aluminum part 2 is a cylinder with reduced cross-section (preferred diameter of 2 to 6 mm, for example 6 mm, 4 mm) in its lower part, as shown in figure 1. The upper part of the cylinder forms the mass inertial of the sensor, which with external acceleration can move freely, the movement being characterized in the two independent directions xx and yy. This movement will cause a stretch / compression in the optical fibers. This variation of length of the optical fibers causes a measurable deviation in the wavelength reflected by the Bragg networks that will be related to the applied external acceleration. In this case, the external acceleration will be measured by the difference in wavelengths reflected by two networks in each direction. Assuming, for example, an external acceleration along the x-axis direction and positive direction, will cause an elongation of the Bragg 1 network and a compression of the Bragg 2 network, see Figure 2. The total wavelength variation will be given by the difference of variations of wavelengths. In this way, the sensitivity is doubled. Assuming any variation of the ambient temperature, since the Bragg networks are recorded on the same optical fiber and have the same temperature sensitivity, the wavelength variation will be similar in both networks and, therefore, the difference of length deviations of wave will be null. Thus, the proposed accelerometer is insensitive to external temperature variations. Assuming an external acceleration along the x-axis, in the random direction, both Bragg nets sensitive to acceleration along the y-axis, nets 3 and 4 of Figure 2, undergo a similar elongation. Since these networks are recorded on the same optical fiber, and have similar strain sensitivity, the difference between wavelength variations will be zero. Thus, the proposed accelerometer shows insensitivity to cross-axis effects. 7 as the proposed sensor can still be used dynamic inclinometer, allowing to measure angular variations with respect to the axes perpendicular to its base, in which case the acceleration detected is that of gravity.
Numa realização preferencial, o material utilizado pode ser qualquer outro metal. Numa outra realização preferencial, o material utilizado pode ser qualquer material adequado, ou combinações de vários materiais.In a preferred embodiment, the material used may be any other metal. In another preferred embodiment, the material used may be any suitable material, or combinations of various materials.
Numa realização preferencial, pode-se usar apenas duas fibras, uma por cada direção. Numa outra realização preferencial as fibras podem não estar necessariamente ortogonais entre si, sendo que outros ângulos são possíveis.In a preferred embodiment, only two fibers, one in each direction, may be used. In another preferred embodiment the fibers may not necessarily be orthogonal to each other, and other angles are possible.
Numa realização preferencial, as peças apresentadas têm configurações alternativas, conquanto o funcionamento se mantenha inalterado - medir as oscilações de uma massa inercial, em consola encastrada, através de redes de Bragg fixadas entre a base de encastre e a massa inercial.In a preferred embodiment, the parts shown have alternative configurations, as long as the operation remains unchanged - to measure the oscillations of an inertial mass, in recessed console, through Bragg nets fixed between the engagement base and the inertial mass.
Numa realização preferencial, a massa inercial está simplesmente articulada na referida base. 0 sensor proposto apresenta-se como uma ferramenta de baixo custo e de baixa complexidade que permite medir a evolução das acelerações e variações angulares em duas direções ortogonais, que pode ser utilizado com sucesso na monitorização de estruturas, nomeadamente em ambientes hostis onde não é possível a utilização de sensores eletrónicos com segurança. A solução proposta permite a monitorização de estruturas, nomeadamente o registo da sua resposta dinâmica correntemente utilizado para a avaliação das suas caracteristicas de comportamento dinâmico, bem como para a determinação do seu estado de conservação global, permitindo identificar a localização e extensão de eventuais danos ocorridos. A solução apresenta-se como um sistema simples e de baixo custo que permite a sua inclusão em sistemas de sensores de Bragg multiplexados com todas as vantagens deste tipo de sensores, tais como: baixos custos de implementação e peso; a imunidade a campos eletromagnéticos e a possibilidade de transmissão das medidas adquiridas a longas distâncias sem necessidade de amplificadores adicionais. Além destas caracteristicas, a tecnologia ótica permite uma significativa redução na relação sinal/ruido, quando comparada com dispositivos elétricos/eletrónicos. A solução proposta tem aplicação na monitorização dinâmica de estruturas de engenharia civil (edifícios altos, pontes, barragens, monumentos, etc.), ou controle de vibrações em equipamentos industriais. Principalmente em estruturas de elevada envergadura, onde a capacidade de multiplexagem se torna uma vantagem, ou em estruturas onde o uso de sensores eletrónicos se pode tornar perigoso devido ao risco de inflamação, tais como centrais nucleares ou instalações de perfurações petrolíferas.In a preferred embodiment, the inertial mass is simply hinged to said base. The proposed sensor is a low cost and low complexity tool that allows measuring the evolution of accelerations and angular variations in two orthogonal directions, which can be successfully used in the monitoring of structures, especially in hostile environments where it is not possible the use of electronic sensors safely. The proposed solution allows the monitoring of structures, namely recording their dynamic response currently used to assess their dynamic behavior characteristics, as well as to determine their overall conservation status, allowing the identification of the location and extent of any damage occurring . The solution is presented as a simple and inexpensive system that allows its inclusion in Bragg sensor systems multiplexed with all the advantages of this type of sensors, such as: low implementation costs and weight; immunity to electromagnetic fields and the possibility of transmitting the acquired measures over long distances without the need for additional amplifiers. In addition to these characteristics, the optical technology allows a significant reduction in the signal-to-noise ratio when compared to electrical / electronic devices. The proposed solution has application in the dynamic monitoring of civil engineering structures (tall buildings, bridges, dams, monuments, etc.), or vibration control in industrial equipment. Particularly in large-scale structures where multiplexing capability becomes an advantage, or in structures where the use of electronic sensors can become dangerous due to the risk of ignition, such as nuclear power plants or oil drilling facilities.
Também em instalações onde o uso de sensores eletrónicos pode ser condicionado pelo alto nível de radiação eletromagnética, tais como barragens hidroelétricas, onde o nível de radiação poderá perverter o sinal medido por 9 sensores convencionais eletrónicos, a solução proposta apresenta vantagens. A implementação preferencial do sistema descrito na figura 1 pode ser realizada recorrendo a fibras óticas fotossensiveis, hidrogenadas ou poliméricas, onde seja possível a inscrição de redes Bragg.Also in installations where the use of electronic sensors can be conditioned by the high level of electromagnetic radiation, such as hydroelectric dams, where the radiation level could pervert the signal measured by 9 conventional electronic sensors, the proposed solution presents advantages. The preferred implementation of the system described in figure 1 can be performed using photosensitive, hydrogenated or polymer optical fibers, where Bragg networks can be enrolled.
Numa realização preferencial, o acelerómetro encontra-se colocado numa caixa de proteção com dimensões 15x15x8.5 cm, para proteger a fibra ótica.In a preferred embodiment, the accelerometer is placed in a protection box 15x15x8.5 cm, to protect the optical fiber.
Para calibração e teste do acelerómetro, este foi sujeito a aceleração aleatória, nas duas direções sensíveis, e o seu sinal comparado com o sinal de um acelerómetro triaxial convencional calibrado, da marca Summit, modelo 34201A, de modo a validar o sistema proposto. Os sinais medidos com o acelerómetro proposto e os sinais do acelerómetro calibrado apresentam-se nas figuras 3 a 6, para as duas direções a que o acelerómetro proposto é sensível. 0 sinal do acelerómetro ótico é medido recorrendo a um sistema de interrogação que compreende uma fonte ótica, modelo Fiberamp-BT1300 da Photonetics, um circulador ótico e um espectrómetro da Ibsen, modelo I-Mon E, com uma taxa de aquisição de 900Hz.For calibration and accelerometer testing, this was subjected to random acceleration in both sensitive directions and its signal compared to the signal of a calibrated conventional triaxial accelerometer of the Summit brand model 34201A in order to validate the proposed system. The signals measured with the proposed accelerometer and the calibrated accelerometer signals are shown in Figures 3 to 6 for the two directions to which the proposed accelerometer is sensitive. The optical accelerometer signal is measured using an interrogation system comprising an optical source, Photonetics Fiberamp-BT1300 model, an optical circulator, and an Ibsen I-Mon E spectrometer with an acquisition rate of 900Hz.
Verifica-se que o sinal medido com o sensor ótico segue a variação medida com o sensor eletrónico calibrado, sugerindo um funcionamento adequado do sensor ótico proposto e implementado. A novidade deste dispositivo/método baseia-se na configuração da construção, que permite com um único módulo 10 medir aceleração, e o sentido desta, em duas direções ortogonais. Além da aceleração, o sistema permite medir também variações de inclinação (rotações), em duas direções (relativamente aos eixos perpendiculares à base do módulo).It is verified that the signal measured with the optical sensor follows the variation measured with the calibrated electronic sensor, suggesting a suitable operation of the proposed and implemented optical sensor. The novelty of this device / method is based on the configuration of the construction, which allows with a single module 10 to measure acceleration, and the direction thereof, in two orthogonal directions. In addition to acceleration, the system also allows you to measure slope variations (rotations) in two directions (relative to the axes perpendicular to the base of the module).
Numa realização preferencial, cada direcção a medir recebe apenas uma fibra ótica sendo que a mesma fibra ótica terá uma rede de Bragg em cada um dos lados opostos da massa inercial (esta realização não está representada por figura).In a preferred embodiment, each direction to be measured receives only one optical fiber and the same optical fiber will have a Bragg network on each of the opposite sides of the inertial mass (this embodiment is not represented by figure).
Numa realização preferencial, cada direcção a medir recebe duas fibras óticas sendo que cada fibra ótica terá uma rede de Bragg em cada um dos lados opostos da massa inercial (Fig. 2) .In a preferred embodiment, each direction to be measured receives two optical fibers and each optical fiber will have a Bragg network on each of the opposite sides of the inertial mass (Fig. 2).
Numa realização preferencial, as duas redes de Bragg localizadas em lados opostos da massa inercial, estão descentradas do eixo rotacional (eixo z) da massa inercial, de modo a que em caso de rotação da massa inercial, a extensão de uma das duas redes corresponda à contracção da outra rede, ou vice-versa, de forma a se poder medir o efeito de rotação exercido sobre as fibras (Fig. 2).In a preferred embodiment, the two Bragg nets located on opposite sides of the inertial mass are offset from the rotational axis (z axis) of the inertial mass, so that in case of rotation of the inertial mass, the extension of one of the two networks corresponds to the contraction of the other net, or vice versa, in order to be able to measure the effect of rotation exerted on the fibers (Fig. 2).
Numa realização preferencial, as duas redes de Bragg localizadas em lados opostos da massa inercial, estão descentradas do eixo rotacional (eixo z) da massa inercial, de modo a que em caso de rotação da massa inercial, a extensão de uma das duas redes corresponda à extensão da outra rede, ou a contração de uma das duas redes corresponda à contração da outra rede, de forma a anular o efeito de rotação exercido sobre as fibras (esta realização não está representada por figura). 11In a preferred embodiment, the two Bragg nets located on opposite sides of the inertial mass are offset from the rotational axis (z axis) of the inertial mass, so that in case of rotation of the inertial mass, the extension of one of the two networks corresponds or the contraction of one of the two nets corresponds to the contraction of the other net in order to cancel out the effect of rotation exerted on the fibers (this embodiment is not represented by figure). 11
Descrição das figurasDescription of the figures
Figura la e lb: Representação esquemática do dispositivo Na qual (1) representa uma peça maquinada de metal que serve de suporte (2) representa a peça de metal cilíndrica com secção reduzida na sua parte inferior, a parte superior do cilindro forma a massa inercial (em maior detalhe na Figura lb) , e (3) representa a fibra ótica.Figure 1a and 1b: Schematic representation of the device In which (1) represents a machined metal part serving as a carrier (2) represents the cylindrical metal part with reduced section in its lower part, the upper part of the cylinder forms the inertial mass (in more detail in Figure 1b), and (3) represents the optical fiber.
Figura 2: Representação esquemática da localização das quatro redes de Bragg (rede 1 ... rede 4) utilizadas na monitorizaçãoFigure 2: Schematic representation of the location of the four Bragg networks (network 1 ... network 4) used in monitoring
Figura 3: Representação esquemática da evolução temporal do sinal dos acelerómetros ótico e eletrónico na direção xx.Figure 3: Schematic representation of the time evolution of the optical and electronic accelerometer signal in the xx direction.
Figura 4: Representação esquemática da evolução temporal do sinal dos acelerómetros ótico e eletrónico na direção xx, para uma região temporal entre os 20 e os 25 segundos.Figure 4: Schematic representation of the time evolution of the optical and electronic accelerometer signals in the xx direction, for a temporal region between 20 and 25 seconds.
Figura 5: Representação esquemática da evolução temporal do sinal dos acelerómetros ótico e eletrónico na direção yy.Figure 5: Schematic representation of the temporal evolution of the optical and electronic accelerometer signal in the yy direction.
Figura 6: Representação esquemática da evolução temporal do sinal dos acelerómetros ótico e eletrónico na direção yy, para uma região temporal entre os 50 e os 60 segundos.Figure 6: Schematic representation of the time evolution of the optical and electronic accelerometer signal in the yy direction, for a temporal region between 50 and 60 seconds.
As seguintes reivindicações definem adicionalmente realizações preferenciais da presente invenção.The following claims further define preferred embodiments of the present invention.
Lisboa, 21 de Dezembro de 2012 12Lisbon, 21 December 2012 12
Claims (10)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PT106075A PT106075A (en) | 2011-12-29 | 2011-12-29 | ACCELEROMETER AND OPTICAL BIDIMENSIONAL INCLINOMETER BASED ON DIFFERENTION NETWORKS RECORDED IN OPTICAL FIBERS |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PT106075A PT106075A (en) | 2011-12-29 | 2011-12-29 | ACCELEROMETER AND OPTICAL BIDIMENSIONAL INCLINOMETER BASED ON DIFFERENTION NETWORKS RECORDED IN OPTICAL FIBERS |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| PT106075A true PT106075A (en) | 2013-07-01 |
Family
ID=48948559
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PT106075A PT106075A (en) | 2011-12-29 | 2011-12-29 | ACCELEROMETER AND OPTICAL BIDIMENSIONAL INCLINOMETER BASED ON DIFFERENTION NETWORKS RECORDED IN OPTICAL FIBERS |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| PT (1) | PT106075A (en) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20030071202A1 (en) * | 2001-10-15 | 2003-04-17 | Ames Gregory H. | Fiber optic pitch or roll sensor |
| US20100046002A1 (en) * | 2008-08-22 | 2010-02-25 | The Regents Of The University Of California | Single wafer fabrication process for wavelength dependent reflectance for linear optical serialization of accelerometers |
-
2011
- 2011-12-29 PT PT106075A patent/PT106075A/en not_active Application Discontinuation
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| US20100046002A1 (en) * | 2008-08-22 | 2010-02-25 | The Regents Of The University Of California | Single wafer fabrication process for wavelength dependent reflectance for linear optical serialization of accelerometers |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| BB1A | Laying open of patent application |
Effective date: 20130212 |
|
| FC3A | Refusal |
Effective date: 20131211 |