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As características e funcionalidades dos FBGs atraíram a atenção na última década, tornando-se numa tecnologia muito importante e incontornável nas mais diversas áreas da indústria. Para além de todas as suas vantagens, estes sensores apresentam dimensões reduzidas e um baixo custo a larga escala, permitindo monitorizar uma grande variedade de grandezas desde que alguma forma de deslocamento mecânico esteja presente (deslocamento, temperatura, pressão, etc). Isto leva a que os sectores da indústria utilizem estes sensores em situações distintas e com diferentes finalidades. O ponto em

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comum que apresentam estas diferentes soluções passa pela forma como os sensores são utilizados. Usualmente, os sensores são encapsulados num material (PVC, PDMS, etc.) capaz de fornecer proteção, sendo posteriormente colados à estrutura que se pretende monitorizar. Na tabela 2.5 estão presentes diferentes áreas, assim como exemplos de aplicações destes sensores [24].

Tabela 2.5: Exemplos de aplicações dos FBGs.

Áreas da Indústria Aplicações

Civil Monitorização da integridade estrutural durante a construção e vida útil; Análise do comportamento estrutural durante testes de carga. Energia Monitorização da vibração e temperatura em postes de alta tensão;

Análise do comportamento das pás dos geradores eólicos. Transportes

Deteção de comboios nas linhas férreas;

Monitorização da integridade da estrutura de cascos de navios.

Petróleo e Gás Natural Monitorização da pressão e temperatura nos furos; Aeroespacial Monitorização da temperatura em satélites de telecomunicações;

Análise do sistema de reabastecimento em voo.

Apesar das suas inúmeras aplicações e vantagens, os FBGs combatem atualmente contra alguns impedimentos do mercado. O desconhecimento de como estes operam e dos seus benefícios, bem como a ideia subliminar da fragilidade das fibras são exemplos destes obstáculos [22].

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CAPÍTULO 3

Integração do FBG em PDMS

Este capítulo tem a finalidade de demonstrar o processo de integração de FBGs em PDMS. Na fase inicial serão apresentadas as características que levam à seleção dos materiais, assim como as razões da escolha ter recaído neste polímero. Seguidamente são exibidas todas as etapas deste processo, desde o projeto e fabrico de um pequeno

setup até à inserção do sensor no PDMS. Na parte final do capítulo são apresentados os

protótipos desenvolvidos.

3.1 Seleção do Material

As fibras óticas são usualmente embebidas num determinado material para colmatar algumas lacunas associadas à sua constituição e manuseamento. Estas apresentam maioritariamente uma estrutura em vidro no seu interior, podendo quebrar ou se danificar quando curvadas a ângulos acentuados ou expostas a condições adversas [5]. Outra contrariedade prende-se com a difícil integração da fibra no sistema ou estrutura que se pretende monitorizar, relacionada com as suas reduzidas dimensões. O material onde a fibra é inserida deve ser capaz de resolver estes problemas e simultaneamente deve fornecer proteção e assegurar uma boa ligação com a estrutura, tendo em conta que não provoque interferências na informação enviada para os sensores. Adicionalmente, a sua sensibilidade não deve degradar-se significativamente.

Atualmente existe um leque de materiais com capacidade de serem utilizados no processo de utilização dos FBGs, destacando-se polímeros como o PVC (Polyvinyl

chloride) [5], PMMA (Polymethyl Methacrylate) [25] e o PVAc (Polyvinyl acetate)

[26]. O crescimento na utilização deste tipo de sensores proporcionou a procura de novos materiais, com o intuito de descobrir um melhor recurso para este tipo de situação. É neste contexto que surge o material abordado ao longo desta dissertação, o Polidimetilsiloxano (PDMS).

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3.1.1 Polidimetilsiloxano (PDMS)

O PDMS é um polímero mineral orgânico (cuja estrutura contêm carbono e silício) pertencente à família das siloxanas, comummente denominadas por borrachas de silicone [27]. Desta família de polímeros, o PDMS é o mais utilizado, tendo aplicações em setores da indústria como a Eletrónica, Medicina, Mecânica, entre outros [28]. A sua composição química baseia-se numa cadeia de átomos de silício (Si) e de oxigénio (O) interligados entre si (siloxanas), estando radicais metil (CH3) unidos aos átomos de

silício. A sua estrutura química é demonstrada na figura 3.1.

Figura 3.1:Composição química do Polidimetilsiloxano (PDMS).

Esta composição baseia-se na fórmula química (C2H6OSi)n, sendo n o índice da

matriz, indicando o número de repetições das ligações presentes no seu interior e consequentemente o tamanho da cadeia. Dependendo deste tamanho, o PDMS pode ser praticamente líquido quando o n for baixo ou sólido quando este tiver um valor elevado [27]. Usualmente este material é adquirido no estado líquido, necessitando de um agente endurecedor para o solidificar. Este agente também no estado líquido é misturado com o polímero numa proporção de um para dez, ou seja, uma porção de agente e dez do polímero [28]. Posteriormente é comum expor esta mistura a um tratamento térmico com o intuito de diminuir o tempo de solidificação. Na figura 3.2 é demonstrado o PDMS no seu estado líquido e sólido.

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A estrutura química do PDMS concede-lhe características singulares para utilização em sistemas com fibras óticas, salientando-se qualidades como a elevada elasticidade e flexibilidade, boa propriedade dielétrica, alta tolerância ao calor e à chama, resistência a humidades e envelhecimento, assim como uma larga faixa de temperaturas (-45 a 200 °C) [28]. Além de todas estas vantagens, a sua simplicidade e baixo custo tornam este material numa solução bastante atrativa.

3.2 Conceção do FBG em PDMS

O processo de embeber o FBG, ou seja, a fibra ótica em PDMS requer a utilização de uma estrutura de suporte para os materiais envolventes. Existem diferentes estruturas para este procedimento, sendo demonstrada nesta dissertação o setup desenvolvido que levou à criação dos protótipos utilizados. As características, desenho e fabrico do setup, assim como o passo final de embeber o sensor em PDMS é explicado em seguida.

3.2.1 Desenho do Setup

A estrutura desenvolvida foi executada de forma a garantir um processo bastante rápido e simples para embeber a fibra ótica num determinado material. Tendo em consideração alguns parâmetros, como o diâmetro da fibra (125 µm) e o comprimento do FBG (8 mm), foi desenhada uma cavidade no centro do setup com dimensões de 65×10×0,9 mm (comprimento x largura x altura) [30]. Esta cavidade foi concebida com o intuito de ser preenchida com o PDMS no estado líquido e com a fibra ótica para posterior solidificação.

A fibra é colocada centralmente em dois canais posicionados nas extremidades da estrutura com profundidade de 450 µm, ou seja, metade da altura da cavidade desenvolvida. Nas extremidades são ainda colocados dois mecanismos para suporte da fibra, com a finalidade de a manter sempre no interior dos canais durante todo o processo. Estes suportes devem assegurar também que a tensão da fibra permaneça constante, mantendo-a sempre esticada, garantindo que esta fique centrada no PDMS de uma extremidade à outra.

O projeto e desenho desta estrutura foram concebidos com um modelo CAD (Computer-Aidded Design), podendo este ser observado na figura 3.3.

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Figura 3.3: Modelo CAD da estrutura para conceção dos FBGs em PDMS [30].

3.2.2 Fabrico do Setup

Finalizado o procedimento de desenho da estrutura, é carregado numa máquina CNC (Computer Numerical Control) o ficheiro do modelo CAD demonstrado na figura 3.3. O software da máquina utilizada, modelo Roland Modela MDX-20, permite controlar o processo de fresagem, assim como todos os parâmetros deste método. Entre estes parâmetros é definida a velocidade da operação de corte nos três diferentes eixos, tornando este procedimento rápido e eficaz. Após sair da máquina são aparafusados nas extremidades da estrutura os mecanismos de suporte da fibra ótica.

O material selecionado para a estrutura deve possuir particularidades que o tornem uma boa solução, uma vez que deve garantir que o PDMS após o tratamento térmico e posterior solidificação seja retirado facilmente. O material utilizado que preenche este requisito foi o PMMA. Outro ponto a favor deste material prendeu-se com a facilidade de manuseamento quando utilizado para construção de estruturas em máquinas CNC [30].

Concluído o fabrico do setup, obtém-se uma estrutura com capacidade de embeber FBGs em PDMS um número incontável de vezes de forma simples e com poucos recursos. Qualquer modificação no processo de fabrico da estrutura ou das dimensões da cavidade são conseguidas alterando os parâmetros do modelo CAD e carregando de novo o ficheiro na máquina CNC. Estas características apresentadas oferecem uma forma bastante simples, rápida e de baixo custo de inserir a fibra num determinado

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material. Na figura 3.4 é possível observar a estrutura finalizada com a fibra ótica já embebida no PDMS colocado na cavidade central.

Figura 3.4: Ilustração da estrutura finalizada com fibra ótica embebida em PDMS [30].

3.2.3 Processo de inserção do FBG em PDMS

A etapa final da conceção do FBG passa por introduzir a fibra ótica no material protetor, sendo neste caso o PDMS com a referência Sylgard 184 do fabricante Dow

Corning. A estrutura apresentada na figura 3.4 e explicada anteriormente é utilizada para

executar este processo, sendo necessário obter antecipadamente algumas informações. A quantidade de material a introduzir na cavidade central, assim como a quantidade de agente endurecedor devem ser conhecidas antes de se iniciar o processo. Neste sentido, sabendo as dimensões da cavidade (65×10×0,9 mm) é possível obter o seu volume multiplicando as três medidas, sendo este de 585 mm3. Sabendo que a densidade pode ser alcançada através da relação entre a massa e o volume (densidade=massa/volume) e rearranjando a equação torna-se fácil descobrir a quantidade de material que a cavidade consegue suportar. A densidade do PDMS é conhecida, sendo de 965 kg.m-3 _{[31]. Com}

isto sabe-se qua a massa do PDMS e do agente endurecedor para embeber o sensor é de 0,565 g.

Atendendo ao método de solidificação apresentado na secção 3.1, a proporção de agente endurecedor é de um para dez do polímero PDMS no estado líquido. Sabendo isto, a massa de PDMS e do agente que se coloca na cavidade é de 0,5136 g e 0,0514 g, respetivamente. Após executada a mistura nas quantidades corretas e preenchida a

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cavidade central da estrutura, é feito usualmente um tratamento térmico, sendo o setup colocado num forno à temperatura de 85 °C durante o período de uma hora. Este procedimento é necessário, uma vez que à temperatura ambiente a transição do estado liquido para o sólido pode demorar pelo menos 48 horas [32].

3.3 Protótipos

Os protótipos foram concebidos utilizando o setup e o processo demonstrado na secção 3.2. Foram desenvolvidos vários exemplares, no entanto no decorrer deste projeto de investigação foi utilizado apenas um dos protótipos desenvolvidos. Na figura 3.5 é apresentado o sensor embebido em PDMS caracterizado nesta dissertação.

Figura 3.5:Protótipo do sensor FBG embebido em PDMS.

A figura 3.5 demonstra a fibra ótica totalmente inserida no material, garantindo-lhe assim uma maior proteção e facilidade de manuseamento. Desta forma, torna-se bastante simples a sua integração em diversos sistemas, sendo os sensores usualmente fixados na superfície da estrutura a monitorizar. O PDMS proporciona ainda uma grande flexibilidade a estes protótipos, podendo esta ser observada na figura 3.6.

Figura 3.6:Ilustração da flexibilidade dos protótipos constituídos com PDMS. .

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