Um acelerômetro óptico triaxial foi desenvolvido utilizando fibras ópticas com redes de Bragg como sensores. Testes em uma faixa de frequência até 750Hz mostraram uma resposta plana e boa linearidade. A compensação para efeitos de temperatura foi demonstrada através da resposta fora de fase entre os dois sensores na mesma fibra.

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6ª Conferência sobre
Tecnologia de Equipamentos
ACELERÔMETRO ÓPTICO TRIAXIAL
Sérgio R. K. Morikawa
Alexandre S. Ribeiro
Rogério D. Regazzi
Luiz C. Guedes Valente
Arthur M. B. Braga
PUC-Rio
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Trabalho apresentado na 6a Conferência
sobre Tecnologia de Equipamentos,
Salvador, agosto de 2002
As informações e opniões contidas neste trabalho são de exclusiva responsabilidade
dos autores.

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Tecnologia de Equipamentos
SINÓPSE
Um acelerômetro óptico triaxial, com compensação para os efeitos de temperatura,
empregando fibras ópticas com redes de Bragg como elemento sensor foi
desenvolvido. Um esquema experimental empregando filtros ópticos ajustáveis e um
conversor optoeletrônico foi montado. Testes realizados em uma faixa de freqüência
até 750Hz mostraram uma resposta plana e boa linearidade.

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1. INTRODUÇÃO
Acelerômetros são amplamente usados na medição de choque e vibrações em todas
as áreas da engenharia. Seu princípio de operação é o do oscilador linear. Um
acelerômetro típico consiste de uma massa suspensa por uma mola, que na maioria
das vezes é o próprio elemento sensor, cujo princípio de operação pode basear-se em
diferentes tecnologias [1]. Acompanhando o rápido desenvolvimento que vem
ocorrendo na tecnologia de sensores a fibra óptica, inúmeros pesquisadores
propuseram, nos últimos anos, novos projetos de construção para acelerômetros
baseados em uma variedade de princípios de medição em fibras ópticas [2-11].
Apesar desses e de outros esforços, acelerômetros baseados em fibras ópticas ainda
não estão comercialmente disponíveis no mercado. Considerando entretanto as
inúmeras vantagens dos acelerômetros a fibra óptica, tais como imunidade ao campo
eletromagnético, monitoração remota, capacidade de multiplexação, baixo peso, e
pequenas dimensões, entre outras, ainda há um campo aberto para novos projetos de
construção como o apresentado neste trabalho.
Das inúmeras possíveis escolhas para sensores a fibra óptica, aqueles baseados em
redes de Bragg têm provado ser muito úteis em transdutores projetados para medir as
mais diferentes grandezas físicas e químicas. As redes de Bragg também têm sido
empregadas em acelerômetros [4-6,10-12]. Muitos desses projetos foram baseados
em vigas em balanço. O acelerômetro triaxial descrito nesse trabalho, também
emprega redes de Bragg como elemento sensor. Seu princípio de operação é ilustrado
na Figura 1.
Figura 1. Princípio de operação do acelerômetro óptico trixial.
Como é mostrado no desenho, fibras ópticas com redes de Bragg são usadas como
elementos de mola. Efeitos de temperatura são compensados utilizando-se dois
sensores na mesma fibra, na mesma temperatura de operação, mas sujeitos a
deformações opostas. A construção triaxial reduz a sensibilidade transversal. A
massa do acelerômetro pode ser escolhida de modo a se obter a sensibilidade
desejada. Cálculos simples mostram que se um fibra óptica de 125 µm de diâmetro,
com módulo de elasticidade de 70 GPa, é usada, uma massa de 0,85 g vibrando a 1 G
de aceleração, produzirá deformações de aproximadamente 10 µm/m na rede de
Bragg. Neste trabalho será demonstrada o funcionamento do protótipo do
acelerômetro triaxial proposto. Nesta primeira implementação, apesar de se ter
realizado uma construção triaxial, apenas uma direção foi instrumentada com uma
fibra contendo duas redes de Bragg. Resultados dos testes e calibrações realizadas

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foram obtidos empregando-se a montagem experimental esquematicamente mostrada
na Figura 2.
Figura 2. Esquema de medição para testes e calibração.
2. CONSTRUÇÃO E ESQUEMA EXPERIMENTAL
As redes de Bragg para o eixo vertical foram escritas em uma mesma fibra e
espaçadas numa distância de 12 mm entre elas. A Figura 3 apresenta o espectro das
duas redes de Bragg, com a posição dos picos inicialmente separada de 14,3 nm.
Nesta primeira implementação, as fibras utilizadas nos outros dois eixos (Figura 1)
não foram instrumentadas com redes de Bragg. O corpo do acelerômetro foi
fabricado a partir de uma liga comercial de titânio. Seu peso foi de 47,56 g. A massa
sísmica foi usinada no formato de um cubo, em latão, pesando 1,0037 g. As três
fibras passam através dos orifícios de 1 mm de diâmetro, perfurados nas três direções
e se cruzando no centro do cubo de latão. Esses orifícios foram preenchidos com
adesivo comercial de forma que as fibras ficassem coladas ao cubo. Após a
montagem do acelerômetro, os picos no espectro das duas redes de Bragg no eixo
vertical foram deslocadas para 1512,9 e 1526,8nm. A Figura 4 mostra uma foto do
protótipo montado.
Figura 3. Espectro óptico da reflexão das duas redes na fibra
usada no eixo vertical (medição feita após a montagem).

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Figura 4. Acelerômetro óptico montado em um excitador eletromagnético.
Como no primeiro protótipo a vibração foi medida em apenas uma direção,
empregou-se o esquema já mostrado na Figura 2. Um diodo emissor de banda larga
(LED), centrado na faixa de 1550 nm e modulado em 2 kHz foi usado como fonte de
luz. Dois filtros ópticos, com largura a meia altura de 1,3 nm e ajustáveis em uma
faixa de 1530-1560nm, foram usados no circuito óptico. Para eliminar erros de offset,
o conversor optoeletrônico de quatro canais desenvolvido na PUC-Rio utiliza
fotodiodos PIN configurados para medições AC. O estágio final do circuito
eletrônico possui uma freqüência de corte de 200Hz, que foi portanto a freqüência
limite superior nos procedimentos de calibração. Uma outra configuração
experimental foi também utilizada para a obtenção da resposta em freqüência do
transdutor em uma faixa mais ampla. Como mostrado na Figura 4, um excitador
eletromagnético foi usado em todos os testes. Também são mostrados na Figura 4 os
acelerômetros piezoelétricos convencionais, previamente calibrados, usados como
padrões de trabalho nos experimentos.
3. RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Inicialmente, o protótipo foi submetido a uma vibração senoidal em diferentes
freqüências dentro da faixa de trabalho do circuito optoeletrônico, isto é, abaixo de
200 Hz. Espectros de freqüência típicos dos sinais provenientes de uma das redes de
Bragg no eixo vertical e do acelerômetro piezoelétrico são apresentados na Figura 5,
obtidos quando ao excitador foi aplicado um sinal AC de 100 Hz. Observa-se que a
razão sinal ruído do acelerômetro óptico e de seu sistema de demodulação é bastante
satisfatória. A linearidade da resposta em duas freqüências, 50 e 100 Hz, é ilustrada
na Figura 6, que mostra uma comparação entre sinais de ambos acelerômetros, óptico
e piezoelétrico, à medida que a excitação é amplificada mantendo-se a freqüência
inalterada.

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Figura 5. Resposta em freqüência de ambos
acelerômetros para uma excitação senoidal de 100Hz.
Figura 6. Sensibilidade de ambos acelerômetros
excitados em freqüências constantes.
Respostas no tempo dos dois canais do acelerômetro excitado com um sinal senoidal
de 100 Hz são plotadas na Figura 7. Como esperado, os dois sinais estão 180º fora de
fase possibilitando a desejada compensação de temperatura. O gráfico na Figura 8
mostra a linearidade em resposta de amplitude de ambos canais.
Figura 7. Resposta fora de fase 180º das duas redes de
Bragg sob excitação de 100Hz.

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Figura 8. Linearidade em resposta de amplitude dos
dois sensores na fibra do eixo vertical.
Finalmente, a resposta em freqüência do acelerômetro óptico é mostrada na Figura 9.
Este resultado foi obtido para apenas um canal de medição no eixo vertical, e com
um circuito demodulador diferente daquele que havia sido utilizado para obter os
resultados anteriores. Agora, de modo a estender a faixa de freqüência de medição,
um conversor New Focus 2153, com uma freqüência de corte em 750Hz, substituiu o
circuito optoeletrônico desenvolvido na PUC-Rio. O excitador foi acionado com um
sinal aleatório (ruído branco), e a resposta do acelerômetro óptico foi dividida pela
do acelerômetro piezoelétrico utilizado como padrão de trabalho. Foi observada uma
um resposta satisfatória, plana na faixa de freqüência da medição.
Figura 9. Resposta em freqüência do acelerômetro óptico.
4. CONCLUSÕES
Um acelerômetro óptico triaxial foi projetado e testado, produzindo resultados
encorajadores. Na primeira implementação, apenas o eixo vertical foi instrumentado.
Testes mostraram uma boa linearidade na resposta de amplitude e que, a principio, a
compensação do efeito de temperatura pode ser obtida uma vez que as respostas das
duas redes de Bragg são sempre defasadas de 180º. A faixa de freqüência do
primeiro protótipo foi limitado à freqüência de corte do circuito optoeletrônico
empregado nos experimentos. Entretanto, testes até 800Hz foram conduzidos

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utilizando uma configuração de equipamentos diferentes, e a resposta em freqüência
obtida pode ser considerada satisfatória.
5. AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem o apoio da ANP, bem como do Ministério da Ciência e
Tecnologia através de suas agências de amparo à pesquisa, CNPq e
FINEP/CTPETRO.
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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1996.
5. Theriault, S., Hill, K.O., Bilodeau, F., Johnson, D.C., Albert, J., Drouin, G., and
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8. Kalenik, J., and Pajak, R., “A cantilever optical-fiber accelerometer”, Sensors
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9. Todd, M.D., Johnson, G.A., Althouse, B.A., and Vohra, S.T., “Flexural beam-
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vol. 10, 1605-1607, 1998.
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