Aplicação de sensor de deslocamento angular em fibra óptica para medição de concentração de líquidos via ondas acústicas guiadas

Abstract

Neste trabalho aborda-se a utilização de um sensor de deslocamento angular em fibra óptica para a caracterização de líquidos utilizando-se ondas de Lamb e o modo quase Scholte (QSCH) propagados em placa metálica. O sensor reflexivo compreende duas fibras ópticas, uma emissora e outra receptora, uma lente positiva, uma superfície reflexiva, um laser e um fotodetector. Primeiramente, realiza-se um breve estudo sobre a propagação de ondas mecânicas guiadas em placas metálicas imersas em fluidos. Nesse estudo, são obtidas as curvas de dispersão para a velocidade de fase e para a velocidade grupo em função do produto frequência-semiespessura da placa, tanto para as ondas de Lamb quanto para o modo QSCH, considerando diferentes fluidos. Posteriormente, aborda-se o modelamento matemático do sensor reflexivo, obtendo-se as curvas características estáticas para quatro diferentes configurações. Em seguida, descreve-se o processo de montagem do sensor reflexivo, com todos os seus detalhes construtivos. Já na parte experimental, aplicando-se um pulso senoidal de envoltória gaussiana em um transdutor, investiga-se primeiramente a excitação do modo fundamental simétrico da onda de Lamb, S0. Captando-se simultaneamente os sinais da onda propagada na placa pelo sensor reflexivo e por uma piezocerâmica em modo de recepção, obtêm-se os valores experimentais da velocidade de grupo. Comparando-se os valores experimentais com os valores teóricos previstos pelas curvas de dispersão, percebe-se que o sensor reflexivo pode ser utilizado para se medir modos simétricos da onda de Lamb.Visando-se a caracterização de líquidos, imerge-se parcialmente uma placa de alumínio em um fluido sob teste, e excita-se o modo fundamental antissimétrico da onda de Lamb, A0. O modo A0 converte-se em modo QSCH na interface ar-fluido, o qual sofre reflexão na borda da placa e se reconverte em modo A0 na interface fluido-ar. Utilizando-se o sensor reflexivo, pode-se medir a velocidade de propagação do modo QSCH. Sabendo-se que a velocidade do modo QSCH é diferente para diferentes fluido, verifica-se que o sensor pode ser utilizado para medir porcentagens de misturas de fluidos. Adicionalmente, medem-se também os deslocamentos lineares gerados pelo modo A0 na placa de alumínio na direção out-of-plane, comparando-se os resultados com as medições realizadas por um interferômetro de Michelson.

In this work one approaches the use of an angular displacement optical fiber sensor for characterization of liquids using Lamb waves and quasi-Scholte waves (QSCH) propagated in a metal plate. The reflective sensor comprises two optical fibers, one emitting and another receiving, a reflective surface, a laser and a photodetector. Firstly, one develops a brief study about the propagation of mechanical waves in metal plates imbibed in fluids. In this study, one obtains the dispersion curves for the phase velocity and the group velocity as a function of the frequency-halfwidth product for both Lamb waves and QSCH mode, considering different fluids. Subsequently, it one approaches the mathematical modeling of the reflective sensor, obtaining the static characteristic curves for four different configurations. Next, one describes the assembly process of the reflective sensor, with all the construction details. In the experimental part, one investigates the excitement of the symmetrical fundamental mode of the Lamb wave applying a sinusoidal pulse of gaussian envelope. Catching up simultaneously the wave propagated signals by the reflective sensor and by a piezoceramic, one obtains the experimental values of the group velocity. Comparing the experimental values with the values proposed by the dispersion curves, one notices that the reflective sensor can be used to measure the symmetric modes of the Lamb waves. Aimed at the characterization of liquids, one immerges partially an aluminum plate in a fliud under test, and one excites the fundamental antisymmetric mode of the Lamb wave, A0. The A0 mode becomes QSCH in the air-fluid interface, which reflects in the edge of the plate and is reconverted into A0 mode in the fluid-air interface. Using the reflective sensor, one can measure the QSCH mode propagation velocity. Knowing that the QSCH velocity is different for different fluids, one verifies that the sensor can be used to measure percentages of fluid mixtures. One measures also the linear displacements generated by the A0 mode in the aluminum plate in the out-of-plane direction, comparing the results with the measurements made by a Michelson interferometer.