BR112018071062B1

BR112018071062B1 - Sensor de vibração com estrutura de suporte, massa de prova, corpos elásticos e porção de fibra ótica e método de uso deste sensor

Info

Publication number: BR112018071062B1
Application number: BR112018071062-8A
Authority: BR
Inventors: Martin Edward Brock; José Pablo Puga
Original assignee: Pietro Fiorentini S.P.A
Priority date: 2016-04-21
Filing date: 2017-04-21
Publication date: 2022-11-22
Also published as: ITUA20162796A1; CN109073451A; CN109073451B; EP3446082A1; SA518400117B1; US20200355546A1; EP3446082B1; US11204273B2; BR112018071062A2; WO2017182994A1

Abstract

Sensor de vibração (1; 12; 13; 14; 15) compreendendo: uma estrutura de suporte (2) provida com uma cavidade (2a); uma massa de prova (3) acomodada na cavidade (2a); uma pluralidade de corpos elásticos (4, 5, 7, 8, 9, 10), cada um conectando a massa de prova (3) à estrutura de suporte (2) ao longo de um eixo de conexão (19) correspondente; uma porção de fibra ótica (11) arranjada em contato com cada corpo elástico (4, 5, 7, 8, 9, 10) e enrolada em torno do eixo de conexão (19) correspondente. A massa de prova (3) tem um formato alongado de acordo com uma direção de referencia principal (Z) e a pluralidade de corpos elásticos (4, 5, 7, 8, 9, 10) compreende dois ou mais primeiros corpos elásticos (7) que são espaçados ao longo da direção de referência principal (Z) e são arranjados de modo que estes são simultaneamente compressos ao longo de seus eixos de conexão (19) correspondentes seguindo um deslocamento da massa de prova (3) em uma primeira direção de referência (X) perpendicular à direção de referência principal (Z) e simultaneamente esticada ao longo de seus eixos de conexão (19) correspondentes seguindo um deslocamento da massa de prova (3) em uma direção oposta da primeira direção de referência

Description

RELATÓRIO DESCRITIVO

[0001] A presente invenção diz respeito a um sensor de vibração, particularmente um geofone ou um hidrofone.

[0002] Como é conhecido, geofones e hidrofones são sensores que possibilitam a detecção das vibrações sísmicas ou acústicas que se propagam no subsolo ou debaixo d'água, respectivamente, convertendo-os em sinais elétricos ou óticos adequados para ser enviado para um sistema de processamento para análise.

[0003] Em geral, um sensor de vibração do tipo conhecido compreende uma estrutura de suporte com uma massa de prova suspensa nesta.

[0004] No caso dos geofones, a estrutura de suporte é enterrada no solo de modo que vibre integralmente com o solo. Devido à inércia da massa de prova, a qual tende a preservar sua posição no espaço, as vibrações da estrutura de suporte são convertidas em movimentos correspondentes da massa de prova em relação à própria estrutura de suporte, sendo que a amplitude destes movimentos é proporcional ao componente da vibração.

[0005] De acordo com uma modalidade variante conhecida, os ditos sensores de vibração são configurados de modo a detectar vibrações que propagam em qualquer direção no espaço. Estes sensores são denominados de sensores "vetoriais" ou "triaxiais" ou "de três componentes", visto que possibilitam detectar os componentes de uma vibração de acordo com três eixos independentes.

[0006] A vantagem principal de um sensor vetorial é permitir a medida, juntamente com a amplitude do sinal de vibração e também o seu ângulo de chegada.

[0007] Mais especificamente, um sensor vetorial é capaz de detectar separadamente os componentes de vibração ao longo dos três eixos, tornando cada eixo tão inerte quanto possível aos sinais de vibração direcionados ortogonalmente a esse eixo. Este recurso é denominado como "rejeição de eixo cruzado". Evidentemente, uma alta rejeição de eixo cruzado resulta em uma maior fidelidade de medição do sensor, visto que implica em menos interferência entre os eixos diferentes.

[0008] De acordo com uma modalidade conhecida, um sensor de vibração vetorial é constituído por uma estrutura de suporte provida com uma cavidade na qual há uma massa de prova substancialmente esférica ou, em qualquer caso, uma massa de prova com substancialmente as mesmas dimensões ao longo dos três eixos. A massa de prova é mantida suspensa a partir da estrutura de suporte por meio de três pares de corpos cilíndricos feitos de borracha, sendo que cada par é alinhado de acordo com um eixo respectivo e organizado em dois lados opostos da massa de prova. Uma fibra ótica é enrolada em torno de cada corpo cilíndrico e forma uma espécie de bobina.

[0009] As vibrações da estrutura de suporte resultante de um sinal de vibração no solo resultam em uma sucessão de deformações de compressão e alongamento dos corpos cilíndricos de acordo com os eixos respectivos, sendo que a amplitude das ditas deformações de compressão e alongamento é proporcional ao componente da vibração direcionada de acordo com os mesmos eixos.

[00010] As deformações axiais de cada corpo cilíndrico causam uma mudança no comprimento da ferida de fibra ótica enrolada em torno deste. Particularmente, a compressão do corpo cilíndrico resulta em sua expansão lateral simultânea, que é acompanhada pelo alongamento da fibra ótica, ao passo que o contrário ocorre no caso de alongamento do corpo cilíndrico.

[00011] Ao passar a luz através da fibra ótica, é possível detectar a variação do comprimento da fibra ótica, por exemplo, por meio de métodos interferométricos do tipo conhecido e, consequentemente, detectar a amplitude da vibração de acordo com o eixo do corpo cilíndrico respectivo.

[00012] Adicionalmente, conforme conhecido na técnica, o interferômetro pode ser configurado de modo a dar uma resposta líquida apenas quando os dois corpos cilíndricos em um par sofrem deformações mutuamente opostas e não quando a mesma deformação ocorre em ambos os corpos.

[00013] O sensor vetorial descrito acima tem uma boa rejeição de eixo cruzado, visto que o movimento da massa de prova ao longo de um dentre os três eixos causa uma deformação muito limitada da de fibra ótica enrolada em torno dos corpos cilíndricos arranjados ortogonalmente ao dito eixo.

[00014] Adicionalmente, a dita deformação limitada pode ser facilmente identificada e separada da deformação causada diretamente por um sinal de vibração direcionado ao longo do eixo do par de corpos cilíndricos.

[00015] Isto é pois, ao passo que uma vibração direcionada ao longo do eixo do par de corpos cilíndricos causa deformações opostas nos dois corpos cilíndricos, ou seja, a compressão de um dentre estes e o alongamento do outro, uma vibração direcionada ao longo de um eixo perpendicular a estes faz com que a mesma deformação em ambos os corpos cilíndricos do par. Visto que o sistema que mede as deformações é configurado para responder apenas aos sinais diferenciais entre os dois corpos, nenhum haverá sinal líquido resultante.

[00016] Não obstante às ditas vantagens, a geometria do sensor de vibração descrito acima é tal que não permite a exploração ideal do espaço disponível em um furo. Ao passo que um furo tem uma forma substancialmente cilíndrica, o dito sensor tem, substancialmente, as mesmas dimensões gerais em todas as direções, consequentemente sendo, na maior parte, adequado para ser arranjado em um espaço esférico.

[00017] Este fato afeta, principalmente, a sensibilidade que pode ser obtida a partir do sensor que, conforme é conhecido, é proporcional às dimensões gerais deste. É evidente, de fato, que a sensibilidade de um sensor de vibração do tipo mencionado acima depende da deformação a qual a fibra ótica é submetida em resposta a uma dada vibração. Conforme é conhecido, a dita deformação depende do comprimento da fibra ótica enrolada em torno os corpos cilíndricos, no diâmetro dos próprios corpos cilíndricos e no tamanho da massa de prova.

[00018] Uma fibra mais longa, um corpo cilíndrico com diâmetro maior e uma massa mais pesada resultarão em maior sensibilidade, mas também em um sensor maior.

[00019] O sensor de vibração do tipo descrito acima levanta a desvantagem adicional de que não distingue quaisquer movimentos rotatórios da massa de prova provenientes dos movimentos de vibração de acordo com os três eixos. Portanto, as ditas rotações podem gerar erros de medida.

[00020] A presente invenção tem a intenção de superar todas as desvantagens mencionadas acima relacionadas aos sensores de vibração do tipo conhecido.

[00021] Particularmente, é uma matéria da presente invenção prover um sensor de vibração que seja mais adequado para uso em um furo comparado a um sensor do tipo conhecido descrito acima.

[00022] Mais precisamente, é a matéria da presente invenção prover um sensor de vibração possibilita explorar o espaço disponível em um dado furo mais eficazmente, oferecendo maior sensibilidade que a sensibilidade que pode ser obtida por meio de um sensor de vibração do tipo conhecido no mesmo furo.

[00023] Também é a matéria da presente invenção prover um sensor com rejeição de eixo cruzado semelhante àquela de um sensor do tipo conhecido.

[00024] As ditas matérias são alcançadas por um sensor de vibração construído de acordo com a reivindicação principal.

[00025] Características e detalhes adicionais da invenção são ilustrados nas reivindicações dependentes correspondentes.

[00026] Vantajosamente, a maior sensibilidade do sensor que é a matéria da invenção em comparação a um sensor do tipo conhecido possibilita a obtenção de medidas de vibração mais precisas, supondo que estes são usados em furos com as mesmas dimensões.

[00027] Ainda vantajosamente, a invenção possibilita limitar o diâmetro do furo a ser escavado a fim de acomodar um sensor com sensibilidade predeterminada.

[00028] Os ditos objetos e vantagens são destacados nas descrições de algumas modalidades preferenciais da invenção, as quais são providas por meio de exemplos não limitantes com referência aos desenhos anexados, nos quais: A Figura 1 ilustra uma vista em seção transversal de acordo com uma primeira modalidade do primeiro aspecto da invenção. A Figura 2 ilustra um detalhe ampliado e parcialmente secionado da Figura 1; A Figura 3 ilustra uma vista de seção longitudinal do sensor da Figura 1; As Figuras 4 e 5 ilustram, respectivamente, uma vista em seção transversal e uma vista em seção longitudinal de uma segunda modalidade do sensor da invenção; As Figuras 6 e 7 ilustram, respectivamente, uma vista em seção transversal e uma vista em seção longitudinal de uma terceira modalidade do sensor da invenção; A Figura 8 ilustra uma vista em seção transversal de uma quarta modalidade do sensor da invenção; A Figura 9 ilustra uma vista em seção transversal de uma quinta modalidade do sensor da invenção; A Figura 10 ilustra esquematicamente uma parte do sensor da invenção, na configuração operacional; A Figura 11 ilustra esquematicamente uma parte do sensor da invenção de acordo com uma modalidade diferente, na configuração operacional.

[00029] De acordo com a primeira modalidade preferencial da invenção, ilustrada nas Figuras de 1 a 3, o sensor de vibração 1 compreende uma estrutura de suporte 2 provida com uma cavidade 2a que acomoda uma massa de prova 3 que é menor que a própria cavidade 2a.

[00030] A dita massa de prova 3 é suspensa na cavidade 2a através da interposição de uma pluralidade de corpos elásticos 4, 5, 7, 8, 9, 10 que conectam a massa de prova 3 à estrutura de suporte 2 ao longo dos eixos de conexão 19 correspondentes dos quais apenas um é indicado na Figura 3 por uma questão de clareza.

[00031] Preferencialmente, mas não necessariamente, cada corpo elástico 4, 5, 7, 8, 9, 10 tem um formato cilíndrico cujo eixo define o eixo de conexão 19 correspondente.

[00032] Ainda preferencialmente, cada corpo elástico 4, 5, 7, 8, 9, 10 é feito de borracha.

[00033] Na modalidade variante da invenção, a borracha pode ser substituída por qualquer outro material equivalente de tipo conhecido.

[00034] Uma porção de fibra ótica 11 é disposta em contato com cada corpo elástico 4, 5, 7, 8, 9, 10, mais precisamente, é enrolada em torno do eixo de conexão 19 correspondente. Particularmente, cada porção de fibra ótica 11 define uma bobina com um número predeterminado de voltas.

[00035] O comprimento desta porção de fibra ótica 11 pode ser medido usando técnicas óticas conhecidas. Preferencialmente, uma técnica interferométrica é usada para máxima sensibilidade, mas outras técnicas conhecidas na técnica também podem ser usadas, tal como medida do deslocamento de comprimento de onda de uma fibra de rede Bragg longa e, preferencialmente, deslocado em π, formada dentro da porção de fibra 11 ou medindo mudanças no estado de polarização da luz na fibra.

[00036] A massa de prova 3 tem formato alongado de acordo com uma direção de referência principal Z e, preferencialmente, tem um formato prismático ao longo da dita direção, por exemplo, um formato semelhante a barra ou vara.

[00037] Preferencialmente e conforme ilustrado na Figura 1, a massa de prova 3 se desenvolve de acordo com a dita direção de referência principal Z com uma seção transversal substancialmente quadrada.

[00038] De acordo com uma modalidade variante da invenção não ilustrada nos desenhos, a massa de prova 3 se desenvolve de acordo com a direção de referência principal Z com uma seção transversal substancialmente circular.

[00039] Em qualquer caso, a cavidade 2a e, consequentemente, a estrutura de suporte 2 também são alongados de acordo com a dita direção de referência principal Z e, preferencialmente, têm formatos, em geral, cilíndricos.

[00040] Pode ser entendido que o sensor de vibração 1 com formato alongado, conforme descrito acima, permite uma exploração mais eficaz do espaço disponível em um furo do que o permitido por um sensor de vibração 1 do tipo conhecido com substancialmente as mesmas dimensões gerais nas três dimensões.

[00041] Conforme ilustrado na Figura 3, a pluralidade de corpos elásticos 4, 5, 7, 8, 9, 10 compreende dois ou mais primeiros corpos elásticos 7 que são espaçados ao longo da direção de referência principal Z e são arranjados de modo que estes são compressos simultaneamente ao longo de seus eixos de conexão 19 correspondentes seguindo um deslocamento da massa de prova 3 em uma primeira direção de referência X perpendicular à direção de referência principal Z e simultaneamente alongada ao longo de seus eixos de conexão 19 correspondentes seguindo um deslocamento da massa de prova 3 em uma direção oposta da primeira direção de referência X.

[00042] Ou seja, todos os primeiros corpos elásticos 7 são arranjados, em relação à massa de prova 3, no mesmo lado em relação a um plano que é paralelo à direção de referência principal Z, é ortogonal à direção de referência principal X e faz intersecção com a massa de prova 3.

[00043] Doravante, os primeiros corpos elásticos 7 acima são, no todo, por vezes referido como um "grupo" de corpos elásticos e o grupo será identificado usando o mesmo número dos corpos elásticos que o constituem. O mesmo se aplica a outros grupos de corpos elásticos que serão definidos posteriormente.

[00044] Nota-se que a primeira direção de referência X acima também incorpora, implicitamente, uma orientação, a saber, a orientação correspondente à compressão dos primeiros corpos elásticos 7. O mesmo se aplica aos sentidos de referência adicionais definidos doravante, conforme será aparente nos seguintes.

[00045] Pode se entender que os primeiros corpos elásticos 7 tornam o sensor de vibração 1 capaz de detectar vibrações de acordo com a primeira direção de referência X de uma maneira completamente análoga àquela permitida por um sensor de vibração do tipo conhecido descrito acima, oferecendo assim as mesmas vantagens.

[00046] Entretanto, no sensor de vibração 1 da invenção, a presença de uma pluralidade de primeiros corpos elásticos 7 capazes de detectar os sinais de vibração ao longo da primeira direção de referência X possibilita multiplicar o comprimento total da fibra ótica 11 respectiva destinada a ser usada para detectar a vibração que se propaga ao longo da dita primeira direção de referência X.

[00047] Particularmente, o comprimento maior da fibra ótica 11 é obtido sem aumentar o comprimento ou diâmetro dos primeiros corpos elásticos 7 e, portanto, sem aumentar as dimensões gerais do sensor de vibração 1 ao longo da primeira direção de referência X, aumentando, assim, a dimensão apenas ao longo da direção de referência principal Z, que, entretanto, é compatível com o uso do sensor 1 em um furo.

[00048] Portanto, pode se entender que o sensor de vibração 1 mencionado acima, embora seja adequado para uso em furos, também oferece sensibilidade de medição alta em direções ortogonais à direção do próprio furo, o que possibilita, assim, alcançar umas das matérias da invenção.

[00049] Particularmente, o dito sensor 1 oferece uma sensibilidade mais alta comparada à sensibilidade que pode ser alcançada por um sensor de acordo com a técnica conhecida com o mesmo diâmetro geral.

[00050] Vantajosamente, a presença de vários primeiros corpos elásticos 7 possibilita limitar o efeito das rotações indesejáveis da massa de prova 3 sobre uma direção perpendicular à direção de referência principal Z, reduzindo, assim, perturbações induzidas pelas ditas rotações.

[00051] A primeira direção de referência X pode ser definida como sendo paralela à soma vetorial de uma pluralidade de vetores com, respectivamente, as mesmas direções dos eixos de conexão 19 dos primeiros corpos elásticos 7 e sendo orientada em direção à prova de massa 3. A definição acima é aplicável aos casos nos quais os primeiros corpos elásticos 7 têm eixos de conexão 19 paralelos e não paralelos A definição acima também se aplica às direções de referência adicionais que serão definias a seguir.

[00052] Não obstante, a descrição atual também se aplica caso seja usada uma definição diferente para as primeiras direções de referência e direções de referência adicionais.

[00053] Preferencialmente, a pluralidade de corpos elásticos 4, 5, 7, 8, 9, 10 também compreende dois ou mais segundos corpos elásticos 8 que são espaçados ao longo da direção de referência principal Z e são arranjados de modo que estes são compressos simultaneamente ao longo de seus eixos de conexão 19 correspondentes seguindo um deslocamento da massa de prova 3 em uma segunda direção de referência Y perpendicular a tanto a direção de referência principal Z como a primeira direção de referência X e seja alongado simultaneamente ao longo dos eixos de conexão 19 correspondentes seguindo um deslocamento da massa de prova 3 em uma direção oposta da segunda direção de referência Y.

[00054] Vantajosamente, a presença dos ditos segundos corpos elásticos 8 adicionais aos primeiros elásticos dos corpos 7 possibilita medir as vibrações que são direcionadas de acordo com uma dentre as duas direções de referência mutuamente ortogonais.

[00055] Preferencialmente, a pluralidade de corpos elásticos também compreende um ou mais terceiros corpos elásticos 9 que são espaçados ao longo da direção de referência principal Z e são arranjados de modo que estes são alongados simultaneamente ao longo de seus eixos de conexão 19 correspondentes seguindo um deslocamento da massa de prova 3 na primeira direção de referência X, isto é, na direção correspondente à compressão de todos os primeiros corpos elásticos 7, e simultaneamente compressa ao longo de seus eixos de conexão 19 correspondentes seguindo um deslocamento da massa de prova 3 em uma direção oposta da primeira direção de referência X.

[00056] Em outras palavras, os primeiros corpos elásticos 7 e os terceiros corpos elásticos 9 são arranjados nos lados opostos respectivos da massa de prova 3 de acordo com a primeira direção de referência X.

[00057] Vantajosamente, os terceiros corpos elásticos 9 acima podem ser usados em conjunto com os primeiros corpos elásticos 7 em uma configuração diferencial para distinguir os sinais de medida produzidos por uma vibração ao longo da primeira direção de referência X a partir dos sinais interferentes resultantes a partir de vibrações direcionadas transversalmente em relação à dita direção, de acordo com o princípio descrito acima.

[00058] Preferencialmente, cada primeiro corpo elástico 7 pode ser emparelhado com um terceiro corpo elástico 9 correspondente, os dois corpos elásticos no par sendo substancialmente idênticos e com eixos de conexão 19 colineares. Vantajosamente, este arranjo facilita a eliminação dos sinais induzidos pelas vibrações que se propagam transversalmente em relação aos eixos da conexão 19 dos corpos elásticos de cada par, visto que o uso de pares substancialmente idênticos resultará em vibrações transversais produzindo sinais de interferência substancialmente similares nos corpos elásticos formando cada metade de um par, o que pode então ser cancelado ao operar o par em uma configuração diferencial, de acordo com o princípio já mencionado acima.

[00059] Preferencialmente, a pluralidade de corpos elásticos também compreende um ou mais quartos corpos elásticos 10 que são espaçados ao longo da direção de referência principal Z e são arranjados de modo que estes são todos alongados simultaneamente ao longo de seus eixos de conexão 19 correspondentes seguindo um deslocamento da massa de prova 3 na segunda direção de referência Y, isto é, na direção correspondente à compressão de todos os segundos corpos elásticos 8, e simultaneamente compressa ao longo de seus eixos de conexão 19 correspondentes seguindo um deslocamento da massa de prova 3 em uma direção oposta da segunda direção de referência Y.

[00060] Em outras palavras, os segundos corpos elásticos 8 e os quartos corpos elásticos 10 são arranjados nos lados opostos respectivos da massa de prova 3 de acordo com a segunda direção de referência Y.

[00061] Os segundos corpos elásticos 8 e os quartos corpos elásticos 10 pode ter a mesma relação e trazem as mesmas vantagens, conforme aquele mencionado acima para os primeiros corpos elásticos 7 e os terceiros corpos elásticos 9.

[00062] Preferencialmente, a pluralidade de corpos elásticos também compreende um quinto corpo elástico 4 arranjado com seu eixo de conexão 19 correspondente paralelo à direção de referência principal Z de modo a conectar uma extremidade da massa de prova 3 à extremidade correspondente da cavidade 2a.

[00063] Vantajosamente, o quinto corpo elástico 4 acima, adicional aos primeiros e segundos corpos elásticos 7 e 8, possibilita obter um sensor vetorial triaxial, isto é, um sensor que é capaz de resolver qualquer vibração em três componentes espaciais, denominadamente, a primeira direção de referência X, a segunda direção de referência Y e a direção de referência principal Z.

[00064] Preferencialmente, a pluralidade de corpos elásticos também compreende um sexto corpo elástico 5 com o eixo de conexão 19 respectivo paralelo à direção de referência principal Z e oposto ao quinto corpo elástico 4 em relação à massa de prova 3 ao longo da dita direção de referência principal.

[00065] O quinto corpo elástico 4 e o sexto corpo elástico 5 pode ter a mesma relação e trazem as mesmas vantagens, conforme aquele mencionado acima para os primeiros corpos elásticos 7 e os terceiros corpos elásticos 9.

[00066] Preferencialmente, o eixo de conexão 19 de cada um do primeiro corpo elástico 7 forma um ângulo menor que 45° com a primeira direção de referência X em um plano ortogonal com a direção de referência principal Z.

[00067] Com a configuração recém mencionada, o componente principal da resposta de cada primeiro corpo elástico 7 é direcionado de acordo com a primeira direção de referência X ao benefício da resposta geral do sensor 1 de acordo com a dita direção. Evidentemente, este benefício é aprimorado conforme o ângulo mencionado acima diminui para zero.

[00068] Mais preferencialmente, os eixos de conexão 19 acima são todos paralelos a e, preferencialmente, se encontram em um plano de referência comum correspondente.

[00069] As mesmas características divulgadas acima para os primeiros corpos elásticos 7 se aplicam, preferencialmente, aos segundos corpos elásticos 8, os terceiros corpos elásticos 9 e os quartos corpos elásticos 10, para os quais podem ser definidos planos de referência comuns correspondentes.

[00070] Adicional e preferencialmente, todos os eixos de conexão 19 dos primeiros corpos elásticos 7 e dos terceiros corpos elásticos 9 se encontram em um primeiro plano de referência 16, ao passo que todos os eixos de conexão 19 dos segundos corpos elásticos 8 e dos quartos corpos elásticos 10 se encontram em um plano de referência 17 comum correspondente.

[00071] De acordo com uma segunda modalidade da invenção, ilustrada nas Figuras 4 e 5, o sensor indicado neste por 13 difere da modalidade anterior em que os primeiros, segundos, terceiros e quartos corpos elásticos 7, 8, 9 e 10 são arranjados de modo que todos estes são compressos seguindo a rotação da massa de prova 3 em torno da direção de referência principal Z e são todos alongados seguindo a rotação da massa de prova 3 na direção oposta.

[00072] Preferencialmente, a dita a configuração é alcançada ao arranjar os primeiros corpos elásticos 7 de modo que todos dos seus eixos de conexão 19 sejam substancialmente paralelos e se encontrem em um primeiro plano de referência 16 paralelo à direção de referência principal Z, mas inclinado a partir deste ao arranjar os terceiros corpos elásticos 9 de modo que todos os seus eixos de conexão 19 sejam substancialmente paralelos e se encontram em um segundo plano de referência 16a que é paralelo à ao primeiro plano de referência 16 e inclinado a partir deste, o primeiro plano de referência 16 e segundo plano de referência 16A sendo arranjados em lados opostos correspondentes da direção de referência principal Z.O mesmo se aplica mutatis-mutandis para o segundo corpo elástico 8 e os quartos corpos elásticos 10.

[00073] Vantajosamente, a dita configuração possibilita aumentar a estabilidade da massa de prova 3 em torno da direção de referência principal Z, limitando sua rotação em torno da dita direção de modo a evitar erros de medida correspondentes.

[00074] Também vantajosamente, quaisquer sinais residuais introduzidos nos grupos de corpos elásticos 7, 8, 9, 10 pelas rotações acima são cancelados quando estes grupos são operados como pares diferenciais, conforme discutido acima.

[00075] De acordo com uma terceira modalidade da invenção, ilustrada nas Figuras 6 e 7, a vantagem descrita acima é alcançada através de um arranjo diferente dos corpos elásticos 7,8, 9, 10, nos quais os primeiros corpos elásticos 7 com seus eixos de conexão 19 correspondentes substancialmente paralelos uns aos outros, mas se encontrar em dois ou mais planos de referência diferentes, sendo que o mesmo também é aplicável aos segundos, terceiros e quartos corpos elásticos 8, 9, 10. Preferencialmente, os primeiros e terceiros corpos elásticos, 7 e 9, têm eixos de conexão 19 que são arranjados de modo a serem inclinados em dois planos paralelos, 16 e 16b, ao passo que os segundos e quartos corpos elásticos, 8 e 10, têm eixos de conexão 19 que são arranjados de modo a serem inclinados em dois planos paralelos 17 e 17b.

[00076] Preferencialmente, os dois planos 16 e 16b são simétricos em relação ao eixo longitudinal da massa de prova 3 assim como os dois planos 17 e 17b.

[00077] Em uma quarta modalidade da invenção, representada na Figura 8, o sensor, indicado nesta por 12, compreende uma pluralidade de quintos corpos elásticos 4 e/ou de sextos corpos elásticos 5. Esta configuração possibilita aumentar o comprimento total da fibra 11 que pode ser enrolada em torno dos corpos 4 e/ou 5, aumentando, assim, a sensibilidade do sensor sem aumentar a dimensão do sensor ao longo da direção de referência principal Z.

[00078] Em todas as modalidades da invenção descritas acima, os corpos elásticos são arranjados substancialmente paralelos a três direções de referência mutuamente ortogonais X, Y, Z.

[00079] A quinta modalidade da invenção, representada na Figura 9, prevê um sensor de vibração, indicado neste por 15, no qual os primeiros, segundos e terceiros corpos elásticos 7, 8, 9 têm direções de referência x, V, W respectivas formando mutuamente ângulos diferentes de 90° e preferencial e substancialmente iguais a 120°.

[00080] Preferencialmente, os primeiros corpos elásticos 7 têm seus eixos de conexão 19 respectivos que são todos paralelos e, preferencialmente, dispostos em um primeiro plano de referência 16 comum, os segundo corpos elásticos 8 têm seus eixos de conexão 19 respectivos que são todos paralelos e, preferencialmente, dispostos em um segundo plano de referência 17 comum e os três corpos elásticos 9 têm seus eixos de conexão 19 respectivos que são todos paralelos e, preferencialmente, arranjados um terceiro plano de referência 18 comum, em que cada um dentre os primeiros, segundos e terceiros planos de referência 16, 17, 18 é paralelo à dita direção de referência principal Z e à direção de referência principal X, V, W correspondentes.

[00081] Vantajosamente, o dito sensor 15 tem dimensões transversais gerais reduzidas e usa menos componentes em comparação com as modalidades anteriores, embora ofereça boa estabilidade da massa de prova 3 transversalmente em relação à direção de referência principal Z.

[00082] Na última modalidade, os sinais de vibração detectados de acordo com as três direções X, V, W podem ser processados por meio de um dispositivo eletrônico e/ou software adequado para resolver os componentes da vibração de acordo com duas direções mutuamente ortogonais e também para calcular um sinal dependente da rotação da massa de prova 3 em torno da direção de referência Z independente de qualquer translação nas direções de referência X, V ou W.

[00083] Em todas as modalidades descritas acima, as porções de fibra ótica 11 dos primeiros corpos elásticos 7 são conectadas umas às outras de modo a formar uma única fibra. O mesmo se aplica aos segundos, terceiros e quartos corpos elásticos 8, 9, 10. Vantajosamente, isso possibilita a obtenção de um único sinal para cada direção de referência X, Y, Z, V, W, reduzindo, assim, a complexidade do dispositivo.

[00084] Outro aspecto da invenção diz respeito à rejeição ótica de sinais que são idênticos em cada um dos grupos opostos de corpos elásticos 7, 8, 9, 10 se encontrando ao longo de um eixo de referência comum. Estes sinais de modo comum resultam do movimento do eixo cruzado da massa de prova 3, isto é, movimento perpendicular ao eixo comum, ou de outras fontes interferentes, tais como efeitos térmicos e/ou rotação de massa.

[00085] Vantajosamente, este aspecto melhora a precisão do sensor conforme definido acima, assim como de qualquer sensor compreendendo dois corpos elásticos com eixos de conexão 19 respectivos alinhados de acordo com um eixo de referência comum.

[00086] O aspecto acima, representado esquematicamente na Figura 10, estende o método interferométrico conhecido para medir mudanças no comprimento da fibra ao conectar, em série, as porções de fibra ótica 11a e 11b, respectivamente enroladas em torno dos dois corpos elásticos 4, 5 dispostos em lados opostos em relação à massa de prova 3 e com eixos de conexão 19 alinhados de acordo com um eixo comum paralelo à direção de referência Z. As duas porções de fibra ótica 11a e 11b têm substancialmente o mesmo comprimento.

[00087] Obviamente, a configuração acima pode ser usada em outra direção de referência X, Y ao conectar as porções de fibra ótica 11 enrolada em torno de um par de corpos elásticos arranjados em lados opostos em relação à massa de prova 3 e alinhados de acordo com um eixo comum paralelo à dita direção de referência.

[00088] O sistema também compreende três elementos parcialmente refletores 20a, 20b, 20c, adequado para refletir a sobreposição de intervalos de comprimentos de onda. Um primeiro e um segundo destes elementos parcialmente refletores, 20a e 20c, são arranjados nas extremidades livres das porções de fibra ótica 11a e 11b, respectivamente, e um terceiro elemento parcialmente refletor 20b é arranjado no ponto de conexão entre as porções de fibra ótica 11a e 11b. Preferencial, mas não necessariamente, os elementos parcialmente refletores são fibras de rede Bragg.

[00089] Para se obter uma medida do sinal de vibração usando a configuração divulgada acima, uma fonte de luz 21 emite um sinal ótico que passa através de um circulador ótico 21a e, em seguida, é acoplado a uma extremidade de, por exemplo, a porção de fibra ótica11a enrolada em torno do corpo elástico 4. O sinal ótico refletido pelos elementos parcialmente refletores 20a, 20b e 20c é separado de luz proveniente da fonte de luz 21 pelo circulador ótico 21a e duas porções das quais foram refletidas de maneiras diferentes pelos elementos parcialmente refletores 20a, 20b, 20c acima são selecionados e comparados de maneira interfomérica.

[00090] Particularmente, uma comparação é feita entre a porção de sinal que é refletida por duas vezes pelo elemento parcialmente refletor 20b e uma vez pelo elemento parcialmente refletor 20a dentro da porção de fibra ótica 11a, tendo, assim, percorrido esta porção quatro vezes e a porção de sinal que percorre, de ambos as maneiras, o comprimento geral das duas porções de fibra ótica 11a e 11b, tendo, assim, sido refletida apenas uma vez pelo elemento parcialmente refletor 20c.

[00091] A comparação acima pode ser feita, por exemplo, ao assegurar que a luz refletida pelos elementos parcialmente refletores tenha um comprimento coerente menor que o comprimento das porções de fibras óticas 11a, 11b, mas também maior que qualquer diferença residual em comprimento entre as duas porções 11a, 11b de modo que as duas porções de sinal referenciadas acima sejam as duas únicas porções mutuamente coerentes na saída do sistema.

[00092] Visto que as porções de fibra ótica 11a, 11b acima têm o mesmo comprimento, qualquer movimento de eixo cruzado da massa de prova 3 irá esticá-las por uma quantidade igual, resultando em nenhuma diferença líquida de percurso ótico, portanto, nenhum sinal de interferência líquida, entre as duas reflexões. Portanto, esta configuração permite a rejeição ótica de sinais de eixo cruzado em relação à direção Z.

[00093] Evidentemente, o mesmo efeito acima pode ser alcançado ao comparar duas porções de sinal, desde que uma porção percorra através de apenas um dentre os corpos elásticos, que a outra parte percorra através de ambos os corpos elásticos e que ambas as porções percorram substancialmente as mesmas distâncias gerais ao longo da fibra ótica.

[00094] Preferencialmente, o sistema acima é usado para detectar os sinais de vibração a partir de mais do que um par de corpos elásticos opostos. Neste caso, a fibra ótica correspondente a cada par adicional é conectada em série às porções de fibra ótica 11a, 11b citadas do primeiro par. As respostas dos dois pares podem ser mutuamente distinguidas usando canais de comprimento de onda respectivamente diferentes, os quais podem ser separados por meio de um divisor de comprimento de onda 24 e detectado através dos respectivos detectores 25, 26.

[00095] A configuração acima tem a vantagem de exigir apenas um canal de comprimento de onda para cada par de corpos elásticos, isto é, apenas um detector de comprimento de onda correspondente, em vez de dois, isto é, um para cada corpo elástico dentro de cada par, conforme o estado da técnica de sistemas de comprimento de onda multiplexados. Ao mesmo tempo, por causa da capacidade de calcular a média do sinal continuamente, esta configuração reduz o ruído em comparação com um sistema multiplexado por tempo, com base em sinais óticos na forma de pulsos, em que o atraso de reflexão permite que os sinais correspondentes aos corpos elásticos diferentes sejam distinguidos.

[00096] Também vantajosamente, visto que a medida diferencial no par de corpo elástico é feita diretamente no domínio ótico, não há necessidade para correspondência precisa dos sinais dos dois corpos elásticos nos componentes eletrônicos e/ou software antes da subtração, conforme necessário nos sistemas conhecidos.

[00097] Em uma modalidade variante, representada na Figura 11, um comprimento de trajeto adicional, maior que o comprimento coerente da luz refletida pelos elementos parcialmente refletores, é inserido dentro de um dentre as porções de fibra ótica 11a, 11b, que é correspondida por um interferômetro compensador 23 e permite que este último introduza um sinal de modulação dentro do sistema ótico. Este sinal de modulação permite que a fase do interferômetro seja controlada, continua e inequivocamente, usando uma técnica de transporta gerada por fase ou por outros meios conhecidos na técnica, tais como deslocamento de fase ou deslocamento de frequência ótica. Ao monitorar a fase continuamente, os problemas de desvio de fase e ambiguidade de fase que, caso contrário, estariam presentes no esquema mais simples descrito acima são evitados.

[00098] Claramente, o sensor de vibração divulgado acima alcança as matérias da invenção.

[00099] Particularmente, o uso de uma massa de prova alongada torna o sensor particularmente adequado para uso em furos. Ao mesmo tempo, a presença de uma pluralidade de corpos elásticos arranjados em posições diferentes ao longo do eixo longitudinal da massa de prova possibilita a obtenção a partir dos níveis de desempenho de sensor que são análogos àqueles oferecidos por um sensor do tipo conhecido.

[000100] Além disso, o uso de cancelamento ótico direto de sinais de modo comum resulta em alta rejeição de eixo cruzado sem usar canais de comprimento de onda adicionais.

Claims

1. Sensor de vibração (1; 12; 13; 14; 15) compreendendo: - uma estrutura de suporte (2) provida com uma cavidade (2a); - uma massa de prova (3) acomodada na dita cavidade (2a); - uma pluralidade de corpos elásticos (4, 5, 7, 8, 9, 10), cada um conectando a dita massa de prova (3) à dita estrutura de suporte (2) ao longo de um eixo de conexão (19) correspondente; - uma porção de fibra ótica (11) arranjada em contato com cada corpo elástico (4, 5, 7, 8, 9, 10) e enrolada em torno do eixo de conexão (19) correspondente; em que a dita massa de prova (3) tem um formato alongado de acordo com uma direção de referência principal (Z) caracterizado pelo fato de que a dita pluralidade de corpos elásticos (4, 5, 7, 8, 9, 10) compreende dois ou mais primeiros corpos elásticos (7) que são espaçados ao longo da dita direção de referência principal (Z) e são arranjados de modo que estes são simultaneamente compressos ao longo de seus eixos de conexão (19) correspondentes seguindo um deslocamento da dita massa de prova (3) em uma primeira direção de referência (X) perpendicular à dita direção de referência principal (Z) e simultaneamente esticada ao longo de seus eixos de conexão (19) correspondentes seguindo um deslocamento da dita massa de prova (3) em uma direção oposta da dita primeira direção de referência.

2. Sensor de vibração (1; 12; 13; 14; 15), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os ditos primeiros corpos elásticos (7) são todos arranjados no mesmo lado da dita massa de prova (3) em relação a um plano que é paralelo à dita direção de referência principal (Z), é ortogonal à dita primeira direção de referência (X) e faz intersecção com a dita massa de prova (3).

3. Sensor de vibração (1; 12; 13; 15), de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que os ditos primeiros corpos elásticos (7) têm os eixos de conexão (19) respectivos, todos se encontrando em um plano de referência (16) comum.

4. Sensor de vibração (14), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que os ditos primeiros corpos elásticos (7) têm os eixos de conexão (19) correspondentes, todos se encontrando em pelo menos dois planos de referência (16, 16b, 17, 17b) diferentes.

5. Sensor de vibração (1; 12; 13; 14; 15), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o eixo de conexão (19) de cada um dos ditos primeiros corpos elásticos (7) forma um ângulo menor que 45° com dita primeira direção de referência (X) em um plano ortogonal com dita direção de referência principal (Z).

6. Sensor de vibração (1; 12; 13; 14; 15), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que a dita pluralidade de corpos elásticos (4, 5, 7, 8, 9, 10) compreende dois ou mais segundos corpos elásticos (8) que são espaçados ao longo da dita direção de referência principal (Z) e são arranjados de modo que estes são simultaneamente compressos ao longo de seus eixos de conexão (19) correspondentes seguindo um deslocamento da dita massa de prova (3) em uma segunda direção de referência (Y) perpendicular à dita direção de referência principal (Z) e à dita primeira direção de referência (X), e simultaneamente esticados ao longo de seus eixos de conexão (19) correspondentes seguindo um deslocamento da dita massa de prova (3) em uma direção oposta à dita segunda direção de referência.

7. Sensor de vibração (1; 12; 13; 14; 15), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que a dita pluralidade de corpos elásticos (4, 5, 7, 8, 9, 10) compreende dois ou mais terceiros corpos elásticos (9) que são espaçados ao longo da dita direção de referência principal (Z) e são arranjados de modo que estes são simultaneamente esticados ao longo de seus eixos de conexão (19) correspondentes seguindo um deslocamento da dita massa de prova (3) na dita primeira direção de referência (X), e simultaneamente compressos ao longo de seus eixos de conexão (19) correspondentes seguindo um deslocamento da dita massa de prova (3) em uma direção oposta à dita primeira direção de referência.

8. Sensor de vibração (1; 12), de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que os ditos primeiros corpos elásticos (7) e os ditos terceiros corpos elásticos (9) têm seus eixos de conexão (19) respectivos que são todos arranjados em um plano de referência (16) comum.

9. Sensor de vibração (13), de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que os ditos primeiros corpos elásticos (7) e os ditos terceiros corpos elásticos (9) são arranjados de modo que estes são todos compressos ou esticados seguindo uma rotação correspondente da dita massa de prova (3) em torno da dita direção de referência principal (Z).

10. Sensor de vibração (15), de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que: - os ditos primeiros corpos elásticos (7) têm os eixos de conexão (19) respectivos que são todos paralelos a um primeiro plano de referência (16) comum; - os ditos segundos corpos elásticos (8) têm os respectivos eixos de conexão (19) que são todos paralelos a um segundo plano de referência (17) comum; - os ditos terceiros corpos elásticos (9) têm os eixos de conexão (19) respectivos que são todos paralelos a um terceiro plano de referência (18) comum; - cada um dos ditos primeiro, segundo e terceiro planos de referência (16, 17, 18) é paralelo na dita direção de referência principal (Z) e forma um ângulo de 120° em relação a cada um dos outros dois planos.

11. Sensor de vibração (1; 12; 13; 14; 15), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que a dita pluralidade de corpos elásticos (4, 5, 7, 8, 9, 10) compreende um quinto corpo elástico (4) arranjado com o eixo de conexão (19) respectivo paralelo à dita direção de referência principal (Z).

12. Sensor de vibração (1; 12; 13; 14; 15), de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que compreende uma pluralidade de quintos corpos elásticos (4), todos arranjados no mesmo lado em relação à dita massa de prova (3), de acordo com a dita direção de referência principal (Z).

13. Sensor de vibração (1; 12; 13; 14; 15), de acordo com a reivindicação 11 ou 12, caracterizado pelo fato de que a dita pluralidade de corpos elásticos (4, 5, 7, 8, 9, 10) compreende um sexto corpo elástico (5) arranjado oposto ao dito quinto corpo elástico (4) em relação à dita massa de prova (3) de acordo com a dita direção de referência principal (Z).

14. Sensor de vibração (1; 12; 13; 14; 15), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 13, caracterizado pelo fato de que as porções de fibra ótica (11) arranjadas em contato com cada um dos ditos primeiros corpos elásticos (7) são conectadas uma à outra de modo a formar uma única fibra.

15. Sensor de vibração (1; 12; 13; 14; 15), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 14, caracterizado pelo fato de que cada corpo elástico da dita pluralidade de corpos elásticos (4, 5, 7, 8, 9, 10) é feito de um material compatível.

16. Sensor de vibração (1; 12; 13; 14; 15), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 15, caracterizado pelo fato de que duas das ditas porções de fibra ótica (11a, 11b), correspondente a dois dos ditos corpos elásticos (4, 5, 7, 8, 9, 10) com eixos de conexão (19) correspondentes mutualmente alinhados e sendo arranjados em lados opostos da dita massa de prova (3) são mutualmente conectados em série, em que o dito sensor de vibração (1; 12; 13; 14; 15) compreende, adicionalmente, três elementos parcialmente refletores (20a, 20b, 20c) configurados para refletir intervalos de comprimento de onda sobrepostos, sendo que dois dos ditos elementos parcialmente refletores (20a, 20c) são arranjados na extremidade livre de cada uma das ditas duas porções de fibra ótica (11a, 11b) e um terceiro dos ditos elementos parcialmente refletores (20b) é arranjado no ponto de conexão entre ditas duas porções de fibra ótica (11a, 11b).

17. Sensor de vibração (1; 12; 13; 14; 15), de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que é configurado para comparar uma primeira porção de sinal ótico refletido por ditos elementos parcialmente refletores (20a, 20b, 20c) de modo que esta percorre apenas dentro de uma primeira das ditas porções de fibra ótica (11a, 11b) com uma segunda porção de sinal ótico refletida por ditos elementos parcialmente refletores (20a, 20b, 20c) após percorrer em ambas duas porções de fibra ótica (11a, 11b), em que tanto a dita primeira porção de sinal ótico como a dita segunda porção de sinal ótico originam a partir de uma fonte de luz (21) comum.

18. Sensor de vibração (1; 12; 13; 14; 15), de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que as ditas porções de fibra ótica (11a, 11b) e ditos elementos parcialmente refletores (20a, 20b, 20c) são configurados de modo que a distância ótica total percorrida por dita primeira e segunda porções de sinal diferem por menos que o comprimento coerente da luz refletida pelos elementos parcialmente refletores.

19. Sensor de vibração (1; 12; 13; 14; 15), de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que a dita fonte de luz (21) tem um comprimento coerente menor que os comprimentos das ditas porções de fibra ótica (11a, 11b).

20. Sensor de vibração (1; 12; 13; 14; 15), de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que as ditas porções de fibra ótica (11a, 11b) e ditos elementos parcialmente refletores (20a, 20b, 20c) são configurados de modo que a distância ótica total percorrida por dita primeira e segunda porções de sinal diferem por uma quantidade maior que o comprimento coerente da luz refletida pelos ditos elementos parcialmente refletores (20a, 20b, 20c).

21. Sensor de vibração (1; 12; 13; 14; 15), de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de que compreende um interferômetro compensador (23) configurado para trazer as ditas primeira e segunda porções de sinal de volta à coerência e para produzir uma saída interferométrica.

22. Sensor de vibração (1; 12; 13; 14; 15), de acordo com qualquer uma das reivindicações 16 a 21, caracterizado pelo fato de que os ditos elementos parcialmente refletores (20a, 20b, 20c) são redes de Bragg em fibras.

23. Método para uso de um sensor de vibração (1; 12; 13; 14; 15) conforme definido em qualquer uma das reivindicações 16 a 22, caracterizado pelo fato de que compreende as seguintes etapas: - injetar um sinal ótico através da extremidade livre de uma primeira (11a) dentre as ditas duas porções de fibra ótica (11a, 11b), o dito sinal ótico compreendendo ditos intervalos de comprimento de onda; - detectar, na dita extremidade livre da dita primeira porção de fibra ótica (11a), o dito sinal ótico após ser refletido por ditos elementos parcialmente refletores (20a, 20b, 20c); - selecionar uma primeira porção de sinal pertencente à parte do dito sinal ótico detectado que permaneceu confinado dentro da dita primeira porção de fibra ótica (11a); - selecionar uma segunda porção de sinal pertencente à parte do dito sinal ótico detectado que percorreu ao longo de ambas as ditas duas porções de fibra ótica (11a, 11b); - calcular um sinal de interferência ao comparar a dita primeira porção de sinal com a dita segunda porção de sinal.

24. Método, de acordo com a reivindicação 23, caracterizado pelo fato de que a dita primeira porção de sinal pertence à parte do dito sinal ótico detectado que percorreu ao longo da dita primeira porção de fibra ótica (11a) pelo menos quatro vezes.