Medição de pressão por análise de relevo e deformação via interferometria speckle com laser de diodo sintonizável

Abstract

Neste trabalho foi desenvolvida uma técnica de medição de pressão pela análise óptica do relevo de uma membrana circular de alumínio com 0,4 mm de espessura e 55 mm de diâmetro. A membrana foi submetida a um diferencial de pressão na faixa de (0 a 90) kPa, e a sua deformação foi medida por meio de uma técnica de interferometria de granulado óptico (ou speckle) com o uso de um laser de diodo vermelho emitindo simultaneamente dois comprimentos de onda. O arranjo óptico e o sistema para a aplicação de pressão foram montados no Laboratório de Óptica Aplicada da Faculdade de Tecnologia de São Paulo em conjunto com o Laboratório de Tecnologia do Vácuo. O laser foi sintonizado, de modo que a imagem speckle resultante da membrana surgisse coberta de franjas de interferência que correspondem às curvas de nível da superfície estudada. A análise das franjas de interferência forneceu a deformação sofrida pela membrana em função da pressão. A deformação da membrana também medida com auxílio de um relógio apalpador e a deformação teórica foi calculada por um modelo analítico. A maior diferença entre as medições da deformação realizadas pelo arranjo óptico proposto e os demais métodos foi de 0,04 mm, que equivale a 5% da amplitude de deformação medida (0,76 mm). A partir das medições com o arranjo óptico foi criada uma curva de calibração com auxílio do programa “OriginPro8”. Foi mostrado que a partir dos coeficientes da curva de calibração é possível calcular o módulo de elasticidade do material da membrana. Estes resultados indicam que o método proposto é uma alternativa viável para a medição de pressão na indústria e em laboratórios de referência. Esta técnica também pode ser aplicada na indústria para a análise e estudo sem contato da deformação de objetos, que é de grande importância em diversos processos.

In this work was developed a novel pressure measurement technique by the optical analysis of the surface of a circular aluminum membrane with 0.4 mm thickness and 55 mm diameter. The membrane was subjected to a pressure differential in the range of (0 to 90) kPa, and its deformation was measured with a speckle interferometry technique with a red diode laser emitting simultaneously two wavelengths. The optical setup and the pressure system were assembly in the Applied Optics Laboratory of the Faculty of Technology of São Paulo in conjunction with the Laboratory of Vacuum Technology. The laser was tuned so that the resulting speckle image of the membrane appeared covered with interference fringes that correspond to the level curves of the studied surface. The analysis of the interference fringes provided the deformation suffered by the membrane as a function of the pressure. The deformation of the membrane was also measured with a dial teste indicator and the theoretical deformation was calculated by an analytical model. The greatest difference between the measurements of the deformation performed by the proposed optical arrangement and the other methods was 0.04 mm, which is equivalent to 5% of the measured deformation amplitude (0.76 mm). From the measurements with the optical arrangement, a calibration curve was created with the program "OriginPro8". It was shown that it is possible to calculate the elasticity modulus of the membrane material from the coefficients of the calibration curve. These results indicate that the proposed method is a viable alternative for pressure measurement in industry and reference laboratories. This technique can also be applied in the industry for the analysis and non-contact study of the deformation of objects, which is of great importance in several processes.