Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung eines Drucksensorkatheters auf Basis von Faser-Bragg-Gittern. Dazu werden der medizinische Hintergrund aus technischer Sicht strukturiert dargelegt und bereits verfügbare Messmethoden für Manometrieuntersuchungen erörtert. Der Stand der Technik bei Faser-Bragg-Gitter basierten Sensoren und deren Auswertegeräten wird im Zusammenhang mit den aus dem medizinischen Hintergrund und dem Vergleich mit den anderen Messmethoden erwachsenden Anforderungen dargestellt. Die Entwicklung eines zweistufigen für die Herstellung mittels Koextrusion geeigneten Mantels für die optischen Fasern wird beschrieben. Mehrere Funktionsmuster für einen Drucksensorkatheter werden experimentell charakterisiert und die Ergebnisse hinsichtlich der Medizineignung bewertet.:Formelzeichen- und Abkürzungsverzeichnis 8 Vorwort 11 1 Einleitung 12 1.1 Motivation 12 1.2 Funktionsprinzip 14 1.3 Ziel und Struktur der Arbeit 15 2 Medizinischer Hintergrund 17 2.1 Anatomie des Nahrungstransports zum Magen 17 2.1.1 Anatomie des Pharynx 17 2.1.2 Anatomie des Ösophagus 18 2.1.3 Anatomie des Magens 19 2.2 Physiologie des Schluckens 19 2.2.1 Physiologie des Pharynx 21 2.2.2 Physiologie des oberen Ösophagus-Sphinkters (OÖS) 21 2.2.3 Physiologie des tubulären Ösophagus 22 2.2.4 Physiologie des unteren Ösophagus-Sphinkters (UÖS) 22 2.3 Anatomie des Rektums 23 2.4 Physiologie des Rektums 24 2.5 Manometrie als Diagnosewerkzeug in Hohlorganen 24 2.5.1 Manometrie des Ösophagus 24 2.5.2 Manometrie des Rektums 26 2.5.3 Sphinkter Oddi-Manometrie (SOM) 27 2.6 Manometriemethoden 29 2.6.1 Perfusionsmanometrie 30 2.6.2 Transducer Manometrie 31 2.6.3 Durchzugsmanometrie 32 2.6.4 Manometrie mit Luftkathetern 32 2.6.5 Manometrie mit Faser-Bragg-Gittern 33 2.7 Limitierungen der Manometrie 33 2.8 High-Resolution Manometry (HRM) 34 2.9 Hygiene 36 2.10 Bewertungen und Schlussfolgerungen 37 3 Stand von Wissenschaft und Technik 40 3.1 Optische Fasern 40 3.2 Faser-Bragg-Gitter (FBG) 41 3.2.1 Einschreibeverfahren 41 3.2.2 Eigenschaften von FBGs 43 3.2.3 Typen von FBGs 44 3.3 Faser-Bragg-Gitter Sensoren 46 3.3.1 Dehnungsempfindlichkeit 46 3.3.2 Temperaturempfindlichkeit 47 3.3.3 Druckempfindlichkeit 47 3.4 Sensorische Wirkung von Bragg-Gittern in Polymerfasern 48 3.5 Auswerteverfahren 49 3.5.1 Interrogatoren mit breitbandigen Lichtquellen 50 3.5.2 Interrogatoren mit abstimmbaren Laserlichtquellen 52 3.5.3 Bewertung der Anwendbarkeit für Drucksensorkatheter 53 3.5.4 Unterscheidung von Temperatur und Dehnung 55 3.6 Faser-Bragg-Gitter basierte Drucksensoren 57 4 Entwicklung eines Drucksensorkatheters auf Basis von Faser-Bragg-Gittern 59 4.1 Zusammenfassung der Anforderungen 59 4.2 Vorbetrachtungen 59 4.2.1 Was bedeutet Druck bei einem Katheter? 59 4.2.2 Verwendete Faser-Bragg-Gitter 60 4.2.3 Mechanische Eigenschaften der optischen Fasern 62 4.2.4 Auswahl und Materialparameter des Mantelmaterials 63 4.2.5 Bestmögliche Druckempfindlichkeit – fluidgefüllte Zelle 66 4.2.6 Druckempfindlichkeit einer Faser im dicken Kunststoffmantel 67 4.3 Entwurf 69 4.3.1 Mögliche im Extrusionsverfahren herstellbare Katheterquerschnitte 69 4.3.2 Simulation der Druckempfindlichkeit 70 4.3.3 Dehnungsempfindlichkeit 73 4.3.4 Biegesteifigkeit 74 4.3.5 Festlegung der geometrischen Parameter für Kathetermuster 76 4.4 Herstellung von Mustern 76 4.5 Simulierte Eigenschaften der hergestellten Muster 78 4.5.1 Druckempfindlichkeit 78 4.5.2 Dehnungsempfindlichkeit 80 4.6 Auswerteverfahren 82 4.6.1 Interrogator „Blue Fiber Box“ 82 4.6.2 Betrachtungen zum Aliasing 82 5 Charakterisierung der Kathetermuster 84 5.1 Querschnittsgeometrie 84 5.1.1 Durchmesser 84 5.1.2 Exzentrizität 85 5.2 Konstruktion eines Prüfstands für die Charakterisierung der Druckempfindlichkeit 86 5.2.1 Mechanischer Aufbau 86 5.2.2 Druckbeeinflussung der Katheter 87 5.3 Druckempfindlichkeit der Kathetermuster 90 5.4 Zugfestigkeit 95 5.5 Dehnungsempfindlichkeit 99 5.6 Biegesteifigkeit 100 5.7 Temperaturempfindlichkeit 101 6 Ergebnisbewertung 103 6.1 Vergleich der gemessenen und berechneten Parameter 103 6.2 Änderungsvorschlag 104 6.3 Ergebnisse im Kontext medizinischer Anforderungen 105 7 Zusammenfassung und Ausblick 107 A Optische Faser in einem dicken Kunststoffmantel unter hydrostatischem Druck 109 B Modellierung in ANSYS 110 C Simulierte Druckempfindlichkeit der Kathetermuster 112 D Messverfahren für die Exzentrizität 113 E Messunsicherheit bei der Messung einer Referenzdruckkennlinie 116 Literaturverzeichnis 117 Tabellenverzeichnis 127 Abbildungsverzeichnis 128 Thesen 132

The objective of this dissertation is to generate high power ultrashort optical pulses from an all-semiconductor mode-locked laser system. The limitations of semiconductor optical amplifier in high energy, ultrashort pulse amplification are reviewed. A method to overcome the fundamental limit of small stored energy inside semiconductor optical amplifier called "eXtreme Chirped Pulse Amplification (X-CPA)" is proposed and studied theoretically and experimentally. The key benefits of the concept of X-CPA are addressed. Based on theoretical and experimental study, an all-semiconductor mode-locked X-CPA system consisting of a mode-locked master oscillator, an optical pulse pre-stretcher, a semiconductor optical amplifier (SOA) pulse picker, an extreme pulse stretcher/compressor, cascaded optical amplifiers, and a bulk grating compressor is successfully demonstrated and generates >kW record peak power. A potential candidate for generating high average power from an X-CPA system, novel grating coupled surface emitting semiconductor laser (GCSEL) devices, are studied experimentally. The first demonstration of mode-locking with GCSELs and associated amplification characteristics of grating coupled surface emitting SOAs will be presented. In an effort to go beyond the record setting results of the X-CPA system, a passive optical cavity amplification technique in conjunction with the X-CPA system is constructed, and studied experimentally and theoretically.

A fatigue test has been performed on 7075-T651 aluminum specimens which were bonded with polyimide coated optical fibers with discrete Bragg gratings. These fibers were bonded with AE-10 strain gage adhesive. The results indicate that lower strain amplitudes do not produce cause for concern, but that larger strain amplitudes (on the order of 3500 μ) may cause some sensors to become unreliable. The strain response of acrylate coated optical fiber strain sensors bonded to aluminum specimens with AE-10 and M-Bond 200 strain gage adhesives was investigated with both axial and cantilever beam tests. These results were compared to both the strain response of conventional strain gages and to model predictions. The results indicate that only about 82.6% of the strain in the specimen was transferred through the glue line and fiber coating into the fiber. Thus, multiplying by a strain transfer factor of approximately 1.21 was sufficient to correct the optical fiber strain output. This effect was found to be independent of the adhesive used and independent of the three-dimensional profile of the glue line used to attach the fiber. Finally, this effect did not depend on whether the fiber had a polyimide or an acrylate coating. Further investigation was conducted on the feasibility of using optical fiber strain sensors for monitoring subcritical damage (such as matrix cracks) in fiber reinforced composite materials. These results indicate that an array of optical fibers which monitor the strain profile on both sides of a composite panel may be sufficient for these purposes / Master of Science

Tellurite glass is a material with advantageous optical properties, such as high transparency from visible to mid-infrared wavelengths, high nonlinearity, and high solubility of light-emitting rare earth dopants. Although tellurite has been investigated in fibers and in some waveguide studies, there is still much to explore about it in integrated photonics. Here, we use a hybrid platform that monolithically combines tellurite with commercially available silicon nitride chips. The platform leverages silicon nitride’s many advantages, including its low propagation losses, mature fabrication techniques with small feature sizes, and low cost for mass production, to enable the development of new on-chip tellurite glass light sources. This thesis aims to study the optical properties of distributed Bragg reflector cavities and explore their potential for lasing when the tellurite is doped with different rare earths, namely erbium and thulium. Chapter 1 provides an overview of the context of this work, introducing the materials and cavity used here. Chapter 2 introduces the basic theory behind waveguides and Bragg gratings, as well as rare earth rate equation gain models, coupled mode theory, and a laser model based on the shooting method. Chapter 3 discusses the design, fabrication, and characterization of passive properties of distributed Bragg reflector cavities using undoped tellurite. Chapters 4 and 5 present proof-of-concept laser demonstrations, by using tellurite doped with erbium and thulium, respectively. These lasers constitute the first demonstrations of distributed Bragg reflector lasers in this hybrid tellurite-silicon nitride platform. Chapter 6 combines the laser model introduced in Chapter 2 with the designs and results from Chapters 3–5 to investigate different routes to optimize the laser performances by studying how their efficiencies vary with different parameters, such as background loss, cavity and grating lengths, and rare earth concentration. Chapter 7 summarizes this work and provides insights into future research work. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD) / Integrated photonics is an emerging technology that revolves around tiny circuits on chips, similar to electronics, but using light instead of electricity. Photonic integrated circuits can help achieve faster and more power-efficient devices for a wide range of applications. In this work, we explore the potential of tellurite glass, a material that has promising optical properties, to achieve on-chip lasers. Lasers are one of the fundamental components in these light-driven circuits but are challenging to be realized on a chip-scale. We achieved compact lasers, which are more than ten times thinner than a strand of hair, a couple of centimeters long, and emit invisible (infrared) eye-safe light. These devices are compatible with volume production and there is much room for optimizing them. The lasers investigated here are highly promising for applications including imaging systems (LiDAR) for autonomous vehicles, augmented and virtual reality, data communications, and chemical and physical sensors.

Para poder satisfacer la demanda de mayores anchos de banda y los requisitos de los nuevos servicios, se espera que se produzca una evolución de las redes ópticas hacia arquitecturas reconfigurables dinámicamente. Esta evolución subraya la importancia de ofrecer soluciones en la que la escalabilidad y la flexibilidad sean las principales directrices. De acuerdo a estas características, las redes ópticas de conmutación de paquetes (OPS) proporcionan altas capacidades de transmisión, eficiencia en ancho de banda y excelente flexibilidad, además de permitir el procesado de los paquetes directamente en la capa óptica. En este escenario, la solución all-optical label switching (AOLS) resuelve el cuello de botella impuesto por los nodos que realizan el procesado en el dominio eléctrico. A pesar de los progresos en el campo del networking óptico, las redes totalmente ópticas todavía se consideran una solución lejana . Por tanto, es importante desarrollar un escenario de migración factible y gradual desde las actuales redes ópticas basadas en la conmutación de circuitos (OCS). Uno de los objetivos de esta tesis se centra en la propuesta de escenarios de migración basados en redes híbridas que combinan diferentes tecnologías de conmutación. Además, se analiza la arquitectura de una red OPS compuesta de nodos que incorporan nuevas funcionalidades relacionadas con labores de monitorización y esquemas de recuperación. Las redes ópticas permiten mejorar la transparencia de la red, pero a costa de aumentar la complejidad de las tareas de gesión. En este escenario, la monitorización óptica de prestaciones (OPM) surge como una tecnología capaz de facilitar la administración de las redes OPS, en las que cada paquete sigue su propia ruta en la red y sufre un diferente nivel de degradación al llegar a su destino. Aquí reside la importancia de OPM para garantizar los requisitos de calidad de cada paquete. / Vilar Mateo, R. (2010). Optical performance monitoring in optical packet-switched networks [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/8926

En esta tesis doctoral se presenta el diseño, la implementación y la caracterización de sensores en fibra óptica para la monitorización de diversas magnitudes en ambientes adversos. Se entiende como ambientes adversos aquellas condiciones ambientales externas a los sensores que por su naturaleza dificultan el uso y la fiabilidad a largo plazo de los sistemas de monitorización. Existe una gran variedad de ambientes adversos tales como temperaturas extremas, altas presiones, ambientes químicos o ionizantes, vibraciones o impactos mecánicos, entre otros. Este trabajo de tesis, realizado en el Grupo de Comunicaciones Ópticas y Cuánticas (GCOC) del Instituto de Telecomunicaciones y Aplicaciones Multimedia (ITEAM) de la Universitat Politècnica de València así como el trabajo realizado durante la estancia en la School of Engineering and Applied Science de la Aston University, contempla algunos de estos escenarios, por lo que en el diseño e implementación de los sensores ópticos se han empleado distintas tecnologías ópticas, como las redes de difracción de Bragg (FBGs) o los interferómetros ópticos, con el fin de optimizar las prestaciones de los sensores. En primer lugar, se ha realizado un estudio exhaustivo de las redes de difracción de Bragg regeneradas (RFBGs) para la medida de temperaturas extremas, cercanas a los 1300ºC en algunos casos. Este estudio comprende desde el proceso de fabricación de estos dispositivos fotónicos hasta la caracterización como sensores de temperatura y el estudio de la estabilidad térmica a largo plazo. Se ha realizado también un estudio teórico y experimental sobre la multiplexación de interferómetros modales que, por su sensibilidad y robustez, son muy apropiados para su uso en condiciones ambientales adversas. La técnica de multiplexación desarrollada permite multiplexar los interferómetros modales en distintas configuraciones minimizando la interferencia entre ellos. Por último, se muestra la implementación de un sistema de inscripción de FBGs en fibras ópticas de polímeros y el uso de los dispositivos obtenidos para el diseño, la implementación y la caracterización de sensores ópticos para la medida de curvaturas, grandes deformaciones y deformaciones dinámicas. / Barrera Vilar, D. (2013). Diseño, fabricación y caracterización de FBGs e interferómetros en fibra óptica para la monitorización en ambientes adversos [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/33399 / Premios Extraordinarios de tesis doctorales

[EN] Structural Health Monitoring (SHM) is a discipline that quantitatively assesses the integrity and performance of infrastructures, relying on sensors, and support the development of efficient Maintenance and Rehabilitation (M&R) plans. Optical Multicore Fiber (MCF) Shape Sensors offer an innovative alternative to traditional methods and enable the reconstruction of the deformed shape of structures directly and in real-time, with no need of computation models or visual contact and exploiting all the advantages of Optical Fiber Sensors (OFS) technology. Despite the intense research efforts centered on this topic by research groups worldwide, a comprehensive investigation on the parameters that influence the performance of these sensors has not been conducted yet. The first part of the thesis presents a numerical study that examines the effects of strain measurement accuracy and core position errors on the performance of optical multicore fiber shape sensors in sensing three-dimensional curvature, which is at the basis of shape reconstruction. The analysis reproduces the strain measurement process using Monte Carlo Method (MCM) and identifies several parameters which play a key role in the phenomenon, including core spacing (distance between outer cores and sensor axis), number of cores and curvature measured. Finally, a set of predictive models were calibrated, by fitting the results of the simulations, to predict the sensors performance. Afterward, an experimental study is proposed to evaluate the performance of optical multicore fiber in sensing shape, with particular focus on the influence of strain sensors length. Two shape sensors were fabricated, by inscribing long (8.0 mm) and short (1.5 mm) Fiber Bragg Gratings (FBG) into the cores of a multicore seven-core fiber. Thus, the performance of the two sensors was assessed and compared, at all the necessary phases for shape reconstruction: strain sensing, curvature calculation and shape reconstruction. To conclude, an innovative approach, based on the Saint-Venant's Torsion Theory, is presented to determine the twisting of multicore fiber and to compensate the errors due to twisting during shape reconstruction. The efficiency of the theoretical approach was then corroborated performing a series of twisting tests on a shape sensor, fabricated by inscribing FBGs sensors into an optical spun multicore seven-core fiber. The investigation of the mechanical behavior of multicore optical shape sensors has synergically involved diverse disciplines: Solid Mechanics, Photonics, Statistics and Data Analysis. Such multidisciplinary research has arisen from the prolific cooperation between the Institutes of the Institute of Science and Technology of Concrete (ICITECH) and the Institute of Telecommunications and Multimedia Applications (iTEAM) - Photonics Research Labs (PRL) - of Universitat Politècnica de València (UPV), in addition to valuable collaboration with other members of the European ITN-FINESSE project, to which this work belongs. This research work aims to enhance the performance optical multicore fiber shape sensors and support the development of new sensor geometries, with great potential for structural health monitoring applications. / [ES] La Monitorización de la Salud Estructural (MSE) evalúa cuantitativamente la integridad y el comportamiento de las infraestructuras y permite desarrollar planes eficaces de Mantenimiento y Rehabilitación (M&R), utilizando los datos de los sensores. Sensores de forma basados en fibra óptica multinúcleo ofrecen una alternativa a los métodos tradicionales y permiten la reconstrucción de la deformada de estructuras de forma directa y en tiempo real, sin necesidad de modelos de cálculo o contacto visual y con todas las ventajas de la tecnología de los Sensores de Fibra Óptica (SFO). A pesar de los grandes esfuerzos en la investigación centrada en este tema por parte de los grupos de investigación de todo el mundo, todavía no se ha realizado una investigación exhaustiva que estudie los parámetros que influyen en el comportamiento de estos sensores. En la primera parte de la tesis se presenta un estudio numérico en el que se examinan los efectos de la precisión de la medición de la tensión y los errores de posición del núcleo en el comportamiento de los sensores de forma basados en fibra óptica multinúcleo para definir la curvatura tridimensional, que es la base de la reconstrucción de la forma. El análisis reproduce el proceso de medición de la tensión utilizando el método de Monte Carlo (MC) e identifica una serie de parámetros que desempeñan un papel en el proceso, entre ellos la separación del núcleo (distancia entre los núcleos exteriores y el eje del sensor), el número de núcleos y la curvatura medida. Por último, se calibró un conjunto de modelos de predicción ajustando los resultados de las simulaciones para predecir el comportamiento de los sensores. A continuación, se propone un estudio experimental para evaluar el comportamiento de los sensores de forma basado en fibra óptica multinúcleo, con especial atención en la influencia de la longitud de los sensores de deformación. Se fabricaron dos sensores de forma, inscribiendo Fiber Bragg Gratings (FBG) con longitudes de 8,0 mm y 1,5 mm en los núcleos de una fibra multinúcleo de siete núcleos. Así, se evaluó y comparó el comportamiento de los dos sensores en todas las fases necesarias para la reconstrucción de la forma, incluyendo la medición de la tensión, el cálculo de la curvatura y la reconstrucción de la forma. Para concluir, se presenta un enfoque innovador, basado en la Teoría de la Torsión de Saint-Venant, para determinar la torsión de la fibra multinúcleo y compensar los errores debidos a la torsión durante la reconstrucción de la forma. La eficiencia del enfoque teórico fue verificada realizando una serie de pruebas de torsión en un sensor de forma, fabricado inscribiendo los sensores de FBGs en una fibra óptica multinúcleo torcida y siete núcleos. La investigación del comportamiento mecánico de los sensores ópticos de forma multinúcleo ha involucrado sinérgicamente diversas disciplinas: Mecánica del sólido, Fotónica, Estadística y Análisis de datos. Esta investigación multidisciplinaria ha surgido de la prolífica cooperación entre el Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón (ICITECH) y el Instituto de Telecomunicaciones y Aplicaciones Multimedia (iTEAM) - Laboratorio de Investigación Fotónica (LIF) - de la Universidad Politécnica de Valencia (UPV), además de la valiosa colaboración con otros miembros del proyecto europeo ITN-FINESSE, al que pertenece este trabajo. Este trabajo de investigación puede permitir mejorar el comportamiento de los sensores de forma basados en fibra óptica multinúcleo y apoyar el desarrollo de nuevas geometrías de sensores, con un gran potencial para aplicaciones de control de la salud estructural. / [CA] Structural Health Monitoring (SHM) avalua quantitativament la integritat i el comportament de les infraestructures i permet desenrotllar plans eficaços de Maintenance and Rehabilitation (M&R), utilitzant les dades dels sensors. Optical Multicore Fiber (MCF) Shape Sensors oferixen una alternativa als mètodes tradicionals i permeten la reconstrucció de la forma de la deformació de les estructures de forma directa i en temps real, sense necessitat de models de càlcul o contacte visual i amb tots els avantatges de l'Optical Fiber Sensors (OFS) Technology. A pesar dels grans esforços en la investigació centrada en aquest tema per part dels grups d'investigació de tot el món, encara no s'ha realitzat una investigació exhaustiva que estudie els paràmetres que influïxen en el comportament d'aquestos sensors. En la primera part de la tesi es presenta un estudi numèric en què s'examinen els efectes de la precisió del mesurament de la tensió i els errors de posició del nucli en el comportament dels sensors de forma basats en fibra òptica multinucli per a definir la curvatura tridimensional, que és la base de la reconstrucció de la forma. L'anàlisi reproduïx el procés de mesurament de la tensió utilitzant el mètode de Monte Carlo (MC) i identifica una sèrie de paràmetres que exercixen un paper en el procés, entre ells la separació del nucli (distància entre els nuclis exteriors i l'eix del sensor), el nombre de nuclis i la mesura de la curvatura. Finalment, es va calibrar un conjunt de models de predicció ajustant els resultats de les simulacions per a predir el comportament dels sensors. A continuació, es proposa un estudi experimental per a avaluar el comportament dels sensors de forma basat en fibra òptica multinucli, amb especial atenció en la influència de la longitud dels sensors de deformació. Es van fabricar dos sensors de forma, inscrivint Fiber Bragg Gratings (FBG) amb longituds de 8,0 mm i 1,5 mm en els nuclis d'una fibra multinucli de set nuclis. Així, es va avaluar i es va comparar el comportament dels dos sensors en totes les fases necessàries per a la reconstrucció de la forma, incloent el mesurament de la tensió, el càlcul de la curvatura i la reconstrucció de la forma. Per a concloure, es presenta un enfocament innovador, basat en la Teoria de la Torsió de Saint-Venant, per a determinar la torsió de la fibra multinucli i compensar els errors deguts a la torsió durant la reconstrucció de la forma. L'eficiència de l'enfocament teòric va ser verificada realitzant una sèrie de proves de torsió en un sensor de forma, fabricat inscrivint els sensors de FBGs en una fibra òptica de set nuclis de filat múltiple. La investigació del comportament mecànic dels sensors òptics de forma multinucli ha involucrat sinèrgicament diverses disciplines: Mecànica del sòlid, Fotónica, Estadística i Anàlisi de dades. Aquesta investigació multidisciplinària ha sorgit de la prolífica cooperació entre l'Institut de Ciència i Tecnologia del Formigó (ICITECH) i l'Institut de Telecomunicacions i Aplicacions Multimèdia (iTEAM) - Laboratori de investigación fotònica (LIF) - de la Universitat Politècnica de València (UPV), a més de la valuosa col·laboració amb altres membres del projecte europeu ITN- FINESSE, al qual pertany aquest treball. Aquest treball d'investigació pot permetre millorar el comportament dels sensors de forma basats en fibra òptica multinucli i ajudar al desenrotllament de noves geometries de sensors, amb un gran potencial per a aplicacions de control de la salut estructural. / Floris, I. (2020). Optical Multicore Fiber Shape Sensors. A numerical and experimental performance assessment [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/148715

[pt] O aumento dos custos relacionados aos processos de manutenção em estruturas como aeronaves, aliadas à crescente demanda das mesmas, alimentam a necessidade de investimentos em técnicas inovadoras de monitoramento estrutural. Dessa forma, o trabalho realizado nesta tese, busca o desenvolvimento de uma técnica de monitoramento ativo, visando o acompanhamento de parâmetros da estrutura analisada, a fim de identificar e caracterizar processos de dano não visíveis, tais como corrosão e delaminação. A metodologia empregada, teve como base a análise dos padrões de deformação superficial, obtidos com o uso de grades de sensores à fibra óptica baseadas em redes de Bragg (FBG). Inicialmente, tais padrões foram provocados por carregamentos estáticos (tração), e posteriormente por atuadores PTZ fixados à estrutura. Estes últimos são submetidos a uma voltagem alternada e frequência fixa. Esta técnica apresenta todas as vantagens dos sensores FBG (massa e dimensões reduzidas, imunidade eletromagnética, elevado poder de multiplexação e alta sensibilidade entre outras), alem de permitir a visualização de alterações nos padrões de deformação, provocados por danos, através da variação da frequência de excitação. Com relação à interpretação dos resultados, a estratégia empregada consistiu em separar o problema de detecção e caracterização dos danos. Dessa forma, a detecção é realizada comparando a energia das deformações superficiais dos corpos de prova nos casos com e sem defeito, enquanto a caracterização é obtida através a utilização de redes neurais artificiais (RNA), por meio de rotinas de reconhecimento de padrões. / [en] The higher costs related to maintenance processes in structures such as aircraft, coupled with the growing demand of them, fueling the need for investment in innovative techniques for structural monitoring. Thus, the work done in this thesis seeks to develop a technique of active monitoring, aiming at monitoring of structure parameters analyzed in order to identify and characterize processes of hidden damage such as corrosion and delamination. The maid methodology was based on the analysis of patterns of surface deformation, obtained with the use of nets of optical fiber sensors based on fiber Bragg gratings ( FBG ). Initially, these patterns were caused by static loads (tension ), and later by PTZ actuators fixed to the frame, who are subjected to an AC voltage and fixed frequency. This technique has all the advantages of the FBG s sensors (mass and small dimensions, electromagnetic immunity, high multiplexing s power and high sensitivity among others), in addition to allowing visualization of changes in the patterns of deformation caused by damage, by varying the frequency excitation. With respect to the interpretation of the results, the strategy employed was to separate the problem of detection and characterization of damage. Thus, the detection is performed by comparing the deformation energy of the surface of the specimens in the cases with and without defect, whereas the characterization is obtained through the use of artificial neural networks (ANN) by means of pattern recognition routines.

Améliorer la sécurité routière passe par une meilleure compréhension des causes d'accidents. Il est donc nécessaire de développer des observatoires discrets pour étudier la manière de conduire de tous les automobilistes. Une partie de cette analyse implique l'utilisation de capteurs mesurant les trajectoires des véhicules sur une portion de route. Deux capteurs innovants ont été crées pour pallier au manque de capteurs suffisamment précis pour ces travaux de recherche : le premier est un capteur à fibres optiques présentant une succession de réseaux de Bragg et le second, protégé par un brevet, est fondé sur une technologie résistive. Le premier repère la déformation locale de fibres optiques noyées à moins d'un centimètre sous la surface de la chaussée. Il utilise la variation de longueurs d'onde engendré par l'extension de la fibre à la zone de contact roue - sol. En utilisant un algorithme adéquat, il est insensible à la température. Le second est constitué de deux conducteurs dont un est résistif. Le poids du véhicule engendre un contact électrique entre les deux conducteurs, transformant la résistance électrique de l'ensemble. Les modèles développés, électrique ainsi que de variation thermique, permettent sa meilleure utilisation. Ils ont été soumis à une expérimentation sur une route départementale. Le capteur optique s'avère plus performant mais coûteux. Le deuxième n'est pas assez robuste mais présente des perspectives intéressantes. / This action stake is not technology for itself. It is a great help the development of new safety functions, e.g. the estimation of driver’s behaviour based uponthe vehicle’s trajectory. This trajectory is determined via two sensors we developed. This system must not disturb the driver and should therefore remain invisible to him. The first one is a fiber Bragg grating (FBG) sensor. It detects local strain due to the vehicle weight. The fiber is embedded in the road thanks to resin used in other traffic sensors. The vehicle location is spotted according to the variations of Bragg wavelengths. The fiber extension located under the ground - wheel contact zone changes the step of the Bragg grating. The second one is based upon two conductors. One of them has a grater electrical resistance. The vehicle’s weight creates a link between the two conductors. The resulting electrical resistance provides a lateral position estimation of the vehicle. Electrical and thermic models and simulation even increase the sensor reliability. A caveat is lodged. Both of them were tested on a secondary road. To put in a nutshell, the FBG sensor gives better results but is very expensive (sensors and interrogator too). The resistance sensor is not much raw nevertheless it has interesting perspectives.

A slab-coupled optical fiber sensor (SCOS) falls into a narrow class of all-dielectric optical fiber electric field sensors, which makes it a perfect candidate for measurements of high electric fields in environments where presence of conductors is highly perturbing to the system under test. Its nonlinear response to high fields requires a new nonlinear calibration technique. A nonlinear calibration method is explained and demonstrated to successfully measure high electric fields, as well as high voltages with dynamic range up to 50 dB. Furthermore, a SCOS can be fitted into narrow spaces and make highly localized measurements due to its small size. This allows a SCOS to be integrated inside a standard high voltage coaxial cable, such as RG-218. Effects of partial discharge and arcing is minimized by development of a fabrication method to avoid introduction of impurities, especially air-bubbles, into the cable during SCOS insertion. Low perturbation of the measured voltage is shown by simulating the introduced voltage reflections to be on the order of –50 dB. It is also shown that a SCOS can be inserted into other cables without significant perturbation to the voltage. A complete high voltage and high electric field measurement system is built based on the high-voltage modifications of the SCOS technology. The coaxial SCOS is enhanced for robustness. Enhancements include packaging a SCOS into stronger ceramic trough, strengthening the fiber with kevlar reinforced furcation tubing and protecting the sensor with metal braces and protective shells. The interrogator is protected from electromagnetic interference with an RF-shielded box. Reduction in power losses introduced by the new PANDA-SCOS technology allows interrogator bandwidths to be increased up to 1.2 GHz. The whole measurement process is streamlined with dedicated software, developed specifically for high voltage and electric field measurements with support for the nonlinear calibration.