The use of optical fiber is of great interest in developing extensive, high-speed networking infrastructures. Optical fiber provide many advantages over traditional copper cables and wireless links. Among them are high security, low electromagnetic interference, extremely low loss and high bandwidths, light weight and manageability. However, the very small wavelengths associated with optical radiation requires very small waveguide dimensions. Waveguide dimension of single mode fiber (SMF) are < 10µm, resulting in relatively poor yield in device manufacturing. For residential and other last-mile networks topologies, cost constraints limit the appeal of SMF. Multimode fiber (MMF) allow for less restrictive manufacturing tolerances; however, the distortion that results from the dispersion in propagation among the many modes can be prohibitively large for data rates approaching and exceeding 1 Gb/s. To improve the deployability of MMF, a method of dispersion compensation that maintains the ease-of-use characteristic of MMF is required This dissertation demonstrates an opto-electronic method of dispersion compensation by the use of a multisegment photodetector. It is shown the modes of the fiber can be seperated such that when the individual photodetector signals are combined, the resulting temporal response of the fiber link is improved from that of a conventional fiber link. This method is extremely robust to system variation and is independent of data rate and transmission format, allowing it to be employed in a wide variety of optical links. More importantly, the implementation demonstrated is comparable, in simplicity and alignment tolerance, to a conventional photodetector. System performance is shown using both temporal and frequency response as well as real bit error rate and eye diagram measurements.

Measuring acoustic pressure gradients is critical in many applications such as directional microphones for hearing aids and sound intensity probes. This measurement is especially challenging with decreasing microphone size, which reduces the sensitivity due to small spacing between the pressure ports. Novel, micromachined biomimetic microphone diaphragms are shown to provide high sensitivity to pressure gradients on one side of the diaphragm with low thermal mechanical noise. These structures have a dominant mode shape with see-saw like motion in the audio band, responding to pressure gradients as well as spurious higher order modes sensitive to pressure. In this dissertation, integration of a diffraction based optical detection method with these novel diaphragm structures to implement a low noise optical pressure gradient microphone is described and experimental characterization results are presented, showing 36 dBA noise level with 1mm port spacing, nearly an order of magnitude better than the current gradient microphones. The optical detection scheme also provides electrostatic actuation capability from both sides of the diaphragm separately which can be used for active force feedback. A 4-port electromechanical equivalent circuit model of this microphone with optical readout is developed to predict the overall response of the device to different acoustic and electrostatic excitations. The model includes the damping due to complex motion of air around the microphone diaphragm, and it calculates the detected optical signal on each side of the diaphragm as a combination of two separate dominant vibration modes. This equivalent circuit model is verified by experiments and used to predict the microphone response with different force feedback schemes. Single sided force feedback is used for active damping to improve the linearity and the frequency response of the microphone. Furthermore, it is shown that using two sided force feedback one can significantly suppress or enhance the desired vibration modes of the diaphragm. This approach provides an electronic means to tailor the directional response of the microphones, with significant implications in device performance for various applications. As an example, the use of this device as a particle velocity sensor for sound intensity and sound power measurements is investigated. Without force feedback, the gradient microphone provides accurate particle velocity measurement for frequencies below 2 kHz, after which the pressure response of the second order mode becomes significant. With two-sided force feedback, the calculations show that this upper frequency limit may be increased to 10 kHz. This improves the pressure residual intensity index by more than 15 dB in the 50 Hz-10 kHz range, matching the Class I requirements of IEC 1043 standards for intensity probes without any need for multiple spacers.

The work presented in this dissertation was aimed at understanding biology's application of soft materials to enhance sensing abilities and initiate innovative bio-inspired material-based approaches for flow (fluidic and air) sensors and photo-thermal sensors. A key aim is to help strengthen this niche of functional materials science referred to, here, as bio-inspired materials in sensing roles. The work aspires to traverse the boundaries of the subject in order to provide a strong foundation for future scientific explorations of the subject. The studies presented here, include studies of flow sensing in fish and implementing a bio-mimetic approach to microfabricated flow sensors. The work also includes studies of material based signal filtering in spiders, as well as, bio-inspired photo-thermal transduction mechanisms. The capabilities of the methodology are demonstrated with successful engineering studies.

Thesis (Ph.D.)--Computing, Georgia Institute of Technology, 2009. / Committee Chair: Aaron Bobick; Committee Member: Charles Isbell; Committee Member: David Hogg; Committee Member: Irfan Essa; Committee Member: James Rehg

Este trabalho apresenta um estudo sobre a utilização de redes de Bragg em fibra ótica (FBG), para a monitoração das deformações mecânicas oriundas do processo de secagem de tintas. No intervalo de tempo referente ao processo de secagem, uma fina camada de tinta sofreu uma mudança de estado físico de líquido para sólido, se transformando em um filme contínuo e mecanicamente estável. As deformações mecânicas presentes neste processo foram mensuradas pelo transdutor, demonstrando a real possibilidade das redes de Bragg serem aplicadas para estes fins. Para o acompanhamento temporal das deformações mecânicas no processo de secagem de uma tinta látex, a FBG foi encapsulada com o objetivo de evitar o contato da tinta com a fibra ótica, devido à ineficaz aderência entre ambas, e consequentemente melhorar a aderência da tinta sobre o dispositivo encapsulado. Este processo de encapsulação da FBG permitiu que as deformações mecânicas oriundas do processo de secagem fossem eficientemente transformadas em perturbações mecânicas mensuradas pelo transdutor. O acompanhamento temporal das deformações mecânicas oriundas do processo de secagem também foi investigado com a utilização de tinta diluída. Finalmente, um estudo sobre as deformações mecânicas de uma segunda camada de tinta (duas demãos) é ainda abordado. As redes de Bragg utilizadas neste trabalho foram produzidas e caracterizadas quanto à deformação mecânica longitudinal e temperatura, no Núcleo de Dispositivos Fotônicos da UTFPR. / This work shows results obtained with the use of fiber Bragg grating (FBG) transducer to monitor the drying process of latex paints. When a thin film of wet paint is dried on the substrate surface, the paint film change from a sticky liquid state to a solid state, transforming to a continuous, transparent and mechanically stable film. The mechanical deformations in this process were measured by the FBG sensor head, showing the real possibility of FBG strain sensor application in this area. To monitor the mechanical deformation in the film during the drying process, the FBG was packaged. The FBG packaging has two main functions: allows a better measurement of the paint mechanical deformation inherent to the drying process and also avoids paint poor adhesion to the bare optical fiber. The packaged FBG, showed that this is a promising device to be used for the measurement of stress evolution in paints during the drying time. The mechanical deformation during drying time of diluted latex paint also was investigated. Finally, a study about the mechanical deformation of a second coating application of latex paint was also carried out. The Bragg gratings used in this work were produced in photosensitive fibers by means of a phase-mask interferometric external fabrication technique at Núcleo de Dispositivos Fotônicos laboratories of UTFPR.

Este trabalho tem como objetivo compreender o comportamento térmico da excitatriz estática da Usina Hidrelétrica Derivação do Rio Jordão (UHEDRJ), empregando redes de Bragg em fibra ótica como sensor de temperatura. São apresentados os componentes da excitatriz estática, com foco na ponte retificadora trifásica controlada a tiristores. Com a calibração pôde-se conhecer os erros e incertezas dos sensores, tendo as maiores contribuições de incerteza devidas à dispersão das amostras e ajuste das curvas pelo método dos mínimos quadrados. A instrumentação da excitatriz estática permite que sejam realizados ensaios em diversas condições de operação da unidade geradora: partida da unidade, excitação a vazio, ou seja, com o gerador energizado, mas sem estar conectado ao sistema elétrico; excitada e sincronizada, ou seja, gerador energizado e sincronizado com o sistema elétrico; rampa de carga até a carga nominal e parada da unidade. Os ensaios realizados permitem estimar o comportamento térmico da ponte retificadora, variações de temperatura de cada tiristor no painel e como ocorrem as dissipações térmicas. / This work aims to study the static exciter thermal behavior of the hydroelectric power plant Rio Jordão (UHEDRJ) using fiber Bragg gratings as temperature sensor. The components of the static exciter are presented, with a focus on three-phase thyristor controlled bridge rectifier. The calibration allows knowing the errors and uncertainties of the sensors and the greatest uncertainty contributions due to dispersion of the samples and adjusting the curves by the method of minimun squares. The static exciter instrumentation allows performed the tests in various operating conditions of the generating unit: starting unit, excitation empty (with the generator energized but not connected to the grid); excited and synchronized (energized and synchronized with the power grid), ramp load to rated load and the unit stopped. The tests allow to estimate the thermal behavior of the bridge rectifier, temperature variations of each thyristor in the panel and how occur the thermal dissipation.

CNPq / Uma alternativa para as análises tradicionais do biodiesel e misturas BX, como a cromatografia, a espectroscopia e a ressonância magnética nuclear, é a análise por meio de um transdutor de índice de refração a fibra ótica, como uma LPG. Entretanto, como os índices de refração do biodiesel e do óleo diesel são próximos ou maiores do que o índice de refração da casca da fibra na qual a rede se encontra, há uma grande perda de energia para o meio externo, comprometendo a eficiência do sensor. Com o propósito de diminuir o índice de refração do biodiesel, uma substância miscível e de baixo índice de refração, o ciclohexano, foi escolhida para ser misturada a esse biocombustível, assim como à mistura óleo diesel-biodiesel. Os resultados obtidos mostram que o ciclohexano não é reagente com essas substâncias, atuando apenas como solvente. Além disso, as diluições 1:1 e 1:2 (uma parte de mistura BX para uma parte de ciclohexano; uma parte de mistura BX para duas partes de ciclohexano) têm índices de refração menores do que o da casca da fibra, o que faz com que a banda ressonante seja deslocada para menores comprimentos de onda, possibilitando, assim, a detecção por meio da LPG. Após as curvas de calibração serem representadas em gráficos de variação de comprimento de onda (nm) em função da concentração de biodiesel em óleo diesel, BX (% v/v), para as duas diluições, obteve-se, por meio da derivada desta, a sensibilidade. As características metrológicas foram calculadas, levando à obtenção da incerteza expandida, que é de 3,7 % para a diluição 1:1 e de 5,9 % para a diluição 1:2, para um nível de confiança de 95,45 %. / An alternative for the traditional biodiesel and BX blends analysis (X is the biodiesel volumetric concentration in the blend), such as chromatography, spectroscopy and nuclear magnetic resonance, is by means of an optical fiber refractive index transducer, such as an LPG. However, as the biodiesel and diesel refractive index are close or bigger than the fiber cladding index, there is an important loss of power to the surrounding environment, impairing the sensor performance. In order to decrease the refractive index of biodiesel, a miscible and low refractive index substance, cyclohexane, was chosen to blend to this biofuel and also to the biodiesel-diesel blend. The results show that the cyclohexane does not react with biodiesel, acting only as a solvent. Besides, the 1:1 and 1:2 dilution (one part of BX blend and one part of cyclohexane in volume concentration; one part of BX blend and two parts of cyclohexane in volume concentration) have a refractive index lower than the fiber cladding, what shifts the resonant band of the LPG towards lower wavelengths. After representing the calibration curves in graphics of wavelength shift (nm) as function of biodiesel-diesel blend concentration, BX (% v/v), for both dilution, the concentration sensitivity has been obtained. The metrological characteristics were calculated, leading to the expanded uncertainty, which is 3,7 % for the 1:1 dilution and 5,9 % for the 1:2 dilution, for a 95,45 % confidence level.

CAPES / Este trabalho tem como objetivo desenvolver um sensor a fibra óptica para a monitoração de temperatura em mancais de hidrogeradores de usinas hidrelétricas. Foi apresentado o projeto gráfico, modelagem térmica, processo de montagem e testes realizados. Por tratar-se de uma inovação, é difícil a comparação com outros sensores ópticos desenvolvidos especificamente para monitorar temperatura em mancais de hidro geradores. Inicialmente, foram realizados ensaios preliminares com um protótipo para determinação da dinâmica térmica no interior dos mancais em situações diversas de operação. A partir dessa medição, foi idealizado um sensor óptico que possui duas fibras ópticas, com 3 redes de Bragg gravadas em cada uma delas. Essas redes são encapsuladas por uma haste de alumina coberta com anéis de material com elevada condutividade térmica onde as redes de Bragg se localizam, e baixa condutividade térmica no restante da haste. O procedimento, para calibrar as redes de Bragg do sensor, consistiu em varias a temperatura em degraus de 10°C desde 10°C até 80°C. Cada valor de temperatura permaneceu estável durante 20min, permitindo que o comprimento de onda refletido de cada sensor pudesse ser estimado mediante um histograma. A partir da calibração foram determinados os coeficientes de correlação e o coeficiente de sensibilidade térmica de cada sensor, bem como a incerteza padrão combinada dos mesmos. As incertezas foram divididas em dois tipos, A e B. As incertezas do tipo A, são relativas à dispersão amostral e são determinadas a partir da média, variância e desvio padrão das amostras realizadas durante a calibração. As incertezas do tipo B são obtidas de manuais e certificados de calibração. Foram realizados testes em laboratório com o objetivo de submeter o novo sensor a grandes variações térmicas, entre 15°C e 75°C e checar se as incertezas determinadas correspondiam na prática. Os resultados obtidos apresentam erro máximo de aproximadamente 0,9°C entre o sensor óptico e o sensor de referência PT100. Esse resultado situa-se dentro da faixa de valores de incerteza calculada para os sensores da fibra óptica 1, respectivamente 1,7°C, 1°C e 0,7°C para os sensores 1, 2 e 3. Assim como para a fibra 2, foram observados os valores de incerteza de 0,98°C e 0,71°C respectivamente para as FBG 1, 2 e 3. O desenvolvimento deste sensor possibilita a criação de novos sistemas de monitoração de temperatura ópticos aplicáveis em geradores de grande porte, bem coma interligação destes sistemas visando no futuro o mapeamento térmico total de um gerador utilizando sensoriamento óptico. / This work aims to develop a fiber optic probe for temperature monitoring in bearings of generators hydro power plants. Graphic design, thermal modeling, assembly and testing process is presented. Once it is innovation, it is difficult to compare with other optical transducers developed specifically for monitoring temperature in bearing hydro generators. Initially experiments were performed with a prototype for determination of the thermal dynamics inside the bearings in various operating situations. From this measurement, an optical transducer was designed which was two optical fibers with 3 Bragg gratings recorded in each of them. These gratings are encapsulated by a rod made of alumina and covered with rings of material with good thermal conductivity where the Bragg grating is located, and low thermal conductivity in the remainder of the rod. The procedure for calibrating the Bragg gratings of the transducer consisted of steps of 10°C in the temperature range from 10°C to 80°C. Each temperature value remained stable during 20 min, allowing the mean wavelength reflected from each sensor might be estimated by a histogram. Were determined from the calibration the correlation coefficient and the coefficient of thermal sensitivity of each sensor, and the combined standard uncertainty thereof. The uncertainties were divided into two types: Type A uncertainties are related to the sample dispersion and are determined from the mean, variance and standard deviation of the samples taken during calibration, and type B where uncertainties are obtained from manuals and certificates of calibration. Tests were conducted in laboratory with the aim to submit the new transducer to large temperature variations, ranging between 15°C and 75°C and to check if the uncertainties corresponded in practice. The results presented the maximum error of about 0.9°C between the optical sensor and the reference sensor PT100. This result is within the range of uncertainty values calculated for the fiber optical fiber 2, uncertainty values of 0.98°C, 0.85°C to 0.71°C respectively for the FBG 1, 2 and 3 were observed. The development of this transducer enables the creation of new systems for monitoring temperature optical applicable in generators, as well as the interconnection of these systems to the future the total thermal mapping of a generator using optical sensing. / 5000

Este trabalho apresenta um estudo sobre a utilização de redes de Bragg em fibra ótica (FBG), para a monitoração das deformações mecânicas oriundas do processo de secagem de tintas. No intervalo de tempo referente ao processo de secagem, uma fina camada de tinta sofreu uma mudança de estado físico de líquido para sólido, se transformando em um filme contínuo e mecanicamente estável. As deformações mecânicas presentes neste processo foram mensuradas pelo transdutor, demonstrando a real possibilidade das redes de Bragg serem aplicadas para estes fins. Para o acompanhamento temporal das deformações mecânicas no processo de secagem de uma tinta látex, a FBG foi encapsulada com o objetivo de evitar o contato da tinta com a fibra ótica, devido à ineficaz aderência entre ambas, e consequentemente melhorar a aderência da tinta sobre o dispositivo encapsulado. Este processo de encapsulação da FBG permitiu que as deformações mecânicas oriundas do processo de secagem fossem eficientemente transformadas em perturbações mecânicas mensuradas pelo transdutor. O acompanhamento temporal das deformações mecânicas oriundas do processo de secagem também foi investigado com a utilização de tinta diluída. Finalmente, um estudo sobre as deformações mecânicas de uma segunda camada de tinta (duas demãos) é ainda abordado. As redes de Bragg utilizadas neste trabalho foram produzidas e caracterizadas quanto à deformação mecânica longitudinal e temperatura, no Núcleo de Dispositivos Fotônicos da UTFPR. / This work shows results obtained with the use of fiber Bragg grating (FBG) transducer to monitor the drying process of latex paints. When a thin film of wet paint is dried on the substrate surface, the paint film change from a sticky liquid state to a solid state, transforming to a continuous, transparent and mechanically stable film. The mechanical deformations in this process were measured by the FBG sensor head, showing the real possibility of FBG strain sensor application in this area. To monitor the mechanical deformation in the film during the drying process, the FBG was packaged. The FBG packaging has two main functions: allows a better measurement of the paint mechanical deformation inherent to the drying process and also avoids paint poor adhesion to the bare optical fiber. The packaged FBG, showed that this is a promising device to be used for the measurement of stress evolution in paints during the drying time. The mechanical deformation during drying time of diluted latex paint also was investigated. Finally, a study about the mechanical deformation of a second coating application of latex paint was also carried out. The Bragg gratings used in this work were produced in photosensitive fibers by means of a phase-mask interferometric external fabrication technique at Núcleo de Dispositivos Fotônicos laboratories of UTFPR.

Este trabalho tem como objetivo compreender o comportamento térmico da excitatriz estática da Usina Hidrelétrica Derivação do Rio Jordão (UHEDRJ), empregando redes de Bragg em fibra ótica como sensor de temperatura. São apresentados os componentes da excitatriz estática, com foco na ponte retificadora trifásica controlada a tiristores. Com a calibração pôde-se conhecer os erros e incertezas dos sensores, tendo as maiores contribuições de incerteza devidas à dispersão das amostras e ajuste das curvas pelo método dos mínimos quadrados. A instrumentação da excitatriz estática permite que sejam realizados ensaios em diversas condições de operação da unidade geradora: partida da unidade, excitação a vazio, ou seja, com o gerador energizado, mas sem estar conectado ao sistema elétrico; excitada e sincronizada, ou seja, gerador energizado e sincronizado com o sistema elétrico; rampa de carga até a carga nominal e parada da unidade. Os ensaios realizados permitem estimar o comportamento térmico da ponte retificadora, variações de temperatura de cada tiristor no painel e como ocorrem as dissipações térmicas. / This work aims to study the static exciter thermal behavior of the hydroelectric power plant Rio Jordão (UHEDRJ) using fiber Bragg gratings as temperature sensor. The components of the static exciter are presented, with a focus on three-phase thyristor controlled bridge rectifier. The calibration allows knowing the errors and uncertainties of the sensors and the greatest uncertainty contributions due to dispersion of the samples and adjusting the curves by the method of minimun squares. The static exciter instrumentation allows performed the tests in various operating conditions of the generating unit: starting unit, excitation empty (with the generator energized but not connected to the grid); excited and synchronized (energized and synchronized with the power grid), ramp load to rated load and the unit stopped. The tests allow to estimate the thermal behavior of the bridge rectifier, temperature variations of each thyristor in the panel and how occur the thermal dissipation.