[pt] Nesta dissertação são relatadas as etapas que resultam na construção do protótipo de um receptor acústico a Fibra Óptica (RAFO). O trabalho faz parte de um projeto mais amplo visando o desenvolvimento de um medidor de vazão sônico baseado em fibras ópticas. Nesta fase inicial, os esforços foram voltados para a concepção, construção e testes do protótipo do transdutor, responsável pela deteção dos sinais sônicos emitidos por uma fonte, baseado em tecnologia de fibras ópticas. O uso de um sensor extrínseco foi a solução aqui empregada, que adota uma proposta de medição diferente da utilizada em medidores de vazão sônicos convencionais. O sistema de medição de vazão proposto na linha de pesquisa na qual este trabalho está inserido, baseia-se em medidas de tempo de transito para daí inferir a vazão volumétrica do fluido que escoa pelo duto. O sistema foi concebido para operar apenas numa banda estreita de frequências, casada com o sinal senoidal emitido pela fonte sonora. Neste trabalho um receptor acústico a fibra óptica foi projetado, montado e testado, tendo seu funcionamento sido demonstrado para freqüências de operação em torno de 3,2 kHz. A escolha desta faixa de frequências deveu-se basicamente a limitações do sistema de leitura optoeletronico utilizado nos testes de medição. Entretanto, uma vez que o princípio de funcionamento foi demonstrado com sucesso, não existem limitações para o re-dimensionamento do sensor de forma que este possa vir a operar em bandas de freqüência mais elevadas. / [en] This thesis reports the steps that have led to the assemblage and testing of na optical fiber microphone. This is part of a greater effort directed towards the development a sonic flowmeter based on optical fiber technology. In this first phase of the project, focus has been placed on the conception, construction, and testing, of the acoustic receiver first prototype. This transducer will be responsible for capturing the acouustical signails sent by an emitter, also based on optical fiber technology, and which is yet to be developed. In constrast with conventional sonic flowmeters, in which time of flight of acoustical pulses is the measured quantity related to flow rate, we are proposing a system based on measurement of phase difference between emitted and received sinusoidal signals.Hence, the acoustic receiver has been conceived to operate in a narrow frequency band. In particular, the developed prototype has been designed to operate in a frequency band centered at 3.2 kHz. This choice has been dictated by the response of the optoeletronic circuit employed in tests performed with the receiver operating in air and water. Nevertheless, since the principle of operation has been measurement of acoustical signails in higher frequency bands.

[pt] Apresenta-se aqui um modelamento teórico para descontinuidades na casca de guias dielétricos, tanto para o Slab quanto para fibra ótica, propondo-se apenas estudar o comportamento do modo fundamental em ambas as estruturas. Todo o desenvolvimento é feito a partir da expansão das componentes transversais de campo segundo coeficientes de acoplamento. A análise de tais coeficientes descrevem as potências de transmissão e reflexão da descontinuidade. Em seguida, aplica-se as condições de contorno à descontinuidade para solucionar o conjunto de equações integro-diferenciais formado pela expansão. Tal modelamento é útil no desenvolvimento de sensores de temperatura onde a ponta sensora é exatamente a estrutura estudada. Comparações qualitativas são feitas entre os resultados teóricos e medidas feitas em laboratório com este tipo de sensor. / [en] We show here a theoretical model for descontinuity in clad of dielectric guides, for Slab as much as optical fiber. We just studied the behavior of dominant mode, in both structures. All development is done starting with expansion of transversal components fo field according to the coupled coefficients. The analysis of such coefficients shows the transmission powers and descontinuity reflexion. Next, we apply the boundary value problems to descontinuity to solve the sets integro-differential equations formed by the expansion. This model is useful in the development fo temperature sensors, where the sensor is exactly the studied structure. Qualitative comparisons are done between the theoretical results and the experimental measures using the kind of sensor.

[pt] Este trabalho examina a viabilidade de construção, utilizando tecnologia nacional, de um sensor eletromagnético de velocidade e direção de fluidos, sendo considerado o caso particular de correntes marinhas. O projeto do sensor e os problemas técnicos de produção são apresentados e discutidos, assim como as medidas efetuadas em um protótipo. Considerações gerais sobre o tratamento dos sinais fornecidos pelo sensor também são expostas. / [en] This thesis presents a study of the feasibility of industrial production of an electromagnetic sensor for the measurement of fluid flow, using national available technology. The project of a prototype is developed for the special case of marine currents. The problems concerning the project and its implementation, as well as the measurements obtained from the prototype, are presented and discussed. The sensor signals processing is also examined in its general aspects.

[pt] A presente tese tem por objetivo estabelecer uma metodologia de caracterização metrológica de redes de Bragg do tipo I, tipo II e tipo regenerada estimando e validando estatisticamente o resultado de medição para medições de altas temperaturas voltadas para aplicações em sensoriamento. Além das telecomunicações, as fibras óticas estão sendo empregadas em aplicações de sensoriamento, visto que, a sílica que as compõem apresenta grande eficiência como meio de transmissão de dados. A crescente demanda por medição em alta temperatura nos processos industriais possibilitou o desenvolvimento de novas tecnologias de medição além das tecnologias tradicionais já utilizadas atualmente. Desta forma, criaram-se as condições necessárias para se introduzir uma nova tecnologia de medição de temperatura com redes de Bragg que apresenta algumas vantagens se comparadas com as tecnologias tradicionais de medição. Apesar de já existirem várias pesquisas a respeito de medição de temperatura com redes de Bragg, nenhuma delas aprofundou as questões metrológicas com as respectivas estimativas das incertezas de medição que envolve todo o processo de medição e caracterização de redes de Bragg em alta temperatura. A adaptação de um sistema tradicional de calibração de instrumentos de medição de temperatura foi projetado e desenvolvido, de tal forma que possibilitou a caracterização dos diferentes tipos de redes. Observou-se que os resultados de medição e as estimativas das incertezas de medição obtidos para todas as redes, se aproximaram satisfatoriamente dos modelos teóricos utilizados, confirmando a adequação dos sistemas de medição de temperatura e sensoriamento ótico. / [en] This thesis aims to establish a methodology for the metrological characterization of Bragg gratings type I, type II and type regenerated statistically thereby estimating and validating the measurement results for high temperature sensing applications. Beyond telecommunications applications, optical fibers are still used for optical sensing, since the silica fiber has great optical efficiency for data transmission. The growing demand for high-temperature measurements in industrial processes has enabled the development of new measurement technologies beyond the traditional technologies already in use today. Thus were created the conditions necessary to introduce a new technology of temperature measurement with Bragg gratings which presents some advantages compared with traditional technologies of measurement. Although there are several prior studies none of those examined the by others about temperature measurement with Bragg gratings, metrological issues, and is particular, the estimate of the measurement uncertainties surrounding the whole process of measurement and characterization of Bragg gratings at high temperature. The adaptation of a traditional system of calibration instruments for temperature measurement was developed and designed in such a way that allowed the characterization of different types of gratings. It was observed that the measurement results and the estimated uncertainties of the measurements obtained for all gratings, successfully approached the theoretical models used, confirming the adequacy of the measurement of temperature and optical sensing.

[pt] Os sensores de deformação convencionais, por exemplo, os strain gages resistivos e ópticos, consagrados pelo mercado, são empregados em diferentes ambientes e estruturas, oferecendo um nível de flexibilidade que permite sua integração a vários tipos de sistemas de medição. No entanto, requerem uma fonte de energia elétrica local ou não podem funcionar sem cabos, limitando o seu uso em alguns cenários, como em partes móveis de máquinas. Os dispositivos SAW (Surface Acoustic Wave) podem ser usados como sensores de deformação piezoelétricos, pois possuem sensibilidade à deformação e podem operar de forma passiva por meio de antenas, podendo ser integrados a sistemas de monitoramento sem fio. Seu funcionamento é baseado em ondas de superfície geradas em um meio piezoelétrico. O estado de tensão na superfície do meio altera as características dessas ondas e induz mudanças na frequência de operação. O presente trabalho analisou a sensibilidade à deformação de dispositivos SAW ressonadores feitos de quartzo ST-X com frequência central de 433,92 MHz colados com diferentes adesivos, e testou sua operação como sensores passivos sem fio. A metodologia incluiu testes de tração não destrutivos em diferentes temperaturas e também simulações com elementos finitos. Os resultados experimentais mostraram relação linear entre a variação de frequência dos ressonadores e as deformações aplicadas, concordando com a literatura. A interrogação sem fio foi bem sucedida, confirmando o grande potencial dessa tecnologia. Os resultados numéricos, combinados a um modelo teórico, foram próximos aos experimentais, validando o modelo numérico. / [en] The conventional strain sensors, e.g., resistive and optical strain gages, established in the market, are deployed in different environments and structures, providing the flexibility of integration with different measurement systems. However, they require a local energy source to work or cables, limiting their use in some scenarios such as moving parts of machines. The SAW (Surface Acoustic Wave) devices can be used as piezoelectric strain sensors since they have sensitivity to strain, can operate passively by antennas and can be integrated to wireless monitoring systems. Its working principle is based on surface acoustic waves generated on piezolectric medium. The stress state of the medium changes the characteristics of these waves and induces changes in the operating frequency. The present work analyzed the strain sensitivity of SAW resonators made of ST-X cut quartz operating at a central frequency of 433,92 MHz, bonded with different adhesives, and tested their operation as passive wirelesss sensors. The methodology included non-destructive tensile testing at different temperature, and also finite elements simulations. The experimental results showed linear relation between the frequency change and the applied strain, agreeing with the literature. The wireless interrogations was successful, confirming the great potential of this technology. The numerical results, combined to a theoretical model, matched well the experiments, validating the model.

[pt] A Microscopia Magnética de Varredura (MMV) surgiu com o objetivo de permitir a visualização de campos magnéticos de uma amostra ou material por meio de varredura, mostrando-se especialmente útil para geologia, biomedicina, caracterização de materiais e na indústria de aços. Nesse sentido, foi montada uma MMV utilizando uma estrutura de blindagem magnética de micro-metal para analisar campos remanescentes. A área sensível dos sensores foi avaliada, e foram escolhidos os sensores HQ-0811 (AKM - Asahi Kasei Microdevices), e STJ-010 (Micro Magnetics), sendo o HQ-0811 padronizado em PCBs (Printed Circuit Board) para facilitar o manuseio e aumentar a robustez do sistema. Na câmara blindada, foram utilizados dois motores de passo piezoelétricos ANC-150 (Attocube Systems), dispostos planarmente, para permitir o movimento das amostras analisadas sob o sensor montado. Para adquirir dados dos sensores, foram usados o Precision Current Source Model 6220 e o Nanovoltimeter Model 2182A (ambos Keithley), utilizando o sistema integrado da Keithley chamado Delta-Mode. Para analisar a eficácia do sistema, três amostras distintas foram analisadas para calibração, e um programa em MATLAB foi escrito para analisar as imagens e extrair a magnetização do material analisado. Além disso, uma amostra de rocha da Bacia do Parnaíba foi mapeada para demonstrar as capacidades do sistema. / [en] Magnetic Scanning Microscopy (MMV) was developed to visualize magnetic fields of a sample or material via scanning, making it particularly useful for geology, biomedicine, material characterization, and the steel industry. To this end, an MMV was assembled using a micro-metal magnetic shielding structure to analyze remanent fields. The sensors sensitive area was evaluated, and the HQ-0811 (AKM - Asahi Kasei Microdevices) and STJ-010 (Micro Magnetics) sensors were chosen, with the HQ-0811 standardized on PCBs (Printed Circuit Board) for easy handling and to enhance the system s robustness. Two piezoelectric step motors, ANC-150 (Attocube Systems), were placed in a planar arrangement in the shielded chamber to enable the analyzed samples movement under the mounted sensor. The Keithley Delta-Mode system was used in conjunction with the Precision Current Source Model 6220 and Nanovoltimeter Model 2182A (both Keithley) to acquire sensor data. Three distinct samples were analyzed for calibration, and a MATLAB program was created to extract the magnetization of the analyzed material from the images obtained. Additionally, the system s capabilities were demonstrated by mapping a rock sample from the Parnaíba Basin.

[pt] Apresenta-se neste trabalho dados relativos à incorporação de nitrogênio em nanotubos de carbono de múltiplas paredes. As amostras foram produzidas exclusivamente pelo processo de spray-pirólise usando ferroceno como catalisador. Como fonte de carbono foi usado tolueno juntamente com duas fontes de nitrogênio : acetonitrila e propionitrila. O parâmetro principal investigado é a fração proporcional dos precursores mas o papel da temperatura também é investigado. A caracterização das amostras inclui espectroscopia Raman, microscopia eletrônica de varredura e transmissão, e analise XPS para avaliar a proporção e concentração química nos produtos. Como complemento alguns testes preliminares foram realizados usando nanotubos de carbono como sensores de gás. Análise para vapores de gasolina e etanol são mostrados. Gases como por exemplo amônia foram também testados sob condições de pressão reduzida. / [en] In this work we report results concerning the nitrogen incorporation into multiwalled carbon nanotubes. Samples were grown by spray-pyrolysis and use ferrocene as catalist. As carbon source, toluene is used along two nitrogen precursors : acetonitrile and propionitrile. The main parameter investigated was the proportional fraction of precursors but the temperature role was also investigated. Characterization of the samples includes Raman spectroscopy, scanning and transmission electron microscopy and for evaluate proportional atomic and chemical concentrations in the tubes: XPS analysis. Few preliminary tests were performed using carbon nanotubes as gas sensors. Vapour of gasoline and ethanol data are sampled. Gases were tested also under reduced pressure conditions.

[pt] Neste trabalho estudamos a viabilidade do desenvolvimento de um sistema laser de cristal líquido colestérico (CLC) acoplado a fibra óptica visando sua aplicação como um sensor de temperatura. Sensores laser de CLC acoplados a fibra óptica são atrativos devido às enormes vantagens que as fibras ópticas apresentam e à resposta de cristais líquidos a vários estímulos externos. A emissão laser de CLC ocorre na banda de menor energia da banda de reflexão, e corresponde a um comprimento de onda determinado pelo passo e pelo índice de refração extraordinário. Esses parâmetros podem ser alterados pela mudança da temperatura externa, proporcionando variações no comprimento de onda do laser de CLC. Essas variações no comprimento de onda do laser de CLC podem ser usadas para monitorar a temperatura. Obtivemos emissão laser estável num sistema laser CLC acoplado à fibra óptica quando bombeado pelo segundo harmônico de um laser de Nd:YAG e desenvolvemos uma técnica para ancorar o cristal líquido nas extremidades das fibras ópticas. A dependência da emissão laser com a temperatura foi investigada em duas situações, posicionando o laser de CLC entre fibras ópticas e em células de vidro. Diversos cristais líquidos foram estudados a fim de se otimizar a resposta do laser com a temperatura. Variações discretas na dependência do comprimento de onda da emissão laser foram observadas no sistema que utilizava as células de vidro. Associamos esse comportamento à dependência do ancoramento das moléculas do cristal líquido na superfície do vidro com a temperatura. / [en] In this work, we have studied the viability of developing a cholesteric liquid crystal (CLC) laser system coupled into an optical fiber aiming its application as temperature sensor. Sensors made of CLC laser coupled to optical fibers are a very attractive proposition due to the enormous advantages of the optical fibers and the response of the liquid crystal to various external stimuli. The laser emission occurs at the low energy edge of the reflection band, and the corresponding wavelength is determined by the pitch and the extraordinary refractive index. These parameters can be altered by a change in the external temperature, leading to variations in the wavelength of the CLC laser emission, which can be used to monitor the external temperature. We obtained a stable laser emission in a CLC laser system coupled into an optical fiber when pumped by the second harmonic of a Nd:YAG laser. A technique to anchor the liquid crystal at the optical fibers ends was developed. The temperature dependence of the laser emission was investigated in two situations, placing the CLC laser between optical fibers and into the glass cells. Several liquid crystals were studied in order to optimize the laser response with temperature. Discrete variations in the temperature dependence of the laser emission wavelength were observed when the glass cell system was used. We associated this behavior to a temperature dependence of the surface anchoring of the liquid crystal molecules in the glass surface.

[pt] Os sistemas micro eletromecânicos são dispositivos na escala dos micras que combinam estruturas mecânicas com circuitos elétricos, e são usados como sensores ou atuadores. Dentro destes dispositivos, estão os de onda superficial acústica (SAW em inglês) que usam variações na velocidade ou percurso de propagação da onda para fazer a detecção da variável a medir. Uma aplicação importante em processos químicos, é no acondicionamento de ambientes, monitorando a umidade. Para isso um sensor SAW comprado, foi coberto em sua superfície com uma camada de um polímero absorvente de vapor de agua. No qual o aumento na massa do polímero na superfície diminui a velocidade da onda. Por tanto o PolyVinyl Álcool foi escolhido para absorver o vapor de agua e foi preparado com 5.6 wt por cento, para ser depositado por meio de spin coating. Então uma serie de experimentos foram feitos numa câmara climática variando tanto a umidade como a temperatura, com o fim de avaliar o comportamento do sensor medindo a sua variação da frequência. Estes resultados foram comparados com um modelo analítico e uma simulação por elementos finitos. O modelo analítico foi presentado por Sielman, o qual determina como muda a densidade e espessura no polímero com a umidade. Estes valores foram substituídos na equação de Wohltjen que dá a variação da frequência de um SAW devido a absorção de gases. Em quanto a simulação por elementos finitos foi feita em Comsol Multiphysics achando a frequência para a qual o SAW ressona, com o aumento da densidade na camada acima do SAW para as umidades inseridas. / [en] Micro electromechanical systems (MEMS) are devices that combine mechanical structures with electrical circuits at the micro scale, to function as sensors or actuators. One type of MEMS are the surface acoustic waves (SAW) devices, which uses the surface wave velocity or propagation path variations to measure the variable of interest. One important application in chemical processes is related to environment condition control, specifically humidity measurement. With that purpose, a commercial SAW was purchased and coated with a polymer layer in its surface. The PolyVynil Alcohol (PVA) was chosen to be the sensing layer in the SAW due to water vapor absorption properties, that increases the mass over the surface and decrease the wave velocity, leading to sense this humidity changes. 5.6wt per cent PVA solution was prepared and deposited through spin coating. Therefore, a series of tests were carried out in a climatic chamber, varying the humidity and temperature conditions, with the aim to analyze the sensor behavior by measuring its frequency shift. These results were compared with an analytical model and a finite element simulation. The analytical model presented by Sielman determines how the polymer density changes with humidity. These density values were inserted into the Wohltjen equation, which gives the frequency shift of the SAW due to gas absorption. Regarding the finite element simulation, it was carried out in the Comsol Multiphysics software, by solving the different resonating frequencies as a function of the increase in the polymer density due to the insets of humidity values.

[pt] Sensores magnéticos são sensores que detectam o fluxo devido a campos magnéticos que existem na região do espaço delimitada pela geometria do sensor. Cada tipo de sensor possui propriedades únicas que os tornam mais para aplicações particulares, seja na detecção de campos magnéticos estáticos ou variáveis. Esta tese desenvolveu sensores de campo magnético utilizando materiais magnéticos e fibras ópticas com redes de Bragg (FBG). Foram desenvolvidos neste trabalho protótipos de sensores que são simples na sua construção, leves e compactos, facilitando sua utilização em lugares de difícil acesso como, por exemplo, para o monitoramento do campo magnético em locais remotos. Dois tipos de sensores foram são desenvolvidos: o primeiro consiste em materiais magnetostrictivos no formato maciço e compósito, que possuem a propriedade de se deformarem na presença de um campo magnético externo. Esta deformação no material é detectada com redes de Bragg. É explorada a resposta do sensor quando este é imerso em campos magnéticos uniformes e gradientes de campo; o segundo sensor consiste em um ímã permanente de geometria cilíndrica fabricado com um furo central no qual uma fibra óptica contendo uma rede de Bragg pode ser inserida e colada. Quando o sensor interage com um material ferromagnético, a força magnética atrativa entre eles é transferida de forma axial para a FBG produzindo uma variação no comprimento de onda refletido. O sensor baseado em materiais magnetostrictivos funciona para de campos magnéticos da ordem do militesla. Já o sensor de força magnética necessita de um gradiente de campo para funcionar. Com este sensor é possível a obtenção de imagens produzidas por áreas de corrosão em materiais ferromagnéticos. Em ambos os casos, a sensibilidade com relação à variação da geometria do sensor é estudada. / [en] Magnetic sensors detect the flux generated by magnetic fields which exists in the region of space delimited by the geometry of the sensor. Each kind of sensor has a unique property that makes it more appropriate for particular applications. In this thesis we have built magnetic field sensors using magnetic materials and fiber Bragg gratings (FBG). We have focused on prototypes simple to construct, light and compact, making it easy to measure magnetic fields in remote places. Two kinds of sensors were built: the first one consists of magnetostrictive materials in bulk shape and in composite format. They have the property of increase their size in the presence of an external magnetic field. The deformation in the material is detected by using a single FBG. The sensor sensitivity is analyzed when it is immersed in uniform magnetic fields and field gradients. The second sensor consists of a magnet fabricated with a central hole in which a fiber optics containing a FBG can be attached. When the sensor interacts with a ferromagnetic material, the attractive magnetic force between them is transferred to the FBG, producing variation in the reflected wavelength. The sensor based in magnetostrictive materials works for magnetic fields at the militesla range. The magnetic force sensor needs a gradient field to work. Using the force sensor, it was possible to image corrosion areas in ferromagnetic materials. In both cases, the sensitivity with regard to the sensor geometry was studied.