1 |
[en] EFFECTS AND APPLICATIONS OF NON-HOMOGENEOUS STRAINS IN BRAGG GRATINGS / [pt] EFEITOS E APLICAÇÕES DE DEFORMAÇÕES NÃO HOMOGÊNEAS EM REDES DE BRAGGADRIANO FERNANDES PINHO 21 September 2005 (has links)
[pt] Redes de Bragg em fibras ópticas (RBF) são formadas por
modulações periódicas
introduzidas no índice de refração do núcleo de fibras
ópticas. Estes componentes
comportam-se como filtros espectrais de banda passante, ou
seja, quando iluminados por
um sinal óptico de banda larga, refletem apenas uma fina
fatia espectral de luz, cujo
centro, o comprimento de onda de Bragg, é proporcional ao
período espacial da
modulação no índice de refração. As RBF têm encontrado
aplicações importantes no
sensoriamento das mais diversas grandezas, sendo hoje
utilizadas em sistemas de
monitoramento para vários segmentos industriais, tais como
os setores de petróleo e gás,
construção civil e aeroespacial, que, estima-se, respondem
em conjunto por cerca de 70%
destas aplicações. Em diversas situações o sensoriamento
com RBF baseia-se em
medidas indiretas da grandeza de interesse, sendo
empregados mecanismos de
transdução que transformam variações do mensurando em
deformações na fibra óptica.
Nestes casos, um problema que deve ser tratado com atenção
é o acoplamento entre
temperatura e deformação, uma vez que as RBF são sensíveis
a estas duas variáveis. Não
raro, a alternativa é utilizar simultaneamente duas RBF
para obter-se a compensação de
temperatura na medida de deformação.
Este trabalho apresenta um estudo sobre deformações não
homogêneas em redes de
Bragg e discute aplicações de duas técnicas que podem ser
utilizadas como alternativas
para eliminar o efeito da temperatura no sensoriamento de
deformação com apenas uma
RBF. A primeira delas explora a birrefringência óptica
induzida na RBF por
carregamentos transversais à fibra óptica. A segunda
baseia-se nos efeitos sobre o
espectro refletido pela rede de Bragg quando submetida a
um campo de deformações
longitudinais não uniformes ao longo da direção axial da
fibra óptica. No trabalho são
apresentados protótipos e dispositivos que exploram tais
técnicas para a medida simultânea de pressão e
temperatura. Esses protótipos foram projetados com auxílio
de
ferramentas CAD e modelados utilizando-se o método de
elementos finitos em conjunto
com a teoria de modos acoplados da Rede de Bragg. As
previsões obtidas utilizando-se
estes modelos mostraram-se bastante próximas dos
resultados das implementações
experimentais dos protótipos, indicando que a metodologia
de modelagem desenvolvida
pode ser aplicada nos projetos de transdutores baseados
nas duas técnicas estudadas. / [en] Fiber Bragg gratings (FBG) are modulations in the
effective refractive index of
optical fibers, introduced in a small length along the
fiber core. Such components operate
as narrow band reflective filters, that is, when
illuminated by a broad-band light source,
they reflect a narrow spectral band centered at a specific
wavelength, the Bragg
wavelength. This wavelength is proportional to the spatial
period of the refractive index
modulation. Fiber Bragg gratings have find an increasing
number of applications as
sensors for different quantities, and today are being
employed as part of permanent, real
time monitoring systems in various industrial segments.
The oil and gas sector, together
with civil infrastructure and aeronautics and aerospace,
account for almost 70% of this
applications. In a number of situations, FBG sensing is
based on indirect measurements
of the quantity being monitored, and a transduction
mechanism is employed to transform
changes in the measured quantity in strain sensed by the
optical fiber. Since the FBG is
sensitive to strain and temperature, proper temperature
compensation is always
necessary. Usually, a second grating is employed to
simultaneously measure temperature
and strain, performing the required compensation.
This thesis presents a study on effects due to non-
homogeneous strains in the
Bragg grating and discusses application of two different
techniques, based on these
effects, to allow temperature compensated strain
measurement using a single FBG. The
first technique explores strain induced optical
birefringence when the fiber is loaded
transversely. The second technique is based on changes in
the spectral shape of the light
signal reflected by the grating when subjected to non
homogeneous axial strain fields.
Prototypes of pressure and temperature transducers based
on these techniques have been
developed. These prototypes have been designed by
employing CAD techniques and
modeled using the finite element method in conjunction
with the theory of coupled
modes for fiber Bragg gratings. Comparisons between
results provided by theoretical models and experimental
realizations of the prototypes are very close,
demonstrating that
the developed approach can be applied to design
transducers based on the discussed
techniques. Results obtained with the proposed pressure
and temperature sensors are also
encouraging indicating that the two techniques are
suitable for industrial applications.
|
2 |
[en] APPLICATIONS OF FIBER BRAGG GRATING SENSORS IN THE MEASUREMENT OF PH AND OF STRAIN IN HARD THIN FILMS / [pt] APLICAÇÕES DE SENSORES A REDE DE BRAGG EM FIBRAS ÓPTICAS NA MEDIÇÃO DE PH E DEFORMAÇÃO DE FILMES FINOS DE ALTA DUREZASULLY MILENA MEJIA QUINTERO 07 November 2006 (has links)
[pt] Este trabalho versa sobre duas diferentes aplicações de
sensores a redes de
Bragg em fibra óptica. A primeira consiste no
desenvolvimento de uma técnica
de sensoriamento do pH empregando fibra óptica, que visa a
monitoração
contínua e permanente deste parâmetro em poços de petróleo
depletados e de
injeção. Nesta aplicação, as redes de Bragg são acopladas,
através de um
mecanismo transdutor, a sistemas poliméricos que respondem
a alterações do pH
apresentando uma variação expressiva de seu volume. O
tempo de resposta e o
fator de inchamento do sistema polimérico foram
caracterizados para valores de
pH 3, 4, 5, e 6, em soluções aquosas contendo sais
dissolvidos em concentrações
típicas das encontradas em águas de formação. As medições
foram realizadas a
temperaturas e pressões ambientes, assim como na presença
de óleo, e após a
pressurização do sistema polimérico até 5000 psi.
Diferentes mecanismos
transdutores foram projetados e construídos, e suas
respostas, avaliadas em
soluções aquosas com composição similar à das águas de
formação. Foram
estimadas a sensibilidade da técnica e as principais
fontes de incerteza na
medição do pH. Procurou-se também avaliar a funcionalidade
dos mecanismos
transdutores visando uma futura instalação em poço. Na
segunda aplicação, é
proposta uma técnica para a medição in situ da tensão
residual induzida em
filmes finos de alta dureza durante sua deposição em
câmaras de sputtering
assitido por rádio-frequência e campo magnético. A técnica
é constituída por
uma viga em aço engastada, tendo uma de suas faces
instrumentada com um
conjunto de redes de Bragg a fibra óptica, enquanto a face
oposta é exposta ao
fluxo de íons do material a ser depositado. O sistema
sensor é instalado em uma
câmara que opera sob alto vácuo, enquanto os aparelhos de
leitura permanecem
no exterior. A resposta do protótipo em função de
variações do campo
magnético e da temperatura no interior da câmara foi
levantada. Em seguinda,
foram realizadas medições da deformação da viga durante a
deposição de filmes
de sílica, de óxido de titânio-índio, e de carbeto de
silício. A tensão residual dos filmes foi calculada e
comparada com resultados de medições de curvatura do
substrato realizadas empregando um perfilômetro. Tensões
residuais de 6 MPa
até 0,2 Gpa foram obtidas durante as diferentes deposições. / [en] This work treats of two different applications of optical
fiber Bragg grating
sensors. The first application consists of a pH sensing
technique that employs
optical fiber to permanent and continuously monitor the pH
in depleted and
injection oil wells. In this application, the Bragg
gratings are coupled by a
transduction mechanism to a polymeric system which
responds to pH variations
with a large volume change. The response time as well as
the swelling factor of
the polymeric system at pH 3, 4, 5, and 6 have been
characterized in aqueous
solutions with dissolved salts in concentrations typical
of those found in
formation waters. Experiments have been carried out at
room temperature and
pressures, in the presence of oil, and after
pressurization up to 5000 psi. Several
mechanisms of transduction have been designed,
constructed, and tested in
solutions similar to the formation waters. The sensitivity
of the technique and the
main sources of uncertainties related to the pH
measurement have been
investigated. Also, the functionality of the mechanisms
has been evaluated
aiming at a future installation in the petroleum wells.
The second application
investigated is a technique for in situ measurement of the
residual stress induced
in hard thin films during deposition by RF magnetron
sputtering. The sensing
technique consists of a cantilever steel beam. One of the
surfaces of the beam is
instrumented using optical fiber Bragg gratings; the
opposite face is exposed to
the ion flux that originates the thin film. The sensing
system is installed in a
vacuum chamber while the interrogating apparatus remains
outside. The
prototype has been characterized with respect to
variations of the magnetic field
and the temperature inside the chamber. Measurements of
the beam strain have
been carried out during deposition of silica, indium-
titanium oxide, and silicon
carbide thin films. The residual stresses have been
calculated and the results
compared with data obtained using perfilometry. Residual
stress values varying
from 6 MPa up to 200 MPa have been obtained during the
different deposition processes.
|
3 |
[pt] ACELERÔMETRO TRIAXIAL A REDES DE BRAGG / [en] TRIAXIAL BRAGG GRATING ACCELEROMETER03 September 2004 (has links)
[pt] Desde o final da década de 80 a indústria de fibras
óticas têm passado por avanços consideráveis. Através de
técnicas controladas, as fibras ópticas podem gerar sinais
associados a uma vasta gama de grandezas físicas
funcionando como sensores denominados de Sensores a Fibra
Óptica (SFO s). Diversas técnicas podem ser empregadas
para tal, e entre as existentes a baseada em redes de
Bragg é a que mais tem se destacado. O interesse por
transdutores empregando esta técnica se justifica
pelas vantagens proporcionadas pelo uso da luz, tais como
sua capacidade de multiplexação, boa relação sinal/ruído,
medições a longas distâncias, imunidade a campos
eletromagnéticos, ausência de faísca, entre outras.
Neste trabalho buscou-se desenvolver um transdutor e uma
técnica de medição baseada em sensores a rede de Bragg
para medição de vibrações mecânicas. Um acelerômetro
óptico triaxial é projetado e construído. Diferentes
modelos foram testados em busca das características de
desempenho desejadas. Simulações numéricas empregando o
método dos elementos finitos auxiliaram na decisão por
melhores desenhos para o transdutor. Resultados de testes
experimentais e calibrações empregando um sistema de
aquisição de sinais desenvolvido são mostrados. Medições
de longa duração para avaliação de estabilidade do sistema
e efeitos de temperatura também são apresentados. / [en] Since the end of the 1980s, the fiber optics industry has
experienced considerable advances. Through a number of
controlled techniques, fiber optics can generate signals
associated with a vast array of physical measures, working
as sensors denominated Optical Fiber Sensors (OFS s).
Many different techniques can be employed to achieve this
objective. Among these, the one based on Bragg networks
has received the greatest amount of attention. The
interest in transducers employing this technique is
justified by the advantages of using light, such as its
multiplexing capability, good signal-to-noise ratio,
possibility of long distance measurements, immunity
to electromagnetic fields, and absence of sparks. In the
present work, a transducer and measurement technique based
on Bragg network sensors vibration are developed, in order
to measure mechanical vibrations. A triaxial optical
accelerometer is designed and built. Different models are
tested in the search for the desired performance
characteristics. Numerical simulations employing the
finite element method help the decision making process for
better transducer designs. Results from experimental and
calibration tests using a newly developed signal
acquisition system are presented. Long duration
measurements to evaluate system stability and temperature
effects are also shown.
|
4 |
[en] DETECTION AND CHARACTERIZATION OF STRUCTURAL DAMAGE USING FIBER BRAGG GRATING SENSORS AND ARTIFICIAL NEURAL NETWORKS / [pt] DETECÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE DANOS ESTRUTURAIS ATRAVÉS DE SENSORES A REDE DE BRAGG E REDES NEURAIS ARTIFICIAISDANIEL RAMOS LOUZADA 26 February 2019 (has links)
[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.
|
Page generated in 0.0363 seconds