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Spectrally-based fiber optic sensors are a rapidly maturing technology capable of sensing several environmental parameters in environments that are unfitting to electrical sensors. However, the sensor interrogation systems for this type of sensors are not yet fit to replace conventional sensor systems. They lack the speed, compact size, and usability necessary to move into mainstream test and measurement. The Fiber Sensor Integrated Monitor (FSIM) technology leverages rapid optical components and parallel hardware architecture to move these sensors across the research threshold into greater mainstream use. By dramatically increasing speed, shrinking size, and targeting an interface that can be used in large-scale industrial interrogation systems, spectrally-based fiber optic sensors can now find more widespread use in both research labs and industrial applications. The technology developed in this thesis was demonstrated by producing two advanced interrogators: one that was one half the size of commercially available systems, and one that accelerated live spectral capture by one thousand times – both of which were operated by non-developers with little training.

In this thesis work, a systematic quantitative study has been undertaken, on the performance of etched fiber Bragg Grating (FBG) sensors in the investigation of surface molecular adsorption in real-time; it is shown that the limit of detection (LOD) of FBGs etched below 2 microns diameter, is better compared to prominent optical label-free molecular sensing techniques such as Surface Plasmon Resonance (SPR). Novel fiber optic sensors based on FBG and etched FBG with various nano materials (polyelectrolytes, carbon nanotubes, hydrogel, metals and chalcogenides) coated on the surface of the core or cladding, have been proposed for sensing multi parameters such as pH, protein, humidity, gas, strain, temperature, and light etc. Besides being reproducible and repeatable, the proposed methods are fast, compact, and highly sensitive. A novel optical instrument has also been developed to measure angular deviation, binocular deviation and refractive index of glass slabs, and liquids, based on a shadow casting technique. This method uses the deviation in the geometrical shadow cast by a periodic dot pattern trans-illuminated by a distorted light beam from the transparent test specimen relative to a reference pattern.

Ce manuscrit présente une méthode d’imagerie quantitative et sans état de référence, de défauts de corrosion d’une plaque mince, exploitant de manière passive un réseau embarqué de capteurs d’ondes élastiques guidées. Les applications visées sont le contrôle santé intégré (SHM) de structures critiques qui amènent de fortes contraintes à la fois d’intrusivité des capteurs et de fiabilité du diagnostic. Une solution prometteuse, permettant de multiplier la densité de points de mesure sans augmenter l’intrusivité du système, est offerte par les réseaux de Bragg sur fibre optique (FBG). Toutefois, contrairement aux transducteurs piézoélectriques (PZT) classiquement employés en SHM, les FBG ne permettent pas d’émettre d’ondes élastiques. L’idée consiste à utiliser des méthodes dites « passives » permettant de retrouver la fonction de Green entre deux capteurs à partir du bruit ambiant, naturellement présent dans la structure, mesuré simultanément entre ces deux capteurs. Nous étudions dans ce manuscrit deux méthodes passives : la corrélation de bruit et le filtre inverse passif. Nous verrons que ce dernier a plus de potentiel lorsqu’il est couplé à l’imagerie par tomographie. Différents algorithmes de tomographie sont évalués par simulation numérique puis lors d’expériences comparatives actives et passives à l’aide d’un réseau de PZT. Afin de rendre la tomographie passive robuste, nous présentons une méthode clé de détection de temps de vol, basée sur une représentation temps-fréquence. Enfin, nous décrivons une première démonstration expérimentale de mesures passives par FBG qui laisse à penser que la tomographie passive par FBG est prometteuse. / This manuscript presents a baseline-free quantitative method for the imaging of corrosion flaws present in thin plates. This method only requires an embedded guided waves sensors network in a fully passive way. The field ofapplications are Structural Health Monitoring (SHM) of critical structures with heavy constrains on both sensors intrusiveness and diagnostic reliability. A promising solution allowing to increase the number of measurement points without increasing the intrusiveness of the system is provided by the Fiber Bragg Gratings (FBGs). However, unlike piezoelectric transducers generally used in SHM, the FBGs cannot emit elastic waves. The idea consists in using passive methods in order to retrieve the Green function from elastic diffuse fields - naturally present in structures - measured simultaneously between two sensors. In this manuscript, two passive methods are studied: the ambient noise correlation and the passive inverse filter. It is shown that the latter gives better results when coupled with tomography. Several tomography algorithms are assessed with numerical simulations and then applied to active and passive datasets measured by a PZT network. In order to make passive tomography robust, a time of flight identification method is proposed, based on a time-frequency representation. Finally, a novel experimental demonstration of passive measurements with FBGs only is presented, suggesting high potential for FBGs passive tomography.

Made available in DSpace on 2016-12-12T20:27:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 LUCAS HERMANN NEGRI.pdf: 2286573 bytes, checksum: 5c0e3c77c1d910bd47dd444753c142c4 (MD5) Previous issue date: 2012-02-24 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work presents computational methods to process data from electrical impedance spectroscopy and fiber Bragg grating interrogation in order to characterize the evaluated samples. Estimation and classification systems were developed, by using the signals isolatedly or simultaneously. A new method to adjust the parameters of functions that describes the electrical impedance spectra by using particle swarm optimization is proposed. Such method were also extended to correct distorted spectra. A benchmark for peak detection algorithms in fiber Bragg grating interrogation was performed, including the currently used algorithms as obtained from literature, where the accuracy, precision, and computational performance were evaluated. This comparative study was performed with both simulated and experimental data. It was perceived that there is no optimal algorithm when all aspects are taken into account, but it is possible to choose a suitable algorithm when one has the application requirements. A novel peak detection algorithm based on an artificial neural network is proposed, being recommended when the analyzed spectra have distortions or is not symmetrical. Artificial neural networks and support vector machines were employed with the data processing algorithms to classify or estimate sample characteristics in experiments with bovine meat, milk, and automotive fuel. The results have shown that the proposed data processing methods are useful to extract the data main information and that the employed data fusion schemes were useful, in its initial classification and estimation objectives. / Neste trabalho são apresentados métodos computacionais para o processamento de dados produzidos em sistemas de espectroscopia de impedância elétrica e sensoriamento a redes de Bragg em fibra óptica com o objetivo de inferir características das amostras analisadas. Sistemas de estimação e classificação foram desenvolvidos, utilizando os sinais isoladamente ou de forma conjunta com o objetivo de melhorar as respostas dos sistemas. Propõe-se o ajuste dos parâmetros de funções que modelam espectros de impedância elétrica por meio de um novo algoritmo de otimização por enxame de partículas, incluindo a sua utilização na correção de espectros com determinadas distorções. Um estudo comparativo foi realizado entre os métodos correntes utilizados na detecção de pico de sinais resultantes de sensores em fibras ópticas, onde avaliou-se a exatidão, precisão e desempenho computacional. Esta comparação foi feita utilizando dados simulados e experimentais, onde percebeu-se que não há algoritmo simultaneamente superior em todos os aspectos avaliados, mas que é possível escolher o ideal quando se têm os requisitos da aplicação. Um método de detecção de pico por meio de uma rede neural artificial foi proposto, sendo recomendado em situações onde o espectro analisado possui distorções ou não é simétrico. Redes neurais artificiais e máquinas de vetor de suporte foram utilizadas em conjunto com os algoritmos de processamento com o objetivo de classificar ou estimar alguma característica de amostras em experimentos que envolveram carnes bovinas, leite bovino e misturas de combustível automotivo. Mostra-se neste trabalho que os métodos de processamento propostos são úteis para a extração das características importantes dos dados e que os esquemas utilizados para a fusão destes dados foram úteis dentro dos seus objetivos iniciais de classificação e estimação.

[ES] Las fibras ópticas son dispositivos muy utilizados en el campo de las telecomunicaciones desde su descubrimiento. En las últimas décadas, las fibras ópticas comenzaron a utilizarse como sensores fotónicos. Los primeros trabajos se centraron en la medición de unas dimensiones físicas en un punto específico. Posteriormente, surgió la posibilidad de medir las propiedades de la fibra óptica en diferentes puntos a lo largo de la fibra. Este tipo de sensores se definen como sensores distribuidos. Los componentes optoelectrónicos fueron desarrollados e investigados para telecomunicaciones. Los avances en las telecomunicaciones hicieron posible el desarrollo de sistemas de interrogación para sensores de fibra óptica, creciendo en paralelo con los avances de las telecomunicaciones. Se desarrollaron sistemas de interrogación de fibra óptica que permiten el uso de una única fibra óptica monomodo estándar como sensor que puede monitorear decenas de miles de puntos de detección al mismo tiempo. Los métodos que extraen la información de detección de la señal reflejada en la fibra óptica son los más empleados debido a la facilidad de acceso al sensor y la flexibilidad de estos sistemas. Los más estudiados son la reflectometría en dominios de tiempo y frecuencia. La reflectometría óptica en el dominio del tiempo (OTDR) fue la primera técnica utilizada para detectar la posición de los fallos en las redes de comunica-ción de fibra óptica. El OTDR sensible a la fase hizo posible detectar la elongación y la temperatura en una posición específica. Paralelamente, los gratings de Bragg (FBG) se convirtieron en los dispositivos más utilizados para implementar sensores en fibra óptica discretos. Se desarrollaron técnicas de multiplexación para realizar la detección en múltiples puntos utilizando FGBs. La reflectometría realizada interrogando arrays de FBG débiles demuestra que mejora el rendimiento del sistema en comparación al uso de una fibra monomodo. Los sistemas de interrogatorio actuales tienen algunos inconvenientes. Algunos de ellos son velocidad de interrogatorio limitada, grandes dimensiones y alto costo. En esta tesis doctoral se desarrollaron nuevos sistemas de interrogación y sensores de fibra óptica para superar algunos de estos inconvenientes. Los sensores de fibra óptica de plástico demuestran ser una plataforma innovadora para desarrollar nuevos sensores y sistemas de interrogación de bajo costo y fáciles de implementar para fibras de plástico comerciales. Se investigó la reflectometría en el dominio del tiempo y las técnicas fotónicas de microondas para la interrogación de una matriz de rejillas débiles que permitieron simplificar el sistema de interrogación para la detección de temperatura y vibración. / [CA] Les fibres òptiques són dispositius molt utilitzats en el camp de les telecomunica-cions des del seu descobriment. En les últimes dècades, les fibres òptiques van començar a utilitzar-se com a sensors fotònics. Els primers treballs es van centrar en el mesurament d'unes dimensions físiques en un punt específic. Posteriorment, va sorgir la possibilitat de mesurar les propietats de la fibra òptica en diferents punts al llarg de la fibra. Aquest tipus de sensors es defineixen com a sensors distribüits. Els components optoelectrònics van ser desenvolupats i investigats per a telecomunicacions. Els avanços en les telecomunicacions van fer possi-ble el desenvolupament de sistemes d'interrogació per a sensors de fibra òptica, creixent en paral·lel amb els avanços de les telecomunicacions. Es van desenvolupar sistemes d'interrogació de fibra òptica que permeten l'ús d'una única fibra òptica monomodo estàndard com a sensor que pot monitorar desenes de milers de punts de detecció al mateix temps. Els mètodes que extreuen la informació de detecció del senyal reflectit en la fibra òptica són els més utilitzats a causa de la facilitat d'accés al sensor i la flexibilitat d'aquests sistemes. Els més estudiats són la reflectometría en dominis de temps i freqüència. La reflectometría òptica en el domini del temps (OTDR) va ser la primera tècnica utilitzada per a detectar la posició de les fallades en les xarxes de comunicació de fibra òptica. El OTDR sensible a la fase va fer possible detectar l'elongació i la temperatura en una posició específica. Paral·lelament, els gratings de Bragg (FBG) es van convertir en els dispositius més utilitzats per a implementar sensors en fibra òptica discrets. Es van desenvolupar tècniques de multiplexació per a realitzar la detecció en múltiples punts utilitzant FGBs. La reflectometría realitzada interrogant arrays de FBG febles demostra que millora el rendiment del sistema en comparació a l'ús d'una fibra monomodo. Els sistemes d'interrogatori actuals tenen alguns inconvenients. Alguns d'ells són velocitat d'interrogatori limitada, voluminositat i alt cost. En aquesta tesi doctoral es van desenvolupar nous sistemes d'interrogació i sensors de fibra òptica per a superar alguns d'aquests inconvenients. Els sensors de fibra òptica de plàstic demostren ser una plataforma innovadora per a desenvolupar nous sensors i siste-mes d'interrogació de baix cost i fàcils d'implementar per a fibres de plàstic comercials. Es va investigar la reflectometría en el domini del temps i les tècniques fotòniques de microones per a la interrogació d'una matriu de reixetes febles que van permetre simplificar el sistema d'interrogació per a la detecció de temperatura i vibració. / [EN] Optical fibers are devices largely used in telecommunication field since their discovery. In the last decades, optical fibers started to be used as photonic sensors. The first works were focused on the measurement of physical dimensions to a specific point. Afterward, emerged the possibility to measure the optical fiber properties at different locations along the fiber. These kinds of sensors are defined as distributed sensors. The optoelectronic components were developed and investigated for telecommunications. The progress in telecommunication made possible the development of optical fiber sensors interrogation systems, growing in parallel with the advances of telecommunications. Optical fiber interrogation systems were developed to use a single standard monomode optical fiber as a sensor that can monitor tens of thousands of sensing points at the same time. The methods that extract the sensing information from the backscattered signal in the optical fiber are widely employed because of the easiness of access to the sensor element and the flexibility of these systems. The most studied are the reflectometry in time and frequency domains. The optical time domain reflectometry (OTDR) was the first technique used to detect the position of the failures in the optical fiber communication networks. Using phase sensitive OTDR it is possible to sense strain and temperature at a specific position. In parallel, fiber Bragg gratings (FBGs) became the most widely used devices to implement discrete optical fiber sensors. Multiplexing techniques were developed to perform multi points sensing using these gratings. The reflectometry performed interrogating weak FBGs arrays demonstrate to improve the performance of the system employing a single mode fiber. The interrogation systems nowadays have some drawbacks. Some of them are limited speed of interrogation, bulkiness, and high cost. New interrogation systems and optical fiber sensors were developed in this doctoral thesis to overcome some of these drawbacks. Plastic optical fiber sensors demonstrate to be an innovative platform to develop both new sensors and low cost, easy to implement interrogation systems for commercial plastic fibers. Reflectometry in time domain and microwave photonic techniques were investigated for the interrogation of weak gratings array allowed to simplify the interrogation system for the sensing of temperature and vibration. / I would like to greatly thank the European Union’s Horizon 2020 Research and Innovation Program that funded the research described in this thesis under the Marie Sklodowska-Curie Action Grant Agreement 722509. / Sartiano, D. (2021). Design of optical fiber sensors and interrogation schemes [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/161357 / TESIS

[EN] Fiber grating sensors and devices have demonstrated outstanding capabilities in both telecommunications and sensing areas, due to their well-known advantageous characteristics. Therefore, one of the most important motivations lies in the potential of customized fiber gratings to be suitably employed for improving the interrogation process of optical fiber sensors and systems. This Ph.D. dissertation is focused on the study, design, fabrication and performance evaluation of customized fiber Bragg gratings (FBGs) and long period gratings (LPGs) with the double aim to present novel sensing technologies and to enhance the response of existing sensing systems. In this context, a technique based on time-frequency domain analysis has been studied and applied to interrogate different kind of FBGs-based sensors. The distribution of the central wavelength along the sensing structures has been demonstrated, based on a combination of frequency scanning of the interrogating optical pulse and optical time-domain reflectometry (OTDR), allowing the detection of spot events with good performance in terms of measurand resolution. Moreover, different customized FBGs have been interrogated using a technology inspired on the operation principle of microwave photonics (MWP) filters, enabling the detection of spot events using radio-frequency (RF) devices with modest bandwidth. The sensing capability of these technological platforms has been fruitfully employed for implementing a large scale quasi-distributed sensor, based on an array of cascaded FBGs. The potentiality of LPGs as fiber optic sensors has also been investigated in a new fashion, exploiting the potentials of MWP filtering techniques. Besides, a novel approach for simultaneous measurements based on a half-coated LPG has been proposed and demonstrated. Finally, the feasibility of FBGs as selective wavelength filters has been exploited in sensing applications; an alternative approach to improve the response and performance of Brillouin distributed fiber sensors has been studied and validated via experiments. The performance of the reported sensing platforms have been analyzed and evaluated so as to characterize their impact on the fiber sensing field and to ultimately identify the use of the most suitable technology depending on the processing task to be carried out and on the final goal to reach. / [ES] Los sensores y dispositivos en fibra basados en redes de difracción han mostrado excepcionales capacidades en el ámbito de las telecomunicaciones y del sensado, gracias a sus excelentes propiedades. Entre las motivaciones más estimulantes destaca la posibilidad de fabricar redes de difracción ad-hoc para implementar y/o mejorar las prestaciones de los sensores fotónicos. Esta tesis doctoral se ha enfocado en el estudio, diseño, fabricación y evaluación de las prestaciones de redes de difracción de Bragg (FBGs) y de redes de difracción de periodo largo (LPGs) personalizadas con el fin de desarrollar nuevas plataformas de detección y a la vez mejorar la respuesta y las prestaciones de los sensores fotónicos ya existentes. En este contexto, una técnica basada en el análisis tiempofrecuencia se ha estudiado e implementado para la interrogación de sensores en fibra basados en varios tipos y modelos de FBGs. Se ha analizado la distribución de la longitud de onda central a lo largo de la estructura de sensado, gracias a una metodología que conlleva el escaneo en frecuencia del pulso óptico incidente y la técnica conocida como reflectometria óptica en el dominio del tiempo (OTDR). De esta manera se ha llevado a cabo la detección de eventos puntuales, alcanzando muy buenas prestaciones en términos de resolución de la magnitud a medir. Además, se han interrogado varias FBGs a través de una técnica basada en el principio de operación de los filtros de fotónica de microondas (MWP), logrando así la detección de eventos puntuales usando dispositivos de radio-frecuencia (RF) caracterizados por un moderado ancho de banda. La capacidad de sensado de estas plataformas tecnológicas ha sido aprovechada para la realización de un sensor quasi-distribuido de gran alcance, formado por una estructura en cascada de muchas FBGs. Por otro lado, se han puesto a prueba las capacidades de las LPGs como sensores ópticos según un enfoque novedoso; para ello se han aprovechados las potencialidades de los filtros de MWP. Asimismo, se ha estudiado y demostrado un nuevo método para medidas simultáneas de dos parámetros, basado en una LPG parcialmente recubierta por una película polimérica. Finalmente, se ha explotado la viabilidad de las FBGs en cuanto al filtrado selectivo en longitud de onda para aplicaciones de sensado; para ello se ha propuesto un sistema alternativo para la mejora de la respuesta y de las prestaciones de sensores ópticos distribuidos basados en el scattering de Brillouin. En conclusión, se han analizado y evaluado las prestaciones de las plataformas de sensado propuestas para caracterizar su impacto en el ámbito de los sistemas de detección por fibra y además identificar el uso de la tecnología más adecuada dependiendo de la tarea a desarrollar y del objetivo a alcanzar. / [CA] Els sensors i dispositius en fibra basats en xarxes de difracció han mostrat excepcionals capacitats en l'àmbit de les telecomunicacions i del sensat, gràcies a les seus excel¿lents propietats. Entre les motivacions més estimulants destaca la possibilitat de fabricar xarxes de difracció ad-hoc per a implementar i/o millorar les prestacions de sensors fotònics. Esta tesi doctoral s'ha enfocat en l'estudi, disseny, fabricació i avaluació de les prestacions de xarxes de difracció de Bragg (FBGs) i de xarxes de difracció de període llarg (LPGs) personalitzades per tal de desenvolupar noves plataformes de detecció i al mateix temps millorar la resposta i les prestacions dels sensors fotònics ja existents. En este context, una tècnica basada en l'anàlisi temps-freqüència s'ha estudiat i implementat per a la interrogació de sensors en fibra basats en diversos tipus i models de FBGs. S'ha analitzat la distribució de la longitud d'ona central al llarg de l'estructura de sensat, gràcies a una metodologia que comporta l'escaneig en freqüència del pols òptic incident i la tècnica coneguda com reflectometria òptica en el domini del temps (OTDR). D'esta manera s'ha dut a terme la detecció d'esdeveniments puntuals, aconseguint molt bones prestacions en termes de resolució de la magnitud a mesurar. A més, s'han interrogat diverses FBGs a través d'una tècnica basada en el principi d'operació dels filtres de fotònica de microones (MWP), aconseguint així la detecció d'esdeveniments puntuals utilitzant dispositius de ràdio-freqüència (RF) caracteritzats per un moderat ample de banda. La capacitat de sensat d'aquestes plataformes tecnològiques ha sigut aprofitada per a la realització d'un sensor quasi-distribuït a llarga escala, format per una estructura en cascada de moltes FBGs. D'altra banda, s'han posat a prova les capacitats de les LPGs com a sensors òptics segons un enfocament nou; per a això s'han aprofitat les potencialitats dels filtres de MWP. Així mateix, s'ha estudiat i demostrat un nou mètode per a mesures simultànies de dos paràmetres, basat en una LPG parcialment recoberta per una pel¿lícula polimèrica. Finalment, s'ha explotat la viabilitat de les FBGs pel que fa al filtrat selectiu en longitud d'ona per a aplicacions de sensat; per això s'ha proposat un sistema alternatiu per a la millora de la resposta i de les prestacions de sensors òptics distribuïts basats en el scattering de Brillouin. S'han analitzat i avaluat les prestacions de les plataformes de sensat propostes per a caracteritzar el seu impacte en l'àmbit dels sistemes de detecció per fibra i a més identificar l'ús de la tecnologia més adequada depenent de la tasca a desenvolupar i de l'objectiu a assolir. / Ricchiuti, AL. (2016). Design and fabrication of customized fiber gratings to improve the interrogation of optical fiber sensors [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/66343 / TESIS / Premios Extraordinarios de tesis doctorales

This dissertation presents the novel creation of a hybrid D-fiber electro-optic polymer electric field sensor. The sensor is made by removing a portion of the cladding from a D-shaped optical fiber, thus exposing the core to interaction with external stimulus. Then, an electro-optic polymer is deposited, partially replacing the core of the fiber. Next, the polymer is poled to endow it with electro-optic properties. This sensor is packaged in order to restore its mechanical strength. Because D-fiber is not intrinsically compatible with standard optical equipment it is fusion spliced to standard polarization maintaining fiber. Finally the sensor is tested for electro-optic sensitivity. The hybrid D-fiber electric field sensors designed and fabricated in this work meet the requirements of mechanical strength, temporal stability, minimal perturbation of the electric field by the sensor, and a small and flexible cross-sectional area so that it can be embedded into the device under test. A fully packaged hybrid electro-optic polymer D-fiber electric field sensor which is capable of detecting electric fields of 50 V/m at a frequency of 6 GHz is produced. The sensor's electro-optic response is shown to be temporally stable. Additionally, the sensor is physically robust, and physically and electrically non-intrusive. This work also adds a thorough understanding of the design and fabrication of D-fiber waveguides with a polymer material deposited in the core. Several new fabrication techniques are developed and presented. A path to greater electric field sensitivity is outlined for future research.