Sensores óticos baseados em redes de Bragg em fibras óticas estão se tornando uma tecnologia madura e ganhando espaço nas indústrias das mais diversas áreas. Para tal, essa tecnologia deve estar adaptada para ser integrada facilmente ao meio industrial. Com base nisso esta pesquisa apresenta o desenvolvimento de uma ferramenta computacional para duas tecnologias de interrogação de sensores baseados em Redes de Bragg em fibras óticas (FBGs). Além de adquirir os dados dos interrogadores a ferramenta computacional tem por objetivo processar os dados, para isso foi necessário o desenvolvimento de um algoritmo de detecção de picos. Este trabalho também apresenta os resultados obtidos de comparações entre as ferramentas comerciais para cada tecnologia de interrogação e a ferramenta desenvolvida durante esta pesquisa. / Optical sensors based on Fiber Bragg Gratings technologies are becoming a mature technology and starting to com now in the industrial area. To make this possible this technology need to be adapted to be easily integrated in the existing industrial systems. Based on this considerations, this research presents the development of a computational tool for two Fiber Bragg Gratings interrogation technologies. In addition to acquiring data from the interrogator the computational tool is intended to process the data, and this makes necessary to develop a peak detection algorithm. This work also presents the results obtained by comparing the commercial software’s of each interrogation system to the computational toll developed during this research.

CAPES / Com o intuito de agregar valor à literatura numa área onde resultados positivos são incentivadores no processo de continuidade de pesquisas nesta área, até que se consiga obter a necessária reprodutibilidade do processo para gravação de redes em fibras óticas micro-estruturadas, este trabalho mostra o sucesso obtido na gravação de redes de Bragg e redes de período longo em fibras de cristal fotônico de núcleo sólido. As redes de Bragg são gravadas em fibras micro-estruturadas de 12 anéis de furos ao redor do núcleo, dopado com uma pequena quantidade de germânio. A gravação destas redes é feita utilizando radiação ultravioleta (UV) do laser excímero KrF em 248 nm e máscara de fase, e são obtidas redes de Bragg de ≈ 11 dB de refletividade. As redes de período longo, por sua vez, são gravadas em fibras micro-estruturadas de sílica pura de 6 anéis de furos de ar ao redor do núcleo. Utilizando o método de gravação ponto-a-ponto e radiação infra-vermelha (IR) do laser CO2 são obtidas redes com resultados condizentes com a literatura, ou seja, redes de período longo com um modo principal de ressonância e perda na transmissão de até 17 dB. Também são detalhadas as caracterizações das redes de período longo quanto à tração mecânica e à temperatura, com o diferencial da repetibilidade de ambos os testes para maior confiabilidade nos resultados. Foram obtidas sensibilidade à tração entre −0, 85 pm/με e −6, 3 pm/με. Obtiveram-se sensibilidades à temperatura iguais a −18, 4 pm/◦ C e −19, 6 pm/◦ C. / In order to contribute to literature in an area where successful results are important in the process of further research in this area, until it can be obtained the necessary reproducibility of the process of writting gratings in micro-structured optical fibers, this work shows positive Bragg and long period gratings written in solid core photonic crystal fibers. The Bragg gratings are written in a 12 rings of holes around the core doped with a small amount of germanium micro-structured fiber. Written process of these gratings is made using ultraviolet excimer laser KrF at 248 nm and phase mask, and are obtained Bragg gratings with ≈ 11 dB reflectivity. Long period gratings, in turn, are written in micro-structured optical fibers made of pure silica 6 rings of air holes around the core. Using the method of point-to-point and infrared radiation CO2 laser are obtained gratings with consistent results within the literature, that is, gratings with a main mode of resonance and transmission loss of up to 17 dB. This work also detailed characterizations of long period gratings on mechanical stress and temperature variation, emphasizing the repeatability of both tests for more reliable results. Sensitivity to mechanical stress were obtained between −0, 85 pm/με and −6, 3 pm/με. More, sensitivities to temperature variation were equal to −18, 4 pm/◦ C and −19, 6 pm/◦ C.

CAPES / O monitoramento em tempo real da água do mar em ambientes críticos, como na entrada de portos e de canais de navegação, é necessário para evitar grandes contaminações do meio ambiente marinho, principalmente em regiões costeiras. A contaminação mais recorrente é por derramamento de hidrocarbonetos. Um indicativo de contaminação por óleo, em tempo real, viabiliza a atuação imediata dos setores responsáveis. Tal medida pode evitar que as impurezas se espalhem por uma área maior, o que torna o processo de limpeza e descontaminação mais rápido e eficaz. Este estudo visa detectar alterações no comportamento físico da água do mar quando existir contaminação por hidrocarbonetos. O parâmetro físico a ser estudado é a variação na curva de transmitância da água do mar, com específicos comprimentos de onda, quando existir contaminação na amostra. A variação da absorção da onda eletromagnética detectada pelo foto sensor pode indicar que a amostra de água esteja contaminada por hidrocarbonetos. O equipamento base para a tomada de dados das curvas de transmitância é o espectrofotômetro, que tem como característica a capacidade de realizar uma varredura em uma faixa de comprimento de onda eletromagnética compreendida entre 190 nm a 1100 nm. A avaliação dos resultados é feita utilizando uma placa de aquisição do espectro de um LED de 400 nm. Dois métodos foram realizados utilizando a mesma fonte de radiação, o primeiro com incidência horizontal da luz na amostra de água (próximo à superfície) e o segundo com incidência vertical, submetendo a radiação à absorção causada pela coluna de água e contaminante (gasolina e querosene). Os resultados obtidos neste trabalho apresentam uma queda bem significativa da transmitância em função do aumento da concentração de poluente (hidrocarbonetos) na água, nas faixas mais pertinentes de cada substância, com suas diferentes estruturas moleculares. O ponto do espectro de maior sensibilidade para este hidrocarboneto na medição da transmitância está em 360 nm. Utilizando a lei de Lambert-Beer, foi calculada a correlação exponencial dos pontos obtidos com um determinado comprimento de onda, em 360 nm esta correlação é superior a 99%. O método utilizado e os resultados levantados possibilitam o desenvolvimento e aplicação de um sensor óptico para sensoriamento da água do mar baseado na variação da absorção da luz em função do aumento da concentração de contaminantes (hidrocarbonetos), e a utilização da lei de Lambert-Beer para estimar a concentração deste produto na água. / The real time monitoring of seawater in critical environments such as ports entrances and navigation channels is needed in order to avoid major contaminations of the marine environment especially in coastal regions. The most recurrent contamination is hydrocarbon spills. A real time contamination indicator enables immediate action from the responsible sectors. Such measurement might prevent impurities from spreading into a greater area, resulting in faster and more effective cleaning and decontamination process. This study aims to detect changes in the physical behavior of the sea water when hydrocarbon contamination exists. The physical parameter under study is the variation in the transmittance curve of seawater, with specific wavelengths, when there is contamination in the sample. The absorption variation of the electromagnetic wave detected by the photo sensor can indicate that the water sample is contaminated by hydrocarbons. The base equipment for collecting data from the transmittance curves is the spectrophotometer, which is able to perform a scan on an electromagnetic wavelength range between 190 nm to 1100 nm. Two methods were performed using the same radiation source, the first one with horizontal light incidence into the water sample (near-surface) and the second one with vertical incidence, subjecting radiation to absorption caused by the water column and contaminant (gasoline and kerosene). The results obtained in this study show a significant decrease of transmittance in function of the increase in concentration of pollutant (hydrocarbon) in the water, in the more relevant ranges of each substance, with their different molecular structures. The hydrocarbon used in the evaluation of both methods validation was gasoline. The spectrum point of greater sensitivity in measuring the hydrocarbon transmittance is in 360 nm. Using the Lambert-Beer law it was calculated exponential correlation of points obtained with a specific wavelength, in 360 nm this correlation is greater than 99%. The method and results raised enabled the development and application of an optical sensor for sensing seawater according to the variation of light absorption in function of the increasing contaminants concentration (hydrocarbons), and using the Lambert-Beer law to estimating the concentration of product in water.

LACIT / Escoamentos bifásicos gás-líquido estão presentes em inúmeras aplicações de engenharia, como por exemplo, na produção de petróleo, onde óleo e gás escoam nas linhas de produção. A monitoração online do escoamento bifásico é de grande importância para operação segura e eficiente dos processos de produção. Assim, nos últimos anos tem-se buscando o desenvolvimento de técnicas simples e de baixo custo para monitoração do escoamento da produção. Das diversas formas que um escoamento bifásico se apresenta, o padrão de escoamento em golfadas é o mais comum nas linhas de produção. Este trabalho apresenta um sistema óptico infravermelho que mede especificamente a velocidade das bolhas de gás em um escoamento em golfadas. Esse sistema emprega componentes optoeletrônicos operando a 950 nm juntamente com uma peça adutora utilizada para manter estáticos o emissor e receptor de luz. O circuito eletrônico responsável pelo funcionamento do sensor é composto por três canais de medição modulados em frequências diferentes. Dessa forma pelo tempo de trânsito que uma bolha leva no percurso entre os canais, pode-se calcular a velocidade da bolha. Essa técnica óptica traz a vantagem de ser um sistema de medição não invasivo e pode ser utilizado para outros fluidos, mas é necessário adaptar o comprimento de onda de trabalho de acordo com as características do fluido a ser detectado. O sistema desenvolvido foi testado em uma planta piloto sob diversas condições operacionais e comparado com sensores de referência (wire-mesh e câmera de alta velocidade). Resultados obtidos mostram o bom desempenho do sistema com relação aos sensores de referência. / Gas-liquid two-phase flows are present in many engineering applications such as in petroleum production, where oil and gas stream in the production lines. The online monitoring of two-phase flow is of great importance for safe and efficient operation of production processes. Thus, in recent years there has been an attempt to develop simple and low cost techniques for flow production monitoring. Among the various ways a two-phase flow may occur in a pipe, the flow pattern known as slug flow is the most common in production lines. This work presents an infrared optical system that specifically measures the translational speed of gas bubbles in slugs flow. This system employs optoelectronic components operating at 950 nm along with a mechanical assembly used to assure optical alignment of light emitters and receivers. The electronic circuitry responsible for operating the sensor consists of three measuring channels modulated at different frequencies, thus by measuring the time lag a gas bubble needs to travel from one channel to another, one can calculate speed of gas bubble. This optical technique has the advantage of being a noninvasive measurement system and can be used for other fluids, but it is necessary to adapt the working wavelength according to the characteristics of the fluid to be detected. The developed system was tested in a pilot plant under various operating conditions and compared with reference sensors (wire-mesh and high-speed camera). Results show the good performance of the system with respect to the reference sensors.

CAPES; CNPq; FINEP; Fundação Araucária / Neste trabalho apresenta-se um sistema ótico inteligente apto a localizar a posição de impactos mecânicos aplicados em uma estrutura plana. Para isso, os transdutores foram caracterizados, preliminarmente, quanto à deformação mecânica. Nesta aplicação, quatro redes de Bragg em fibra ótica foram instaladas em uma placa quadrada de polimetil-metacrilato, submetida a um conjunto de impactos em condições controladas. As respostas fornecidas pelos transdutores foram utilizadas para modelar e testar redes neurais artificiais. O sistema demonstrou possuir a capacidade para realizar a tarefa de encontrar a posição do distúrbio, mesmo em pontos de impacto diferentes daqueles apresentados na etapa de treinamento. O maior erro médio quadrático medido na fase de testes foi de 1,1 cm em relação ao ponto de impacto, sendo que os pontos localizavam-se a uma distância de 5 cm uns dos outros e estavam demarcados em uma superfície de prova com 60 cm de comprimento, 60 cm de largura e 6 mm de espessura. / In this work is presented an intelligent optical sensor capable to localize the position of mechanical impacts on a flat surface structure. The transducers were previously characterized relatively to mechanical strain. In this application, four optical fiber Bragg gratings were installed on a polymethyl methacrylate square plate, subjected to a set of mechanical impacts under controlled conditions. The responses provided by the transducers were used to model and test Artificial Neural Networks. The system showed the capacity to determine the disturbance positions, even at impact points different from the ones used in the training stage. The higher mean square error obtained in the test stage was 1,1 cm relatively to the impact position, wherein the points were located at a distance of 5 cm from each other on a test surface with 60 cm length , 60 cm width and 6 mm height.

Neste trabalho foi estudada a aplicação das redes de Bragg em fibra óptica, como sensores no monitoramento e mapeamento térmico de um painel fotovoltaico instalado em ambiente aberto. Também foi analisada a capacidade desses sensores em detectar anomalias elétricas do painel, as quais são manifestadas pelas mudanças na temperatura. Devido ao fato de ser pioneiro no estudo da fibra óptica em painéis fotovoltaicos, o presente trabalho buscou comparar os resultados alcançados por esta tecnologia com os dados das demais técnicas de medição de temperatura, como por exemplo, o PT100 e câmera IR. Os ensaios foram realizados utilizando um painel fotovoltaico instalado em ambiente aberto, onde as suas variações de temperatura foram medidas por 27 sensores de fibra óptica instalados em sua superfície frontal. Durante todos os ensaios as condições ambientais de temperatura ambiente, nível de radiação solar e velocidade do vento foram monitorados. Os resultados demonstraram potencialidade de utilização das redes de Bragg em fibra óptica na detecção de variações térmicas ocasionadas por fatores ambientais ou aquecimento nas células. / This paper has been studying the applications of Bragg gratings in optical fibers, as sensors for thermal mapping and monitoring on photovoltaic panel surface which was installing in an open environment. We also analyzed the ability of optical fibers sensors to detect electrical anomalies in the panel, which are manifested by the changes in its temperature. Because it was pioneering in study of optical fiber application into photovoltaic panel, this paper's objective is compare the results between this technology and the other techniques for temperature measurements, for example when are used the PT100 sensors or infrared camera. Assays were performed using a photovoltaic panel that is installed in an open environment, its temperature changes were measured by a total of 27 optical fiber sensors installed on the front surface. During the tests, the environmental conditions of temperature, level of solar radiation and wind speed, were monitored. The results demonstrate the potential use of Bragg gratings in optical fiber for detecting thermal fluctuations caused by environmental factors or by heating the cells.

Este trabalho tem por objetivo analisar as perspectivas do estudo de vibrações de estruturas, empregando sistemas sensores baseados em redes de Bragg em fibras óticas. O entendimento das vibrações nas estruturas possibilita o estudo de novos materiais e de novos sistemas construtivos que possam otimizar o dimensionamento e a segurança nos projetos de engenharia. Para as medidas de vibração é apresentado um sistema de leitura de redes de Bragg que tem como características o baixo custo e a facilidade de implementação, quando comparado a outros instrumentos. O aparelho pode ser acoplado a sistemas de aquisição comerciais, pois o sinal analógico de saída está condicionado entre 0 V e 5 V. Os resultados obtidos demonstram a capacidade do sistema em monitorar vibrações em diferentes tipos de materiais, tais como: madeira, aço, concreto e osso. Os resultados das medições feitas com modelos de laboratório mostram-se promissores na análise de vibrações em estruturas, quando comparados aos obtidos por sensores comerciais dos tipos, extensômetro elétrico de resistência e acelerômetro. Para além de estruturas civis, foram realizados estudos para o desenvolvimento de uma nova técnica de ensaio, in vitro, para caracterizar um novo conceito de implante dentário. Os resultados de ensaios de vibrações livres foram realizados com uma barra metálica, com vigas de madeira laminada colada, com vigas de concreto e implantes dentários onde as redes de Bragg foram empregadas. Esses resultados demonstram a capacidade do sensor em monitorar os efeitos de degradação das estruturas através de diferentes técnicas de análise modal. / This work deals with the analysis of perspectives of dynamic study in structures using a sensor system based on fibre optic Bragg gratings. The understanding of vibrations in structures enables the development of new materials, and of new design concepts that improves the sizing and security in engineering projects. The vibration measurements are carried out with a fibre optic Bragg grating demodulation system. The system has a low cost and easiness of implementation when compared to other available instruments. The output range signal of the instrument is between 0 V to 5 V, compatible to standard PC interfacing systems. The results show that the system is able to monitor vibrations in different types of materials, such as wood, steel, reinforced concrete and bone. The sensor is compared to commercial sensors (strain gauges and accelerometer). Beyond of civil structure, studies have been carried out to develop a technique, in vitro, to evaluate a new dental implant concept. The modal analysis techniques employed in the characterization of the different structures studied show the necessity of instrumentation able to measure low amplitude signals with high signal noise ratio. These characteristics are considered essential in material degradation studies by modal analysis technique.

Sensores óticos baseados em redes de Bragg em fibras óticas estão se tornando uma tecnologia madura e ganhando espaço nas indústrias das mais diversas áreas. Para tal, essa tecnologia deve estar adaptada para ser integrada facilmente ao meio industrial. Com base nisso esta pesquisa apresenta o desenvolvimento de uma ferramenta computacional para duas tecnologias de interrogação de sensores baseados em Redes de Bragg em fibras óticas (FBGs). Além de adquirir os dados dos interrogadores a ferramenta computacional tem por objetivo processar os dados, para isso foi necessário o desenvolvimento de um algoritmo de detecção de picos. Este trabalho também apresenta os resultados obtidos de comparações entre as ferramentas comerciais para cada tecnologia de interrogação e a ferramenta desenvolvida durante esta pesquisa. / Optical sensors based on Fiber Bragg Gratings technologies are becoming a mature technology and starting to com now in the industrial area. To make this possible this technology need to be adapted to be easily integrated in the existing industrial systems. Based on this considerations, this research presents the development of a computational tool for two Fiber Bragg Gratings interrogation technologies. In addition to acquiring data from the interrogator the computational tool is intended to process the data, and this makes necessary to develop a peak detection algorithm. This work also presents the results obtained by comparing the commercial software’s of each interrogation system to the computational toll developed during this research.

CAPES / Com o intuito de agregar valor à literatura numa área onde resultados positivos são incentivadores no processo de continuidade de pesquisas nesta área, até que se consiga obter a necessária reprodutibilidade do processo para gravação de redes em fibras óticas micro-estruturadas, este trabalho mostra o sucesso obtido na gravação de redes de Bragg e redes de período longo em fibras de cristal fotônico de núcleo sólido. As redes de Bragg são gravadas em fibras micro-estruturadas de 12 anéis de furos ao redor do núcleo, dopado com uma pequena quantidade de germânio. A gravação destas redes é feita utilizando radiação ultravioleta (UV) do laser excímero KrF em 248 nm e máscara de fase, e são obtidas redes de Bragg de ≈ 11 dB de refletividade. As redes de período longo, por sua vez, são gravadas em fibras micro-estruturadas de sílica pura de 6 anéis de furos de ar ao redor do núcleo. Utilizando o método de gravação ponto-a-ponto e radiação infra-vermelha (IR) do laser CO2 são obtidas redes com resultados condizentes com a literatura, ou seja, redes de período longo com um modo principal de ressonância e perda na transmissão de até 17 dB. Também são detalhadas as caracterizações das redes de período longo quanto à tração mecânica e à temperatura, com o diferencial da repetibilidade de ambos os testes para maior confiabilidade nos resultados. Foram obtidas sensibilidade à tração entre −0, 85 pm/με e −6, 3 pm/με. Obtiveram-se sensibilidades à temperatura iguais a −18, 4 pm/◦ C e −19, 6 pm/◦ C. / In order to contribute to literature in an area where successful results are important in the process of further research in this area, until it can be obtained the necessary reproducibility of the process of writting gratings in micro-structured optical fibers, this work shows positive Bragg and long period gratings written in solid core photonic crystal fibers. The Bragg gratings are written in a 12 rings of holes around the core doped with a small amount of germanium micro-structured fiber. Written process of these gratings is made using ultraviolet excimer laser KrF at 248 nm and phase mask, and are obtained Bragg gratings with ≈ 11 dB reflectivity. Long period gratings, in turn, are written in micro-structured optical fibers made of pure silica 6 rings of air holes around the core. Using the method of point-to-point and infrared radiation CO2 laser are obtained gratings with consistent results within the literature, that is, gratings with a main mode of resonance and transmission loss of up to 17 dB. This work also detailed characterizations of long period gratings on mechanical stress and temperature variation, emphasizing the repeatability of both tests for more reliable results. Sensitivity to mechanical stress were obtained between −0, 85 pm/με and −6, 3 pm/με. More, sensitivities to temperature variation were equal to −18, 4 pm/◦ C and −19, 6 pm/◦ C.

CAPES / O monitoramento em tempo real da água do mar em ambientes críticos, como na entrada de portos e de canais de navegação, é necessário para evitar grandes contaminações do meio ambiente marinho, principalmente em regiões costeiras. A contaminação mais recorrente é por derramamento de hidrocarbonetos. Um indicativo de contaminação por óleo, em tempo real, viabiliza a atuação imediata dos setores responsáveis. Tal medida pode evitar que as impurezas se espalhem por uma área maior, o que torna o processo de limpeza e descontaminação mais rápido e eficaz. Este estudo visa detectar alterações no comportamento físico da água do mar quando existir contaminação por hidrocarbonetos. O parâmetro físico a ser estudado é a variação na curva de transmitância da água do mar, com específicos comprimentos de onda, quando existir contaminação na amostra. A variação da absorção da onda eletromagnética detectada pelo foto sensor pode indicar que a amostra de água esteja contaminada por hidrocarbonetos. O equipamento base para a tomada de dados das curvas de transmitância é o espectrofotômetro, que tem como característica a capacidade de realizar uma varredura em uma faixa de comprimento de onda eletromagnética compreendida entre 190 nm a 1100 nm. A avaliação dos resultados é feita utilizando uma placa de aquisição do espectro de um LED de 400 nm. Dois métodos foram realizados utilizando a mesma fonte de radiação, o primeiro com incidência horizontal da luz na amostra de água (próximo à superfície) e o segundo com incidência vertical, submetendo a radiação à absorção causada pela coluna de água e contaminante (gasolina e querosene). Os resultados obtidos neste trabalho apresentam uma queda bem significativa da transmitância em função do aumento da concentração de poluente (hidrocarbonetos) na água, nas faixas mais pertinentes de cada substância, com suas diferentes estruturas moleculares. O ponto do espectro de maior sensibilidade para este hidrocarboneto na medição da transmitância está em 360 nm. Utilizando a lei de Lambert-Beer, foi calculada a correlação exponencial dos pontos obtidos com um determinado comprimento de onda, em 360 nm esta correlação é superior a 99%. O método utilizado e os resultados levantados possibilitam o desenvolvimento e aplicação de um sensor óptico para sensoriamento da água do mar baseado na variação da absorção da luz em função do aumento da concentração de contaminantes (hidrocarbonetos), e a utilização da lei de Lambert-Beer para estimar a concentração deste produto na água. / The real time monitoring of seawater in critical environments such as ports entrances and navigation channels is needed in order to avoid major contaminations of the marine environment especially in coastal regions. The most recurrent contamination is hydrocarbon spills. A real time contamination indicator enables immediate action from the responsible sectors. Such measurement might prevent impurities from spreading into a greater area, resulting in faster and more effective cleaning and decontamination process. This study aims to detect changes in the physical behavior of the sea water when hydrocarbon contamination exists. The physical parameter under study is the variation in the transmittance curve of seawater, with specific wavelengths, when there is contamination in the sample. The absorption variation of the electromagnetic wave detected by the photo sensor can indicate that the water sample is contaminated by hydrocarbons. The base equipment for collecting data from the transmittance curves is the spectrophotometer, which is able to perform a scan on an electromagnetic wavelength range between 190 nm to 1100 nm. Two methods were performed using the same radiation source, the first one with horizontal light incidence into the water sample (near-surface) and the second one with vertical incidence, subjecting radiation to absorption caused by the water column and contaminant (gasoline and kerosene). The results obtained in this study show a significant decrease of transmittance in function of the increase in concentration of pollutant (hydrocarbon) in the water, in the more relevant ranges of each substance, with their different molecular structures. The hydrocarbon used in the evaluation of both methods validation was gasoline. The spectrum point of greater sensitivity in measuring the hydrocarbon transmittance is in 360 nm. Using the Lambert-Beer law it was calculated exponential correlation of points obtained with a specific wavelength, in 360 nm this correlation is greater than 99%. The method and results raised enabled the development and application of an optical sensor for sensing seawater according to the variation of light absorption in function of the increasing contaminants concentration (hydrocarbons), and using the Lambert-Beer law to estimating the concentration of product in water.