Submitted by camilla martins (camillasmmartins@gmail.com) on 2017-03-03T16:04:54Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Tese_DesenvolvimentoSensoresBaseados.pdf: 3584170 bytes, checksum: 9932ae5ca17a12978527ca0f83b74971 (MD5) / Approved for entry into archive by Edisangela Bastos (edisangela@ufpa.br) on 2017-03-07T11:41:22Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Tese_DesenvolvimentoSensoresBaseados.pdf: 3584170 bytes, checksum: 9932ae5ca17a12978527ca0f83b74971 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-03-07T11:41:22Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Tese_DesenvolvimentoSensoresBaseados.pdf: 3584170 bytes, checksum: 9932ae5ca17a12978527ca0f83b74971 (MD5) Previous issue date: 2016-04-01 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / A investigação e o desenvolvimento de sistemas para a medição de parâmetros físicos e mecânicos de integridade estrutural, pode permitir a prévia detecção de colapsos, processos de deterioração e outros fatores naturais e/ou provocados pelo homem. Nesse caso, a medida desses parâmetros em tempo real é crucial para a identificação, localização e quantificação de danos, e também para melhorar a manutenção e segurança dessas estruturas. Medições de curvatura e vibração são importantes para o monitoramento estrutural devido a sua relação com as respostas dinâmicas de estruturas de engenharia. Nessa tese, estruturas de descasamento de diâmetro de núcleo são propostas e experimentalmente investigadas para sensoriamento de curvatura e vibração. Entre as análises, duas configurações exibiram um melhor desempenho, uma abordagem usa uma estrutura formada pela emenda de uma pequena seção de fibra multimodo não revestida entre duas fibras monomodo padrão (SMS), combinada com um espelho óptico em fibra na sua extremidade, e a outra abordagem é formada pelo sanduíche de uma seção de fibra monomodo entre duas pequenas seções de fibra multimodo, emendadas entre duas fibras monomodo padrão (SMSMS). O dispositivo SMS é analisado através de medidas experimentais e simulações numéricas. Na análise experimental de curvatura, o sensor SMS proposto gera padrões de interferência destrutiva e aumenta a perda óptica se é curvado, variando somente a atenuação do sinal óptico sem variação do comprimento de onda. A modelagem numérica é feita com o método de propagação de feixe por diferenças finitas através da utilização do software BeamProp 9.0 da empresa RSoft. O sensor SMSMS possui duas seções MMF que agem como acoplador e reacoplador de modos de núcleo-casca, e a seção SMF ao meio atua como o “braço” de interferência. Assim os modos da casca que se propagam na seção SMF do meio tornam-se sensíveis às frequências aplicadas. Este dispositivo foi analisado experimentalmente como sensor de vibração e provou ser adequado para monitorar frequências tão baixas como 0.1 Hz. As configurações de sensores propostos apresentam várias características interessantes, tais como fácil fabricação, baixo custo, alta eficiência e alta sensibilidade. Embora o processo de fabricação das estruturas não seja muito preciso, o que afeta sua reprodutibilidade, esses sensores são muito úteis numa vasta variedade de aplicações, tais como monitoramento de integridade estrutural. / The research and development of systems for measuring physical and mechanical parameters of structural health, allows the early detection of collapses, deterioration process and other natural and / or caused by man factors. In this case, real-time measurements of these parameters are crucial for identification, localization and quantification of damages, and also improve the maintenance and safety of such structures. Curvature and vibration measurements are important to structural monitoring due to their relationship with the dynamic responses of engineering structures. In this thesis, core diameter mismatch structures are proposed and experimentally investigated for curvature and vibration sensing. Among the analyzes, two settings exhibited improved performance, one approach uses a structure formed by splicing an uncoated short section of multimode fiber between two standard single mode fibers (SMS), combined to an optical fiber mirror at its end, and the other approach is made by the sandwich of one single mode fiber section between two short multimode fiber sections, spliced between two standard single mode fibers (SMSMS). The SMS device is analyzed through experimental measurements and numerical simulations. In the curvature analysis, the proposed SMS sensor generates destructive interference patterns whether it is bent, varying only the attenuation of the optical signal without wavelength shifts. Numerical modeling is performed using the finite difference beam propagation method by means of the BeamProp 9.0 software of Rsoft™ company. In the experimental vibration analysis, the SMSMS sensor is formed by two MMF sections that act as coupler and re-coupler of core-cladding modes, and the SMF section in the middle acts as the "arm" of interference. So the cladding modes that propagate in the SMF middle section become sensitive to the applied frequencies. The SMSMS vibration sensor proved to be suitable to monitor very low frequencies such as 0.1 Hz. The proposed sensors configurations present several interesting features, such as easy fabrication, low-cost, high-efficiency, and high sensitivity. Although the manufacturing process of the structures is not very precise, which affects its reproducibility, such sensors very useful in a wide range of applications, such as structural health monitoring.

Este trabalho apresenta resultados de processos pré-tratamento da fibra ótica e/ou pós-tratamento das redes de Bragg, com o objetivo de estabilizar e garantir a operação dessas redes por períodos longos, em temperaturas da ordem de 300°C a 800°C. Resultados do crescimento das redes em fibra ótica padrão G-652 com diâmetro nominal e em tapers, além de fibras óticas pré-aquecidas em chama butano-propano, mostraram aumento da eficiência da gravação pela redução do diâmetro ou aquecimento prévio da fibra. Redes fortes, supostamente de tipo IIA, produzidas em fibra G-652 não hidrogenada, apresentaram estimativas de sobrevida de 17000 horas operando a 400 °C e de 3000 horas operando em 600°C. As redes regeneradas produzidas em fibra G-652 hidrogenada e em fibras fotossensíveis mostraram eficiência de regeneração proporcional ao comprimento e ao nível de saturação da rede semente. Redes regeneradas apresentaram estimativa de sobrevida de aproximadamente 5600 horas a 600 °C e não houve sobrevida por longos períodos de tempo operando em temperaturas iguais ou superiores à da regeneração. São mostrados ciclos de tratamento térmico pra a estabilização das redes IIA. Resultados para sensibilidade térmica das redes mostraram não haver histerese em ciclo aquecimento-resfriamento. Uma solução para encapsulamento da rede através do uso de tubo cerâmico de alumina mostrou-se satisfatória nas regiões de temperatura mencionadas, sem redução no desempenho. / This work presents results regarding pré-treatment optical fibers and / or post-treatment of Bragg gratings in order to stabilize and ensure the operational of such gratings for long periods at temperatures form 300 °C to 800 °C. Results of the growth of fiber optic gratings in standard G-652 with nominal diameter and in fiber tapers, as well as gratings recorded in optical fibers preheated by propane-butane flame, showed increased efficiency in the recording, related to the shrinking of the fiber diameter or to the pre-heating. Strong gratings, presumably of type IIA produced in non-hydrogenated G-652 fibers, showed expected survival time of approximately 17000 hours operating at 400 ºC and 3000 hours operating at 600 °C. The regenerated Bragg gratings produced on G-652 hydrogenated fiber and on photosensitive fibers showed regeneration efficiency proportional to the length and saturation of the seed grating. Regenerated Bragg gratings presented expected survival time of about 5600 hours at 600 °C and no survival for long duration intervals when operating at temperatures equal or above the regeneration temperature. Heat treatment cycles to stabilize IIA gratings are described. Results for thermal sensitivity of the Bragg gratings showed no hysteresis in heating-cooling cycle. A solution for encapsulation of the Bragg gratings through the use of alumina ceramic tube was satisfactory tested in the regions mentioned temperature, showing no degradation in performance.

Este trabalho apresenta a implementação do sistema de gravação de redes de período longo, através da técnica de incidência lateral de radiação ultravioleta ponto-a-ponto, no Laboratório de Laser da UTFPR. Foram escritas redes em fibras óticas com o uso de um laser de Nd:YAG operando em 266 nm. A evolução espectral das redes foi analisada tanto durante o processo de escrita quanto após o seu término, ao longo de intervalos que variaram de 1 a 595 horas. Essas redes foram submetidas a várias caracterizações com vistas à sua aplicação no sensoriamento de parâmetros físico-químicos. Na avaliação da sensibilidade ao índice de refração do meio externo às redes, foram utilizados fluidos com índices de refração entre 1,0000 e 1,4315. Registraram-se alterações na sensibilidade térmica de valores negativos para positivos, para variações de temperatura de até 24°C, com mudanças de comportamentos lineares para não lineares, dependendo do índice de refração do meio. No ensaio para caracterização da resposta às deformações longitudinais a rede analisada demonstrou-se pouco sensível, com um valor obtido de sensibilidade de -0,19 ± 0,15 pm/µe na faixa de 0 a 125 µe. Foram feitos testes da caracterização térmica desses dispositivos, utilizando um elemento Peltier e um forno de laboratório. Com o uso do elemento Peltier as redes de período longo passaram por ciclos de aquecimento e resfriamento compreendidos entre -1,5°C e 61,1°C. Já no forno de laboratório, as redes chegaram a ser submetidas a temperaturas que variaram de 25°C a 1200°C sem serem completamente apagadas. Uma das questões experimentais mais determinantes foi a investigação da estabilização térmica das redes. Para tanto foram testados e comparados dois diferentes processos de estabilização. O primeiro consistiu em submeter a rede a ciclos de recozimento seguidos de resfriamento lento e o segundo a ciclos de recozimento seguidos de resfriamento brusco, nos quais a máxima temperatura atingida pelas redes foi de 425°C. O segundo método demonstrou-se mais eficaz para o propósito de estabilização térmica. A rede estabilizada mostrou uma sensibilizada térmica não linear que variou de -0,044 nm/°C quando aquecida de 20°C a 300°C. Em função das características assimétricas inerentes ao processo empregado para escrita das redes, foram realizados ensaios para verificar a viabilidade da utilização desses dispositivos como transdutores para medição de curvatura em diferentes direções, com emprego de redes neurais artificiais para análise desses dados. / This work shows the implementation of a writing system for long-period gratings production, by using a side point-by-point ilumination with ultraviolet light, at Laser Laboratory in UTFPR. Gratings were written in optical fibers with a Nd: YAG laser operating at 266 nm. The spectral evolution of gratings was analyzed both during and after the writing process, along time intervals from 1 to 595 hours. The gratings were submitted to several characterizations aiming its application in physicochemical parameters sensing. For the assessment of gratings sensitivity to the external medium refractive index, fluid samples with refractice indices ranging from 1,0000 to 1.4315 were used. Changes of thermal sensitivity from negative do positive values were quantified, for temperature variations up to 24°C, with behaviours transitioning from linear to nonlinear, depending on the refractive index of external medium. For the studies of sensitivities of longitudinal strain, the analyzed grating showed a low sensitivity value of -0,19±0,15 pm/µe in the range between 0 to 125 µe. A thermal characterization of the produced devices was carried out with a thermo element Peltier and with a laboratory furnace. For the Peltier the gratings were submitted to thermal cycles from -1,5°C to 61.1°C. For the furnace the gratings were exposed to temperatures between 25°C a 1200°C without completely erased. An experimental issue was the investigation about the thermal stabilization of gratings. Two different processes to reach the thermal stabilization were studied: annealing and quenching. The former consisted of annealing cycles with slow cooling whereas the later comprised of thermal cycles with sudden cooling from a maximum temperature of 425°C, the second one revealing to be more efficient to reach the thermal stabilization. The stabilized grating showed a non-linear thermal sensitivity ranging from -0,044 nm/°C within the temperature range from 20°C to 300°C. Owing to the inherent asymmetric characteristics of the process employed to record the gratings, the viability of using such devices as transducers for curvature sensing in different directions was studied, employing artificial neural networks to analyze the data.

Este trabalho apresenta resultados de processos pré-tratamento da fibra ótica e/ou pós-tratamento das redes de Bragg, com o objetivo de estabilizar e garantir a operação dessas redes por períodos longos, em temperaturas da ordem de 300°C a 800°C. Resultados do crescimento das redes em fibra ótica padrão G-652 com diâmetro nominal e em tapers, além de fibras óticas pré-aquecidas em chama butano-propano, mostraram aumento da eficiência da gravação pela redução do diâmetro ou aquecimento prévio da fibra. Redes fortes, supostamente de tipo IIA, produzidas em fibra G-652 não hidrogenada, apresentaram estimativas de sobrevida de 17000 horas operando a 400 °C e de 3000 horas operando em 600°C. As redes regeneradas produzidas em fibra G-652 hidrogenada e em fibras fotossensíveis mostraram eficiência de regeneração proporcional ao comprimento e ao nível de saturação da rede semente. Redes regeneradas apresentaram estimativa de sobrevida de aproximadamente 5600 horas a 600 °C e não houve sobrevida por longos períodos de tempo operando em temperaturas iguais ou superiores à da regeneração. São mostrados ciclos de tratamento térmico pra a estabilização das redes IIA. Resultados para sensibilidade térmica das redes mostraram não haver histerese em ciclo aquecimento-resfriamento. Uma solução para encapsulamento da rede através do uso de tubo cerâmico de alumina mostrou-se satisfatória nas regiões de temperatura mencionadas, sem redução no desempenho. / This work presents results regarding pré-treatment optical fibers and / or post-treatment of Bragg gratings in order to stabilize and ensure the operational of such gratings for long periods at temperatures form 300 °C to 800 °C. Results of the growth of fiber optic gratings in standard G-652 with nominal diameter and in fiber tapers, as well as gratings recorded in optical fibers preheated by propane-butane flame, showed increased efficiency in the recording, related to the shrinking of the fiber diameter or to the pre-heating. Strong gratings, presumably of type IIA produced in non-hydrogenated G-652 fibers, showed expected survival time of approximately 17000 hours operating at 400 ºC and 3000 hours operating at 600 °C. The regenerated Bragg gratings produced on G-652 hydrogenated fiber and on photosensitive fibers showed regeneration efficiency proportional to the length and saturation of the seed grating. Regenerated Bragg gratings presented expected survival time of about 5600 hours at 600 °C and no survival for long duration intervals when operating at temperatures equal or above the regeneration temperature. Heat treatment cycles to stabilize IIA gratings are described. Results for thermal sensitivity of the Bragg gratings showed no hysteresis in heating-cooling cycle. A solution for encapsulation of the Bragg gratings through the use of alumina ceramic tube was satisfactory tested in the regions mentioned temperature, showing no degradation in performance.

Este trabalho apresenta a implementação do sistema de gravação de redes de período longo, através da técnica de incidência lateral de radiação ultravioleta ponto-a-ponto, no Laboratório de Laser da UTFPR. Foram escritas redes em fibras óticas com o uso de um laser de Nd:YAG operando em 266 nm. A evolução espectral das redes foi analisada tanto durante o processo de escrita quanto após o seu término, ao longo de intervalos que variaram de 1 a 595 horas. Essas redes foram submetidas a várias caracterizações com vistas à sua aplicação no sensoriamento de parâmetros físico-químicos. Na avaliação da sensibilidade ao índice de refração do meio externo às redes, foram utilizados fluidos com índices de refração entre 1,0000 e 1,4315. Registraram-se alterações na sensibilidade térmica de valores negativos para positivos, para variações de temperatura de até 24°C, com mudanças de comportamentos lineares para não lineares, dependendo do índice de refração do meio. No ensaio para caracterização da resposta às deformações longitudinais a rede analisada demonstrou-se pouco sensível, com um valor obtido de sensibilidade de -0,19 ± 0,15 pm/µe na faixa de 0 a 125 µe. Foram feitos testes da caracterização térmica desses dispositivos, utilizando um elemento Peltier e um forno de laboratório. Com o uso do elemento Peltier as redes de período longo passaram por ciclos de aquecimento e resfriamento compreendidos entre -1,5°C e 61,1°C. Já no forno de laboratório, as redes chegaram a ser submetidas a temperaturas que variaram de 25°C a 1200°C sem serem completamente apagadas. Uma das questões experimentais mais determinantes foi a investigação da estabilização térmica das redes. Para tanto foram testados e comparados dois diferentes processos de estabilização. O primeiro consistiu em submeter a rede a ciclos de recozimento seguidos de resfriamento lento e o segundo a ciclos de recozimento seguidos de resfriamento brusco, nos quais a máxima temperatura atingida pelas redes foi de 425°C. O segundo método demonstrou-se mais eficaz para o propósito de estabilização térmica. A rede estabilizada mostrou uma sensibilizada térmica não linear que variou de -0,044 nm/°C quando aquecida de 20°C a 300°C. Em função das características assimétricas inerentes ao processo empregado para escrita das redes, foram realizados ensaios para verificar a viabilidade da utilização desses dispositivos como transdutores para medição de curvatura em diferentes direções, com emprego de redes neurais artificiais para análise desses dados. / This work shows the implementation of a writing system for long-period gratings production, by using a side point-by-point ilumination with ultraviolet light, at Laser Laboratory in UTFPR. Gratings were written in optical fibers with a Nd: YAG laser operating at 266 nm. The spectral evolution of gratings was analyzed both during and after the writing process, along time intervals from 1 to 595 hours. The gratings were submitted to several characterizations aiming its application in physicochemical parameters sensing. For the assessment of gratings sensitivity to the external medium refractive index, fluid samples with refractice indices ranging from 1,0000 to 1.4315 were used. Changes of thermal sensitivity from negative do positive values were quantified, for temperature variations up to 24°C, with behaviours transitioning from linear to nonlinear, depending on the refractive index of external medium. For the studies of sensitivities of longitudinal strain, the analyzed grating showed a low sensitivity value of -0,19±0,15 pm/µe in the range between 0 to 125 µe. A thermal characterization of the produced devices was carried out with a thermo element Peltier and with a laboratory furnace. For the Peltier the gratings were submitted to thermal cycles from -1,5°C to 61.1°C. For the furnace the gratings were exposed to temperatures between 25°C a 1200°C without completely erased. An experimental issue was the investigation about the thermal stabilization of gratings. Two different processes to reach the thermal stabilization were studied: annealing and quenching. The former consisted of annealing cycles with slow cooling whereas the later comprised of thermal cycles with sudden cooling from a maximum temperature of 425°C, the second one revealing to be more efficient to reach the thermal stabilization. The stabilized grating showed a non-linear thermal sensitivity ranging from -0,044 nm/°C within the temperature range from 20°C to 300°C. Owing to the inherent asymmetric characteristics of the process employed to record the gratings, the viability of using such devices as transducers for curvature sensing in different directions was studied, employing artificial neural networks to analyze the data.

Submitted by Hellen Luz (hellencrisluz@gmail.com) on 2017-07-03T18:44:46Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Tese_CaracterizacaoDesenvolvimentoSensores.pdf: 4867708 bytes, checksum: 9c430ec1e788fb2f788ed5f2dee7409f (MD5) / Approved for entry into archive by Irvana Coutinho (irvana@ufpa.br) on 2017-08-09T14:38:21Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Tese_CaracterizacaoDesenvolvimentoSensores.pdf: 4867708 bytes, checksum: 9c430ec1e788fb2f788ed5f2dee7409f (MD5) / Made available in DSpace on 2017-08-09T14:38:21Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Tese_CaracterizacaoDesenvolvimentoSensores.pdf: 4867708 bytes, checksum: 9c430ec1e788fb2f788ed5f2dee7409f (MD5) Previous issue date: 2017-04-03 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Esta tese, intitulada “Caracterização e desenvolvimento de sensores ópticos de corrente elétrica para aplicações em linhas de alta tensão” foi desenvolvida no âmbito de um programa de doutorado em Engenharia Elétrica. Foram implementados e caracterizados sensores de corrente magneto-óptico, para aplicações de medição e proteção em sistemas de alta potência, nomeadamente, prisma sensor e sensor com fibra de cristal fotônico (PCF). Ambos, são baseados no efeito Faraday, utilizando uma configuração polarimétrica em dupla quadratura. Este trabalho foi, então, dividido, em dois momentos. No primeiro, um prisma sensor, constituído de uma cabeça sensora portátil para ancoragem na linha de transmissão foi desenvolvido, em Portugal, para uma aplicação industrial. Neste caso, no protótipo do prisma sensor foi utilizado um prisma de vidro Schott SF57 de 8cm de comprimento com alta constante de Verdet e baixa birrefringência. Ele foi incorporado em um invólucro de Nylon adequado para aplicações de fixação na linha de alimentação. A operação do sensor é caracterizada e comparada usando Diodos Super Luminescentes (SLD) distintos como fontes ópticas, com emissão a 650, 830 e 1550 nm. O sensor demonstrou precisão de classe 1, para correntes nominais iguais ou superiores a 900 ARMS e classes 0,1 e 0,2 para correntes nominais de 1,2 kARMS e 0,3 kARMS, respectivamente, e a possibilidade de detectar impulsos na rede abaixo dos 10 μs. Em um segundo momento, outra configuração envolveu o uso de fibras ópticas como elemento transdutor, empregando, fibras torcidas altamente birrefringente com 4,5, 6, 9, e 11 rotações por segundo, desenvolvidas pelo grupo do Laboratório de Fibras Especiais & Materiais Fotônico – LaFE, do Instituto de Física Gleb Wataghin da UNICAMP, no Brasil. Em particular, estas fibras foram testadas enrolando-as em torno de um condutor elétrico utilizando três tamanhos de enrolamento de 6, 12 e 18 cm de diâmetros com diferentes voltas, com correntes de até 800 ARMS usando uma fonte SLD a 650 nm. Parâmetros, tais como a sensibilidade e a linearidade do sensor, foram investigados. Uma simulação também foi realizada para analisar quantitavamente o valor da sensibilidade das fibras com relação ao número de voltas e com relação ao diâmetro do suporte, no qual foi concluído que deve haver um compromisso entre estes dois parâmetros afim de obter uma melhor resposta no sinal de saída do sensor. / This thesis, titled "Characterization and development of electric sensors for electrical applications in high voltage lines" was developed in a PhD program in Electrical Engineering. Fix the devices and characterized the magneto-optical current sensors for measurement applications and protection in high power systems, namely, prism sensor and photonic glass fiber (PCF) sensor. Both are based on the Faraday effect, using a double quadrature polarimetric configuration. This work was then divided in two moments. In the first, a prism sensor, consisting of a portable sensor head for anchoring in the transmission line was developed, in Portugal, for an industrial application. In this case, no prism sensor prototype was used in a Schott SF57 glass prism 8cm in length with high Verdet constant and low birefringence. It has been incorporated into a Nylon casing suitable for fastening applications in the power line. The operation of the sensor is characterized and compared using Super Luminescent Diodes (SLD) as a source of 650, 830 and 1550 nm. Class 1 precision sensor for nominal currents of 900 ARMS or higher and classes 0,1 and 0,2 for nominal currents of 1,2 kARMS and 0,3 kARMS, respectively, and the possibility of detecting impulses in the network of 10 Μs. Second, another type of wrapping, the use of optical fibers as a transition element, using highly rotated fibers at 4, 6, 9, and 11 revolutions per second, developed by the group of the Laboratory of Special Fibers and Photonic Materials - LaFE, from the Institute of Physics Gleb Wataghin of UNICAMP, Brazil. In particular, these lines were tested as a whole on an electric conductor using three winding sizes of 6, 12 and 18 cm in diameters with different turns, with currents of up to 800 ARMS using an SLD source at 650 nm. Parameters, such as sensitivity and linearity of the sensor, were investigated. A symbolic analysis was also performed to quantitatively analyze the fiber sensitivity value with respect to the number of turns and with respect to the diameter of the support, there is no conclusion that there is a compromise between these two parameters in order to obtain a better response in the signal of sensor output.