Made available in DSpace on 2014-06-11T19:22:36Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2004-12-17Bitstream added on 2014-06-13T20:49:19Z : No. of bitstreams: 1 leao_jvf_me_ilha.pdf: 2355735 bytes, checksum: 892549143f3702d8c0d936cc62e545a5 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Os atuadores piezoelétricos convertem energia da forma elétrica para a forma mecânica. Tais dispositivos são amplamente utilizados em sistemas de ajuste de posição que exigem elevada resolução como, por exemplo, em microscopia de varredura, estágios de translação de espelhos, cabeças magnéticas de disco rígido, cancelamento de vibrações em mecânica de precisão, manipulação celular em biologia, etc. Neste trabalho, um atuador piezoelétrico flextensional, projetado pelo Grupo de Sensores e Atuadores da EPUSP / Mecatrônica empregando o método de otimização topológica, é caracterizado experimentalmente através de medições de deslocamentos nanométricos, utilizando-se um interferômetro de Michelson homódino em malha aberta. O princípio básico do interferômetro de Michelson é que um estímulo aplicado ao braço sensor induz um deslocamento de fase em relação ao braço de referência. Ambos os feixes são superpostos paralelamente no espaço, e a intensidade óptica resultante é convertida para uma tensão elétrica utilizando-se um fotodiodo, o qual é processada para obter um sinal proporcional ao estímulo. No presente trabalho, a demodulação do sinal é realizada aplicando-se três métodos diferentes: o de baixo índice de modulação, 1 3 J / J passivo e a técnica de contagem de franjas. Idealmente, o termo de polarização de fase no interferômetro deveria permanecer constante, contudo, na prática, ocorrem problemas de desvanecimento, ou seja, flutuações ao longo de ampla faixa e durante breves períodos de tempo, devido a deriva aleatória induzida por perturbações ambientais. Com isso, a aplicação de uma quarta técnica, denominada 1 4 J....J , proporciona uma medição linear do deslocamento de fase dinâmico no interferômetro homódino, independentemente das derivas de fase aleatórias devido... . / Piezoelectric actuators can convert electrical energy to mechanical form. These devices are widely used in positioning systems which demand high resolution, such as scanning microscopy, fast mirror scanners, disk drive magnetic head, microelectronic microlithography, vibration cancellation in precision mechanics technology, cell manipulation for biology applications, and others. In the present work a flextensional piezoactuator designed by the Group of Sensor and Actuators of the EPUSP/Mechatronics, using the topology optimization method, is experimentally characterized by the measurement of its nanometric displacements using an open loop homodine Michelson interferometer. The basic principle in the Michelson interferometer is that an applied stimulus in one of its arm (the sensor arm) induces a phase shift relative to the other arm (the reference arm). Both beams are parallel superposed in space, and the resulting optical intensity is converted to electrical form by a photodiode, which is then processed to obtain a signal proportional to the stimulus. In the present work, the demodulation of this signal is realized by applying three different methods: low-index phase modulation, the passive 1 3 J / J , and the fringe counting techniques. Ideally, the bias phase term in the interferometer should remain constant, but in practice it suffers from fading, that is, it can fluctuate in a wide range and during brief periods of time due to random drifts, induced by environment perturbations. So the application of a fourth technique, the 1 4 J ....J method provides a linear, self-consistent and direct readout of the dynamic phase shift in the homodine interferometer, irrespective of random phase drifts due to ambient temperature and pressure fluctuations, source instabilities, and changes in visibility. Generally, the flextensional actuator is designed... (Complete abstract, click electronic address below).

Orientador: Cláudio Kitano / Abstract: Interferometers are extremely sensitive measurement devices, which use the principle of interference between two or more sources of light to generate a pattern of constructive and destructive interference. This pattern contains information about the physical phenomenon under study, and their light intensity can be used to calculate the optical path difference traveled by the two beams. The optical path difference and light intensity relationship is given by a cosine type function. Large disturbances can change the interferometer operation point, reaching nonlinear regions of the interferometric curve and even inducing ambiguities due to the periodicity of the input/output relationship. The present work concerns with the modeling, development and application of a control strategy based on sliding mode control, in a two-beam quadrature interferometer. It was used the high gain approach, which consists in to fully compensate the phase shifts induced on the sensor arm with the control system, in such a way that the voltage control signal becomes proportional to the phase disturbances. Therefore, the demodulation process does not require phase unwrapping algorithms. This implemented system showed capability to improve dynamic range and bandwidth when compared with other control systems in literature that were based on different high gain approach topologies. Also a new method of interferometric phase demodulation is proposed allying this control strategy to a virtual emulated inte... (Complete abstract click electronic access below) / Resumo: Interferômetros são dispositivos de medição extremamente sensíveis, os quais utilizam o princípio de interferência entre duas ou mais fontes de luz para gerar um padrão de interferência construtiva e destrutiva. Este padrão contém informação sobre os fenômenos físicos sob estudo, e sua intensidade luminosa pode ser usada para calcular a diferença de caminho óptico acumulada pelos dois feixes de luz. A diferença de caminho óptico e a intensidade de luz são relacionadas por uma função cossenoidal. Grandes distúrbios podem alterar o ponto de operação do interferômetro, alcançando regiões não lineares da curva característica do interferômetro e até mesmo induzindo ambiguidades, devido à periodicidade da relação entrada/saída. Este trabalho preocupou-se com o modelamento, desenvolvimento e aplicação de uma estratégia de controle baseada em controle com modos deslizantes, em um interferômetro de dois feixes em quadratura. Foi utilizada a abordagem de alto ganho, a qual consiste em utilizar o sistema de controle para compensar completamente os deslocamentos de fase induzidos no braço sensor, de tal forma que o sinal de controle se relaciona com os deslocamentos de fase por uma equação de reta. Portanto o processo de demodulação não necessita de algoritmos de desdobramento de fase. O sistema implementado mostrou capacidade de melhorar a faixa dinâmica e largura de banda quando comparado com outros sistemas de controle na literatura, também baseados na abordagem de alto ganho. Destaca... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Doutor

Orientador: Cláudio Kitano / Resumo: Este trabalho apresenta um estudo teórico e experimental de um sistema de controle não linear baseado em estrutura variável e modos deslizantes desenvolvido para interferômetro de dois feixes. O sistema proposto apresenta alta precisão, robustez e, além disso, é simples e de baixo custo, aumentando a capacidade de medição para diferentes aplicações de sensores interferométricos. Comparado a outras técnicas de controle aplicadas a interferometria óptica, esta técnica apresenta importantes vantagens e leva em consideração a característica não linear do interferometro, aumentando seu poder de medição. Consequentemente, um circuito de reset não é necessário, o interferometro pode trabalhar em ambientes com grandes perturbações, a montagem e ajuste dos parâmetros é mais simples (fácil implementação), com simples configuração e custo efetivo, atingindo alta robustez e acurácia. Comparado as técnicas de demodulação baseado no espectro do sinal (J1..J4), o sistema proposto tem faixa dinâmica e resolução maiores, podendo medir atraso no tempo e operar com formas de onda arbitrárias. Além disso, aperfeiçoa os métodos de demodulação temporais aumentando a precisão para sinais de baixa amplitude, mantendo a condição de quadratura (ponto máximo de sensibilidade) e, portanto, elimina o efeito do desvanecimento do sinal, mesmo diante de grandes perturbações ao redor do sistema como, vibrações, variações de temperatura e correntes de ar. A estabilidade do sistema linearizado foi estudada atr... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: This work presents the theoretical and experimental study of a nonlinear control system designed for two beam optical interferometry based on variable structure and sliding modes. The proposed system presents high accuracy, robustness and, furthermore, is simple and low cost, increasing the measurement capability for different applications of interferometric sensors. Compared with other control techniques applied in optical interferometry, this control technique presents important features and takes in account the nonlinear characteristic of the interferometer, increasing its measurement capability. Consequently, a reset circuit is not necessary, the interferometer can work in harsh environments, the assembly and adjustment of the parameters is simpler (easy implementation), with simple setup and the effective cost, achieving high robustness and accuracy. Regarding demodulation techniques based on signal spectrum (J1..J4), the proposed system has a higher dynamic range, resolution, can measure time delay and operate with arbitrary signal waveforms. Also, it improves the temporal demodulation methods increasing the accuracy for small amplitude signals, maintaining the quadrature condition (maximum point of sensitivity) and, therefore, eliminates the effect of signal fading, even under strong external disturbances around the interferometer setup such as vibration, temperature variation and air current flow. The stability of the linearized system was studied through the Lyapunov... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

Submitted by Roberta Irma Martin (robertagortan@gmail.com) on 2018-04-10T11:54:24Z No. of bitstreams: 1 Tese_Roberta_Martin_FINAL.pdf: 33647313 bytes, checksum: 7d8c8a7a029acf674e2e269e15cb1251 (MD5) / Approved for entry into archive by Cristina Alexandra de Godoy null (cristina@adm.feis.unesp.br) on 2018-04-10T17:39:20Z (GMT) No. of bitstreams: 1 martin_ri_dr_ilha.pdf: 33647313 bytes, checksum: 7d8c8a7a029acf674e2e269e15cb1251 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-10T17:39:20Z (GMT). No. of bitstreams: 1 martin_ri_dr_ilha.pdf: 33647313 bytes, checksum: 7d8c8a7a029acf674e2e269e15cb1251 (MD5) Previous issue date: 2018-03-21 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Este trabalho apresenta um estudo teórico e experimental de um sistema de controle não linear baseado em estrutura variável e modos deslizantes desenvolvido para interferômetro de dois feixes. O sistema proposto apresenta alta precisão, robustez e, além disso, é simples e de baixo custo, aumentando a capacidade de medição para diferentes aplicações de sensores interferométricos. Comparado a outras técnicas de controle aplicadas a interferometria óptica, esta técnica apresenta importantes vantagens e leva em consideração a característica não linear do interferometro, aumentando seu poder de medição. Consequentemente, um circuito de reset não é necessário, o interferometro pode trabalhar em ambientes com grandes perturbações, a montagem e ajuste dos parâmetros é mais simples (fácil implementação), com simples configuração e custo efetivo, atingindo alta robustez e acurácia. Comparado as técnicas de demodulação baseado no espectro do sinal (J1..J4), o sistema proposto tem faixa dinâmica e resolução maiores, podendo medir atraso no tempo e operar com formas de onda arbitrárias. Além disso, aperfeiçoa os métodos de demodulação temporais aumentando a precisão para sinais de baixa amplitude, mantendo a condição de quadratura (ponto máximo de sensibilidade) e, portanto, elimina o efeito do desvanecimento do sinal, mesmo diante de grandes perturbações ao redor do sistema como, vibrações, variações de temperatura e correntes de ar. A estabilidade do sistema linearizado foi estudada através do método de linearização de Lyapunov e a estabilidade local dos pontos de equilíbrio foram provadas. Através do método do plano de fase, todas as não linearidades do sistema foram consideradas, e provou-se que para qualquer condição inicial, o sistema não linear é estável e converge para o ponto de equilíbrio. Como resultado, o sistema é globalmente assintóticamente estável e não tende a um ciclo limite ou à intabilidade. Finalmente, foi obtido a equação de Lyapunov do sistema não linear considerando a análise do plano de fase, provando novamente a estabilidade do sistema de controle. Portanto, essa abordagem pode compensar o comportamento não linear do interfometro, mantendo-o na condição de quadratura e eliminando o efeito do desvanecimento do sinal para formas de onda arbitrárias, senoidais ou sem sinal de entrada, mesmo diante de grandes perturbações externas. O sistema provou ser eficiente para operações dinâmicas em diferentes aplicações como: caracterização de atuadores piezoelétricos, caracterização da resposta da fibra à temperatura, detecção de ultrassom e detecção de ondas longitudinais geradas por um laser Q-switched em amostras de alumínio e aço, conforme mostrado neste trabalho. A alta robustez oferecida pelo controlador permite que o sistema seja embarcado e opere em ambientes com grandes perturbações como fábricas, trazendo a interferometria para fora do laboratório. / This work presents the theoretical and experimental study of a nonlinear control system designed for two beam optical interferometry based on variable structure and sliding modes. The proposed system presents high accuracy, robustness and, furthermore, is simple and low cost, increasing the measurement capability for different applications of interferometric sensors. Compared with other control techniques applied in optical interferometry, this control technique presents important features and takes in account the nonlinear characteristic of the interferometer, increasing its measurement capability. Consequently, a reset circuit is not necessary, the interferometer can work in harsh environments, the assembly and adjustment of the parameters is simpler (easy implementation), with simple setup and the effective cost, achieving high robustness and accuracy. Regarding demodulation techniques based on signal spectrum (J1..J4), the proposed system has a higher dynamic range, resolution, can measure time delay and operate with arbitrary signal waveforms. Also, it improves the temporal demodulation methods increasing the accuracy for small amplitude signals, maintaining the quadrature condition (maximum point of sensitivity) and, therefore, eliminates the effect of signal fading, even under strong external disturbances around the interferometer setup such as vibration, temperature variation and air current flow. The stability of the linearized system was studied through the Lyapunov’s linearization method and the local stability of the equilibrium points were proved. Through the phase plane method, we considered all the nonlinearities from the system, and we proved that for any initial condition, the nonlinear system is stable and converges to the equilibrium point. As a result, the system is globally asymptotically stable and it does not tend to a limit cycle nor to instability. Finally, we obtained the Lyapunov equation for the nonlinear system taking into account the phase plane analysis, proving the system’s stability. Therefore, this approach can fully compensate the nonlinear behavior of the interferometer, keep it in the quadrature point and suppress the signal fading for arbitrary signal waveforms, sinusoidal signals or zero input signal, even under strong external disturbances. The system proved to be suitable for dynamic operations, in different applications as: characterization of piezoelectric actuators, characterization of fiber response to temperature, ultrasound detection and the detection of longitudinal waves generated by a Q-switched laser on aluminum and steel samples, as shown in this work. The high robustness allows the system to be embedded and to operate in harsh environments such as factories, bringing the interferometry outside the laboratory.

Made available in DSpace on 2014-06-12T18:04:20Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo7747_1.pdf: 5223397 bytes, checksum: 3e431007612ff82c1f4e6038f0175432 (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2006 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / No trabalho descrito nessa tese, utilizamos duas técnicas interferométricas. A refletometria óptica coerente no domínio das freqüências (COFDR, sigla para coherent optical frequency domain reflectometry ) e a tomografia por coerência óptica (TCO), cuja sigla em inglês é OCT para optical coherence tomography , ambas baseadas no interferômetro de Michelson. Essas técnicas foram utilizadas para aplicações em comunicações ópticas e na geração de imagens médicas e odontológicas. Faremos uma descrição geral sobre as técnicas de interferometria óptica. Discorremos um pouco sobre o desenvolvimento da interferometria na história da ciência e sobre alguns interferômetros e suas aplicações principais. As diferentes fontes de luz que podem ser utilizadas também serão discutidas. Descreveremos os princípios da técnica de COFDR e sua aplicação em comunicações ópticas, especialmente na caracterização de amplificadores ópticos. Iremos também descrever sobre o amplificador baseado em fibra dopada com túlio (AFDT) que foi desenvolvido em nossos laboratórios e as diferentes formas de bombeamento que podem ser empregadas. Mostraremos como a técnica de COFDR é eficiente, não só para otimizar o comprimento da fibra dos amplificadores, mas também como uma ferramenta importante na análise da dinâmica dos processos de bombeamento, sem que, para isso, a fibra tenha sido cortada. Juntamente com outras técnicas, o AFDT desenvolvido foi totalmente caracterizado e um protótipo desenvolvido. A partir deste ponto, será dada ênfase à tomografia por coerência óptica. Inicialmente descrevemos sobre a técnica de TCO, suas características básicas e algumas das suas principais aplicações. Também falaremos sobre a aplicação da tomografia óptica na odontologia, área que vem crescendo bastante e cada vez mais se utilizando de recursos ópticos para melhoria e precisão dos tratamentos e dos diagnósticos. Iremos mostrar os resultados obtidos em dois experimentos onde essa técnica é empregada: na caracterização de fendas em restaurações dentárias com amálgama e resina composta; e no teste da viabilidade do uso dessa técnica para acesso a informações da polpa do dente de ratos. Mostraremos como é possível construir imagens tomográficas dessa estrutura dos tecidos biológicos, no nosso caso dos dentes, de forma não invasiva e sem causar nenhum dano (não é necessária a remoção do tecido, a análise pode ser feita in situ). Também será demonstrado como a técnica de TCO é sensível para a visualização da estrutura interna das amostras. Iremos descrever sobre uma variação muito importante na técnica de TCO, a detecção no domínio de Fourier. Descreveremos sobre experimentos dos quais participei durante meu doutorado sanduíche no M.I.T., sob a orientação do professor James Fujimoto, pioneiro no desenvolvimento dessa técnica. Descreveremos sobre as duas variações da TCO no domínio de Fourier, a tomografia por coerência óptica espectral (spectral OCT ou SOCT) e a tomografia por coerência óptica com a fonte com comprimento de onda variável (swept source OCT), este último é similar ao COFDR aplicado par geração de imagens tomográficas. Iremos descrever dois experimentos usando TCO espectral realizados no M.I.T. e com aplicações diretas na medicina, mais especificamente na oftalmologia. O primeiro experimento foi o desenvolvimento de um equipamento clínico utilizado para gerar imagens da retina humana e colocado em uma clínica oftalmológica, onde pacientes poderiam ter a sua retina observada. Apresentaremos alguns resultados, imagens de olhos normais e com patologias, mostrando a qualidade das imagens geradas por esse dispositivo. No segundo experimento, foi realizado o desenvolvimento de um instrumento para gerar imagens da retina de ratos e camundongos in vivo. O objetivo final desse equipamento é ser capaz de identificar pequenas mudanças na morfologia da retina desses animais, modelos para algumas doenças humanas da retina. Apresentaremos as vantagens dessa forma de detecção, comparada a TCO no domínio temporal, com relação à velocidade e sensitividade. Por ultimo, faremos uma revisão dos trabalhos realizados, a partir do qual chegamos às nossas conclusões. Falaremos sobre a importância dessas duas técnicas, COFDR e TCO, em cada uma das áreas em que são aplicadas e como esse trabalho poderá ser continuado. Essa tese teve como objetivo maior mostrar como técnicas de interferometria baseadas em dispositivos desenvolvidos há mais de um século continuam atuais e que cada vem mais têm ganhado importante papel em várias áreas do conhecimento. A ciência, em especial a óptica, tem se tornado cada vez mais aplicada. Experimentos desenvolvidos nos laboratórios têm se transformado em equipamentos comerciais cada vez mais rapidamente e é preciso acompanhar esse ritmo. Projetos multidisciplinares e a associação da universidade com a indústria são os caminhos corretos para manter a ciência atual e produtiva

Orientador: Cláudio Kitano / Resumo: Nesta dissertação de mestrado é apresentado um vibrômetro para a medição de deslocamentos nanométricos. O vibrômetro proposto está baseado em um interferômetro de Michelson modificado, homódino e em malha fechada. A demodulação em tempo real é executada inteiramente em modo digital, utilizando uma plataforma embarcada que realiza a aquisição de dados, processamento dos sinais, controle PI (proporcional-integral) e a geração dos sinais que acionam o modulador de fase óptica (baseado em uma célula Pockels) e o atuador piezoelétrico sob estudo. Dois sinais em quadratura de fase são obtidos a partir de um único sinal interferométrico utilizando uma tensão de modulação principal e, em seguida, a conhecida técnica de multiplicação cruzada é aplicada para calcular a variação da fase óptica de interesse. A condição de quadratura é atingida pelo próprio controlador PI por meio da análise da figura de Lissajous dos sinais fora de fase. O novo vibrômetro óptico é capaz de medir deslocamentos nanométricos, e é simples, barato, exato, imune ao desvanecimento e auto-consistente. O controlador PI é robusto, uma vez que o método de demodulação é capaz de trabalhar com elevado ruído eletrônico, variações indesejáveis no ganho do amplificador e na tensão de meia-onda da célula Pockels com a temperatura e outras perturbações externas. O novo sistema foi utilizado para determinar a magnitude da resposta em frequência de dois protótipos de atuadores piezoelétricos flextensionais multiatuados. As ... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: A vibrometer to measure nanometric displacements is presented in this work. The proposed vibrometer is based on a modified closed loop homodyne Michelson interferometer. Real-time phase demodulation is carried out entirely in a digital mode, using an embedded platform that performs data acquisition, signal processing, PI (proportional-integral) control and the generation of signals that drive the electrooptic Pockels cell phase shifter and the piezoelectric actuator under test. Two phase quadrature signals are generated from a single interferometric output, using the interleaving action, in alternation, of a digitally generated principal modulating signal, and then the well-known cross-multiplication technique is applied to perform the computation of the phase shift of interest. The quadrature condition is reached by the PI control itself, using the length difference between the major axis and the minor axis of the ellipse formed by the Lissajous figure associated with the out of phase signals as the controller error signal. The new optical vibrometer is capable of measuring nanometric displacements, and is simple, inexpensive, accurate, immune to fading and self-consistent. The PI controller is robust, since the demodulation method is able to work under high electronic noise, undesirable variations in Pockels cell half-wave voltage with temperature, amplifier gain and other external entrances. The new method was used to determine the displacement frequency response curves of... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre