This research provides the first known procedure for cleanly and consistently reducing the diameter of single-crystal sapphire optical fiber (SCSF) below the limits of standard production methods, including the first production of subwavelength-diameter optical fiber (SDF) composed of single-crystal sapphire. The first known demonstration of an air-clad single crystal sapphire optical fiber demonstrating single-mode behavior is also presented, and the single-mode cutoff wavelength and diameter are determined. Theoretical models describing and predicting the optical behavior of low modal volume sapphire optical fibers are also presented. These models are built upon standard weakly-guiding optical fiber theory, which is found to be accurate once experimentally-determined properties of the SCSF are substituted for theoretical values. Reduced modal dispersion is also observed in the form of decreased laser pulse broadening in reduced-diameter SCSF. The improvements in spatial resolution for distributed sensing systems such as Raman distributed temperature sensing are also predicted based on the measured decrease in pulse duration. This research also provides an enhanced understanding of the etching behavior of sulfuric and phosphoric acids on sapphire surfaces, including the first reporting of etching rates and activation energies for a-plane sapphire surfaces. Morphological changes of sulfuric and phosphoric acids at and beyond the temperature ranges used in etching were also tested and discussed in detail, especially regarding their practical impact on observed etching behavior. The demonstration of LMV single-crystal sapphire optical fibers enables the adaptation of numerous sensing schemes requiring low modal volume or single-mode behavior to be utilized in extreme environments. / Ph. D.

Master of Science / Department of Biological and Agricultural Engineering / Naiqian Zhang / A real time wireless, optical sensor network was tested for long-term, remote monitoring of suspended sediment concentrations (SSC) in streams. The sensor and control board assembly was calibrated using a two-stage calibration procedure, including a pre-calibration conducted in the laboratory to adjust the sensitivity of the sensor and a field calibration using grab samples to establish an effective statistical model to predict SSC from the sensor signals. The assembly was installed in three military bases around the United States. These bases were Fort Riley, Kansas; Fort Benning, GA; and Aberdeen Proving Ground, MD. The types of water bodies and watersheds varied greatly among the sites, which allowed the sensor to be tested under versatile conditions for potential widespread use. The results show that the sensor was capable of measuring SSC at each watershed independently. The calibration model developed for each sensor can be used to predict SSC from real-time sensor data. A data processing algorithm was developed to lessen the effect of fouling and clogging on sensor signals, along with eliminating anomalies in the data gathered. The results of this study displayed meaningful prediction data that can be used to estimate SSC in a stream over a long period of time. Information obtained in this study can be used as a launching point for future work and understanding of stream processes.

O presente trabalho tem como objetivo principal o estudo e o desenvolvimento de um sensor óptico de umidade usando o polímero polipirrol. Inicialmente, estudou-se o princípio teórico dos diversos sensores de umidade encontrados no mercado, assim como fundamentos básicos sobre guias de onda, umidade e polímeros (especialmente polipirrol). Realizou-se também um estudo da influência da umidade nas características físicas e ópticas do polipirrol mediante a técnica elipsométrica. Particularmente, foi estudado em detalhe o comportamento do índice de refração do polipirrol frente a grandes variações de concentrações de umidade, e se demonstrou que o valor do índice de refração do polipirrol aumenta quando exposto a vapor de água. Com os resultados alcançados na caracterização óptica do polímero, foram desenvolvidos sensores de umidade à fibra óptica, baseados na técnica de fibra interrompida, e sensores à guia de onda ARROW (Anti-Resonant Reflecting Optical Waveguide), baseados na técnica de detecção por campo evanescente, sendo o polipirrol usado como camada ativa de sensoriamento. Os dispositivos baseados em fibra óptica e guia de onda ARROW mostraram que a potência de saída dos dispositivos diminui inversamente em relação à umidade relativa (para uma concentração de 50 a 80%). / The aim of the present work is the study and development of an optical humidity sensor using polymer polypyrrole. Initially, it was studied theoretical principles of common humidity sensors and it was also studied the theoretical basis of optical waveguides. The first part of the present project involved a study of polypyrrole refractive index behavior when exposed to different humidity concentrations, using the ellipsometric technique. The characterization results showed an increment on polypyrrole refractive index when exposed to water vapor. With these results, a based optical fiber sensor was developed using the air gap configuration, and polypyrrole was used as the sensor element. The last part of the project involved an optical humidity sensor development based on ARROW waveguide (Anti-Resonant Reflecting Optical Waveguide), using the evanescent field configuration. In this case, polypyrrole was also used as the sensor element. These devices (based on optical fiber and ARROW waveguide) showed that the power output decreases inversely with relative humidity concentration (from 50% to 80%).

A maioria dos solos tropicais e subtropicais apresenta disponibilidade insuficiente de nitrogênio (N) para atender a demanda da cultura do algodão visando à obtenção de elevados rendimentos. O N nas plantas pode ser avaliado através da utilização de sensores de espectrometria óptica ativa, nos quais se destaca o equipamento comercial utilizado neste trabalho (N-SensorTM ALS), capaz de determinar a dose de N a ser aplicada em cobertura em tempo real. O objetivo geral deste trabalho foi avaliar o desempenho de um sensor óptico ativo, sonares e clorofilômetro para predizer parâmetros de planta e testar estratégias de adubação nitrogenada baseada nas leituras do sensor óptico para aumento da produtividade do algodoeiro em sistemas de cultivo adensado e convencional. Os experimentos foram realizados durante três anos sendo: a) em Chapadão do Céu, GO nas safras 2012/13 e 2013/14; b) e em Campo Verde, MT na safra 2014/15. Os parâmetros de planta avaliados foram: altura, massa seca, massa fresca e nitrogênio acumulado na biomassa. Estes parâmetros foram analisados nas áreas correspondentes à adubação em taxa fixa e correlacionados com o índice de vegetação gerado pelos sensores. Os resultados demonstraram que o sensor ativo de dossel utilizado é altamente eficiente em estimar altura de planta, massa fresca, massa seca e nitrogênio acumulado na cultura do algodoeiro. A utilização de clorofilômetro para monitorar o teor de N foliar no algodoeiro não demonstrou ser uma técnica eficiente. O uso de sensor ultrassônico (sonar) para estimar parâmetros de altura de planta, massa seca, massa fresca e nitrogênio acumulado na planta do algodoeiro é uma estratégia promissora que, embora não tenha a mesma eficiência de sensores de dossel, demonstrou bons resultados na detecção da variabilidade nas lavouras. As diferentes estratégias de adubação nitrogenada no algodoeiro orientadas pelo sensor ativo de dossel não resultaram em efeitos claros na produtividade. A produtividade de cada tratamento mostrou-se mais dependente da localização das repetições dentro da área do que da estratégia de adubação adotada. / Most tropical and subtropical soils has insufficient availability of nitrogen (N) to meet the demand of the cotton crop in order to obtain high yields. The N plants may be evaluated using active optical spectroscopy sensors as the one used in this investigation (N-SensorTM ALS). The equipment is capable of determining in real time the amount of N to be applied spread in the field. The aim of this study was to evaluate the performance of an active optical sensor, sonar and chlorophyll sensor to predict plant parameters and test nitrogen fertilization strategies based on the optical sensor readings in order to increase cotton yield in narrow and conventional farming systems. The experiments were conducted in three years: a) in Chapadão do Céu - GO 2012/13 and 2013/14; b) in Campo Verde, MT - 2014/15. The evaluated parameters were plant height, dry weight, fresh and accumulated nitrogen in the biomass. These parameters were analyzed in the areas corresponding to fertilization in fixed rate and correlated with the vegetation index generated by the sensors. The results showed that the active sensor used is highly efficient in estimating plant height, fresh weight, dry weight and accumulated nitrogen on cotton crop. The use of chlorophyll sensor to monitor the leaf nitrogen content in cotton was not effective. The use of ultrasonic sensor (sonar) to estimate plant height parameters, dry pasta, fresh pasta and accumulated nitrogen on cotton plant is a promising strategy. Although it has not the same efficiency as canopy sensors, it showed good results in the detection of variability in crops. The different nitrogen fertilization strategies in cotton-driven asset canopy sensor resulted in no clear effects on productivity. The productivity of each treatment was more dependent on the location of the repetitions within the area than the adopted fertilization strategy.

O trabalho aborda o estudo e o desenvolvimento de um interferômetro sensor de alta tensão, baseado em célula Pockels (modulador eletro-óptico) na topologia reflexiva (\"double pass\") e que é parte integrante de um Transformador de Potencial Óptico (TPO), que utiliza sistema interferométrico de luz branca (WLI-White Light Interferometry), que está sendo desenvolvido pelo grupo do Laboratório de Sensores Ópticos (LSO) do PEA-EPUSP, e é capaz de medir diretamente tensões presentes em sistema elétrico de potência (SEP) classe 69kVRMS. Para desenvolver o tema proposto foi feita uma revisão da literatura baseada em livros, artigos e teses para identificar topologias em moduladores eletro-ópticos transmissiva (\"single pass\") e reflexiva (\"double pass\") para definir o tipo de modulador mais adequado para a aplicação em questão. A partir dos estudos e implementações realizadas, verificou-se um enorme potencial para o desenvolvimento e aplicação da topologia \"double pass\" no sensor interferométrico da célula de alta tensão do TPO. A topologia mostrou-se vantajosa em relação aos protótipos dos TPOs desenvolvidos anteriormente, a partir de características tais como: a facilidade de recurso de alinhamento do feixe de luz, construção e reprodução relacionados ao cristal eletro-óptico, diminuição do número de componentes ópticos volumétricos e aumento da rigidez dielétrica da célula sensora. Simulações computacionais foram realizadas mediante a aplicação do método dos elementos finitos (MEF) que contribuíram para o auxílio do projeto da célula sensora, particularmente, para estimativa do valor da voltagem de meia onda, V?, parâmetro importante para o projeto do TPO. Um protótipo do TPO com célula sensora de alta tensão reflexiva foi implementado e testado no laboratório de alta tensão do IEEUSP a partir de ensaios com tensões nominais de 69kVrms a 60Hz e máxima de 140kVrms a 60 Hz. Como resultado deste trabalho, amplia-se o conhecimento e domínio das técnicas de construção de interferômetros sensores de alta tensão na topologia reflexiva aplicadas a TPOs. / This work describes the study and development of a high-voltage interferometer sensor based on Pockels cell (electro-optical modulator) in the reflective topology (double pass), which is part of an optical potential transformer (OPT) using a white light interferometry system (WLI) being developed by the Optical Sensors Laboratory (LSO) group from PEA-EPUSP, which is able to directly measure power electrical system (PES) voltages for the 69kVrms class. To develop the work, a bibliographic review was made on books, papers and theses in order to identify electro-optical modulators related to transmissive (single pass) and reflective (double pass) topologies aiming at defining the most appropriate modulator type for the present application. From the studies and implementations performed, it was realized that there is a huge potential for the development and application of \'double pass\' topology in the OPT high-voltage interferometric sensor. This topology showed to be advantageous compared to previously developed OPT prototypes for characteristics such as: ease of beam alignment feature, construction and reproduction related to the electro optical crystals, decrease of volumetric optical components number and increase of the sensor cell dielectric strength. Computer simulations were performed by applying the Finite Element Method (FEM) that contributed to the sensor cell design, particularly in estimating the half-wave voltage value, V?. The OPT with the reflective high-voltage sensing cell was implemented and tested at the high voltage laboratory of IEE-USP for the 69kVrms at 60Hz nominal voltage and the 140kVrms at 60Hz maximum voltage. As a result of this work, nationwide expertise over the techniques of construction of high-voltage interferometer sensors in reflective topology applied to OPTs was achieved and knowledge was broadened.

Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de sensores químicos ópticos baseados no Interferômetro Mach-Zehnder (MZI) para aplicações em análises químicas e ambientais. Tais dispositivos foram implementados a partir da fabricação de guias de ondas sobre um substrato de silício monocristalino. Os guias de onda foram obtidos através da deposição de filmes finos de nitreto de silício (Si3N4) e óxido de silício (SiO2) obtidos por técnicas de deposição química a vapor (CVD) e pela oxidação térmica do substrato de silício. A definição destes guias de ondas para a implementação de sensores é feita por processos convencionais de litografia e corrosão. Os sensores químicos deste trabalho baseiam-se na interação do campo evanescente do modo que propaga-se no guia de onda exposto a algum composto químico na fase líquida ou gasosa. Tais sensores foram projetados, simulados e implementados para as seguintes aplicações: Medida da concentração de glicose em soluções; Medida de umidade por efeito de espalhamento; Detecção de vapores de compostos orgânicos voláteis (VOC\'s). As etapas de processo para a fabricação dos sensores químicos ópticos foram definidas a partir das simulações em óptica integrada e, após os processos de fabricação, os filmes obtidos foram caracterizados. Os filmes de Si3N4 SiO2 utilizados na fabricação do sensor óptico possuem uniformidade em espessura e homogeneidade quanto aos valores de índice de refração, baixa rugosidade superficial e baixos níveis de incorporação de água e ligações OH. No entanto, os valores de rugosidade e desuniformidade aumentaram significativamente após as etapas de corrosão úmida para a definição das estruturas dos sensores ópticos. Os guias de ondas implementados apresentaram um guiamento monomodo (TE0) e os valores de atenuação experimentais ficaram entre 2 e 20 dB/cm e dependem dos valores de rugosidade superficial e lateral dos guias de ondas e da desuniformidade dos filmes empregados. Com as medidas de concentração de glicose, verificou-se o funcionamento e a sensibilidade dos sensores químicos ópticos implementados, levantando-se curvas de variação da intensidade de saída do MZI em função do índice de refração de soluções de glicose padronizadas (dn/dc). Realizou-se medidas de umidade através da implementação de um sensor óptico simplificado que tem como princípio o efeito de espalhamento óptico. Como o espalhamento óptico depende da rugosidade e do contraste de índices de refração na interface exposta ao ambiente, foi possível detectar a quantidade de água presente no dispositivo. Posteriormente, analisou-se a aplicação de HMDS (Hexametildissilazana) como filme de adsorção de compostos orgânicos voláteis (VOC\'s). Os VOC\'s foram aplicados sobre os sensores químicos ópticos em forma de vapor e os resultados obtidos para n-Hexano e 2-Propanol mostraram uma boa reprodutibilidade e alta sensibilidade. / The aim of this work is the development of optical chemical sensors based on Mach-Zehnder Interferometer (MZI) for chemical and environmental analysis applications. Such devices were implemented with waveguides fabricated on a silicon substrate. The waveguides were obtained using silicon nitride (Si3N4) and silicon oxide (SiO2) films obtained by CVD (Chemical Vapor Deposition) and thermal oxidation of the silicon substrate. The waveguides and the optical sensors were fabricated using conventional lithograph and etching processes. The developed chemical sensors are based on the evanescent field interaction in a waveguide exposed to a liquid or gaseous phase of a chemical compound. Such optical sensor were designed, simulated and implemented for the following applications: Glucose concentration; Humidity measurement by scattering effect; Volatile organic compounds (VOC\'s) vapors detection. The process steps for the optical chemical sensor fabrication were defined during the integrated optical simulations and the films were characterized after the fabrication process steps. The Si3N4 and SiO2 films used in the optical sensor fabrication are uniform and homogenous (thickness and refractive index), with low surface roughness and low levels of water incorporation and OH bonds. However, the roughness values increased significantly after the etching process for the optical sensor structures definition. The implemented waveguides were singlemoded (TE0), with experimental attenuation values between 2 and 20 dB/cm, depending on the surface and sidewall roughness of the waveguide and of the films uniformity. The operation principle and the sensitivity of the optical chemical sensor were verified by glucose concentration measurements, by measuring the MZI output variation intensity as a function of the refractive index of the glucose standard solutions (dn/dc). As the light scattering depends of the roughness and the of refractive index difference between the exposed interface and the atmosphere, it\'s possible to measure the humidity or the amount of water in the interaction window. Afterwards, the detection of volatile organic compounds (VOC\'s) was done using a HMDS (Hexamethyldissilazane) layer to adsorb the VOC\'s. The VOC\'s vapor was applied on the optical chemical sensors and the results obtained for n-Hexane and 2-Propanol showed a good reproducibility and high sensitivity.

Esta pesquisa mostrou a viabilidade técnica da utilização de células de cristais líquidos nemáticos (CLNs) como elementos sensores eletro-ópticos de tensões elétricas eficazes (RMS). Duas foram as filosofias abordadas na concepção desses sensores: a modulação em amplitude da intensidade da luz polariza atuando em células transmissivas e a tensão de Freedericksz atuando em células reflexivas. Os sensores baseados na primeira filosofia foram denominados, nesta pesquisa, de sensores de escala de cinza (EC) e os segundos de sensores de gráfico de barras (GB). O sensor EC foi desenvolvido para aplicações em altas tensões. Este sensor é constituído por um divisor de tensão capacitivo, onde o braço de baixa tensão é composto por uma célula de cristal nemático torcida (CLNT). O sensor EC alia as vantagens dos tradicionais sistemas eletro-ópticos, tais como a imunidade às interferências eletromagnéticas (IEM); o alto isolamento elétrico proporcionado pela fibra óptica; com as vantagens de ser um sistema com um simples aparato óptico, então indutivo. O sensor GB mostrou-se mais versátil que o sensor EC. Neste sensor o braço de alta tensão do divisor de tensão capacitivo foi confeccionado na própria célula. Além disso, o sensor GB é menos sensível a influências térmicas, sendo neste caso mais indicado para aplicações de campo. Além das vantagens citadas acima, os sensores desenvolvidos apresentam as características de possuírem baixo custo, facilidade de instalação, versatilidade e empregarem tecnologia nacional. Também neste trabalho, foram estudados e determinados modelo físicos e elétricos que melhor representam o comportamento das células de CLNs. Os modelos físicos permitiram expandir o conhecimento sobre o comportamento de dispersão dielétrica presente nestes materiais devido ao movimento de impurezas iônicas; ao movimento molecular, e ao acúmulo de cargas espaciais nas interfaces entre as camadas de alinhamento e o cristal líquido, e também, auxiliaram na compreensão dos parâmetros físicos que influenciam no comportamento anisotrópico da permissividade dielétrica e da condutividade elétrica dos CLNs. Os modelos elétricos, além de auxiliarem na compreensão dos mecanismos físicos auxiliando com isso a proposição de modelos fenomenológicos, também mostraram-se uma poderosa ferramenta a ser aplicada na otimização de processos de fabricação e no desenvolvimento de dispositivos utilizados na confecção de mostradores de informação (LCDs). Estes modelos elétricos foram testados e utilizados em programas computacionais dedicados à simulação de circuitos elétricos, e puderam auxiliar sobremaneira no desenvolvimento do sensor GB. / In this research the technical viability of the usage of nematic liquid crystal (NLC) cells as sensor elements of effective electric voltage (RMS) is presented. Two approaches were adopted for the conception of these sensors: the modulation in width of the intensity of the polarized light acting in transmissive cells and the voltage of Freedericksz acting in reflexive cells. The sensors based on the first approach were termed grayscale sensors and the second were bargraph sensors. A grayscale sensor was developed for applications in high voltage. This sensor is constituted by a capacitor voltage divider, where the low voltage arm is composed of a cell of twisted nematic liquid crystal (TNLC). The grayscale sensor combines the advantages of traditional electro-optical systems, such as immunity to the electro-magnetic-interference (EMI) and the high electric insulation provided by the optical fiber; associated to characteristics of being a simple optical apparatus and a non-inductive system. The bargraph sensor has shown to be more versatile than the grayscale sensor. In this bargraph sensor the high voltage arm of the capacitor voltage divider was built in the CLNT cell itself, facilitating its use in both high and low voltages. Besides, the bargraph sensor is less sensitive to thermal influences, being in this case more suitable to field applications. In addition to the advantages mentioned above, both sensors developed showed characteristics of low cost, installation easiness, versatility and indigenous technology. Due to the need of establishing parameters for the development of the electric voltage sensor, also in this research, physical and electric models that best represent the behavior of NLC cells were obtained. The physical models allowed expanding the knowledge about the behavior of dielectric dispersion present in these materials due to the movement of ionic impurities, molecular movement, and the accumulation of space charge in the interfaces between the alignment layers and the liquid crystal. These models have also contributed to the understanding of the physical parameters that influence the anisotropic behavior of both dielectric permittivity and electric conductivity of NLCs. Besides, the electric models helped in the understanding of the physical mechanisms aiding in the proposition of phenomenological models. They have also proved to be a powerful tool to be applied in the optimization of production processes, as well as in the development of devices used in liquid crystal displays (LCDs). These electric models were tested and used in software for the simulation of electric circuits and could aid greatly in the development of bargraph sensors.

Este trabalho avalia a afinidade da tecnologia de sensor-based sorting (SBS) assistido com sensor de imagem Charge Couple Device CCD e de Dual Energy-Xray Transmission (DE-XRT) para detectar minérios portadores de elementos de terras raras (ETR). As amostras foram coletadas in situ no depósito de Pitinga/AM-Brasil e enviadas para o LAPROM/UFRGS. Os testes foram realizados sob as mesmas condições operacionais com ambos sensores. As partículas examinadas estão na fração de tamanho entre -10 +5 (cm), limpas e secas antes dos testes. A alimentação para o sorting foi feita manualmente, uma partícula por partícula, garantindo que o sensor capturasse as imagens sob as mesmas condições para cada partícula. Os dados capturados foram processados com software COMEX OSX e CRX, tendo como primeiro estágio a identificação dos melhores parâmetros para a detecção de minérios portadores do mineral de xenotima, rico em elementos de terras raras. A caracterização do material foi realizada por análise química da espectroscopia de massa de plasma acoplado indutivamente (ICP-MS) no Actlabs - Activation Laboratories LTD, além de dados de balanço de massa e cálculos de recuperação. Os resultados mostraram que o sensor óptico reconheceu com sucesso os clastos com características de estéril, porém verificou-se que a detectabilidade efetiva para rochas com mineralização do mineral de xenotima não foi viável. Por outro lado, o sensor DE-XRT mostrou uma forte afinidade de detecção de partículas portadores de elementos leves e pesados de terras raras (ETRL - ETRP) com recuperação mássica acumulada de aproximadamente 15% e recuperação metalúrgica superior a 79% (ETRL) e 89% (ETRP), respectivamente no segundo estágio, e com aproximadamente ~ 66% de recuperação de massa acumulada no terceiro estágio, o teor metalúrgico de ETR leves e pesados foi da ordem de 94% e 96%. Essas recuperações correspondem a um aumento de 514,79 ppm, dos ETRL e 5113,6 ppm dos ETRP, no material investigado representando um upgrade de 10.067,8 ppm nos ETRLe 118.008,3 ppm nos ETRP. Complementarmente foi possível avaliar também que o sensor DE-XRT permite detectar os clastos portadores de ETR sem presença de minérios polimetálicos e deletérios, ficando estes dois últimos associados, considerando a possibilidade de separação empregada usando o sensor de DE-XRT. / This work evaluates the affinity of optical and dual energy x-ray transmission (DE-XRT) sensors to the detection of rare earth element (REE) bearing ores. The samples were collected in situ at the Pitinga/AM-Brazil mine and sent to LAPROM/UFRGS for study. The tests were carried out under the same operating conditions to both sensors. The particles examined were in the size fraction -10 +5 (cm) and were cleaned and dried prior to scanning. The feeding to the sorter was done manually, one particle at a time, ensuring that the sensor captured the images under the same conditions for each particle. The captured data were processed using Comex OSX and CRX software, the first priority being the identification of the best parameters for detecting xenotime mineral, which are rich in rare earth elements. The characterization of the material was performed by chemical analysis of inductively coupled plasma mass spectroscopy (ICP-MS) in the laboratory Actlabs - Activation Laboratories Ltd and mass balance data and recovery calculations. The results showed that the optical sensor successfully recognized the waste particle, but it lacked the capacity to detect rocks of mineralization of xenotime mineral. On the other hand, the DE-XRT sensor showed a strong particle detection capacity for both light and heavy Rare Earth Elements (LREE, HREE) with accumulated mass recovery of approximately 15% and metallurgical recovery higher than 79% (LREE) and 89% (HREE), respectively in the second stage, and ~66% accumulated mass recovery in the third stage with metallurgical content of light and heavy REE in the order of 94% and 96%. In addition, it was also possible to evaluate that the DE-XRT sensor allows the detection of ETR-bearing clasts without the presence of polymetallic and deleterious ores, the latter being associated considering the possibility of separation using the DE-XRT sensor.

O trabalho aborda o estudo e o desenvolvimento de um interferômetro sensor de alta tensão, baseado em célula Pockels (modulador eletro-óptico) na topologia reflexiva (\"double pass\") e que é parte integrante de um Transformador de Potencial Óptico (TPO), que utiliza sistema interferométrico de luz branca (WLI-White Light Interferometry), que está sendo desenvolvido pelo grupo do Laboratório de Sensores Ópticos (LSO) do PEA-EPUSP, e é capaz de medir diretamente tensões presentes em sistema elétrico de potência (SEP) classe 69kVRMS. Para desenvolver o tema proposto foi feita uma revisão da literatura baseada em livros, artigos e teses para identificar topologias em moduladores eletro-ópticos transmissiva (\"single pass\") e reflexiva (\"double pass\") para definir o tipo de modulador mais adequado para a aplicação em questão. A partir dos estudos e implementações realizadas, verificou-se um enorme potencial para o desenvolvimento e aplicação da topologia \"double pass\" no sensor interferométrico da célula de alta tensão do TPO. A topologia mostrou-se vantajosa em relação aos protótipos dos TPOs desenvolvidos anteriormente, a partir de características tais como: a facilidade de recurso de alinhamento do feixe de luz, construção e reprodução relacionados ao cristal eletro-óptico, diminuição do número de componentes ópticos volumétricos e aumento da rigidez dielétrica da célula sensora. Simulações computacionais foram realizadas mediante a aplicação do método dos elementos finitos (MEF) que contribuíram para o auxílio do projeto da célula sensora, particularmente, para estimativa do valor da voltagem de meia onda, V?, parâmetro importante para o projeto do TPO. Um protótipo do TPO com célula sensora de alta tensão reflexiva foi implementado e testado no laboratório de alta tensão do IEEUSP a partir de ensaios com tensões nominais de 69kVrms a 60Hz e máxima de 140kVrms a 60 Hz. Como resultado deste trabalho, amplia-se o conhecimento e domínio das técnicas de construção de interferômetros sensores de alta tensão na topologia reflexiva aplicadas a TPOs. / This work describes the study and development of a high-voltage interferometer sensor based on Pockels cell (electro-optical modulator) in the reflective topology (double pass), which is part of an optical potential transformer (OPT) using a white light interferometry system (WLI) being developed by the Optical Sensors Laboratory (LSO) group from PEA-EPUSP, which is able to directly measure power electrical system (PES) voltages for the 69kVrms class. To develop the work, a bibliographic review was made on books, papers and theses in order to identify electro-optical modulators related to transmissive (single pass) and reflective (double pass) topologies aiming at defining the most appropriate modulator type for the present application. From the studies and implementations performed, it was realized that there is a huge potential for the development and application of \'double pass\' topology in the OPT high-voltage interferometric sensor. This topology showed to be advantageous compared to previously developed OPT prototypes for characteristics such as: ease of beam alignment feature, construction and reproduction related to the electro optical crystals, decrease of volumetric optical components number and increase of the sensor cell dielectric strength. Computer simulations were performed by applying the Finite Element Method (FEM) that contributed to the sensor cell design, particularly in estimating the half-wave voltage value, V?. The OPT with the reflective high-voltage sensing cell was implemented and tested at the high voltage laboratory of IEE-USP for the 69kVrms at 60Hz nominal voltage and the 140kVrms at 60Hz maximum voltage. As a result of this work, nationwide expertise over the techniques of construction of high-voltage interferometer sensors in reflective topology applied to OPTs was achieved and knowledge was broadened.

Submitted by CARLA MARIA GOULART DE MORAES (carlagm) on 2015-06-24T17:27:45Z No. of bitstreams: 1 Hoff_Alexandre.pdf: 2065929 bytes, checksum: 98c0be0d6bc2dd6c614a2379999cb6f6 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-06-24T17:27:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Hoff_Alexandre.pdf: 2065929 bytes, checksum: 98c0be0d6bc2dd6c614a2379999cb6f6 (MD5) Previous issue date: 2013-01-18 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / PROSUP - Programa de Suporte à Pós-Gradução de Instituições de Ensino Particulares / Este trabalho apresenta o desenvolvimento de uma metodologia experimental para medição de fração de vazio em um escoamento bifásico ar-água, utilizando sensor óptico em um minicanal horizontal de 2,6 mm de diâmetro interno. O sistema de medição consiste de um diodo emissor de luz (LED) de alto brilho, uma resistência dependente de luz (LDR), um circuito amplificador e um circuito para aquisição de dados. Os experimentos são realizados com um tubo de vidro que fica entre o LED e o LDR, no qual passa a mistura ar-água e conforme o padrão de escoamento a luz é atenuada no LDR, que altera sua resistência variando a tensão. Os testes são realizados com vazões volumétricas do líquido de 160, 123 e 63 ml/min e volume de gás de 0,05 e 0,1 ml e os padrões de escoamento testados e observados foram do tipo bolhas, pistonados e golfadas. Nos ensaios são registradas imagens do escoamento, ou dos padrões de bolhas, com uma câmera de alta velocidade e o processamento destas imagens é utilizado para valid ar a técnica do sensor óptico. As áreas das bolhas, em pixels, são comparadas com as áreas das curvas do sinal do sensor óptico e uma boa correlação foi encontrada. Uma curva de calibração do sensor é apresentada para padrão de escoamento tipo bolhas, permitindo encontrar uma relação entre a fração de vazio e a tensão medida pelo sensor. Os resultados obtidos mostraram que a técnica do sensor óptico pode ser usada com bons resultados para a medição de fração de vazio média para um escoamento bifásico ar-água e para a identificação de padrões de escoamento em tubos de diâmetro reduzido. / This work presents the development of an experimental methodology for measuring void fraction in an air-water two-phase flow, using optical sensor in a horizontal mini channel of 2.6 mm internal diameter. The measurement system consists of a light emitting diode (LED) of high brightness, light dependent resistor (LDR), amplifier circuit and data acquisition circuit. The experiments are performed with the air-water flow passing through a glass tube section positioned between the LED and LDR . According to the flow pattern, light is attenuated and impinges on LDR, changing its resistance and thus varying the voltage measured by data acquisition circuit. The tests are conducted with liquid volumetric flow of 160, 123 and 63 ml/min and gas volume of 0.05 and 0.1 ml and flow patterns tested and observed were bubbly and plug. During the tests images of the flow are registered, or the bubbles flow patterns, with a high-speed camera and the processing of these images is used to validate the optical sensor technique. The bubble areas, in pixels, are compared to area under the curve produced from optical sensor signal and a good correlation was found. A calibration curve of the sensor is obtained for bubbly flow pattern, and a correlation between void fraction and the tension is proposed. The results show that the optical sensor technique is adequate for average void fraction measurements in air-water two-phase flow and for flow patterns identification in mini channels.