[pt] O objetivo deste trabalho foi o desenvolvimento de um sistema de medição de deformações utilizando redes de Bragg em fibras ópticas. Experiências preliminares empregando um analisador de espectro óptico comprovaram que a relação entre deformação e translação espectral do sinal refletido pelo sensor é linear. Baseado neste princípio, foi proposto um circuito óptico para a demodulação do sinal. Este circuito, de construção simples e barata, utiliza uma rede de Bragg como sensor e outra, com largura espectral bem maior, como filtro óptico. Dois fotodetectores são responsáveis pela recepção do sinal e por tornar o sistema auto-compensável. Dois métodos de calibração do sistema, um numérico e outro experimental, são apresentados e testados. A partir dos resultados das experiências, sugestões são feitas no sentido de melhorar os métodos de calibração. A automatização das calibrações e medições é proposta e um método de separação de efeitos de temperatura e deformação mecânica é apresentado. / [en] The goal of the present work has been to develop a fiber Bragg grating strain sensor system. Experiments with an optical spectrum analyzer have confirmed that there is a linear relationship between the strain in the gratting and the shift of the central wave length reflected by the sensor. Based on this measurement principle, a simple and inexpensive optical circuit for demodulation of the sensor s reflected signal has been developed. Two photodetectors are employed in order to reduce the influence of power fluctuations of the optical source as well as of other losses. The measurement system has been calibrated both numerically and experimentally with satisfactory agreement. Suggestions are made in order to improve the calibration techniques, and a method for decoupling the temperature effects from the strain measurement is proposed.

[pt] Sensores magnéticos são sensores que detectam o fluxo devido a campos magnéticos que existem na região do espaço delimitada pela geometria do sensor. Cada tipo de sensor possui propriedades únicas que os tornam mais para aplicações particulares, seja na detecção de campos magnéticos estáticos ou variáveis. Esta tese desenvolveu sensores de campo magnético utilizando materiais magnéticos e fibras ópticas com redes de Bragg (FBG). Foram desenvolvidos neste trabalho protótipos de sensores que são simples na sua construção, leves e compactos, facilitando sua utilização em lugares de difícil acesso como, por exemplo, para o monitoramento do campo magnético em locais remotos. Dois tipos de sensores foram são desenvolvidos: o primeiro consiste em materiais magnetostrictivos no formato maciço e compósito, que possuem a propriedade de se deformarem na presença de um campo magnético externo. Esta deformação no material é detectada com redes de Bragg. É explorada a resposta do sensor quando este é imerso em campos magnéticos uniformes e gradientes de campo; o segundo sensor consiste em um ímã permanente de geometria cilíndrica fabricado com um furo central no qual uma fibra óptica contendo uma rede de Bragg pode ser inserida e colada. Quando o sensor interage com um material ferromagnético, a força magnética atrativa entre eles é transferida de forma axial para a FBG produzindo uma variação no comprimento de onda refletido. O sensor baseado em materiais magnetostrictivos funciona para de campos magnéticos da ordem do militesla. Já o sensor de força magnética necessita de um gradiente de campo para funcionar. Com este sensor é possível a obtenção de imagens produzidas por áreas de corrosão em materiais ferromagnéticos. Em ambos os casos, a sensibilidade com relação à variação da geometria do sensor é estudada. / [en] Magnetic sensors detect the flux generated by magnetic fields which exists in the region of space delimited by the geometry of the sensor. Each kind of sensor has a unique property that makes it more appropriate for particular applications. In this thesis we have built magnetic field sensors using magnetic materials and fiber Bragg gratings (FBG). We have focused on prototypes simple to construct, light and compact, making it easy to measure magnetic fields in remote places. Two kinds of sensors were built: the first one consists of magnetostrictive materials in bulk shape and in composite format. They have the property of increase their size in the presence of an external magnetic field. The deformation in the material is detected by using a single FBG. The sensor sensitivity is analyzed when it is immersed in uniform magnetic fields and field gradients. The second sensor consists of a magnet fabricated with a central hole in which a fiber optics containing a FBG can be attached. When the sensor interacts with a ferromagnetic material, the attractive magnetic force between them is transferred to the FBG, producing variation in the reflected wavelength. The sensor based in magnetostrictive materials works for magnetic fields at the militesla range. The magnetic force sensor needs a gradient field to work. Using the force sensor, it was possible to image corrosion areas in ferromagnetic materials. In both cases, the sensitivity with regard to the sensor geometry was studied.

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 descreve a produção de redes de Bragg e de período longo em fibras óticas, e a caracterização destas redes como dispositivos sensores na detecção de hidrocarbonetos que fluem em polidutos, bem como na monitoração de sua temperatura. O trabalho foi realizado no Laboratório de Laser da UTFPR. As redes de período longo foram produzidas pela aplicação ponto-a-ponto do arco elétrico de uma máquina de emendas de fibras óticas e caracterizadas como sensores de índices de refração de meios exteriores à fibra. Essa caracterização foi realizada usando diferentes amostras de fluidos tais como, álcool, gasolina, aguarrás, tíner, querosene e nafta. O maior deslocamento em comprimento de onda apresentado pela rede foi de 15,57 nm na presença do querosene. A sensibilidade média ao índice de refração da rede foi 2,6x10-6 pm-1 para a região compreendida entre 1,432 (tíner) e 1,448 (querosene). Esta sensibilidade resulta em uma mínima variação de índice de refração de 2,6x10-5 que pode ser medida por um analisador de espectros óticos com precisão em comprimento de onda de ± 5pm. O tempo de resposta do sensor foi da ordem de 3 segundos. As redes de Bragg foram caracterizadas como dispositivo sensor de temperatura dos fluidos. As redes de Bragg foram produzidas inicialmente em fibras SMF hidrogenadas e posteriormente em fibras fotossensíveis, utilizando a técnica de escrita interferométrica com máscara de fase e laser ultravioleta. Os dispositivos foram caracterizados como sensor de temperatura, tendo sido feito um estudo para estabilização térmica dos mesmos. A sensibilidade das redes variou desde 10,2 nm/ºC até 11,4 nm/ºC. A precisão deste tipo de sensor está intimamente relacionada com a largura de banda espectral da rede, portanto, um sistema de gravação utilizando a técnica de escrita com máscara de fase e laser UV foi implementado, tornando possível a escrita de redes mais longas com menor largura de banda. / This work describes the production of fiber Bragg gratings and long period gratings in optical fibers and their characterization as sensors devices in the detection of hydrocarbons that flow in pipelines, as well as its temperature measurement. The work was accomplished at Laser Laboratory of UTFPR. The long period gratings were produced using the point-to-point electric arc discharge technique from a splice machine and characterized as refractive index sensors of the fiber surroundings. The characterization was accomplished using different samples of alcohol, gasoline, turpentine, thinner, kerosene and naphtha. The biggest wavelength shift presented by the grating was 15.57 nm in the presence of the kerosene. The average refractive index grating sensitivity was 2.6x10-6 pm-1 in the range from 1.432 (thinner) to 1.448 (kerosene). This sensitivity relates to a smallest refractive index variation of 2.6x10-5 that can be measured, for an optical spectrum analizer with wavelength precision of ± 5 pm. The response time of the sensor was 3 seconds for the different samples used. The fiber Bragg gratings were characterized as temperature sensor devices of the samples. The gratings were produced both in SMF hydrogenated and photosensitive fibers, using an ultraviolet laser and a phase mask interferometer. The devices were characterized as temperature sensors, and a study for thermal stabilization of them was carried out. The obtained sensor sensitivity ranged from 10.2 nm/ºC up to 11.4 nm/ºC. As the precision of this type of sensor is related to the bandwidth of the fiber Bragg grating, a writing system technique based on a phase mask and an UV laser was implemented, making possible the writing of long and narrow bandwidth gratings.

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 descreve a produção de redes de Bragg e de período longo em fibras óticas, e a caracterização destas redes como dispositivos sensores na detecção de hidrocarbonetos que fluem em polidutos, bem como na monitoração de sua temperatura. O trabalho foi realizado no Laboratório de Laser da UTFPR. As redes de período longo foram produzidas pela aplicação ponto-a-ponto do arco elétrico de uma máquina de emendas de fibras óticas e caracterizadas como sensores de índices de refração de meios exteriores à fibra. Essa caracterização foi realizada usando diferentes amostras de fluidos tais como, álcool, gasolina, aguarrás, tíner, querosene e nafta. O maior deslocamento em comprimento de onda apresentado pela rede foi de 15,57 nm na presença do querosene. A sensibilidade média ao índice de refração da rede foi 2,6x10-6 pm-1 para a região compreendida entre 1,432 (tíner) e 1,448 (querosene). Esta sensibilidade resulta em uma mínima variação de índice de refração de 2,6x10-5 que pode ser medida por um analisador de espectros óticos com precisão em comprimento de onda de ± 5pm. O tempo de resposta do sensor foi da ordem de 3 segundos. As redes de Bragg foram caracterizadas como dispositivo sensor de temperatura dos fluidos. As redes de Bragg foram produzidas inicialmente em fibras SMF hidrogenadas e posteriormente em fibras fotossensíveis, utilizando a técnica de escrita interferométrica com máscara de fase e laser ultravioleta. Os dispositivos foram caracterizados como sensor de temperatura, tendo sido feito um estudo para estabilização térmica dos mesmos. A sensibilidade das redes variou desde 10,2 nm/ºC até 11,4 nm/ºC. A precisão deste tipo de sensor está intimamente relacionada com a largura de banda espectral da rede, portanto, um sistema de gravação utilizando a técnica de escrita com máscara de fase e laser UV foi implementado, tornando possível a escrita de redes mais longas com menor largura de banda. / This work describes the production of fiber Bragg gratings and long period gratings in optical fibers and their characterization as sensors devices in the detection of hydrocarbons that flow in pipelines, as well as its temperature measurement. The work was accomplished at Laser Laboratory of UTFPR. The long period gratings were produced using the point-to-point electric arc discharge technique from a splice machine and characterized as refractive index sensors of the fiber surroundings. The characterization was accomplished using different samples of alcohol, gasoline, turpentine, thinner, kerosene and naphtha. The biggest wavelength shift presented by the grating was 15.57 nm in the presence of the kerosene. The average refractive index grating sensitivity was 2.6x10-6 pm-1 in the range from 1.432 (thinner) to 1.448 (kerosene). This sensitivity relates to a smallest refractive index variation of 2.6x10-5 that can be measured, for an optical spectrum analizer with wavelength precision of ± 5 pm. The response time of the sensor was 3 seconds for the different samples used. The fiber Bragg gratings were characterized as temperature sensor devices of the samples. The gratings were produced both in SMF hydrogenated and photosensitive fibers, using an ultraviolet laser and a phase mask interferometer. The devices were characterized as temperature sensors, and a study for thermal stabilization of them was carried out. The obtained sensor sensitivity ranged from 10.2 nm/ºC up to 11.4 nm/ºC. As the precision of this type of sensor is related to the bandwidth of the fiber Bragg grating, a writing system technique based on a phase mask and an UV laser was implemented, making possible the writing of long and narrow bandwidth gratings.

Ao longo dos últimos anos, redes de Bragg em fibras ópticas (FBG, do inglês Fiber Bragg Gratings) vêm sendo frequentemente utilizadas como sensores de deformação e de temperatura. O problema da indistinguibilidade entre esses dois parâmetros físicos, presente durante medidas realizadas por esse tipo de sensor, tem sido bem resolvido com o uso de duas FBGs com comprimentos de onda distintos. Muito embora esse artifício tenha apresentado bons resultados, ele também oferece algumas desvantagens, sendo uma delas a necessidade de duas fontes de luz para diferentes comprimentos de onda. Em virtude disto, este trabalho apresenta um sistema capaz de realizar medidas de temperatura e deformação, simultaneamente, utilizando apenas uma fonte de luz. O método baseia-se na inscrição de duas redes de Bragg com comprimentos de onda próximos (no caso, 810 e 860 nm) na mesma posição da fibra óptica. Apesar de a separação entre os comprimentos de onda das FBGs ser aparentemente pequena (cerca de 50 nm), o sistema respondeu precisamente a variações de deformação e temperatura. Dessa forma, a utilização de apenas uma fonte de luz no sistema é corretamente justificada, uma vez que, com essa alteração, o custo do sistema é substancialmente reduzido. Ademais, o uso de comprimentos de onda em torno de 800 nm também barateia o sistema, pois os CCDs usados neste intervalo espectral são menos onerosos do que aqueles tradicionalmente usados em comprimentos de onda de comunicações ópticas (1,55 μm). / In recent years, fiber Bragg gratings (FBGs) have been frequently used as strain and temperature sensors. Several studies have tackled the problem of distinguishing between these two physical parameters using a dual-wavelength sensor. Although these sensors have shown good results, they have a few drawbacks, one of them being the need for two light sources with different wavelengths. We present an approach for simultaneous strain and temperature sensing which uses only one light source. The method relies on writing FBGs with nearby wavelengths (for instance, at 810 and 860 nm) at the same section of the fiber. Even though the Bragg wavelengths are separated by just a few nanometers (about 50 nm), it is possible to accurately measure variations in strain and temperature. One of the major advantages of this approach is the use of a unique light source, what reduces substantially the system cost. Another advantage is the lower cost of array detectors at 800 nm when compared to those of telecom wavelengths (1,55 μm).

O objetivo deste trabalho é a proposição e análise de três dispositivos em óptica integrada, a saber, um modulador, um multiplexador e um demultiplexador ópticos. Entretanto, dispositivos baseados em fibras ópticas são também propostos. A performance de todas as estruturas investigadas nesta dissertação é calculada usando a teoria dos modos acoplados e um formalismo matricial. Os resultados das simulações indicam, como limite teórico, uma razão de extinção de 20 dB e uma perda intrínseca de 2 dB para uma tensão aplicada de 1.67 volts. O multiplexador, formado por diversas estruturas como a do modulador dispostas em série, fornece uma razão de extinção de 17 dB e 2 dB de perda de inserção. O filtro óptico é capaz de atenuar o ruído inter-banda em 20 dB, com uma perda de inserção desprezível. O sensor de temperatura é obtido pelo cascateamento dos filtros mencionados. Sua aplicação para monitorar a temperatura de linhas de transmissão de alta tensão é discutida. / The main goal of this work is the proposal and analysis of three optoelectronic devices, namely, a modulator, a multiplexer and a demultiplexer. However, optical-fiber based devices are also studied: a filter and a temperature sensor are proposed. The performance of all structures investigated in this dissertation is evaluated by using the couple-mode theory and a matrix formalism. Simulation results indicate that the proposed modulator yields, as the theoretical limit, a extinction ratio of 20 dB and a insertion loss of about 2 dB for an 1.67 volts of applied voltage. The multiplexer, formed by several modulator-like structures disposed in tandem, offers 17 dB of extinction ratio and 2 dB of insertion loss. As far as optical fíber devices are concerned the proposed optical filter is capable of attenuating the inter-band noise by 20 dB, showing negligible insertion loss. The temperature sensor is constructed by cascading the mentioned optical filters. Its application to monitor temperature in high-voltage transmission lines is discussed.

[pt] Nesse trabalho, descreve-se o desenvolvimento de uma calibração do sistema de interrogação dos espectros das redes de Bragg baseando-se em uma simulação numérica adotada de testes experimentais. O objetivo é calibrar a técnica de demodulação óptica utilizando dois filtros de transmissão fixos, procurando-se principalmente a posição verdadeira dos sensores. O espectro refletido de uma rede tem uma forte dependência com o espectro da luz incidente que resultará em uma deformação no espectro refletido da rede, gerando um desvio no sensor detectado. A metodologia é gerar uma perturbação na fonte de luz e analisar a leitura do espectro da rede. Esse desvio gerado na leitura espectral é associado à potência óptica lida nos fotodetectores com a posição do comprimento de onda do sensor; as leituras indicadas são proporcionais ao grau de superposição entre os espectros do sensor e dos filtros. A calibração é enfatizada em simulações comparando-se com resultados experimentais e será recuperado principalmente o espectro deformado da rede por um espectro indicado que fornecerá a informação correta da posição do sensor. A simulação conclui em uma recuperação do espectro deformado, diminuindo incertezas de medição e da posição do sensor comparando-se com medidas experimentais proporcionando bons resultados. / [en] The development of a calibration system for Fiber Bragg Grating sensors based on two fixed spectral filters has been described basing in adopted numeric simulation of experimental tests. The objective is to gage the technique of optical demodulação using two fixed transmission filters, being sought mainly the true position spectral of sensors. The reflected spectrum of a Bragg Grating has a strong dependence with the spectrum of the incident light that will result in a deformation to the reflected spectrum, generating a deviation in the sensor detected. The methodology will be to generate a disturbance in the light source and to analyze the reading of the spectrum Bragg Grating. That deviation in the position is associated to the potency optical work in the photodetectors with the position of wavelength sensor; the suitable readings in the photodetectors are proportional to the overlap degree among the spectra of the sensor and filters. The calibration will be emphasized in simulations being compared with experimental results, and to recover mainly the deformed spectrum of Bragg Grating sensor for a suitable spectrum that will give the correct information at the position of sensor. The simulation ends in a recovery of the deformed spectrum, reducing measurement uncertainties and of the position of sensor, being compared with experimental results.

CNPq / Esta dissertação descreve a fabricação, aplicação e os resultados de um sensor de fibra ótica baseada em redes de Bragg regeneradas para a medição de elevadas temperaturas dos gases de exaustão em uma turbina de motor diesel de locomotiva. É proposto um encapsulamento para a FBG com peças em aço inoxidável o qual foi fixado na superfície da turbina. O sensor foi posto a prova sendo submetido em testes em campo variando a potência do motor. Em laboratório foi feita a comparação do sensor ótico com um sensor convencional termopar. Foi possível demonstrar que os valores de temperatura medidos pelos sensores, tanto o sensor a fibra ótica quanto o convencional, seguem a mesma tendência da potência gerada pelo motor e, dessa forma, foi demonstrado a eficiência do funcionamento dos sensores mostrando a medição de temperaturas na turbina. / This paper describes the fabrication, implementation and results of a fiber optic sensor based on Bragg gratings regenerated for measurement of high temperatures of the exhaust gases in a turbine diesel engine locomotive. The proposed sensor with an encapsulation with stainless steel parts which is laid down on the surface of the turbine. The sensor has been challenged undergoing field tests at varying engine power. In the laboratory the optical sensor was compared with a conventional thermocouple sensor. It was possible to demonstrate that the temperature values measured by the sensors, both the optical fiber sensor as the conventional follow the same trend of the power generated by the engine and thus demonstrated the efficiency of the operation of sensors measuring temperatures showing in turbine.