Made available in DSpace on 2016-12-12T20:27:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 LUCAS HERMANN NEGRI.pdf: 2286573 bytes, checksum: 5c0e3c77c1d910bd47dd444753c142c4 (MD5) Previous issue date: 2012-02-24 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work presents computational methods to process data from electrical impedance spectroscopy and fiber Bragg grating interrogation in order to characterize the evaluated samples. Estimation and classification systems were developed, by using the signals isolatedly or simultaneously. A new method to adjust the parameters of functions that describes the electrical impedance spectra by using particle swarm optimization is proposed. Such method were also extended to correct distorted spectra. A benchmark for peak detection algorithms in fiber Bragg grating interrogation was performed, including the currently used algorithms as obtained from literature, where the accuracy, precision, and computational performance were evaluated. This comparative study was performed with both simulated and experimental data. It was perceived that there is no optimal algorithm when all aspects are taken into account, but it is possible to choose a suitable algorithm when one has the application requirements. A novel peak detection algorithm based on an artificial neural network is proposed, being recommended when the analyzed spectra have distortions or is not symmetrical. Artificial neural networks and support vector machines were employed with the data processing algorithms to classify or estimate sample characteristics in experiments with bovine meat, milk, and automotive fuel. The results have shown that the proposed data processing methods are useful to extract the data main information and that the employed data fusion schemes were useful, in its initial classification and estimation objectives. / Neste trabalho são apresentados métodos computacionais para o processamento de dados produzidos em sistemas de espectroscopia de impedância elétrica e sensoriamento a redes de Bragg em fibra óptica com o objetivo de inferir características das amostras analisadas. Sistemas de estimação e classificação foram desenvolvidos, utilizando os sinais isoladamente ou de forma conjunta com o objetivo de melhorar as respostas dos sistemas. Propõe-se o ajuste dos parâmetros de funções que modelam espectros de impedância elétrica por meio de um novo algoritmo de otimização por enxame de partículas, incluindo a sua utilização na correção de espectros com determinadas distorções. Um estudo comparativo foi realizado entre os métodos correntes utilizados na detecção de pico de sinais resultantes de sensores em fibras ópticas, onde avaliou-se a exatidão, precisão e desempenho computacional. Esta comparação foi feita utilizando dados simulados e experimentais, onde percebeu-se que não há algoritmo simultaneamente superior em todos os aspectos avaliados, mas que é possível escolher o ideal quando se têm os requisitos da aplicação. Um método de detecção de pico por meio de uma rede neural artificial foi proposto, sendo recomendado em situações onde o espectro analisado possui distorções ou não é simétrico. Redes neurais artificiais e máquinas de vetor de suporte foram utilizadas em conjunto com os algoritmos de processamento com o objetivo de classificar ou estimar alguma característica de amostras em experimentos que envolveram carnes bovinas, leite bovino e misturas de combustível automotivo. Mostra-se neste trabalho que os métodos de processamento propostos são úteis para a extração das características importantes dos dados e que os esquemas utilizados para a fusão destes dados foram úteis dentro dos seus objetivos iniciais de classificação e estimação.

[pt] Esta tese trata do desenvolvimento de sensores para a monitoração do fluxo de campo magnético utilizando fibras ópticas. A principal motivação reside no uso destes sensores no control da condição de hidrogeradores. Duas tecnologias de sensoriamento com fibras ópticas são exploradas. A primeira baseia-se no uso de redes de Bragg e a segunda no emprego de interferômetros modais em fibras ópticas microestruturadas que apresentam alta birefringência. Em ambos os casos as fibras são recobertas por uma camada de material compósito magnetoestrictivo, que responde ao campo magnético deformando-se. Esta deformação é transferida para a rede de Bragg ou para a fibra microestruturada, produzindo uma resposta dependente do campo magnético. Os sensores desenvolvidos são leves e compactos. O sensor baseado em redes de Bragg, de formato cilíndrico com 1,5 mm de diâmetro e 7 mm de comprimento, passou por testes estáticos em campos magnéticos de até 750 mT tendo apresentado uma resolução de 0,3 mT. Testes dinâmicos foram realizados em um rotor de bancada desbalanceado e os resultados obtidos comparados com os fornecidos por um sensor magnético de efeito Hall mostrando excelente concordância. O sensor a fibra óptica interferométrico foi caracterizado estaticamente, tendo apresentado uma sensibilidade ao campo magnético duas vezes superior à do sensor baseado em redes de Bragg. / [en] This work explores the use of optical fiber sensors for the measurement of magnetic fields. In focus are applications in the condition monitoring of hydrogenerators, in particular for the measurement of the air gap, which consists in the space between rotor and stator of the synchronous machine. Two different fiber optic sensing principles were employed to develop magnetic field sensors. The first was based on fiber Bragg gratings and the second on an in-fiber modal interferometer, where the two orthogonally polarized modes of a high birefringent microstructured fiber generate fringes over the optical spectrum of a broad band source. In both cases, the fibers are coated by a thick layer of a magnetostrictive composite that deforms due to changes in its magnetization state. Strains in the coating are transferred to the fiber and measured by the sensor. The developed sensors are light and compact. The Bragg grating magnetic field sensor is cylindrical in shape with diameter of 1.5 mm and 7 mm long. The sensor was tested at magnetic fields of up to 750 mT under static conditions. The resolution achieved with a commercial interrogator was estimated at 0.4 mT. Dynamic tests were carried out in a laboratory rotor that presented a magnetic unbalance of approximately 7 percent in one of its four poles. Results were compared with a Hall Effect sensor showing excellent agreement. The interferometric sensor was characterized and results of static tests demonstrated that its sensibility to changes in the magnetic field is twice that of the sensor based on Bragg gratings.

Submitted by Hellen Luz (hellencrisluz@gmail.com) on 2017-07-06T16:57:10Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Tese_AnaliseMultifisicaExperimentos.pdf: 2773062 bytes, checksum: 331027fa4dfc895ffb85d73cd6d68af7 (MD5) / Approved for entry into archive by Irvana Coutinho (irvana@ufpa.br) on 2017-08-09T14:48:06Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Tese_AnaliseMultifisicaExperimentos.pdf: 2773062 bytes, checksum: 331027fa4dfc895ffb85d73cd6d68af7 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-08-09T14:48:06Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Tese_AnaliseMultifisicaExperimentos.pdf: 2773062 bytes, checksum: 331027fa4dfc895ffb85d73cd6d68af7 (MD5) Previous issue date: 2017-04-12 / CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / As Redes de Bragg oferecem novas possibilidades para se monitorar de forma precisa a temperatura do rotor de hidrogeradores. Dezenas de sensores podem ser montados em série em uma única fibra e ser usados para medir a temperatura em diversos pontos do enrolamento do rotor. Tais sensores são instalados diretamente na superfície do enrolamento do rotor sendo isolados termicamente do ar por uma camada de silicone. Por causa do gradiente de temperatura nesta estrutura, o sensor fica exposto a estresses termomecânicos que podem vir a deformá-lo. Como os sensores baseados em Redes de Bragg são sensíveis tanto à temperatura com à deformação mecânica, o conhecimento de cada efeito separadamente torna-se necessário para garantir que as leituras de temperatura não sejam afetadas pela deformação mecânica. Resultados experimentais obtidos em maquete que simula o enrolamento do rotor com termistores e sensores baseados em Redes de Bragg mostraram que as leituras de temperatura feitas pelos sensores ópticos à Redes de Bragg estavam cerca de 4,5°C superiores àquelas feitas pelos termistores usados como referência. Simulações multifísicas foram conduzidas para calcular a deformação e a temperatura no conjunto de montagem do sensor óptico. Os resultados teóricos e experimentais estão em acordo e mostram que o gradiente de temperatura através do conjunto de montagem do sensor óptico é suficiente causar uma deformação capaz de fazer surgir um tensão axial no sensor provocando um erro de leitura. / Fiber Bragg gratings (FBGs) offer new possibilities to monitor accurately the rotor temperature. Dozens of sensors can be mounted in series in a single fiber and used to measure the temperature in several points of the rotor winding. Such sensors installed directly on the rotor winding surface are thermally isolated from the cooling air by a silicone layer. Because of the temperature gradient in this structure, the sensor is exposed to thermo-mechanical stresses and therefore can be deformed. Since the FBG probes are sensitive to both temperature and strain, the knowledge of each effect separately is necessary to ensure that the temperature readings are not affected by strain. Experimental results obtained in rotor winding mockup tests with thermistors and FBG sensors show that the temperature readings by the FBG are 4.5°C above the temperature defined by the thermistors which were used as references. Multi-physics simulations were carried out to calculate the strain and temperature in the FBG assembly. The theoretical and experimental results are in a good agreement and show that the temperature gradient across the FBG sensor assembly is sufficient to cause a strain that induces an axial stress in the FBG sensor causing an error in the temperature reading.

CNPq, Capes e FINEP / Este trabalho descreve a produção e caracterização de guias de onda óticos em cristal de fluoreto de lítio (LiF) produzidos expondo o cristal a um feixe focalizado de um laser de femtosegundo, com o deslocamento do cristal na direção perpendicular ao eixo de propagação do feixe. A medida da emissão, sob iluminação específica, demonstra a presença de centros de cor dos tipos F2 e F3+ nas regiões do cristal expostas ao feixe focalizado do laser. As estruturas produzidas possuem incremento do índice de refração em relação ao índice de refração do cristal. Tais estruturas são caracterizadas em termos da sua morfologia usando microscopia convencional e confocal. A capacidade de guiamento de luz é investigada acoplando fontes laser com diferentes comprimentos de ondas. Os modos suportados são também analisados, bem como as perdas na propagação. A produção de guias de ondas de Bragg é testada acoplando uma fonte de luz branca e comparando seu espectro com o espectro que passa somente pelo cristal. A capacidade de guiamento das estruturas produzidas é confirmada pela análise dos perfis de campo próximo. Os guias suportam poucos modos e os incrementos de índices obtidos são da ordem de 10^-4. / This work describes the production and characterization of optical waveguides in lithium fluoride crystal (LiF) produced by exposing the crystal to a focused femtosecond laser beam, with the crystal displacement perpendicular to the beam. The measured emissions, with specific illumination, demonstrate the presence of color centers of types F2 and F+3 at the crystal regions exposed to the focused laser beam. The produced structures have increased refractive index relative to the crystal refraction index. Such structures are characterized in terms of their morphology using conventional and confocal microscopy. Their ability to guide light is investigated through coupling different laser light. The propagation modes supported by the guides are also estimated, as well as the propagation losses. The production of a Bragg grating waveguide is locked for by coupling a white light in the guides and comparing its spectrum with that passing only through the crystal. The guiding capacity of the structural changes produced is confirmed by the near-field profile analysis. The guides support few propagation modes and the obtained changes in the refractive index are in the order of 10^-4.

Made available in DSpace on 2016-12-12T20:27:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Yujuan Wang.pdf: 1608760 bytes, checksum: 9cb82304a2c95c2b0e357dc7f8449815 (MD5) Previous issue date: 2012-12-17 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work presents the development of an FPGA-based optical interrogation system of multiplexed FBG sensors. The Fabry-Perot filter is used to implement the tunable filter method, as a demodulator for FBG sensors. The tuning signal generation for Fabry-Perot filter and the data aquisition are implemented and syncronized em FPGA. Peak-detection algorithms, based on centroid and FIR filter, are implemented em FPGA. The peak displacement detected of FBG reflected spectrum is used to refer sensed elements, such as variation of temperature and refractive index. Besides, other auxiliary digital circuits are implemented for the system configuration, visulization of the detected peak information and the serial communication to monitor entire spectra in computer. All these digital circuits are working on their own duty at the same time, synchronised by the crystal clock of FPGA. The system was used to monitor the fabrication process of an refractive index sensor. The fabricated sensor was tested by measuring the refractive index of water and sucrose. In another experiment, the system was tested by measuring the temperature of a water sample. In addition, a method to calibrate the tuning signal generator is proposed, which can also be employed in other applications that uses DA converters. Finally, the developed system was packaged to facilitate its transportation. / Este trabalho descreve a implementação de um sistema de interrogação óptico para FBGs multiplexadas, com o controle dos processos implementado em FPGA. A interrogação das FBGs é realizada por meio do método de filtro sintonizável, com o uso de filtro Fabry-Perot. Um FPGA é utilizado para gerar sinal de sintonia para o filtro Fabry-Perot e realizar a leitura do sinal espectral refletido pelas FBGs. Algoritmos de detecção de pico (centroide e filtro FIR) foram implementados no FPGA para processar os sinais refletidos por cada FBG, com o objetivo de inferir as propriedades sensoreadas, como variação de temperatura ou índice de refração. Além destes circuitos digitais, são implementados outros circuitos digitais para a configuração do sistema, para a visualização do pico detectado do sinal espectral e para o monitoramento do espectro inteiro via comunicação serial. Todos circuitos cumprem a própria função paralelamente em virtude do paralelismo do FPGA, sincronizado pelo clock do oscilador cristal do FPGA. O sistema desenvolvido foi utilizado no monitoramento do processo de fabricação de sensor de índice de refração e então na leitura do índice de refração de amostras de sacarose e água. O sistema também foi utilizado para a leitura da temperatura de amostras de água, onde foi estimada a sensibilidade e a resolução do sistema. Também foi proposto um método para a calibração do sistema, que pode ser utilizado também em outros trabalhos. O sistema final foi colocado em uma maleta para facilitar o seu transporte para o local de uso.