Submitted by MARLON RODRIGUES GARCIA null (marlon92319@aluno.feis.unesp.br) on 2016-04-18T18:04:02Z No. of bitstreams: 1 Dissertação Final - Marlon.pdf: 6766003 bytes, checksum: 4849566caadd0c8935bb400de40fb690 (MD5) / Approved for entry into archive by Felipe Augusto Arakaki (arakaki@reitoria.unesp.br) on 2016-04-19T14:54:06Z (GMT) No. of bitstreams: 1 garcia_mr_me_ilha.pdf: 6766003 bytes, checksum: 4849566caadd0c8935bb400de40fb690 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-04-19T14:54:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 garcia_mr_me_ilha.pdf: 6766003 bytes, checksum: 4849566caadd0c8935bb400de40fb690 (MD5) Previous issue date: 2016-02-23 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Neste trabalho aborda-se a utilização de um sensor de deslocamento angular em fibra óptica para a caracterização de líquidos utilizando-se ondas de Lamb e o modo quase Scholte (QSCH) propagados em placa metálica. O sensor reflexivo compreende duas fibras ópticas, uma emissora e outra receptora, uma lente positiva, uma superfície reflexiva, um laser e um fotodetector. Primeiramente, realiza-se um breve estudo sobre a propagação de ondas mecânicas guiadas em placas metálicas imersas em fluidos. Nesse estudo, são obtidas as curvas de dispersão para a velocidade de fase e para a velocidade grupo em função do produto frequência-semiespessura da placa, tanto para as ondas de Lamb quanto para o modo QSCH, considerando diferentes fluidos. Posteriormente, aborda-se o modelamento matemático do sensor reflexivo, obtendo-se as curvas características estáticas para quatro diferentes configurações. Em seguida, descreve-se o processo de montagem do sensor reflexivo, com todos os seus detalhes construtivos. Já na parte experimental, aplicando-se um pulso senoidal de envoltória gaussiana em um transdutor, investiga-se primeiramente a excitação do modo fundamental simétrico da onda de Lamb, S0. Captando-se simultaneamente os sinais da onda propagada na placa pelo sensor reflexivo e por uma piezocerâmica em modo de recepção, obtêm-se os valores experimentais da velocidade de grupo. Comparando-se os valores experimentais com os valores teóricos previstos pelas curvas de dispersão, percebe-se que o sensor reflexivo pode ser utilizado para se medir modos simétricos da onda de Lamb.Visando-se a caracterização de líquidos, imerge-se parcialmente uma placa de alumínio em um fluido sob teste, e excita-se o modo fundamental antissimétrico da onda de Lamb, A0. O modo A0 converte-se em modo QSCH na interface ar-fluido, o qual sofre reflexão na borda da placa e se reconverte em modo A0 na interface fluido-ar. Utilizando-se o sensor reflexivo, pode-se medir a velocidade de propagação do modo QSCH. Sabendo-se que a velocidade do modo QSCH é diferente para diferentes fluido, verifica-se que o sensor pode ser utilizado para medir porcentagens de misturas de fluidos. Adicionalmente, medem-se também os deslocamentos lineares gerados pelo modo A0 na placa de alumínio na direção out-of-plane, comparando-se os resultados com as medições realizadas por um interferômetro de Michelson. / In this work one approaches the use of an angular displacement optical fiber sensor for characterization of liquids using Lamb waves and quasi-Scholte waves (QSCH) propagated in a metal plate. The reflective sensor comprises two optical fibers, one emitting and another receiving, a reflective surface, a laser and a photodetector. Firstly, one develops a brief study about the propagation of mechanical waves in metal plates imbibed in fluids. In this study, one obtains the dispersion curves for the phase velocity and the group velocity as a function of the frequency-halfwidth product for both Lamb waves and QSCH mode, considering different fluids. Subsequently, it one approaches the mathematical modeling of the reflective sensor, obtaining the static characteristic curves for four different configurations. Next, one describes the assembly process of the reflective sensor, with all the construction details. In the experimental part, one investigates the excitement of the symmetrical fundamental mode of the Lamb wave applying a sinusoidal pulse of gaussian envelope. Catching up simultaneously the wave propagated signals by the reflective sensor and by a piezoceramic, one obtains the experimental values of the group velocity. Comparing the experimental values with the values proposed by the dispersion curves, one notices that the reflective sensor can be used to measure the symmetric modes of the Lamb waves. Aimed at the characterization of liquids, one immerges partially an aluminum plate in a fliud under test, and one excites the fundamental antisymmetric mode of the Lamb wave, A0. The A0 mode becomes QSCH in the air-fluid interface, which reflects in the edge of the plate and is reconverted into A0 mode in the fluid-air interface. Using the reflective sensor, one can measure the QSCH mode propagation velocity. Knowing that the QSCH velocity is different for different fluids, one verifies that the sensor can be used to measure percentages of fluid mixtures. One measures also the linear displacements generated by the A0 mode in the aluminum plate in the out-of-plane direction, comparing the results with the measurements made by a Michelson interferometer.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:22:35Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2006-04-28Bitstream added on 2014-06-13T18:06:43Z : No. of bitstreams: 1 sakamoto_jms_me_ilha.pdf: 6608858 bytes, checksum: 00cb410d8ba756148ea0f5626f2c8f3b (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / A interferometria a laser é uma técnica consolidada para a caracterização de atuadores piezoelétricos. No entanto, este método requer um alinhamento óptico preciso e uma operação meticulosa. Há um grande interesse no desenvolvimento de sistemas de medição de deslocamento e vibração usando sensores reflexivos em fibra óptica devido a sua inerente simplicidade, tamanho reduzido, largura de banda ampla, limite de detecção extremamente baixo e capacidade de realizar medições sem contato ou afetar o sistema a ser ensaiado. Neste trabalho apresenta-se um arranjo simples do sensor reflexivo para se atingir resolução sub-micrométrica, utilizando-se fibras e componentes ópticos de baixo custo e circuitos eletrônicos simples. O sistema é constituído por duas fibras ópticas adjacentes (uma transmissora e outra receptora) e com extremidades emparelhadas, posicionadas na frente de uma superfície reflexiva vibratória. A luz proveniente de uma fonte óptica (no caso um laser) é acoplada à fibra transmissora e parte dos raios refletidos pela superfície móvel é capturada pela fibra receptora, que conduz a luz para um fotodetector. A tensão de saída do fotodetector é função da distância entre as extremidades das fibras e a superfície reflexiva. Apresenta-se uma formulação teórica da função de intensidade óptica refletida no plano a uma distância qualquer, juntamente com comparações entre características experimentais e teóricas do sensor reflexivo. Finalmente, atuadores piezoelétricos flextensionais, projetados com o método de otimização topológica, são caracterizados experimentalmente através da medição de seus deslocamentos sub-micrométricos, utilizando o sensor reflexivo. As respostas em freqüência dos piezoatuadores flextensionais são levantadas e o fenômeno de erro de trajetória e linearidade são discutidos. / The laser interferometer method is a well-established technique for the characterization of piezoelectric actuators. However, this method requires precise optical alignment and meticulous operation. There is great interest in developing displacement and vibration measurement systems using reflective fiber optic displacement sensors (RFODS) because of their inherent simplicity, small size, wide frequency range, extremely low displacement detection limit, and ability to perform measurements without contact or affecting the vibrating system. This work presents a simple arrangement of RFODS to achieve sub-micrometer resolution, using low-cost fibers and optical components, and simple electronic circuits. The system is composed of two adjacent transmitting and receiving fibers at one end, located in front of a reflecting vibrating surface. The transmitting fiber is connected to a laser source, and part of the reflected rays by the moving surface is captured by the receiving fiber, which is connected to a light detector. The output voltage is a function of the distance between probe and vibrating surface. A theoretical formulation of the reflected light intensity function at distal end plane is presented, together with comparisons of experimental and ideal RFODS characteristics. Finally, piezoelectric flextensional actuators (PFAs), designed with the topology optimization method, are experimentally characterized by the measurement of their sub micrometric displacements using a RFODS. The frequency responses of the PFAs are evaluated, and the tracking error phenomenon and linearity are discussed.

Orientador: Cláudio Kitano / Resumo: Neste trabalho aborda-se a utilização de um sensor de deslocamento angular em fibra óptica para a caracterização de líquidos utilizando-se ondas de Lamb e o modo quase Scholte (QSCH) propagados em placa metálica. O sensor reflexivo compreende duas fibras ópticas, uma emissora e outra receptora, uma lente positiva, uma superfície reflexiva, um laser e um fotodetector. Primeiramente, realiza-se um breve estudo sobre a propagação de ondas mecânicas guiadas em placas metálicas imersas em fluidos. Nesse estudo, são obtidas as curvas de dispersão para a velocidade de fase e para a velocidade grupo em função do produto frequência-semiespessura da placa, tanto para as ondas de Lamb quanto para o modo QSCH, considerando diferentes fluidos. Posteriormente, aborda-se o modelamento matemático do sensor reflexivo, obtendo-se as curvas características estáticas para quatro diferentes configurações. Em seguida, descreve-se o processo de montagem do sensor reflexivo, com todos os seus detalhes construtivos. Já na parte experimental, aplicando-se um pulso senoidal de envoltória gaussiana em um transdutor, investiga-se primeiramente a excitação do modo fundamental simétrico da onda de Lamb, S0. Captando-se simultaneamente os sinais da onda propagada na placa pelo sensor reflexivo e por uma piezocerâmica em modo de recepção, obtêm-se os valores experimentais da velocidade de grupo. Comparando-se os valores experimentais com os valores teóricos previstos pelas curvas de dispersão, percebe-se que... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: In this work one approaches the use of an angular displacement optical fiber sensor for characterization of liquids using Lamb waves and quasi-Scholte waves (QSCH) propagated in a metal plate. The reflective sensor comprises two optical fibers, one emitting and another receiving, a reflective surface, a laser and a photodetector. Firstly, one develops a brief study about the propagation of mechanical waves in metal plates imbibed in fluids. In this study, one obtains the dispersion curves for the phase velocity and the group velocity as a function of the frequency-halfwidth product for both Lamb waves and QSCH mode, considering different fluids. Subsequently, it one approaches the mathematical modeling of the reflective sensor, obtaining the static characteristic curves for four different configurations. Next, one describes the assembly process of the reflective sensor, with all the construction details. In the experimental part, one investigates the excitement of the symmetrical fundamental mode of the Lamb wave applying a sinusoidal pulse of gaussian envelope. Catching up simultaneously the wave propagated signals by the reflective sensor and by a piezoceramic, one obtains the experimental values of the group velocity. Comparing the experimental values with the values proposed by the dispersion curves, one notices that the reflective sensor can be used to measure the symmetric modes of the Lamb waves. Aimed at the characterization of liquids, one immerges partially an alumi... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Este trabalho teve por objetivo desenvolver e caracterizar um sensor de força utilizando uma fibra óptica modificada pelo processo conhecido como Fiber tapering. A fibra quando modificada deixa exposto o campo evanescente, o que a torna sensível a influências externas, e a luz guiada na fibra pode vir a sofrer reflexão interna total frustrada ao entrar em contato com materiais. Ao envolver a região modificada por um material elastomérico, a área de contato e consequentemente a atenuação torna-se uma função da intensidade da força aplicada, possibilitando então relacionar a força a atenuação da luz. Baseando-se nesse efeito, foi criado um sensor de dimensões reduzidas, de rápida resposta, linear, altamente sensível e de boa repetibilidade. Foi criado também um circuito eletrônico utilizando amplificadores operacionais para a aquisição e processamento do sinal proveniente da fibra e selecionado um sensor comercial comum para a realização de experimentos e comparações. Ambos os sensores foram posicionados sobre uma balança de precisão e submetidos a diversos esforços obtendo-se dados sobre a resposta estática. Em seguida utilizando um shaker eletrodinâmico foram medidos os tempos de resposta a uma entrada degrau, e realizando esforços repetitivos foram analisados os desvios das medidas lidas pelos sensores. / The aim of this research was to develop and characterize a force sensor using a modified optical fiber by a process known as Fiber tapering. The modified fiber leaves the evanescent field exposed and prone to external influences and the guided light may suffer frustration of total internal reflection upon contact with materials. When covering the modified fiber section with an elastomeric material, the contact area and therefore the attenuation becomes a function of the applied pressure, making it possible to relate force to attenuation in light intensity. Based on this effect, a small sensor was created, having a quick response time, with high linearity, high sensitivity and good repeatability. Along with the sensor, an electronic circuit using operational amplifiers was designed for acquisition and processing of the signal obtained from the optical fiber. In addition, in order to perform experiments and comparisons, a standard force sensor was chosen. Both sensors were placed over a precision weighing scale and had different intensities of force applied on them, and after that, data regarding static measurements was gathered. The response time was obtained using an electrodynamic shaker and applying a step input. Furthermore, data was gathered about the deviations on the measurements by performing a repetitive set of compressions.

Made available in DSpace on 2016-12-12T20:27:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Renan Sebem.pdf: 14781648 bytes, checksum: 1c30002408823e0116831038c8c98e8c (MD5) Previous issue date: 2015-09-21 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work explores the potential and shows the implementation of the long period gratings as refractive index sensors. It is proposed a sensor design where the refractive index sensitivity is improved. The design includes the use of the sensor with simple and low cost interrogation. Several manufacturing parameters are investigated and the process is enhanced to meet the design specifications, and also to obtain repeatability in the process. New ideas were proposed to manufacture tilted gratings and to control the index modulation duty cycle in a practical way with inexpensive equipment. The inscription of the fiber sensor is made by CO2 laser, point to point, with a uniform index modulation. The gratings were interrogated by an optical spectrum analyzer and also by edge filter demodulation in the 1550 nm region through an electronic board, developed in this work with automatic normalization of the signal. Results show that the refractive index sensitivity is influenced by several design and manufacturing parameters of the fiber grating. Performed experiments show a considerable increase in the refractive index sensitivity of the grating. / Este trabalho explora o potencial e demonstra a implementação das redes de período longo em fibra como sensores de índice de refração. É proposto um projeto do sensor em que a sensibilidade ao índice de refração é aperfeiçoada. O projeto contempla a utilização do sensor com interrogação de maneira simples e de baixo custo. Diversos parâmetros de fabricação são investigados e o processo é aprimorado para atingir as especificações de projeto, e também a fim da obtenção de repetibilidade no processo. Novas ideias foram propostas para fabricação de redes inclinadas e para o controle do duty cycle da modulação de índice da rede de maneira prática com equipamentos de baixo custo. A fabricação do sensor em fibra é feita através de laser de CO2, ponto a ponto, e com modulação de índice uniforme. As redes foram interrogadas através de analisador de espectro óptico e também por demodulação de borda de filtro na região de 1550 nm através de uma placa eletrônica, desenvolvida neste trabalho com normalização automática do sinal. Resultados mostram que a sensibilidade ao índice de refração é influenciada por alguns parâmetros de projeto e fabricação da rede em fibra. Experimentos realizados mostraram um aumento considerável na sensibilidade da rede ao índice de refração.

Este trabalho teve por objetivo desenvolver e caracterizar um sensor de força utilizando uma fibra óptica modificada pelo processo conhecido como Fiber tapering. A fibra quando modificada deixa exposto o campo evanescente, o que a torna sensível a influências externas, e a luz guiada na fibra pode vir a sofrer reflexão interna total frustrada ao entrar em contato com materiais. Ao envolver a região modificada por um material elastomérico, a área de contato e consequentemente a atenuação torna-se uma função da intensidade da força aplicada, possibilitando então relacionar a força a atenuação da luz. Baseando-se nesse efeito, foi criado um sensor de dimensões reduzidas, de rápida resposta, linear, altamente sensível e de boa repetibilidade. Foi criado também um circuito eletrônico utilizando amplificadores operacionais para a aquisição e processamento do sinal proveniente da fibra e selecionado um sensor comercial comum para a realização de experimentos e comparações. Ambos os sensores foram posicionados sobre uma balança de precisão e submetidos a diversos esforços obtendo-se dados sobre a resposta estática. Em seguida utilizando um shaker eletrodinâmico foram medidos os tempos de resposta a uma entrada degrau, e realizando esforços repetitivos foram analisados os desvios das medidas lidas pelos sensores. / The aim of this research was to develop and characterize a force sensor using a modified optical fiber by a process known as Fiber tapering. The modified fiber leaves the evanescent field exposed and prone to external influences and the guided light may suffer frustration of total internal reflection upon contact with materials. When covering the modified fiber section with an elastomeric material, the contact area and therefore the attenuation becomes a function of the applied pressure, making it possible to relate force to attenuation in light intensity. Based on this effect, a small sensor was created, having a quick response time, with high linearity, high sensitivity and good repeatability. Along with the sensor, an electronic circuit using operational amplifiers was designed for acquisition and processing of the signal obtained from the optical fiber. In addition, in order to perform experiments and comparisons, a standard force sensor was chosen. Both sensors were placed over a precision weighing scale and had different intensities of force applied on them, and after that, data regarding static measurements was gathered. The response time was obtained using an electrodynamic shaker and applying a step input. Furthermore, data was gathered about the deviations on the measurements by performing a repetitive set of compressions.

Este trabajo de tesis recoge las contribuciones aportadas en el campo de los sensores de fibra óptica en tres ámbitos de trabajo. Un sistema sensor de alta temperatura sin contacto con transductores de fibras ópticas de sílice se ha presentado. Dos topologías de "ojo abierto" y "ojo cerrado" y un algoritmo de decodificación "pirometría de banda dual" propuesto en este trabajo son las novedosas aportaciones presentadas. El sistema ha sido validado en laboratorio y en pruebas de campo de forma exitosa. Para sensores de temperatura con fibras dopadas con Erbio se ha demostrado que su máxima sensibilidad tiene lugar cuando la longitud utilizada es superior a la óptima exigida por el bombeo. Finalmente se ha modelado y validado en laboratorio una red de sensores acústicos basados en interferómetros Fabry-Perot de cavidad larga determinando a partir del modelo obtenido la fase mínima detectable y la visibilidad máxima del sistema. / The thesis collects contributions in the field of optic fibre sensors for three areas. A high temperature sensor system without contact based on silica optic fibre transducers has been submitted. Two topologies "open eye" and "closed eye" and a dual band pyrometer decoding algorithm are the submitted innovative contributions. The system has been validated successful in the laboratory and field tests so. Another contribution has been the demonstration that the maximum sensitivity for temperature sensors based on Er-doped fibres occurs when the used length is more than the optimum required by pumping. Finally a network of acoustic sensors based on Fabry-Perot fibre interferometers has been modelled and validated in the laboratory. The minimum detectable phase and maximum visibility of the system has been obtained from the proposed and validated model