Materiais cerâmicos à base de óxidos de manganês, de níquel e de cobalto foram preparados por meio de mistura de óxidos seguida de homogeneização e sinterização controlada em 1250 °C. Os óxidos foram caracterizados por meio das técnicas de difração de raios X, fluorescência de raios X, termogravimetria e determinação de distribuição de tamanho de partículas por espalhamento laser. A caracterização dos corpos sinterizados foi feita por meio de análise por microscopia eletrônica de varredura, difração de raios X e fluorescência de raios X. O comportamento termistor foi estudado por meio de medidas de resistividade elétrica pela técnica dc de duas pontas de prova entre temperatura ambiente e 220 °C. Os principais resultados mostram ser possível a preparação de termistores em ampla faixa de resposta elétrica por meio da variação da composição relativa dos óxidos de manganês, de níquel e de cobalto. / Ceramic tliermistors based on manganese, nickel and cobalt oxides were prepared by mixing these oxides followed by pressing and sintering at 1250 °C range. The oxides were characterized by X-ray diffraction, X-ray fluorescence, thermogravimetry and differential thermal analysis, and by the determination of particle size distribution by laser scattering. After sintering. X-ray diffraction. X-ray fluorescence and scanning electron microscopy analyses were carried out. The thermistor behavior was studied by two-probe dc electrical resistivity measurements in the room temperature-220 °C range. The main results show the possibility of designing thermistors with the required electrical response by suitable choice of the relative concentrations of the precursor oxides.

Materiais cerâmicos à base de óxidos de manganês, de níquel e de cobalto foram preparados por meio de mistura de óxidos seguida de homogeneização e sinterização controlada em 1250 °C. Os óxidos foram caracterizados por meio das técnicas de difração de raios X, fluorescência de raios X, termogravimetria e determinação de distribuição de tamanho de partículas por espalhamento laser. A caracterização dos corpos sinterizados foi feita por meio de análise por microscopia eletrônica de varredura, difração de raios X e fluorescência de raios X. O comportamento termistor foi estudado por meio de medidas de resistividade elétrica pela técnica dc de duas pontas de prova entre temperatura ambiente e 220 °C. Os principais resultados mostram ser possível a preparação de termistores em ampla faixa de resposta elétrica por meio da variação da composição relativa dos óxidos de manganês, de níquel e de cobalto. / Ceramic tliermistors based on manganese, nickel and cobalt oxides were prepared by mixing these oxides followed by pressing and sintering at 1250 °C range. The oxides were characterized by X-ray diffraction, X-ray fluorescence, thermogravimetry and differential thermal analysis, and by the determination of particle size distribution by laser scattering. After sintering. X-ray diffraction. X-ray fluorescence and scanning electron microscopy analyses were carried out. The thermistor behavior was studied by two-probe dc electrical resistivity measurements in the room temperature-220 °C range. The main results show the possibility of designing thermistors with the required electrical response by suitable choice of the relative concentrations of the precursor oxides.

Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, da Universidade do Extremo Sul Catarinense - UNESC, como requisito para a obtenção do título de Mestre em Ciência e Engenharia de Materiais. / Nos sistemas de distribuição de energia elétrica são utilizados conectores que devem permitir a passagem de energia elétrica de forma continua e sem interrupções. Porém, nem sempre isso ocorre devido a falhas ocasionadas por montagem inadequada e/ou corrosão dos materiais utilizados, o que reflete na qualidade do serviço prestado. Como tais falhas normalmente envolvem dissipação de calor por efeito Joule, promovendo aquecimento do conector, pode esta característica ser utilizada para a detecção de defeitos com o uso, por exemplo, de câmeras de infravermelho ou termopares. Porém, devido à dificuldade de utilização destes equipamentos, bem como os custos envolvidos, há a necessidade do desenvolvimento de novos dispositivos que facilitem a sua identificação. Novas tecnologias de detecção têm sido estudadas e, dentre elas, destaca-se o uso de materiais termocrômicos, os quais permitem a identificação de pontos quentes de modo simples, dispensando o uso de equipamentos e pessoal especializado. Neste sentido, este trabalho avaliou o desempenho de um cristal líquido termocrômico para o desenvolvimento de um sensor de temperatura em conectores de redes do sistema elétrico. Para avaliação do seu desempenho foram realizados ensaios de degradação térmica e sob radiação ultravioleta, e analisados por métodos espectroscópicos (FTIR, FTIR-HATR, UV-Vis, RMN de 1H) e métodos térmicos (DSC, MOLP). Os resultados indicaram que o cristal líquido utilizado, bem como os componentes de montagem, não apresentaram degradação nas condições de ensaios térmicas e sob radiação ultravioleta, viabilizando seu uso na construção de um sensor de temperatura, inclusive com relação à estabilidade da cor obtida.

[pt] Apresenta-se aqui um modelamento teórico para descontinuidades na casca de guias dielétricos, tanto para o Slab quanto para fibra ótica, propondo-se apenas estudar o comportamento do modo fundamental em ambas as estruturas. Todo o desenvolvimento é feito a partir da expansão das componentes transversais de campo segundo coeficientes de acoplamento. A análise de tais coeficientes descrevem as potências de transmissão e reflexão da descontinuidade. Em seguida, aplica-se as condições de contorno à descontinuidade para solucionar o conjunto de equações integro-diferenciais formado pela expansão. Tal modelamento é útil no desenvolvimento de sensores de temperatura onde a ponta sensora é exatamente a estrutura estudada. Comparações qualitativas são feitas entre os resultados teóricos e medidas feitas em laboratório com este tipo de sensor. / [en] We show here a theoretical model for descontinuity in clad of dielectric guides, for Slab as much as optical fiber. We just studied the behavior of dominant mode, in both structures. All development is done starting with expansion of transversal components fo field according to the coupled coefficients. The analysis of such coefficients shows the transmission powers and descontinuity reflexion. Next, we apply the boundary value problems to descontinuity to solve the sets integro-differential equations formed by the expansion. This model is useful in the development fo temperature sensors, where the sensor is exactly the studied structure. Qualitative comparisons are done between the theoretical results and the experimental measures using the kind of sensor.

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.

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).

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.

Esta tese apresenta o desenvolvimento de uma técnica de processamento numérico capaz de reconstruir o sinal da temperatura do processo original a partir do sinal distorcido, atrasado e ruidoso, medido através de uma sonda intrusiva. Uma técnica de regularização foi adotada para contornar o mau condicionamento do modelo numérico inverso da equação de transdução para obter o sinal do processo, que considera o acúmulo térmico e as transferências de calor convectivo e radiativo entre o meio e o sensor térmico. O método dos mínimos quadrados simplificado foi implementado como técnica de regularização, por ser um método rápido e possuir um código computacional pequeno, permitindo, obter os dados em tempo real e desenvolver um sensor térmico inteligente. Testes numéricos demonstraram as discrepâncias introduzidas pela inércia térmica, convecção e radiação, bem como a extrema sensibilidade da presença de ruídos quando o problema inverso é resolvido. Testes experimentais foram conduzidos para validar o algoritmo de reconstrução sob condições práticas com sinais obtidos por um termopar encapsulado / This thesis presents the development of a numerical processing technique capable of reconstructing the original process temperature signal from distorted, late and noisy measured signal obtained from an intrusive probe. A regularization technique was adopted to palliate the ill conditioning of the inverse numerical model of the transduction equation to obtain the process signal, which considers thermal accumulation and convective and radiative heat transfers between the medium and the thermal sensor. The simplified least square method was implemented as the regularization technique, because it is a fast method and results in a small computational code, which produces on-line information and allow the development an intelligent temperature sensor. Numerical tests demonstrated the discrepancies introduced by thermal inertia, convection and radiation, as well as the extreme sensitivities to the presence of noise when solving the inverse problem. Experimental tests were carried out to validate the reconstruction algorithm under realistic experimental conditions with the signals obtained by the sheathed thermocouple

O processo de conversão ascendente de energia (infravermelho ao visível) é amplamente estudado em materiais dopados com íons terras raras trivalentes (TR3+) devido as várias possibilidades de aplicações tecnológicas. Tal processo consiste na emissão de fótons de maior energia (usualmente no visível) mediante excitação com fótons de menor energia (infravermelho) via mecanismo de absorção de dois fótons e/ou transferência de energia entre os íons TR3+. Entre os materiais estudados destacam-se vidros e vitrocerâmicas dopados com Er3+ com emissões nas regiões do verde e do vermelho, que podem ser eficientemente excitadas por lasers de diodo na região do infravermelho próximo (980 nm). Uma das aplicações possíveis para este processo é a de um sensor óptico de temperatura baseado na dependência da razão de intensidades de emissão dos níveis 2H11/2 e 4S3/2 do Er3+ com a temperatura, vantajoso para operação em ambientes hostis como transformadores de alta tensão, em processos industriais, etc. Como a eficiência das emissões depende também da matriz hospedeira, os vidros fluorofosfatos com composição 25BaF225SrF2(30-x)Al(PO3)3xAlF3(20-z)YF3:zErF3 com x = 20 e z = 1,0 a 5,0 mol% foram escolhidos por apresentarem alta estabilidade química e mecânica, e energia de fônon relativamente baixa. Assim, amostras vítreas dopadas com várias concentrações de Er3+ foram previamente caracterizadas e selecionadas para desenvolver o protótipo que emprega a variação de intensidade relativa das emissões 2H11/2 → 4I15/2 e 4S3/2 → 4I15/2 do vidro fluorofosfato dopado com Er3+ na medição de temperaturas. Este protótipo apresenta as características de baixo custo, alta sensibilidade e rápida resposta. / The infrared-to-visible upconversion process is widely studied in materials doped with trivalent rare earth ions (RE3+) due to the various possibilities of technological applications. The process is based on the emission of photons with higher energy (in the visible) than the excitation photons (in the infrared) via the mechanisms of two-photon absorption and/or energy transfer between RE3+ ions. Among the studied materials emphasis is given to glasses and glass ceramics doped with Er3+, exhibiting intense emissions in the green and red, which can be efficiently excited by diode lasers in the near infrared region (980 nm). One application of this process is an optical temperature sensor based on the dependence of the ratio of the emission intensities of levels 2H11/2 and 4S3/2 of Er3+ on the temperature of the sample. Such sensor would be advantageous for operation in hostile environments, such as high voltage transformers, industrial processes, etc. Because the efficiency of upconversion also depends on the host matrix composition, flurophosphate glasses are interesting candidates due to their high chemical stability, good mechanical properties and relatively low phonon energy. Glasses with composition 25BaF225SrF2(30-x)Al(PO3)3xAlF3(20-z)YF3:zErF3 with x = 20 and z varying from 1.0 to 5.0 mol% were characterized and selected to develop the prototype employing the fluorescence of fluorophosphate glass doped with Er3+ for measuring temperatures with the following characteristics: low cost, high accuracy and fast response.