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%).

Este trabalho apresenta uma análise de natureza teórica de um dispositivo RF-Photonic denominado de Oscilador de Microondas Optoeletrônico. Este dispositivo, realizado utilizando-se conceitos de óptica integrada, converte a energia contínua de uma fonte laser em sinais na faixa espectral de Microondas ou de Rádio Freqüência (RF). Os sinais gerados por este oscilador são considerados mais estáveis e espectralmente puros do que aqueles gerados pelos tradicionais osciladores eletrônicos que utilizam o cristal de quartzo como seu meio ressonante. Este oscilador, referido pelo acrônimo de OEO, consiste de uma fonte laser e um circuito de realimentação constituído por um modulador eletroóptico de amplitude, uma linha de atraso a fibra óptica, um fotodetector, um amplificador e um filtro. Neste trabalho, abordam-se dispositivos optoeletrônicos nos quais as características de sinais ópticos são controladas por sinais de microondas, por meio do efeito eletroóptico. Desenvolve-se uma análise detalhada do interferômetro de tipo Mach-Zehnder, o qual é utilizado para implementar o modulador eletroóptico existente no OEO. Faz-se um desenvolvimento completo e detalhado de um enlace óptico analógico com a finalidade de constituir uma sólida base teórica. Emprega-se uma teoria quase linear para analisar o limiar de oscilação e determinar os valores de amplitude e freqüência de oscilação do OEO. Apresenta-se uma configuração em malha dupla, a qual resolve a dificuldade na implementação de filtros de RF altamente seletivos, requeridos pelo OEO.

Neste trabalho é investigada uma nova classe de fibras ópticas, baseada no conceito de cristais fotônicos, denominada fibra microestruturada. Sua geometria particular, com materiais de diferentes índices de refração estruturados de forma periódica, permite uma alta flexibilidade de projeto. Consegue-se, portanto, ajustar, conforme a necessidade, as propriedades de dispersão, área efetiva, perdas por confinamento, entre outras, o que torna estas fibras especialmente úteis para aplicações em comunicações ópticas. Para o estudo das propriedades das fibras microestruturadas foi implementado, em diferenças finitas, o método numérico da sobre relaxação sucessiva - SOR com as três aproximações possíveis para a equação de Helmholtz: escalar, semivetorial e vetorial completa. Adicionalmente, no intuito de melhorar alguns aspectos do formalismo SOR, como precisão e velocidade de convergência, foi proposta a aproximação em diferenças finitas de quarta ordem. / This work investigates a new class of optical fibers based on the photonic crystal concept. The main advantage of these fibers is the flexibility offered by their particular geometry, which is formed by materials of different refractive index periodically arranged in a specific pattern. The dispersion properties of these microstructured optical fibers are analyzed by using the finite difference Successive Over Relaxation (SOR) method, where three different formalisms are implemented under the scalar, semivectorial and full vectorial approximations. Finally, a fourth order approximation for the SOR method is proposed in order to improve the convergence and precision.

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.

Este trabalho apresenta um estudo sobre a utilização de redes de Bragg em fibra ótica (FBG), para a monitoração das deformações mecânicas oriundas do processo de secagem de tintas. No intervalo de tempo referente ao processo de secagem, uma fina camada de tinta sofreu uma mudança de estado físico de líquido para sólido, se transformando em um filme contínuo e mecanicamente estável. As deformações mecânicas presentes neste processo foram mensuradas pelo transdutor, demonstrando a real possibilidade das redes de Bragg serem aplicadas para estes fins. Para o acompanhamento temporal das deformações mecânicas no processo de secagem de uma tinta látex, a FBG foi encapsulada com o objetivo de evitar o contato da tinta com a fibra ótica, devido à ineficaz aderência entre ambas, e consequentemente melhorar a aderência da tinta sobre o dispositivo encapsulado. Este processo de encapsulação da FBG permitiu que as deformações mecânicas oriundas do processo de secagem fossem eficientemente transformadas em perturbações mecânicas mensuradas pelo transdutor. O acompanhamento temporal das deformações mecânicas oriundas do processo de secagem também foi investigado com a utilização de tinta diluída. Finalmente, um estudo sobre as deformações mecânicas de uma segunda camada de tinta (duas demãos) é ainda abordado. As redes de Bragg utilizadas neste trabalho foram produzidas e caracterizadas quanto à deformação mecânica longitudinal e temperatura, no Núcleo de Dispositivos Fotônicos da UTFPR. / This work shows results obtained with the use of fiber Bragg grating (FBG) transducer to monitor the drying process of latex paints. When a thin film of wet paint is dried on the substrate surface, the paint film change from a sticky liquid state to a solid state, transforming to a continuous, transparent and mechanically stable film. The mechanical deformations in this process were measured by the FBG sensor head, showing the real possibility of FBG strain sensor application in this area. To monitor the mechanical deformation in the film during the drying process, the FBG was packaged. The FBG packaging has two main functions: allows a better measurement of the paint mechanical deformation inherent to the drying process and also avoids paint poor adhesion to the bare optical fiber. The packaged FBG, showed that this is a promising device to be used for the measurement of stress evolution in paints during the drying time. The mechanical deformation during drying time of diluted latex paint also was investigated. Finally, a study about the mechanical deformation of a second coating application of latex paint was also carried out. The Bragg gratings used in this work were produced in photosensitive fibers by means of a phase-mask interferometric external fabrication technique at Núcleo de Dispositivos Fotônicos laboratories of UTFPR.

Este trabalho tem como objetivo compreender o comportamento térmico da excitatriz estática da Usina Hidrelétrica Derivação do Rio Jordão (UHEDRJ), empregando redes de Bragg em fibra ótica como sensor de temperatura. São apresentados os componentes da excitatriz estática, com foco na ponte retificadora trifásica controlada a tiristores. Com a calibração pôde-se conhecer os erros e incertezas dos sensores, tendo as maiores contribuições de incerteza devidas à dispersão das amostras e ajuste das curvas pelo método dos mínimos quadrados. A instrumentação da excitatriz estática permite que sejam realizados ensaios em diversas condições de operação da unidade geradora: partida da unidade, excitação a vazio, ou seja, com o gerador energizado, mas sem estar conectado ao sistema elétrico; excitada e sincronizada, ou seja, gerador energizado e sincronizado com o sistema elétrico; rampa de carga até a carga nominal e parada da unidade. Os ensaios realizados permitem estimar o comportamento térmico da ponte retificadora, variações de temperatura de cada tiristor no painel e como ocorrem as dissipações térmicas. / This work aims to study the static exciter thermal behavior of the hydroelectric power plant Rio Jordão (UHEDRJ) using fiber Bragg gratings as temperature sensor. The components of the static exciter are presented, with a focus on three-phase thyristor controlled bridge rectifier. The calibration allows knowing the errors and uncertainties of the sensors and the greatest uncertainty contributions due to dispersion of the samples and adjusting the curves by the method of minimun squares. The static exciter instrumentation allows performed the tests in various operating conditions of the generating unit: starting unit, excitation empty (with the generator energized but not connected to the grid); excited and synchronized (energized and synchronized with the power grid), ramp load to rated load and the unit stopped. The tests allow to estimate the thermal behavior of the bridge rectifier, temperature variations of each thyristor in the panel and how occur the thermal dissipation.

CAPES / O presente trabalho estuda o comportamento de um biosensor que utiliza redes de Bragg em fibra ótica capaz de mensurar deformações em tecido ósseo. O objetivo é calibrar e caracterizar o sensor com seu encapsulamento para que este possa futuramente ser implantado em um animal vivo e assim permita aprimorar estudos a respeito do comportamento ósseo em sua microestrutura. Para o desenvolvimento deste estudo e preciso conhecer o comportamento ósseo como um todo, a biomecânica do local específico onde pretende-se implantar o sensor, o funcionamento do sensor, bem como o comportamento de seu encapsulamento; portanto, todos esses aspectos são estudados. Para caracterização e calibração do sensor encapsulado foi realizado teste de tração em um programa de computador (simulação numérica) e arranjo experimental de calibração (teste prático), para que seja possível sua aplicação final desejada. Os testes realizados são descritos neste trabalho. Os resultados obtidos demonstram que o transdutor e o encapsulamento utilizado são adequados para captar deforma coes inferiores a 0,1 N, apresentam resposta linear, com um coeficiente de correlação da média dos 5 sensores testados em 0,999, incerteza expandida de 0,07 N e coeficiente de carga de 77 pm/N; boa repetibilidade, e componentes biocompatíveis, sendo assim, o sensor e adequado para aplicações in vivo. Através dos testes também foi possível determinar o melhor local e maneira para sua implementação em uma aplicação específica, que e a análise de deformação óssea em uma superfície externa de mandíbula bovina durante movimentos mastigatórios de diferentes alimentos. / The present work studies behavior of a biosensor that uses Bragg gratings in optical fibers, capable to measuring deformations in bone tissue. The aim is to characterize and calibrate the sensor with its encapsulation so that it can be implanted in a living animal in the future and thus allow to improve studies about bone behavior in its microstructure. For the development of this study it is necessary to know the bone behavior as a whole, the biomechanics of the specific area where the sensor will be implanted, the sensor operation, as well as the behavior of its encapsulation; herefore, all these aspects are studied. For the characterization and calibration of the encapsulated sensor, a software traction test (numerical simulation) and an experimental calibration arrangement (practical test) were carried out, so that its desired final application could be possible. The tests performed are described in this work. The results show that the transducer and the encapsulation used are adequate to capture deformations lower than 0.1 N, presented a linear response, with a correlation coefficient of the average of 5 sensors at 0.999, expanded uncertainty of 0.07 N and slope 77 pm/N; good repeatability, and biocompatible components. The sensor is suitable for in vivo applications. Through the tests it was also possible to determine the best place and way for its implementation in a specific application, that is the analysis of bone deformation on an external surface of bovine mandible during chewing movements of different foods.

CAPES / Este trabalho tem como objetivo desenvolver um sensor a fibra óptica para a monitoração de temperatura em mancais de hidrogeradores de usinas hidrelétricas. Foi apresentado o projeto gráfico, modelagem térmica, processo de montagem e testes realizados. Por tratar-se de uma inovação, é difícil a comparação com outros sensores ópticos desenvolvidos especificamente para monitorar temperatura em mancais de hidro geradores. Inicialmente, foram realizados ensaios preliminares com um protótipo para determinação da dinâmica térmica no interior dos mancais em situações diversas de operação. A partir dessa medição, foi idealizado um sensor óptico que possui duas fibras ópticas, com 3 redes de Bragg gravadas em cada uma delas. Essas redes são encapsuladas por uma haste de alumina coberta com anéis de material com elevada condutividade térmica onde as redes de Bragg se localizam, e baixa condutividade térmica no restante da haste. O procedimento, para calibrar as redes de Bragg do sensor, consistiu em varias a temperatura em degraus de 10°C desde 10°C até 80°C. Cada valor de temperatura permaneceu estável durante 20min, permitindo que o comprimento de onda refletido de cada sensor pudesse ser estimado mediante um histograma. A partir da calibração foram determinados os coeficientes de correlação e o coeficiente de sensibilidade térmica de cada sensor, bem como a incerteza padrão combinada dos mesmos. As incertezas foram divididas em dois tipos, A e B. As incertezas do tipo A, são relativas à dispersão amostral e são determinadas a partir da média, variância e desvio padrão das amostras realizadas durante a calibração. As incertezas do tipo B são obtidas de manuais e certificados de calibração. Foram realizados testes em laboratório com o objetivo de submeter o novo sensor a grandes variações térmicas, entre 15°C e 75°C e checar se as incertezas determinadas correspondiam na prática. Os resultados obtidos apresentam erro máximo de aproximadamente 0,9°C entre o sensor óptico e o sensor de referência PT100. Esse resultado situa-se dentro da faixa de valores de incerteza calculada para os sensores da fibra óptica 1, respectivamente 1,7°C, 1°C e 0,7°C para os sensores 1, 2 e 3. Assim como para a fibra 2, foram observados os valores de incerteza de 0,98°C e 0,71°C respectivamente para as FBG 1, 2 e 3. O desenvolvimento deste sensor possibilita a criação de novos sistemas de monitoração de temperatura ópticos aplicáveis em geradores de grande porte, bem coma interligação destes sistemas visando no futuro o mapeamento térmico total de um gerador utilizando sensoriamento óptico. / This work aims to develop a fiber optic probe for temperature monitoring in bearings of generators hydro power plants. Graphic design, thermal modeling, assembly and testing process is presented. Once it is innovation, it is difficult to compare with other optical transducers developed specifically for monitoring temperature in bearing hydro generators. Initially experiments were performed with a prototype for determination of the thermal dynamics inside the bearings in various operating situations. From this measurement, an optical transducer was designed which was two optical fibers with 3 Bragg gratings recorded in each of them. These gratings are encapsulated by a rod made of alumina and covered with rings of material with good thermal conductivity where the Bragg grating is located, and low thermal conductivity in the remainder of the rod. The procedure for calibrating the Bragg gratings of the transducer consisted of steps of 10°C in the temperature range from 10°C to 80°C. Each temperature value remained stable during 20 min, allowing the mean wavelength reflected from each sensor might be estimated by a histogram. Were determined from the calibration the correlation coefficient and the coefficient of thermal sensitivity of each sensor, and the combined standard uncertainty thereof. The uncertainties were divided into two types: Type A uncertainties are related to the sample dispersion and are determined from the mean, variance and standard deviation of the samples taken during calibration, and type B where uncertainties are obtained from manuals and certificates of calibration. Tests were conducted in laboratory with the aim to submit the new transducer to large temperature variations, ranging between 15°C and 75°C and to check if the uncertainties corresponded in practice. The results presented the maximum error of about 0.9°C between the optical sensor and the reference sensor PT100. This result is within the range of uncertainty values calculated for the fiber optical fiber 2, uncertainty values of 0.98°C, 0.85°C to 0.71°C respectively for the FBG 1, 2 and 3 were observed. The development of this transducer enables the creation of new systems for monitoring temperature optical applicable in generators, as well as the interconnection of these systems to the future the total thermal mapping of a generator using optical sensing. / 5000

Este trabalho apresenta um estudo sobre a utilização de redes de Bragg em fibra ótica (FBG), para a monitoração das deformações mecânicas oriundas do processo de secagem de tintas. No intervalo de tempo referente ao processo de secagem, uma fina camada de tinta sofreu uma mudança de estado físico de líquido para sólido, se transformando em um filme contínuo e mecanicamente estável. As deformações mecânicas presentes neste processo foram mensuradas pelo transdutor, demonstrando a real possibilidade das redes de Bragg serem aplicadas para estes fins. Para o acompanhamento temporal das deformações mecânicas no processo de secagem de uma tinta látex, a FBG foi encapsulada com o objetivo de evitar o contato da tinta com a fibra ótica, devido à ineficaz aderência entre ambas, e consequentemente melhorar a aderência da tinta sobre o dispositivo encapsulado. Este processo de encapsulação da FBG permitiu que as deformações mecânicas oriundas do processo de secagem fossem eficientemente transformadas em perturbações mecânicas mensuradas pelo transdutor. O acompanhamento temporal das deformações mecânicas oriundas do processo de secagem também foi investigado com a utilização de tinta diluída. Finalmente, um estudo sobre as deformações mecânicas de uma segunda camada de tinta (duas demãos) é ainda abordado. As redes de Bragg utilizadas neste trabalho foram produzidas e caracterizadas quanto à deformação mecânica longitudinal e temperatura, no Núcleo de Dispositivos Fotônicos da UTFPR. / This work shows results obtained with the use of fiber Bragg grating (FBG) transducer to monitor the drying process of latex paints. When a thin film of wet paint is dried on the substrate surface, the paint film change from a sticky liquid state to a solid state, transforming to a continuous, transparent and mechanically stable film. The mechanical deformations in this process were measured by the FBG sensor head, showing the real possibility of FBG strain sensor application in this area. To monitor the mechanical deformation in the film during the drying process, the FBG was packaged. The FBG packaging has two main functions: allows a better measurement of the paint mechanical deformation inherent to the drying process and also avoids paint poor adhesion to the bare optical fiber. The packaged FBG, showed that this is a promising device to be used for the measurement of stress evolution in paints during the drying time. The mechanical deformation during drying time of diluted latex paint also was investigated. Finally, a study about the mechanical deformation of a second coating application of latex paint was also carried out. The Bragg gratings used in this work were produced in photosensitive fibers by means of a phase-mask interferometric external fabrication technique at Núcleo de Dispositivos Fotônicos laboratories of UTFPR.

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.