Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um estimulador galvânico vestibular para ser usado em experimentos de imageamento por ressonância magnética funcional (fMRI). Em experiências de fMRI é necessário a produção de estímulos somatossensoriais no paciente. Os estímulos devem ser sincronizados com a sequência de pulsos da fMRI. O estimulador foi dividido em circuitos analógicos (colocados dentro da sala do magneto) e circuitos digitais (sala de comando do sistema de MRI). A comunicação entre os circuitos é feita através de fibra óptica. Experimentos de fMRI realizados com voluntários demonstraram que o estimulador proposto é capaz de manter a sincronização com sistema de fMRI e pode ser usado para localizar as áreas do cérebro que são ativados pelo sistema vestibular. / This work presents the development of a galvanic vestibular stimulator to be used in functional magnetic resonance imaging experiments (fMRI). In fMRI experiments it is required the production of somatosensory stimuli in the patient must be sincronized with the fMRI pulse sequence. The stimulator circuits were divided in analog circuits (placed within the magnet room) and digital circuits (placed in the MRI command room). The communication between the circuits is made through optical fiber. fMRI experiments performed with volunteers demonstrated that the proposed stimulator is able to keep the sincronization with the MRI system and can be used to locate the brain areas that are activated by the vestibular system.

Submitted by Lara Oliveira (lara@ufersa.edu.br) on 2017-07-13T22:58:20Z No. of bitstreams: 1 JoãoMC_DISSERT.pdf: 1741418 bytes, checksum: 13c15c64738df641ff1a1cadad54fa09 (MD5) / Approved for entry into archive by Vanessa Christiane (referencia@ufersa.edu.br) on 2017-07-18T15:08:39Z (GMT) No. of bitstreams: 1 JoãoMC_DISSERT.pdf: 1741418 bytes, checksum: 13c15c64738df641ff1a1cadad54fa09 (MD5) / Approved for entry into archive by Vanessa Christiane (referencia@ufersa.edu.br) on 2017-07-18T15:09:03Z (GMT) No. of bitstreams: 1 JoãoMC_DISSERT.pdf: 1741418 bytes, checksum: 13c15c64738df641ff1a1cadad54fa09 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-07-18T15:10:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JoãoMC_DISSERT.pdf: 1741418 bytes, checksum: 13c15c64738df641ff1a1cadad54fa09 (MD5) Previous issue date: 2014-11-07 / In this work, it is analyzed two applications involving optical fiber. In the first application, a new design of an optical fiber coupler composed by two and three cores from a fiber with step index is proposed and analyzed using a vector formulation based on finite element applied in conjunction with genetic algorithm (GA). The fiber is made with pure silica and silica doped with germanium and it is composed by two and three identical cores separated by distance d. The proposed structure has a very simple geometry, and each fiber that composed the coupler is obtained by inclusion of a very small air hole at the core of each conventional step index fibers. Next, optical fiber composed by photonic quasi-crystals, through a quasi-periodic and symmetric matrix, is analyzed using the finite element method, applied in conjunction with perfectly matched layers of type cylindrical. The structure is composed of germanium-doped silica and it is originates from twelve distributions of air holes arranged symmetrically with a defect caused by the absence of central air hole / Neste trabalho, serão analizadas duas aplicações envolvendo fibra óptica. Na primeira aplicação um novo projeto de um acoplador de fibra óptica constituída por dois e três núcleos a partir de uma fibra com índice degrau é proposta e analisada através de uma formulação vetorial baseada em elementos finitos aplicada em conjunto com o Algoritmo Genético (GA).A fibra é feita desílica pura e sílica dopada com germânio e contém dois e três núcleos idênticosseparados por umadistância d. A estrutura proposta apresenta uma geometria bastante simples, ecada fibra que compõe o acoplador é obtida através da inclusão de um buraco de ar muito pequeno no núcleo de cada uma das fibras de índice degrau convencional. Na segunda aplicação, fibras ópticas constituídas por quase cristais fotônicos, através de uma matriz quase periódica e simétrica é analisada através do método dos elementos finitos, aplicado em conjunto com camadas perfeitamente casadas do tipo cilíndricas. A estrutura é composta por sílica dopada com germânio e é originada a partir de doze distribuições de buracos de ar organizados simetricamente com um defeito provocado pela ausência do buraco de ar central / 2017-07-13

Neste trabalho foi estudada a aplicação das redes de Bragg em fibra óptica, como sensores no monitoramento e mapeamento térmico de um painel fotovoltaico instalado em ambiente aberto. Também foi analisada a capacidade desses sensores em detectar anomalias elétricas do painel, as quais são manifestadas pelas mudanças na temperatura. Devido ao fato de ser pioneiro no estudo da fibra óptica em painéis fotovoltaicos, o presente trabalho buscou comparar os resultados alcançados por esta tecnologia com os dados das demais técnicas de medição de temperatura, como por exemplo, o PT100 e câmera IR. Os ensaios foram realizados utilizando um painel fotovoltaico instalado em ambiente aberto, onde as suas variações de temperatura foram medidas por 27 sensores de fibra óptica instalados em sua superfície frontal. Durante todos os ensaios as condições ambientais de temperatura ambiente, nível de radiação solar e velocidade do vento foram monitorados. Os resultados demonstraram potencialidade de utilização das redes de Bragg em fibra óptica na detecção de variações térmicas ocasionadas por fatores ambientais ou aquecimento nas células. / This paper has been studying the applications of Bragg gratings in optical fibers, as sensors for thermal mapping and monitoring on photovoltaic panel surface which was installing in an open environment. We also analyzed the ability of optical fibers sensors to detect electrical anomalies in the panel, which are manifested by the changes in its temperature. Because it was pioneering in study of optical fiber application into photovoltaic panel, this paper's objective is compare the results between this technology and the other techniques for temperature measurements, for example when are used the PT100 sensors or infrared camera. Assays were performed using a photovoltaic panel that is installed in an open environment, its temperature changes were measured by a total of 27 optical fiber sensors installed on the front surface. During the tests, the environmental conditions of temperature, level of solar radiation and wind speed, were monitored. The results demonstrate the potential use of Bragg gratings in optical fiber for detecting thermal fluctuations caused by environmental factors or by heating the cells.

CAPES / Neste trabalho são apresentados os resultados experimentais para medidas simultâneas de índice de refração e da temperatura, com a utilização de uma rede de Bragg gravada em fibra multimodo corroída (EMFBGs). Foram trabalhados com os três modos de propagação restantes após a corrosão da fibra, utilizando as variações dos comprimentos de onda de Bragg destes modos para encontrar o índice de refração e/ou a temperatura. Durante os procedimentos experimentais foram observadas as influências que a variação do índice de refração tem sobre a sensibilidade térmica, bem como as que a variação de temperatura causa na sensibilidade da rede ao índice de refração. A resposta do dispositivo as variações desses parâmetros foram aproximadas por superfícies planas e as sensibilidades cruzadas foram utilizadas para corrigir a aproximação. Os resultados mostram que é possível determinar os valores de índice de refração em uma faixa de 1,33 até 1,46 com um erro da ordem de 10-3. / In this work the experimental results are presented applying simultaneous refractive index and temperature measures, with an Etched Multimode Fiber Bragg Grating (EMFBGs). After the fiber corrosion, the three remaining propagation modes were used to the work, utilizing variations of the Bragg wavelengths of those modes to find the refractive index and/or temperature. During the experimental procedures the influences of the refractive index variation has on the thermal sensitivity were observed, as well as what the temperature variation causes in the sensitivity of the network to the index of refraction. The device response to the variations of those parameters were approximated by flat surfaces and the cross-sensitivities were used to correct the approximation. The results show that it is possible to determine the refractive index values in a range of 1.33 to 1.45 with an error of the order of 10-3.

Este trabalho tem por objetivo analisar as perspectivas do estudo de vibrações de estruturas, empregando sistemas sensores baseados em redes de Bragg em fibras óticas. O entendimento das vibrações nas estruturas possibilita o estudo de novos materiais e de novos sistemas construtivos que possam otimizar o dimensionamento e a segurança nos projetos de engenharia. Para as medidas de vibração é apresentado um sistema de leitura de redes de Bragg que tem como características o baixo custo e a facilidade de implementação, quando comparado a outros instrumentos. O aparelho pode ser acoplado a sistemas de aquisição comerciais, pois o sinal analógico de saída está condicionado entre 0 V e 5 V. Os resultados obtidos demonstram a capacidade do sistema em monitorar vibrações em diferentes tipos de materiais, tais como: madeira, aço, concreto e osso. Os resultados das medições feitas com modelos de laboratório mostram-se promissores na análise de vibrações em estruturas, quando comparados aos obtidos por sensores comerciais dos tipos, extensômetro elétrico de resistência e acelerômetro. Para além de estruturas civis, foram realizados estudos para o desenvolvimento de uma nova técnica de ensaio, in vitro, para caracterizar um novo conceito de implante dentário. Os resultados de ensaios de vibrações livres foram realizados com uma barra metálica, com vigas de madeira laminada colada, com vigas de concreto e implantes dentários onde as redes de Bragg foram empregadas. Esses resultados demonstram a capacidade do sensor em monitorar os efeitos de degradação das estruturas através de diferentes técnicas de análise modal. / This work deals with the analysis of perspectives of dynamic study in structures using a sensor system based on fibre optic Bragg gratings. The understanding of vibrations in structures enables the development of new materials, and of new design concepts that improves the sizing and security in engineering projects. The vibration measurements are carried out with a fibre optic Bragg grating demodulation system. The system has a low cost and easiness of implementation when compared to other available instruments. The output range signal of the instrument is between 0 V to 5 V, compatible to standard PC interfacing systems. The results show that the system is able to monitor vibrations in different types of materials, such as wood, steel, reinforced concrete and bone. The sensor is compared to commercial sensors (strain gauges and accelerometer). Beyond of civil structure, studies have been carried out to develop a technique, in vitro, to evaluate a new dental implant concept. The modal analysis techniques employed in the characterization of the different structures studied show the necessity of instrumentation able to measure low amplitude signals with high signal noise ratio. These characteristics are considered essential in material degradation studies by modal analysis technique.

CAPES / Com o intuito de agregar valor à literatura numa área onde resultados positivos são incentivadores no processo de continuidade de pesquisas nesta área, até que se consiga obter a necessária reprodutibilidade do processo para gravação de redes em fibras óticas micro-estruturadas, este trabalho mostra o sucesso obtido na gravação de redes de Bragg e redes de período longo em fibras de cristal fotônico de núcleo sólido. As redes de Bragg são gravadas em fibras micro-estruturadas de 12 anéis de furos ao redor do núcleo, dopado com uma pequena quantidade de germânio. A gravação destas redes é feita utilizando radiação ultravioleta (UV) do laser excímero KrF em 248 nm e máscara de fase, e são obtidas redes de Bragg de ≈ 11 dB de refletividade. As redes de período longo, por sua vez, são gravadas em fibras micro-estruturadas de sílica pura de 6 anéis de furos de ar ao redor do núcleo. Utilizando o método de gravação ponto-a-ponto e radiação infra-vermelha (IR) do laser CO2 são obtidas redes com resultados condizentes com a literatura, ou seja, redes de período longo com um modo principal de ressonância e perda na transmissão de até 17 dB. Também são detalhadas as caracterizações das redes de período longo quanto à tração mecânica e à temperatura, com o diferencial da repetibilidade de ambos os testes para maior confiabilidade nos resultados. Foram obtidas sensibilidade à tração entre −0, 85 pm/με e −6, 3 pm/με. Obtiveram-se sensibilidades à temperatura iguais a −18, 4 pm/◦ C e −19, 6 pm/◦ C. / In order to contribute to literature in an area where successful results are important in the process of further research in this area, until it can be obtained the necessary reproducibility of the process of writting gratings in micro-structured optical fibers, this work shows positive Bragg and long period gratings written in solid core photonic crystal fibers. The Bragg gratings are written in a 12 rings of holes around the core doped with a small amount of germanium micro-structured fiber. Written process of these gratings is made using ultraviolet excimer laser KrF at 248 nm and phase mask, and are obtained Bragg gratings with ≈ 11 dB reflectivity. Long period gratings, in turn, are written in micro-structured optical fibers made of pure silica 6 rings of air holes around the core. Using the method of point-to-point and infrared radiation CO2 laser are obtained gratings with consistent results within the literature, that is, gratings with a main mode of resonance and transmission loss of up to 17 dB. This work also detailed characterizations of long period gratings on mechanical stress and temperature variation, emphasizing the repeatability of both tests for more reliable results. Sensitivity to mechanical stress were obtained between −0, 85 pm/με and −6, 3 pm/με. More, sensitivities to temperature variation were equal to −18, 4 pm/◦ C and −19, 6 pm/◦ C.

CAPES; CNPq; FINEP; FA; UNICAMP / Este trabalho apresenta a comparação entre as respostas à vibração, de sensores baseados em redes de Bragg em fibra ótica, sendo um em fibra padrão G-652 (FBG) e outros na mesma fibra, porém afinada – taper (TFBG) com diâmetros de 60μm e 80μm. Os sensores foram submetidos à vibração na faixa de frequência entre 50Hz e 240Hz, geradas por um alto falante alimentado através de um amplificador por um gerador de ondas senoidais com controle de frequência e amplitude. A faixa de frequência utilizada é de interesse para aplicação no monitoramento de vibração em motores elétricos, cujas frequências de trabalho são de 57,0Hz a 59,2Hz e suas harmônicas. Os resultados mostraram que os sensores à vibração baseados em TFBG, tiveram resultado superior ao da FBG, obtendo-se um ganho médio de 2,1 para a TFBG 80μm e de 2,7 para a TFBG 60μm. Utilizando, como referência, um acelerômetro baseado em redes de Bragg em fibra ótica de sensibilidade 98pm/g, o sensor TFBG 80μm apresentou uma sensibilidade de 64,4pm/g e o sensor TFBG 60μm apresentou uma sensibilidade de 84,8pm/g. / This work presents results of a comparison of the responses to vibration sensors based on Bragg gratings in optical fiber, being a standard fiber G-652 (FBG) and others in the same fiber, but tapered (TFBG) with diameters of 60 micrometers and 80 micrometers. The sensors were subjected to vibration in the frequency range between 50Hz and 240Hz, generated by a speaker through an amplifier powered by a sinusoidal wave generator with a frequency and voltage control. The frequency range used is of interest for use in the vibration monitoring of electric motors, whose working at frequencies of 57.0Hz to 59.2Hz and its harmonics. The results showed that the vibration sensors based on TFBG, exhibited superior results to the FBG, yielding a gain of 2.1 for TFBG 80 micrometers and of 2.7 for the TFBG 60 μm. Using, as a reference, an fiber Bragg gratings accelerometer with a sensitivity of 98pm/g, the TFBG 80 micrometers sensor had a sensitivity of 64.4pm/g and the TFBG 60 micrometers sensor had a sensitivity of 84.8pm/g.

Este estudo desenvolve uma técnica para caracterizar o escoamento bifásico, utilizando sensores de deformação baseados em redes de Bragg em fibras ópticas. Esses sensores apresentam características relevantes, a pequena dimensão e a possibilidade de medição com precisão em um grande número de parâmetros em condições diversas. A unidade sensora é constituída por uma rede de Bragg em fibra óptica posicionada transversalmente em relação ao escoamento e fixado nas paredes do tubo. A pressão hidrodinâmica aplicada pelo escoamento de líquido ou pelo escoamento de líquido e gás induz deformação na fibra óptica, a qual pode ser detectada pela rede de Bragg. Como a pressão aplicada está diretamente relacionada com a vazão mássica, é possível estabelecer uma relação usando o deslocamento do comprimento de onda da ressonância da rede de Bragg para determinar a vazão mássica quando a velocidade de escoamento é bem conhecida. No escoamento bifásico, há uma alteração significativa na força aplicada na fibra óptica, a qual contabiliza as densidades distintas das referidas substâncias. Logo, a deformação da fibra óptica e a correspondente mudança de comprimento de onda de rede de Bragg serão muito diferentes quando no escoamento houver uma bolha de ar ou um pistão de líquido, permitindo, assim a sua detecção à medida que o escoamento flui através do tubo. Devido a sua capacidade de multiplexação e versatilidade, o uso de sensores de redes de Bragg em fibra óptica mostrou ser particularmente adequado para esta aplicação. Uma ferramenta de detecção de 18 sensores quase distribuídos uniformemente ao longo do tubo foi desenvolvida tornando possível a caracterização do escoamento, bem como o acompanhamento das bolhas de ar ao longo de uma grande parte do escoamento. Os ensaios foram realizados em uma planta piloto de escoamento bifásico gás-líquido, onde diversas condições operacionais foram geradas e analisadas. A técnica desenvolvida foi validada através de comparações com modelos termodinâmicos empíricos disponíveis na literatura e também com o sensor wire-mesh, apresentando boa concordância com os valores de referência. O estudo viabiliza a construção futura de sensores para serem empregados na obtenção de parâmetros importantes nos modelos de escoamento multifásico, abrindo muitas oportunidades para ferramentas de medição de laboratório e aplicações de campo. / This study developed a technique to characterize the two phase flow using optical fiber Bragg grating strain sensors. These sensors have features such as small size, flexibility, allowing to accurately measure a number of parameters under adverse conditions. The sensor unit consists of optical fiber Bragg grating positioned transversely to the flow and fixed in the pipe walls. The hydrodynamic pressure applied by the liquid or air/liquid flow to the optical fiber induces deformation that can be detected by the optical fiber Bragg grating. Given that the applied pressure is directly related to the mass flow it is possible to establish a relationship using the grating resonance wavelength shift to determine the mass flow when the flow velocity is well known. For two phase flows of air and liquid there is a significant change in the force applied to fiber that is accounted for the very distinct densities of these substances. As a consequence the optical fiber deformation and the correspondent grating wavelength shift as function of the flow will be very different for an air bubble or a liquid slug allowing their detection as they flow through the pipe. Due to its versatility and multiplexing capabilities optical fiber Bragg gratings are particularly suitable for this application. The experiments were performed in a pilot plant using air-water two-phase flows, in which various operating conditions were generated and analyzed. A quasi-distributed sensing tool with 18 sensors evenly spread along the pipe is developed and characterized making possible the characterization of the flow as well as the tracking of the bubbles over a large section of the test bed. The technique developed was validated through comparisons with available empirical mechanical models and also with the wire- mesh sensor, showing good agreement with the reference values. The study allows for the future construction of sensors that can be used to assist empirical models of multiphase flows, and open up plenty of opportunities to both laboratory measurement tools as well as field applications.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um estimulador galvânico vestibular para ser usado em experimentos de imageamento por ressonância magnética funcional (fMRI). Em experiências de fMRI é necessário a produção de estímulos somatossensoriais no paciente. Os estímulos devem ser sincronizados com a sequência de pulsos da fMRI. O estimulador foi dividido em circuitos analógicos (colocados dentro da sala do magneto) e circuitos digitais (sala de comando do sistema de MRI). A comunicação entre os circuitos é feita através de fibra óptica. Experimentos de fMRI realizados com voluntários demonstraram que o estimulador proposto é capaz de manter a sincronização com sistema de fMRI e pode ser usado para localizar as áreas do cérebro que são ativados pelo sistema vestibular. / This work presents the development of a galvanic vestibular stimulator to be used in functional magnetic resonance imaging experiments (fMRI). In fMRI experiments it is required the production of somatosensory stimuli in the patient must be sincronized with the fMRI pulse sequence. The stimulator circuits were divided in analog circuits (placed within the magnet room) and digital circuits (placed in the MRI command room). The communication between the circuits is made through optical fiber. fMRI experiments performed with volunteers demonstrated that the proposed stimulator is able to keep the sincronization with the MRI system and can be used to locate the brain areas that are activated by the vestibular system.

CAPES; CNPq; FINEP; Fundação Araucária / Neste trabalho apresenta-se um sistema ótico inteligente apto a localizar a posição de impactos mecânicos aplicados em uma estrutura plana. Para isso, os transdutores foram caracterizados, preliminarmente, quanto à deformação mecânica. Nesta aplicação, quatro redes de Bragg em fibra ótica foram instaladas em uma placa quadrada de polimetil-metacrilato, submetida a um conjunto de impactos em condições controladas. As respostas fornecidas pelos transdutores foram utilizadas para modelar e testar redes neurais artificiais. O sistema demonstrou possuir a capacidade para realizar a tarefa de encontrar a posição do distúrbio, mesmo em pontos de impacto diferentes daqueles apresentados na etapa de treinamento. O maior erro médio quadrático medido na fase de testes foi de 1,1 cm em relação ao ponto de impacto, sendo que os pontos localizavam-se a uma distância de 5 cm uns dos outros e estavam demarcados em uma superfície de prova com 60 cm de comprimento, 60 cm de largura e 6 mm de espessura. / In this work is presented an intelligent optical sensor capable to localize the position of mechanical impacts on a flat surface structure. The transducers were previously characterized relatively to mechanical strain. In this application, four optical fiber Bragg gratings were installed on a polymethyl methacrylate square plate, subjected to a set of mechanical impacts under controlled conditions. The responses provided by the transducers were used to model and test Artificial Neural Networks. The system showed the capacity to determine the disturbance positions, even at impact points different from the ones used in the training stage. The higher mean square error obtained in the test stage was 1,1 cm relatively to the impact position, wherein the points were located at a distance of 5 cm from each other on a test surface with 60 cm length , 60 cm width and 6 mm height.