Conventional Extrinsic Fabry-Perot Interferometric (EFPI) sensors have been used to measure a variety of physical parameters like temperature, pressure and strain. A modified version of this geometry is successfully implemented to measure low-level magnetic field densities. A complete optical fiber based magnetometer system consisting of sensor head, laser source, opto-electronics, signal demodulation circuitry and display is designed, fabricated and tested. Various electronic signal demodulation schemes are discussed. The Quadrature Phase Shifted EFPI signal demodulation scheme, used in the system, is studied in detail. The scheme is designed and implemented in both analog and digital domain and the advantages and drawbacks of each type are presented. Primary limitations in the measurement of extremely low-level magnetic field densities are discussed and methods to overcome them using electronic signal processing schemes are suggested for future consideration. / Master of Science

[pt] Nos últimos anos vem se notando um crescente desenvolvimento na área de fibras óticas, cuja aplicação atualmente não se restringe apenas ao setor de comunicações, mas também está sendo largamente aplicada na área de sensoriamento. Este trabalho estuda uma nova técnica de modulação da luz propagante dentro da fibra ótica para o sensoriamento de determinados parâmetros físicos. O presente trabalho visa comprovar experimentalmente essa nova técnica, a distribuição modal de potência, para aplicação em sensores óticos. / [en] In the last years a growing development in the fiber optics research area has been noticed. The optical fiber can be applied not only on telecommunication, but also on sensing devices. The goal of this report is study a novel light modulation technique inside the optical fiber. In this way it would will be possible to measure certain physics paramenters. In this work will be some experimental results to confirm this new technique, the modal power distribution, to fiber optic sensors application.

[pt] O presente trabalho é uma simulação numérica do processo de deposição de partículas num escoamento laminar no interior de um submetido a um aquecimento externo. A simulação tem como objetivo a modelagem do processo MCVD (Deposição Modificada de Vapor Químico), utilizado na fabricação de pré-formas para a produção de fibras óticas. Neste processo, as partículas carregadas por convenção pelo gás são depositadas na parede interna do tubo devido à força termoforética. A eficiência de deposição é obtida resolvendo-se numericamente as equações diferenciais de conservação de massa, quantidade de movimento linear, energia e espécie químicas (massa de partículas). A última equação foi resolvida utilizando o campo de velocidades calculado adicionando-se a velocidade de escoamento do gás à velocidade termoforética, obtida dos gradientes locais de temperatura. A fim de determinar os efeitos das velocidades termoforéticas axiais na deposição de partículas, as equações que governam o problema foram consideradas na forma elíptica. Os resultados apresentados revelaram que a temperatura de entrada do gás pode gerar um gradiente de temperatura axial que produz velocidades termoforéticas axiais significativas e influenciam marcantemente a eficiência de deposição de partículas. / [en] The present work sets forth a numeriacal simulation of the processo f particle deposition in a laminar pipe flow subjected to external heating. The simulation is aimed at modeling the MCVD (Modified Chemical vapor Deposition) process utilized in the frabication or performs for optical fiver production. In this process, the particles convected with the carrier gas are deposited on the inner wall of the pipe due to thermophoretic forces. The deposition efficiency is obtained by numerically solving the differential equations governing conservation of mass, momentum, energy, and chemical species (particle concentration). The latter equation was solved utilizing a velocity field calculated by adding the carrier gas velocity to the thermophoretic velocity, obtained from the local temperature gradients. In order to assess the effects of axial thermophoretic velocities on particle deposition, the governing equations were considered in their elliptic form. The results presented revealed that the inlet which produce significant axial thermophoretic velocities and markedly influence the particle deposition efficiency.

[pt] Neste trabalho estudamos a viabilidade do desenvolvimento de um sistema laser de cristal líquido colestérico (CLC) acoplado a fibra óptica visando sua aplicação como um sensor de temperatura. Sensores laser de CLC acoplados a fibra óptica são atrativos devido às enormes vantagens que as fibras ópticas apresentam e à resposta de cristais líquidos a vários estímulos externos. A emissão laser de CLC ocorre na banda de menor energia da banda de reflexão, e corresponde a um comprimento de onda determinado pelo passo e pelo índice de refração extraordinário. Esses parâmetros podem ser alterados pela mudança da temperatura externa, proporcionando variações no comprimento de onda do laser de CLC. Essas variações no comprimento de onda do laser de CLC podem ser usadas para monitorar a temperatura. Obtivemos emissão laser estável num sistema laser CLC acoplado à fibra óptica quando bombeado pelo segundo harmônico de um laser de Nd:YAG e desenvolvemos uma técnica para ancorar o cristal líquido nas extremidades das fibras ópticas. A dependência da emissão laser com a temperatura foi investigada em duas situações, posicionando o laser de CLC entre fibras ópticas e em células de vidro. Diversos cristais líquidos foram estudados a fim de se otimizar a resposta do laser com a temperatura. Variações discretas na dependência do comprimento de onda da emissão laser foram observadas no sistema que utilizava as células de vidro. Associamos esse comportamento à dependência do ancoramento das moléculas do cristal líquido na superfície do vidro com a temperatura. / [en] In this work, we have studied the viability of developing a cholesteric liquid crystal (CLC) laser system coupled into an optical fiber aiming its application as temperature sensor. Sensors made of CLC laser coupled to optical fibers are a very attractive proposition due to the enormous advantages of the optical fibers and the response of the liquid crystal to various external stimuli. The laser emission occurs at the low energy edge of the reflection band, and the corresponding wavelength is determined by the pitch and the extraordinary refractive index. These parameters can be altered by a change in the external temperature, leading to variations in the wavelength of the CLC laser emission, which can be used to monitor the external temperature. We obtained a stable laser emission in a CLC laser system coupled into an optical fiber when pumped by the second harmonic of a Nd:YAG laser. A technique to anchor the liquid crystal at the optical fibers ends was developed. The temperature dependence of the laser emission was investigated in two situations, placing the CLC laser between optical fibers and into the glass cells. Several liquid crystals were studied in order to optimize the laser response with temperature. Discrete variations in the temperature dependence of the laser emission wavelength were observed when the glass cell system was used. We associated this behavior to a temperature dependence of the surface anchoring of the liquid crystal molecules in the glass surface.

[pt] O objetivo deste trabalho foi o desenvolvimento de um sistema de medição de deformações utilizando redes de Bragg em fibras ópticas. Experiências preliminares empregando um analisador de espectro óptico comprovaram que a relação entre deformação e translação espectral do sinal refletido pelo sensor é linear. Baseado neste princípio, foi proposto um circuito óptico para a demodulação do sinal. Este circuito, de construção simples e barata, utiliza uma rede de Bragg como sensor e outra, com largura espectral bem maior, como filtro óptico. Dois fotodetectores são responsáveis pela recepção do sinal e por tornar o sistema auto-compensável. Dois métodos de calibração do sistema, um numérico e outro experimental, são apresentados e testados. A partir dos resultados das experiências, sugestões são feitas no sentido de melhorar os métodos de calibração. A automatização das calibrações e medições é proposta e um método de separação de efeitos de temperatura e deformação mecânica é apresentado. / [en] The goal of the present work has been to develop a fiber Bragg grating strain sensor system. Experiments with an optical spectrum analyzer have confirmed that there is a linear relationship between the strain in the gratting and the shift of the central wave length reflected by the sensor. Based on this measurement principle, a simple and inexpensive optical circuit for demodulation of the sensor s reflected signal has been developed. Two photodetectors are employed in order to reduce the influence of power fluctuations of the optical source as well as of other losses. The measurement system has been calibrated both numerically and experimentally with satisfactory agreement. Suggestions are made in order to improve the calibration techniques, and a method for decoupling the temperature effects from the strain measurement is proposed.

[pt] O presente trabalho investiga a utilização de fibras ópticas em biossensoriamento e na indução de uma não-linearidade de segunda ordem para a construção de dispositivos sensores. O biossensor proposto tem por finalidade diagnosticar uma das doenças com maior incidência em países tropicais: a Dengue. Foi construído um sensor a fibra óptica que potencialmente é capaz de diagnosticar, num tempo curto, a presença do vírus da Dengue no sangue de um paciente infectado. Esse sensor usa nanopartículas de ouro, depositadas na extremidade de uma fibra óptica, que foram funcionalizadas com os anticorpos da Dengue (anti-NS1). O sensor é capaz de detectar o antígeno NS1 em diferentes concentrações com um limite de quantificação de 0.074 micrograma por mililitro, podendo ser explorado para uso na fase aguda da infecção.Outra vertente do trabalho é a possibilidade de se realizar modificações estruturais nas fibras ópticas com o intuito de alterar as propriedades ópticas da fibra. Através da técnica de polarização térmica, é possível gravar campos elétricos da ordem de 108 volts por metro no núcleo da fibra óptica, sendo possível utilizar as fibras polarizadas como moduladores de fase e de amplitude, seletores de pulso, chaves ópticas, voltímetros, entre outras. O trabalho de tese aqui descrito apresenta um estudo detalhado da polarização térmica em fibras ópticas através de simulações, utilizando o software COMSOL Multiphysics, considerando-se os diversos parâmetros envolvidos e geometrias diferentes de fibras, visando a obtenção de uma alta não-linearidade de segunda ordem. Além do mais, experimentos foram realizados a fim de se entender o mecanismo presente no processo de polarização térmica face aos resultados obtidos pela simulação. Buscou-se, também, entender o papel dos portadores de cargas presentes no material no processo de geração de não-linearidade de segunda ordem realizando-se experimentos de polarização óptica. / [en] The present work investigates the use of fiber optics in biosensing and the creation of a second order nonlinearity to be use in the development of sensor devices. The goal of the proposed biosensor is to diagnose one of the diseases with highest incidence in tropical countries: Dengue. Dengue is a dangerous disease that every year affects more and more people, despite the efforts made to deal with the transmitter, the mosquito Aedes aegypti. Furthermore, since Dengue symptoms resemble flu symptoms, wrong diagnoses are frequently made. As a consequence, wrong medicines may be prescribed, and that may lead the patient to death. Another problem in diagnosing Dengue is the long time is necessary for the laboratorial exams to give a result. In an attempt to offer a solution that could minimize these problems, an LSPR-based fiber optic sensor was adapted for antigen NS1 detection. This sensor is potentially able to perform a Dengue s virus diagnosis in a short period of time in an infected patient s blood. It uses gold nanoparticles that are functionalized with Dengue s antibodies. The antibody, anti-NS1, was immobilized in gold nanoparticles deposited at the endface of a multimode optical fiber. The LSPR sensor is able to detect different concentrations of the antigen NS1 with a limit of quantification equal to 0.074 microgram per milliliter, and may be used in the acute phase of the infection. Another part of the present work investigates the possibility of performing structural modifications in the optical fiber to change the optical properties of silica. Through the electro-thermal poling technique it is possible to record electric fields as high as 108 volts per meter in the core of the fiber, making possible the use of these modified fibers as phase and amplitude modulators, optical keys, pulse selectors, voltmeters, etc. This work also shows a very detailed study of electro-thermal poling in optical fiber through simulations, using the software Comsol Multiphysics, considering various parameters that are involved in the process in order to obtain high second order nonlinearity. Furthermore, experiments on eletro-optical poling were performed to investigate the mechanism involved in this poling process, in order to understand the role of the carriers present in the material in the generation of the second order nonlinearity.

[pt] Este trabalho examina os novos sistemas de transmissão, fibra ótica e rádio digital, sob o ponto de vista de sistema, procurando discutir métodos e sugerir critérios para o projeto e dimensionamento de enlaces. O trabalho inclui uma abordagem dos conceitos básicos, bem como uma análise de questões operacionais e econômicas existentes na aplicação a entroncamentos urbanos. / [en] This work analyses moderns transmission systems, optical fiber and digital radio, with the objectives to discuss methods and to suggest criterios for planning and design of radiolinks. The work contains basic concepts as well as operational and economic questions for urban conections.

[pt] Os problemas de interação folhelho-fluido estão em geral associados à troca de íons entre o fluido dos poros do folhelho e o fluido de perfuração, causada pelo gradiente químico entre os mesmos. Estes problemas são tratados pela utilização de produtos químicos inibidores da hidratação e da expansibilidade dos folhelhos (Bol, 1986). Dentre estes produtos, encontram-se as soluções salinas (Steiger, 1976), que tentam reduzir a migração iônica através do equilíbrio químico entre as rochas e os fluidos. O objetivo deste trabalho é desenvolver uma metodologia que permita medir a variação de concentração salina, usando sensores a fibra óptica, onde as concentrações são avaliadas sem a retirada das pressões aplicadas na amostra. Assim, a variação da concentração durante os ensaios de difusão e advecção, pode ser medida em tempo real,durante todo o ensaio. A variação da concentração com o tempo é de fundamental importância para a obtenção dos coeficientes de transporte iônico que ocorre durante os ensaios com os folhelhos e os arenitos.Foram realizados ensaios em uma amosta de folhelho oriundo da Bacia de Campos e em uma amostra de arenito Botucatu. Através do desenvolvimento de uma metodologia de ensaios para análise da interação rocha- fluido, foi possível obter-se resultados que permitirão prever instabilidades geradas nos poços durante a sua perfuração. / [en] Shale-drilling fluid interaction problems are generally associated with the exchange of ions between shale pore fluid and the drilling mud, being this change caused by the chemical gradient that holds between both. These problems are treated in general by using chemical products, so that the hydration and the expansion of the shales can be inhibited (Bol, 1986). Among these products, we found saline solutions (Steiger, 1976),which attempt to reduce the ionic migration by means of chemical balance between rocks and fluids.The objective of this work is to develop a methodology that allows measuring the variation of salt concentration, by using optic fiber sensors, in order to allow concentrations to be assessed without the withdrawal of the pressures applied into the sample, so that the variation of the concentration during the assays of diffusion and advection can be measured in real time, during the entire assay. The variation of the concentration with time is of fundamental importance for the attainment of the coefficients of ionic transport that occur during the assays with the shales and the sandstone. Assays in a sample of shale from Campos basin, as well as one sample of sandstone from Botucatu, have been carried out. Through the development of a methodology of assays specific for analyzing the interaction rock-fluid, it was possible to obtain resuls, which will allow to foresee instabilities generated in the wells during the digging process.

[pt] Uma análise de desempenho da transmissão digital, com modulação tipo ON-OFF através de fibras óticas foi feita incluindo todos os estágios do circuito. A partir desta análise foi desenvolvido um método para o dimensionamento e o cálculo da qualidade destes sistemas óticos digitais. O método permite calcular o comprimento máximo da fibra ótica em função das características dos diversos circuitos que compõem o enlace, taxa de transmissão e objetivo de qualidade. / [en] It was made an analysis of performance of digital transmission with modulation ON-OFF through optical fiber including all circuit phases. From this analysis it was developed a method to the dimensioning and the quality calculation of these digital optical systems. This method allows to determine the maximum length of optical fiber, since the characteristics of all enlace circuits, of date rate and the quality objective are known.

[pt] O interesse no monitoramento da integridade estrutural de risers flexíveis tem crescido significativamente nos últimos anos. Para dutos que já estão atingindo sua vida de projeto, sistemas de monitoramento podem fornecer alertas antecipados de possíveis falhas e também auxiliar o operador na programação de paradas para manutenção. Diferentes técnicas estão sendo testadas pelos operadores de dutos flexíveis tais como inspeção visual automatizada, monitoramento de vibrações e emissão acústica, além de técnicas baseadas em métodos eletromagnéticos. Algumas destas técnicas já estão sendo implementadas em unidades de exploração e produção marítimas no Brasil e em outros países. A presente contribuição aborda o monitoramento contínuo e em tempo real utilizando sensores a fibra óptica (Redes de Bragg) para detectar a ruptura dos arames nas armaduras de tração de risers flexíveis. Duas linhas são seguidas, monitoramento direto e monitoramento indireto. O monitoramento indireto consiste na instrumentação da capa polimérica do riser, de forma não intrusiva, e avalia possíveis alterações na mesma, causadas pelo rompimento dos arames. Para isso foi desenvolvido um transdutor, denominado Colar 3D, capaz de detectar variações no diâmetro externo, elongação e torção no duto. A técnica de monitoramento direto é denominada MODA (Monitoramento Óptico Direto nos Arames). Nesta técnica os arames são instrumentados individualmente com os sensores ópticos, que monitoram as tensões/deformações dos mesmos, assim, rompimentos de arames e comportamentos inesperados podem ser facilmente detectados. Resultados de ensaios em escala real mostraram que a probabilidade de detecção do monitoramento indireto aumenta significativamente quando o sistema é empregado em conjunto com outros tipos de monitoramento indireto. Os resultados de laboratório para o monitoramento direto apontaram alta sensibilidade e confiabilidade do sistema, que já foi instalado em três plataformas operadas pela Petrobra na Bacia de Campos. / [en] The interest in structural health monitoring of flexible risers has grown significantly in recent years. For ducts that are already reaching their design life, monitoring systems can provide early warnings of potential failures and also assist the operator in scheduling downtime. Different techniques are being tested by operators of flexible pipes such as automated visual inspection, vibration monitoring and acoustic emission, in addition to techniques based on electromagnetic methods. Some of these techniques are already being implemented in units of maritime exploration and production in Brazil and other countries. This contribution discusses the continuous monitoring and real-time using optical fiber sensors (FBGs) to detect the breaking of wires in the tensile armor of flexible risers. Two lines are followed, direct monitoring and indirect monitoring. The proposed indirect monitoring technique consists in the nonintrusive instrumentation of the riser’s polymeric outer sheath, which will provide strain signals that change due to the breaking of wires in the armor layer. For that, a transducer capable of detecting variations in the outer diameter, as well as stretching and twisting in the duct was developed. In the direct monitoring technique, all the wires in the external armor layer are individually instrumented with optical sensors that continuously monitor their strains, so that any disruptions of wires and unexpected behavior can be easily detected. Results of full scale laboratory tests showed that the probability of detection of indirect monitoring increases significantly when the system is used in conjunction with other types of indirect monitoring. The laboratory results for the direct monitoring showed high sensitivity and reliability of the system, which has already been installed in three oil rigs operated by Petrobras in the Campos Basin.