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Este trabalho apresenta a análise e os resultados obtidos a partir de sensores baseados em redes de Bragg em fibra óptica (FBG - do inglês Fiber Bragg Gratting) instalados no núcleo fixo de um contator eletromagnético, para medições de temperatura e deformação. Esses resultados podem ser utilizados para analisar o comportamento e antever a necessidade de manutenção preventiva futura do contator. As FBGs podem ser usados para as medições de temperatura e de deformação no núcleo do contator devido ao seu pequeno tamanho e imunidade eletromagnética. Na medição de temperatura do núcleo do contator eletromagnético, observa-se que a estabilidade térmica se atinge em 190 minutos, com uma variação de temperatura de 68 °C. Para a medição da deformação, foram analisadas quatro situações: contator sem falha, contator com queda de tensão, contator com obstáculo no entreferro e contator sem os anéis de curto-circuito. A força eletromagnética, obtida através da medição de deformação, tem uma frequência fundamental de 120 Hz, que é o dobro da frequência da fonte de alimentação para o contator sem falha e com queda de tensão. Essa frequência fundamental é obtida pela aplicação da transformada rápida de Fourier (FFT) do sinal de deformação no regime permanente. Para o contator com obstáculo no entreferro e o contator sem os anéis de curto-circuito, a forma de onda da deformação não é senoidal, devido às colisões dos núcleos fixo e móvel. Na simulação da dinâmica do contator, no software Matlab®, a forma de onda da força eletromagnética é similar à forma de onda da deformação do núcleo do contator em condições normais de operação. This work presents the analysis and results obtained from the fiber Bragg gratting (FBG) sensors instaled in the fixed core of an electromagnetic contactor, for temperature and strain measurements. These results can be used to analyze behavior and predict future preventive maintenance of the contactor. FBGs can be used for contactor core temperature and strain measurements due to their small size and electromagnetic immunity. At the electromagnetic core contactor temperature measurement, it is observed that the thermal stability is reached in 190 minutes, with a temperature variation of 68 °C. To the strain measurement, four situations were analyzed: contactor without failure, contactor with voltage sag, contactor with obstacle in the air gap and contactor without shading rings. The electromagnetic force, obtained from the strain measurement, has a fundamental frequency of 120 Hz, which is twice the frequency of the power supply for both the contactor without failure and contactor with voltage sag. This fundamental frequency is obtained by applying the fast Fourier transform (FFT) to the steady state strain signal. For both contactor with obstacle in the air gap and contactor without shading rings, the strain waveform is non-sinusoidal, due to collisions of the fixed and movable cores. In the contactor dynamic simulation, in the Matlab® software, the electromagnetic force waveform is similar to the contactor core strain waveform under normal operating conditions.

FFH es un método de acceso al canal con amplias aplicaciones pasadas y presentes, dentro de este método los códigos ortogonales usados en SFH-CDMA son de especial interés en amplias áreas de la tecnología. El presente trabajo implementa códigos ortogonales un coin-cidentes (1dOC) con restricciones en componentes espectrales adyacentes para el diseño de detectores auto correlacionados en RF que usan arreglos de sensores planos. La inclusión de retrasos temporales entre resonadores adyacentes es un método que permite disminuir la interferencia entre los usuarios (MAI), en contraposición a la disminución de la velocidad de transmisión y finalmente el ancho de banda del protocolo. La selección aleatoria de re-trasos entre símbolos adyacentes reduce los máximos en la correlación cruzada, aumentando el rango dinámico del detector asíncrono y por ende el número de usuarios que comparten el canal de comunicaciones., Improvements over the communications protocols are always a continuous research. Fast Frequency Hopping is an important method still in use and orthogonal codes used in SFH-CDMA are the special interest in several areas of technology. This research uses one coincident orthogonal code with restrictive adjacent spectral distance for the design of RF correlation detectors based on planar resonators arrays. Inclusion of uniform time delays sections between adjacent resonators is a well-known method to improve the MAI, at expenses of decrease the data rate and finally the bandwidth of protocol. Another strategy is selecting random delays between symbols in the way of adjacent peaks in cross correlation function vanishes, improving the dynamic range of asynchronous detector and accordingly the user number sharing the channel of communications.

Conselho Nacional do Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Fundação Araucária de Apoio ao Desenvolvimento Científico e Tecnológico do Paraná Este trabalho discute a produção e caracterização de redes de Bragg volumétricas (VBG) em cristal de fluoreto de lítio produzidos com interferômetro de Talbot e laser de femtossegundos. Foram obtidas VBGs com diferentes características de gravação: potência, velocidade e tempo de exposição ao laser. Medidas de fluorescência usando excitação laser com banda de emissão centrada em 450 nm permitiram identificar centros de cor F2 e F¬3+ nas regiões das VBGs. Microscopia confocal por varredura laser permitiu determinar as dimensões e efeitos produzidos durante a gravação. Comparações da fotoluminescênca com os parâmetros de potência x velocidade de gravação indicam um comportamento com equação de terceira ordem, com dependência da máscara de fase utilizada. Degradação do centro de cor F2 em 12 das 14 VBGs foi mensurado. This work reports the production and characterization of volumetric Bragg gratings (VBG) in lithium fluoride crystal produced with Talbot interferometer and femtosecond laser. Four groups of VBG were analysed based on the different characteristics of power, speed and time of exposure to laser. Fluorescence measurements using wavelengths of 450 nm in the blue region allowed the identification of F2 and F¬3+ colour centres in the VBG region. Confocal microscopy via laser scan allowed the evaluation of the dimensions and effects produced during the recording. Comparisons of photoluminescence with recording parameters of power x speed shows a behaviour of third order with dependence of the phase mask. Degradation of F2 color center in 12 out of 14 VBGs.

Conselho Nacional do Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Financiadora de Estudos e Projetos (FINEP) Fundação Araucária de Apoio ao Desenvolvimento Científico e Tecnológico do Paraná A movimentação de misturas em tubulações é um assunto de grande relevância presente em diversos processos das industriais farmacêutica, energética, petroquímica e alimentícia e a disponibilidade de ferramentas e dispositivos que apoiem estas atividades tem grande importância, uma vez que falhas em sistemas onde fluem misturas podem ter graves consequências econômicas, ambientais e sociais. Técnicas experimentais para medição do escoamento como as baseadas em medição de condutância, ultrassom ou radiação ionizante apresentam desvantagens como a impossibilidade de medir misturas não condutivas, suscetibilidade à interferência eletromagnética e a alta atenuação dos sinais com a distância da transmissão. A construção e a avaliação de uma sonda elétrica e ótica para monitoramento de vazões bifásicas em ambientes industriais é apresentada nesta pesquisa. A sonda consiste em dois eletrodos de aço inoxidável posicionados transversalmente ao escoamento utilizados para medir a condutância elétrica do fluido. Os eletrodos são ocos e dentro deles são inseridas fibras óticas com redes de Bragg utilizadas para medir a deformação específica causada pelo escoamento. O desempenho da sonda foi verificado por meio de testes iniciais em uma bancada vertical, calibração estática com diversos carregamentos, e dinâmica com diferentes vazões, testes em escoamento bifásico e comparação entre as componentes da sonda e outros transdutores. Nos testes iniciais, a velocidade média da bolha medida pela componente condutiva da sonda resultou em 0,11739 m/s com desvio padrão de 0,0376 m/s, enquanto que a componente ótica mediu 0,11720 m/s e 0,0429 m/s. O tempo de contato da bolha com a componente ótica foi de 0,66 s a 0,72 s, enquanto que o valor da componente condutiva foi de 0,68 s a 0.72 s. Na comparação do funcionamento das duas componentes da sonda, as diferenças foram de 1,09% entre as velocidades das bolhas e 1,43% para os tempos de contato. As incertezas de medição das variáveis independentes da componente ótica da sonda na calibração estática variaram de 0,15 N a 0,24 N, com valor médio de 0,19 N e a incerteza média da variável dependente foi 56 pm. Os coeficientes de correlação das retas de ajuste apresentaram valor médio igual a 0,99872 e foi obtida uma sensibilidade média igual a 315 pm/N. Os dados experimentais das duas calibrações estão em boa concordância com os valores teóricos. Os modelos matemáticos mostram que a alteração de parâmetros associados ao projeto da sonda pode otimizar a faixa dos parâmetros a serem medidos, alterando por exemplo a sensibilidade da sonda. Os resultados mostram que a combinação das duas técnicas é viável e possibilita além da redundância dos dados, facilidades de autocalibração da sonda, a qual causa baixa perda de carga do escoamento por ser pequena, é fácil de ser construída e tem estrutura robusta permitindo seu uso em ambiente industrial. The fluids movement in pipelines is a wide relevance matter, present in several processes of pharmaceutical, energy, petrochemical, and food industries and the availability of tools and devices that support these activities has great importance, since the occurrence of failures in systems where mixtures flow can cause serious economic, environmental and social consequences. Experimental techniques for flow measurement such as those based on measurement of conductance, ultrasound and ionizing radiation have disadvantages such as the impossibility of measuring non-conductive mixtures, susceptibility to electromagnetic interference, and high attenuation with the transmission distance. The construction and evaluation of an electric and optical probe for the two-phase flows monitoring in industrial environments is presented in this research. The probe consists of two stainless steel electrodes positioned transverse to the flow used to measure the fluid electrical conductance. The electrodes are hollow and within them are inserted fiber Bragg gratings used to measure the flow deformation. The performance of the probe was verified by initial tests on a vertical bench, static calibration with various weights, and dynamics with different flow rates, two-phase flow tests and comparison between probe components and other transducers. In the initial tests, the bubbles mean velocity measured by the probe conductive component resulted in 0.11739 m/s with a standard deviation of 0.0376 m/s, while the optical component measured 0.11720 m/s and 0.0429 m/s. The bubble contact times with the optical component were between 0.66 s and 0.72 s, while the values of the conductive component were 0.68 s and 0.72 s. When comparing the performances of the two probe components, there were differences of 1.09% between the bubbles velocity measurements and 1.43% for the contact times. The independent variable measurement uncertainties of the probe optical component in the static calibration varied from 0.15 N to 0.24 N, with a mean value of 0.19 N and the dependent variable mean uncertainty was 56 pm. The adjustment lines correlation coefficients had an average value of 0.99872 and a mean sensitivity of 315 pm/N was obtained. The experimental data from the two calibrations are in good agreement with the theoretical values. The mathematical models show that changing parameters associated with the probe design can optimize the parameters range to be measured, for example by changing the probe sensitivity. The results show that the combination of the two techniques is feasible and allows data redundancy, self-calibration probe facilities, which is small, causing low flow load loss, easy to construct and robust structure allowing its use in an industrial environment.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Os sensores baseados em redes de Bragg em fibras ópticas (FBG) podem ter aplicações significativas na área de biomecânica, devido a suas características de alta sensibilidade aos esforços mecânicos, baixo peso, facilidade de multiplexação dos sensores, e imunidade a interferência eletromagnética. O sensor possui também alta integração com materiais compósitos de matriz polimérica epoxídica. A perspectiva de fabricação de próteses de fibra de carbono com este sensor pode permitir o monitoramento em tempo real de usuário de prótese. Esse sistema pode favorecer o melhor ajuste da prótese ao corpo, antecipando disfunções e prevenindo futuras lesões, principalmente em quadris e coluna. Este trabalho descreve os aspectos construtivos, e as análises do estudo de caracterização de uma prótese em fibra de carbono para pé instrumentada com sensores FBG comerciais. São analisados 9 sensores dispostos em forma de matriz 3 x 3 nos planos coronal e sagital. Dessa maneira a malha de sensores compreende da região anterior à posterior e da região medial à lateral. São apresentadas respostas dos sensores a marchas a velocidades de 1,5 km/h e 3,5 km/h, com adaptação para usuário não-amputado. É discutida e demonstrada a relação da resposta dos sensores com as fases da marcha, em toda sua fase de apoio. Também são descritos ensaios térmicos, para análise de formação de chirp em FBG´s durante o processo de cura do material compósito, que mostraram alargamento máximo de 20% e média de 15% do espectro. Este trabalho valida o conceito de aplicação de sensores FBG em próteses de fibra de carbono para pé, possibilitando novas abordagens em estudos aplicados à melhoria de próteses com detecções de inadequação de marcha em ambiente externo a consultórios. The sensors based on optical fibers Bragg gratings have significant applications in the area of biomechanics, due to its characteristics of high sensitivity to mechanical stresses, lightness, ease of multiplexing of sensors, and immunity to electromagnetic interference. The sensor also has high integration with composites of epoxy polymer matrix. The prospect of fabrication of carbon fiber prostheses with this sensor can enable real-time monitoring of prosthesis user. This system can favor the best fit the prosthesis to body, anticipating dysfunctions and preventing future injuries, especially in hips and spine. This work describes the constructive aspects, and the analyzes of the characterization study of a foot carbon fiber prosthesis instrumented with commercial FBG sensors. It is analyzed 9 sensors arranged in the form of a 3 x 3 matrix in the coronal and sagittal planes. In this way the sensors mesh comprises the anterior to posterior region and the medial to lateral region. Responses of the sensors to the gait are presented at speeds of 1.5 km/h and 3.5 km/h, with adaptation for non-amputated user. The relationship between the response of the sensors and the phases of the gait during the entire support phase is discussed and demonstrated. Thermal tests are also described for the analysis of FBG's chirp formation during the curing process of the composite material, which showed a maximum enlargement of 20% and a mean of 15% of the spectrum. This work validates the concept of FBG sensors application in carbon fiber foot prostheses, allowing new approaches in studies applied to the improvement of prostheses with detections of gait inadequacy outside clinic environments.

Conselho Nacional do Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Este trabalho apresenta as etapas de desenvolvimento e testes de uma palmilha instrumentada com redes de Bragg em fibras óticas. Os padrões de pressão gerados por meio do contato entre o pé e a superfície da palmilha forneceram a identificação das anatomias de três diferentes pés. A palmilha foi produzida pela incorporação das redes de Bragg em borracha de silicone. A escolha desse material se deu por meio da avaliação de características como resposta das redes e resistência mecânica adequadas para a aplicação. Redes neurais artificiais foram usadas para efetuar o processamento das respostas não lineares e acopladas fornecidas pela palmilha quando em contato com os pés. A melhor modelagem utilizou os dados de 5 FBGs, detectando 7 regiões da palmilha. This work presents the stages of development and testing of an instrumented insole with fiber Bragg gratings. The pressure patterns generated by the contact between the foot and the surface of the insole provided the identification of the anatomies of three different feet. The insole was produced by the incorporation of fiber Bragg gratings in silicone rubber. This material was chosen after the evaluation of characteristics such as Bragg gratings response and mechanical resistance suitable for the application. Artificial neural networks were used to perform the processing of the nonlinear and coupled responses provided by the contact between the insole and the feet. The best modeling used de data of 5 Bragg gratings, detecting 7 regions of the insole. For this case, the RNA made the correct association between output and target in 79% of the data samples during training stage.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) O presente trabalho mostra o estudo de materiais compósitos utilizando sensores a fibra óptica baseados em redes de Bragg (FBG) e a aplicação dessa tecnologia para a área da biomecânica humana e de animais. Na biomecânica humana, dois modelos de próteses para amputados de membros inferiores foram desenvolvidos, sendo uma prótese transtibial e uma prótese do pé. Ambas as próteses são confeccionadas em material compósito com sensores FBGs integrados. Ensaios de compressão axial foram realizados para caracterizar as próteses. A média da sensibilidade dos sensores é de 10 pm/N. A partir dos resultados dos ensaios mecânicos, a prótese transtibial foi simulada no software Ansys student 19.2. Os valores obtidos de deformação (µStrain) foram da mesma ordem de grandeza dos resultados obtidos experimentalmente. A simulação contribuiu para customizar um novo modelo de prótese transtibial. A caracterização das próteses durante o ciclo de marcha foi realizada a partir das leituras dos sensores FBGs enquanto um voluntário executava o movimento de caminhada. Esses ensaios foram realizados com uma adaptação mecânica e com a ajuda de três voluntários não amputados. No ensaio foram utilizadas três velocidades distintas de uma esteira ergométrica. Os resultados obtidos foram processados e apresentados de forma interativa por meio de um mapa de cores e diagramas vetoriais. A instrumentação óptica utilizada nesse trabalho contribui para o desenvolvimento de uma nova ferramenta para avaliação do projeto de próteses, reabilitação de pacientes amputados e para a avaliação do desempenho de atletas durante treinamento ou competição. Na área da biomecânica animal, foram desenvolvidas ferraduras confeccionadas em material compósito e instrumentadas com sensores FBGs para monitorar a andadura de equinos. Ensaios com equinos foram realizados em três tipos de andadura: passo, trote e galope. A instrumentação óptica para equinos contribui para identificar os padrões de andadura e evitar patologias relacionadas ao casco do animal. As tecnologias desenvolvidas neste trabalho demonstram o potencial de aplicações envolvendo sensores a fibra óptica integrados em materiais compósitos. The present work shows the study of composite materials using fiber optic sensors based on Bragg grating (FBG) and the application of this technology to the area of human and animal biomechanics. In human biomechanics, two models of prostheses for lower limb amputees were developed, being a transtibial prosthesis and a prosthesis of the foot. Both prostheses are made of composite material with integrated FBGs sensors. Axial compression tests were performed to characterize the prostheses. The mean sensitivity of the sensors is 10 pm/N. From the results of the mechanical tests, the transtibial prosthesis was simulated in Ansys student software 19.2. The obtained values of deformation (μStrain) were of the same order of magnitude of the results obtained experimentally. The simulation helped to customize a new transtibial prosthesis model. The characterization of the prostheses during the gait cycle was performed from the FBGs sensor readings while a volunteer performed the walking movement. These trials were performed with a mechanical adaptation and with the help of three non-amputated volunteers. In the test three different speeds of an ergometric treadmill were used. The obtained results were processed and presented in an interactive way through a color map and vector diagrams. The optical instrumentation used in this work contributes to the development of a new tool for evaluation of the prosthesis design, rehabilitation of amputees and for the evaluation of the performance of athletes during training or competition. In area of animal biomechanics, horseshoes made from composite material and instrumented with FBGs sensors were developed to monitor horse gait. Equine trials were performed in three types of gait: step, trot and gallop. Optical instrumentation for equines contributes to identify patterns of walking and to avoid pathologies related to the animal's hoof. The technologies developed in this work demonstrate the potential of applications involving fiber optic sensors integrated in composite materials.

Submitted by Moreno Barros (moreno@ct.ufrj.br) on 2020-10-25T01:54:49Z No. of bitstreams: 1 ReinaldoMerendazDaRochaJunior.pdf: 4645427 bytes, checksum: 811513845acc758d613f90da3dea6964 (MD5) Made available in DSpace on 2020-10-25T01:54:49Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ReinaldoMerendazDaRochaJunior.pdf: 4645427 bytes, checksum: 811513845acc758d613f90da3dea6964 (MD5) Previous issue date: 2019-04 Este trabalho apresenta um estudo sobre as vantagens e o desempenho de sensores de deformação, baseado em redes de Bragg, quando aplicado em sensores utilizados na indústria do petróleo. Entre os benefícios da utilização dos sensores FBG’s (Fiber Bragg Gratings), os que mais chamam a atenção são a alta sensibilidade, a baixa atenuação de sinal em instrumentos de medição localizados a longas distâncias e a imunidade à interferências eletromagnéticas. Nesta dissertação foi estudado o comportamento dos adesivos pré-selecionados para serem utilizados no sensor de pressão e temperatura (P&T) desenvolvido. Amostras foram instrumentadas com as redes de Bragg e ensaiadas na máquina de ensaios mecânicos do Laboratório de Tecnologia Submarina (COPPE/UFRJ). Os resultados obtidos foram utilizados como parâmetros na realização das análises numéricas da membrana do sensor P&T, baseadas em elementos finitos, utilizando o software comercial ABAQUS. Dentre os adesivos estudados, o que apresentou melhores resultados foi definido através dos ensaios cíclicos, além de definir a tensão máxima a ser atingida pela membrana do sensor através dos ensaios de tração. Este estudo teve como objetivo otimizar o dimensionamento do sensor, definindo a geometria que a membrana deve assumir, para que o mesmo possa trabalhar com segurança, sem que ocorram deformações plásticas do material e/ou problemas na instrumentação das redes de Bragg. In this work, a study on the advantages and performance of Fiber Bragg Gratings (FBGs), when applied to sensors used in the petroleum industry. Among the benefits of using FBG’s, the most attractive are high sensitivity, low signal loss in distant instrumentations and immunity to electromagnetic interference. In this dissertation the behavior of the preselected adhesives to be used in the pressure and temperature sensor (P&T) was studied. Samples were instrumented with the FBGs and tested in a mechanical testing machine. The results were used as parameters in the numerical and experimental analysis of the P&T sensor membrane, based on finite elements using commercial ABAQUS software. Among the adhesives studied, the one that presented the best results was defined through the cyclic tests, the maximum tension of the sensor membrane was defined by the tensile tests. This study define de best geometry that the membrane must assume, so that it can work safely, without causing plastic deformations of the material or problems in the instrumentation of the FBG.

Nesse trabalho foram produzidos e encapsulados diversos sensores de altas temperaturas utilizando redes de Bragg em fibra ótica (FBG) para produção de sondas de temperatura. As FBGs foram gravadas na banda do infravermelho utilizando fibra ótica monomodo padrão de telecomunicações (G-652). Algumas fibras óticas utilizadas não sofreram pré-tratamento para produção da FBG padrão, enquanto outras passam pelo processo prévio de hidrogenação para produção posterior de rede de Bragg em fibra ótica regenerada (RFBG). No processo de produção da RFBG foi utilizado tratamento térmico em 850ºC e as RFBGs resultantes puderam ser aplicadas em medições de temperaturas menores que aquela da regeneração, que neste trabalho foi limitado a 500 °C. As FBGs e as RFBGs foram encapsuladas com material cerâmico alumina (Al2O3) e aço inox para produção de sondas de temperatura, que forneçem proteção mecânica ao sensor FBG/RFBG devido a fragilidade adquirida após o tratamento térmico. Um estudo comparativo foi feito da sensibilidade térmica para as diferentes cápsulas e comparadas com fibra ótica sem encapsulamento. In this work, several temperature sensors were produced and encapsulated using fiber optic Bragg grating (FBG). FBGs were written in the infrared band using standard telecommunication single mode optical fiber (G-652). The fiber used does not undergo pre-treatment in the production of standard FBG and undergoes a previous hydrogenation process to produce regenerated fiber Bragg grating (RFBG). In the process of producing RFBG we use heat treatment at 850ºC and the resulting gratings can be applied in long time measurements at temperatures lower than that of regeneration. FBGs and RFBGs were encapsulated with ceramic material alumina (Al2O3) and stainless steel to facilitate application as a sensor. A comparative study of thermal sensitivity for different capsules and compared with non-encapsulated optical fiber was done.

Submitted by Ana Costa (apcosta@porto.ucp.pt) on 2020-11-23T11:18:06Z No. of bitstreams: 1 Tese_MariaMiguel_FINAL.pdf: 1879215 bytes, checksum: 7fca1e758dada175a14aaf96f47c4464 (MD5) Approved for entry into archive by Maria Helena Ribeiro (helena.ribeiro@lisboa.ucp.pt) on 2020-12-16T10:49:39Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Tese_MariaMiguel_FINAL.pdf: 1879215 bytes, checksum: 7fca1e758dada175a14aaf96f47c4464 (MD5) Made available in DSpace on 2020-12-16T10:49:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Tese_MariaMiguel_FINAL.pdf: 1879215 bytes, checksum: 7fca1e758dada175a14aaf96f47c4464 (MD5) Previous issue date: 2020-01-03

Submitted by Aglair Aguiar (aglair@ct.ufrj.br) on 2019-09-05T16:15:56Z No. of bitstreams: 1 882134.pdf: 2317952 bytes, checksum: 0c73f96680024f0dbf2dfae853e11445 (MD5) Made available in DSpace on 2019-09-05T16:15:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 882134.pdf: 2317952 bytes, checksum: 0c73f96680024f0dbf2dfae853e11445 (MD5) Previous issue date: 2018-11 Apresenta-se o desenvolvimento de um sistema optoeletrônico de interrogação (SOI) em malha fechada para sensores `a rede de Bragg (FBG) aplicado a medições de sinais AC. Ele é baseado na técnica de redes gêmeas, na qual uma FBG filtro modula uma FBG sensora. Um microcontrolador é empregado para realizar medições de reflexão das FBGs, e um controle de malha fechada é implementado em firmware para manter a FBG filtro rastreando a FBG sensora sob variações de temperatura, com um atuador termoelétrico (TEC). O SOI foi testado com um protótipo de sensor de alta tensão sob variação térmica de 29◦C a 50◦C e resultados experimentais mostraram que o sistema de interrogação é capaz de manter a FBG filtro rastreando a FBG sensora com um desvio máximo de 5×10−3 pm do ponto ótimo de operação, mesmo sob influencia da temperatura. A análise do domínio de frequência dos sinais AC de saída mostrou que o SOI é capaz de realizar medições precisas no ponto de operação de menor distorção disponível. Além do mais, ele também pode ser adaptado para o monitoramento de vibrações, como na manutenção preditiva de motores e turbinas, e nas vibrações sísmicas. It is presented the development of an optoelectronic interrogation system (OIS) in a closed-loop control for Fiber Bragg Grating (FBG) sensors applied to AC signal measurements. It is based on the twin grating technique, in which an FBG is modulating a sensing-FBG. A microcontroller is employed to perform reflection measurements of the FBGs, and a closed-loop control is implemented in firmware to keep the filter-FBG tracking the sensing-FBG under temperature variations, with a thermoelectric actuator (TEC). The OIS was tested with a high-voltage sensor prototype under the thermal variation of 29◦C to 50◦C and the experimental results showed that the interrogation system is capable of keeping the filter-FBG tracking the sensing-FBG with a maximum deviation of 5×10−3 pm from the optimum point even under the influence of temperature. An analysis of the frequency domain of the AC signals showed that the OIS is able to perform accurate measurements at the operating point of least distortion possible. In addition, it can also be adapted for the monitoring of vibrations, such as in the maintenance of engines and turbines, and in the seismic vibrations.

Conselho Nacional do Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Este trabalho apresenta um estudo da aplicação de sensores de temperatura utilizando redes de Bragg em fibra ótica (FBG) no monitoramento térmico de um módulo fotovoltaico cuja planta em operação está conectada à rede elétrica instalada no telhado do Escritório Verde, prédio pertencente à Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR) em Curitiba, PR. Foram instalados 20 sensores em um único módulo de uma planta e 1 sensor medindo a temperatura ambiente. O ambiente monitorado sofre ações de intempéries como ventos, chuva, e grande variação de temperatura ao longo do dia e das estações do ano, o que justifica a utilização dos sensores em fibra ótica, pois, são robustos e com pequenas dimensões, praticamente imperceptíveis quando instalados externamente, não causando, desse modo, sombreamento sobre o módulo. Além disso, eles também podem ser instalados internamente fazendo do módulo uma estrutura inteligente. O trabalho consiste desde a fabricação até a montagem e monitoramento das redes de Bragg. A fibra ótica foi encapsulada e seus efeitos serão analisados. Os dados de medição dos sensores FBG foram comparados com instrumentos como o Termopar e termômetro infravermelho. Foi realizada a comparação do comportamento térmico com a potência produzida pelo módulo fotovoltaico. Os resultados possibilitarão a detecção de falhas e avarias no módulo, bem como a verificação de perdas na eficiência causadas pela temperatura, onde houve registro acima de 70 °C durante a operação. This work presents a study of the application of temperature sensors using Fiber Bragg Gratings (FBG) in the thermal monitoring of a photovoltaic module whose plant in operation is connected to the electric grid installed on the roof of the Green Office, a building belonging to the Federal Technological University of Paraná (UTFPR) in Curitiba, PR. Twenty sensors were installed in a single module of a plant and 1 sensor measuring the room temperature. The monitored environment suffers from weathering events such as wind, rain, and great variation of temperature throughout the day and the seasons, which justifies the use of fiber optic sensors, since they are robust and small, practically imperceptible when installed externally, thus not causing shading on the module. In addition, they can also be installed internally by making the module an smart structure. The work consists of manufacturing, assembly and monitoring of FBG. The optical fiber was encapsulated and its effects were analyzed. The measurement data of the FBG sensors were compared with instruments like the Thermocouple and infrared thermometer. The thermal behavior was compared with the power produced by the photovoltaic module. The results will allow the detection of faults and defects in the module, as well as the verification of efficiency losses caused by temperature, where there was a register above 70 °C during the operation.

Mestrado em Engenharia Física As fibras óticas poliméricas têm vantagens significativas para muitas aplicações de sensoriamento, tais como elevada resistência mecânica, flexibilidade, biocompatibilidade e elevada sensibilidade a variações de temperatura e deformação. A implementação de redes de Bragg nestas fibras permite o desenvolvimento de dispositivos com a capacidade de filtrar sinais na área da fotónica e de aplicação em sistemas com sensores de alta precisão. Neste contexto, o presente trabalho tem como objetivo a gravação de diferentes tipos de redes de Bragg em fibra ótica polimérica através do método da máscara de fase, e a caracterização da sua resposta face a diferentes perturbações externas. Estes dispositivos foram desenvolvidos através da implementação de novos conceitos experimentais, com o intuito de obter alta sensibilidade para aplicações em ambientes reais. Foram gravadas com sucesso redes de Bragg uniformes e redes com deslocamento de fase em fibra ótica polimérica microestruturada de PMMA, dopada com Benzildimethylketal, usando apenas um pulso de energia 6.3 mJ de um laser KrF pulsado, com emissão a 248 nm. Também foram gravadas redes aperiódicas em fibra ótica polimérica de PMMA sem dopante, onde foi monitorizado o crescimento das redes com a incidência de alguns pulsos. Para além da caracterização da resposta das redes de Bragg a diferentes perturbações externas, também foram testados diferentes procedimentos durante o tratamento térmico da rede de Bragg em fibra ótica polimérica, com o objetivo de variar permanentemente o comprimento de onda de Bragg para valores superiores. Polymer optical fibers have significant advantages for many sensing applications, such as high mechanical strength, flexibility, biocompatibility and high sensitivity to temperature and strain variations. The implementation of Bragg gratings in these fibers allows the development of devices with the ability to filter signals in the photonic fields and with applicability in high precision sensor systems. In this context, the present work focuses on inscribing different types of polymer optical fiber Bragg gratings using the phase mask method, and the characterization of these structures response to different external perturbations. These devices were developed through the implementation of new experimental concepts, with the aim of obtaining high sensitivity for real environment applications. Uniform and phase shifted Bragg gratings were successfully inscribed in PMMA microstructured optical fiber, doped with Benzildimethylketal, using only one pulse with energy 6.3 mJ from a KrF pulsed laser, emiting at 248 nm. Aperiodic gratings were also inscribed in undopant PMMA optical fiber, where the growth of the grating through the incidence of few pulses was monitored. In addition to the characterization of the response from Bragg gratings to different external perturbations, different procedures were also tested during the annealing of the polymer optical fiber Bragg grating, in order to permanently tuning the Bragg wavelength to higher values

CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico As Redes de Bragg oferecem novas possibilidades para se monitorar de forma precisa a temperatura do rotor de hidrogeradores. Dezenas de sensores podem ser montados em série em uma única fibra e ser usados para medir a temperatura em diversos pontos do enrolamento do rotor. Tais sensores são instalados diretamente na superfície do enrolamento do rotor sendo isolados termicamente do ar por uma camada de silicone. Por causa do gradiente de temperatura nesta estrutura, o sensor fica exposto a estresses termomecânicos que podem vir a deformá-lo. Como os sensores baseados em Redes de Bragg são sensíveis tanto à temperatura com à deformação mecânica, o conhecimento de cada efeito separadamente torna-se necessário para garantir que as leituras de temperatura não sejam afetadas pela deformação mecânica. Resultados experimentais obtidos em maquete que simula o enrolamento do rotor com termistores e sensores baseados em Redes de Bragg mostraram que as leituras de temperatura feitas pelos sensores ópticos à Redes de Bragg estavam cerca de 4,5°C superiores àquelas feitas pelos termistores usados como referência. Simulações multifísicas foram conduzidas para calcular a deformação e a temperatura no conjunto de montagem do sensor óptico. Os resultados teóricos e experimentais estão em acordo e mostram que o gradiente de temperatura através do conjunto de montagem do sensor óptico é suficiente causar uma deformação capaz de fazer surgir um tensão axial no sensor provocando um erro de leitura. Fiber Bragg gratings (FBGs) offer new possibilities to monitor accurately the rotor temperature. Dozens of sensors can be mounted in series in a single fiber and used to measure the temperature in several points of the rotor winding. Such sensors installed directly on the rotor winding surface are thermally isolated from the cooling air by a silicone layer. Because of the temperature gradient in this structure, the sensor is exposed to thermo-mechanical stresses and therefore can be deformed. Since the FBG probes are sensitive to both temperature and strain, the knowledge of each effect separately is necessary to ensure that the temperature readings are not affected by strain. Experimental results obtained in rotor winding mockup tests with thermistors and FBG sensors show that the temperature readings by the FBG are 4.5°C above the temperature defined by the thermistors which were used as references. Multi-physics simulations were carried out to calculate the strain and temperature in the FBG assembly. The theoretical and experimental results are in a good agreement and show that the temperature gradient across the FBG sensor assembly is sufficient to cause a strain that induces an axial stress in the FBG sensor causing an error in the temperature reading.

Submitted by Aglair Aguiar (aglair@ct.ufrj.br) on 2019-01-17T16:19:15Z No. of bitstreams: 1 867058.pdf: 1388352 bytes, checksum: c765fa88b3646dc11a69889d3b81f3aa (MD5) Made available in DSpace on 2019-01-17T16:19:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 867058.pdf: 1388352 bytes, checksum: c765fa88b3646dc11a69889d3b81f3aa (MD5) Previous issue date: 2017-03 Estudo e o desenvolvimento da compensação de temperatura para sensores de corrente elétrica baseados em redes de Bragg em fibras ópticas utilizando a técnica de redes gêmeas. A medição de corrente elétrica por sensores optomagnéticos está muito bem descrita na literatura, bem como técnicas que tratam da compensação dos efeitos da variação térmica sobre o sinal de saída do sistema. Entretanto, a compensação via redes gêmeas empregando o método aqui aplicado ainda não foi relatada. A compensação de temperatura em sistemas que empregam como elemento sensor a rede de Bragg faz-se necessária devido ao fato de variações de temperatura também induzirem alterações no comprimento de onda de Bragg, exercendo influência negativa sobre as características do sensor. Neste sentido, a compensação de temperatura foi alcançada com a adição de uma segunda rede de Bragg, denominada filtro fixo, a fim de interrogar o sinal proveniente da rede sensora. Estando fixadas em hastes de Terfenol-D próximas uma da outra e submetidas às mesmas variações de temperatura do interior de uma caixa de papel, obteve-se a separação dos efeitos de strain magnetostrictivo daqueles provenientes da temperatura no sinal de saída do sensor. Study and the development of temperature compensation for electrical current sensors based on fiber Bragg gratings using the twin gratings technique. The measurement of electric current by opto-mechanical sensors is very well described in the literature, as well as techniques that propose the compensation of thermal variation effects on the output signal of the system. However, the compensation method employing twin gratings using the method proposed herein has not yet been reported in the literature. The temperature compensation in systems that employ as sensor element the fiber Bragg grating is necessary due to the fact that temperature variations also induce changes in the Bragg wavelength, exerting negative influence on the characteristics of the sensor. In this sense, temperature compensation was achieved by the addition of a second fiber Bragg grating in the system, called fixed filter, in order to interrogate the output signal from the sensing grating. Once both gratings have been attached to the Terfenol-D rods close to each other and subjected to the same temperature variations inside a paper box, the separation of magnetostrictive strain from those related to temperature in the signal of sensor output could be obtained.

Submitted by Aglair Aguiar (aglair@ct.ufrj.br) on 2019-05-27T13:42:37Z No. of bitstreams: 1 878403.pdf: 2500948 bytes, checksum: 22f4cf57d3e4f5dfa15a6537a4c83583 (MD5) Made available in DSpace on 2019-05-27T13:42:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 878403.pdf: 2500948 bytes, checksum: 22f4cf57d3e4f5dfa15a6537a4c83583 (MD5) Previous issue date: 2017-03 Os motores de indução são os mais comuns utilizados na produção de movimento na indústria. Eles são amplamente utilizados por sua simplicidade, design robusto, baixo custo, baixa manutenção e conexão direta a uma fonte de alimentação de corrente alternada. Contudo, uma das falhas mais danosas que podem ocorrer no motor de indução é a ruptura da barra do rotor, pois rapidamente evolui para uma falha funcional com consequências catastróficas. Apesar do baixo custo de um motor de indução, as perdas de produção devido a uma falha funcional podem ser da ordem, ou superior, ao custo do próprio motor, portanto as vantagens de custo que podem ser obtidas com a detecção ainda incipiente do defeito justificam a pesquisa em técnicas de monitoramento que podem indicar a evolução das condições antes que a falha ocorra. Neste trabalho, é construído e demonstrado um sensor magnético, baseado em redes de Bragg, aplicadas a fibras ópticas (FBG) e compósito magnetostrictivo feito de partículas de Terfenol-D imerso em matriz de resina epóxi, que aplicado a um motor de indução é capaz de detectar barras quebradas do rotor em motores de indução de alta tensão, inclusive em atmosfera perigosa devido ao isolamento fornecido pelo sensor de fibra óptica. Até onde sabemos, este trabalho demonstra pela primeira vez um sensor magnético baseado em FBG aplicado em monitoração de um motor de indução para distinguir barras defeituosas, enquanto a técnica convencional de assinatura de corrente com baixos níveis de carga não conseguiu indicar a gravidade dos defeitos do motor. AC induction motors are the most common motors used in industrial motion. They are widely used in industrial applications for its simplicity, rugged design, low-cost, low maintenance and direct connection to an AC power source. However, one of the faults occurring in induction motor is the rotor bar breakage that may rapidly spread to a functional failure with catastrophic consequences. Despite the low cost of an induction motor, production losses due to a functional failure in the motor may be of the order, or greater than, the cost of the motor itself and therefore, the cost advantages that can be achieved with predictive maintenance justify research in monitoring techniques that can indicate the evolution of the conditions before a failure occurs. In this work, a magnetic sensor based on fiber Bragg grating (FBG) and magnetostrictive composite made of Terfenol-D particulates immersed in epoxy resin matrix applied to induction motor is shown to be capable of detecting rotor broken bars in high voltage induction motors, even when the motor is installed in a dangerous atmosphere, due to the insulation provided by the optical fiber sensor. To the best of our knowledge, this work demonstrates by the first time an FBG based magnetic sensor applied to monitor an induction motor with the capability to distinguish defective bars, whereas at the same time, conventional technique of current signature at low loading levels failed to indicate the motor severity.

Doutoramento em Engenharia Física Submitted by Manuel Jesus (albertojesus@ua.pt) on 2018-06-25T11:13:17Z No. of bitstreams: 1 Oliveira, Ricardo Jorge Figueiredo.pdf: 11368270 bytes, checksum: 6b95b8ab6e17e18573a59fc1c1ae3320 (MD5) Made available in DSpace on 2018-06-25T11:13:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Oliveira, Ricardo Jorge Figueiredo.pdf: 11368270 bytes, checksum: 6b95b8ab6e17e18573a59fc1c1ae3320 (MD5) Previous issue date: 2017

Doutoramento em Engenharia Física Hoje em dia, a tecnologia de fibra óptica está a ser amplamente usada nas áreas de telecomunicações e sensores. Historicamente, as qualidades das fibras ópticas poliméricas (POFs) têm sido menosprezadas devido à popularidade das fibras óticas de vidro. Tal facto advém maioritariamente da sua elevada atenuação. No entanto, os materiais que compõem as POFs têm vindo a melhorar significativamente nestes últimos anos. Nesse sentido, a emergência de novas técnicas e dispositivos têm vindo a ser demonstradas/os. Considerando o campo das telecomunicações, as POFs estão a crescer rapidamente em aplicações de redes de acesso. Além disso, o advento da operação monomodo e das redes de Bragg em POF estão a ser amplamente explorados em aplicações de sensores e portanto, este tipo de tecnologia tenderá a ser uma realidade num futuro próximo. Devido à necessidade de criar uma conexão de baixa perda entre fibra óptica de vidro e polimérica, será demonstrada uma nova técnica capaz de produzir terminais de POF de alta qualidade, num processo rápido, fácil e semiautomático. A conectorização destes tipos de fibras será também analisada nesta dissertação. No seguimento desta tese serão desenvolvidos dois sistemas de gravação de redes de Bragg em POF. Num dos sistemas será usado o tradicional laser de HeCd com operação nos 325 nm, sendo que noutro será usado o laser de KrF com operação nos 248 nm. Os resultados mostrarão a capacidade de gravar redes de Bragg em POF em apenas alguns segundos, contrariamente às várias dezenas de minutos necessários com o laser de 325 nm. Com base no sucesso dos resultados, o sistema de gravação que opera nos 248 nm será usado para fabricar redes de Bragg noutros tipos de fibras, incluindo as de índice em degrau, micro-estruturadas e sem bainha. A gravação de redes de Bragg de excelente qualidade em POFs de elevada birrefringência também será apresentada. A separação entre picos de ressonância irá ser usada para estimar a birrefringência de fase, que será então comparada com a obtida por simulações numéricas e com recurso ao método de varredura de comprimento de onda. As redes de Bragg produzidas pelos métodos anteriores serão então caracterizadas à deformação, temperatura, pressão, humidade e índice de refracção. Os resultados serão comparados com a literatura e com aqueles encontrados teoricamente. Um dispositivo de interferência multimodal feito pela conexão de duas fibras ópticas monomodo de vidro a uma fibra óptica multimodo de polímero, será usado para demonstrar a medição de deformação e temperatura. As capacidades de absorção de água, oferecidas pelo material à base de polimetilmetacrilato serão usadas para medir humidade. No final desta dissertação, um sensor híbrido composto por um dispositivo de interferência multimodal, baseado em POF e contendo uma rede de Bragg, demonstrará a capacidade de medir deformação, temperatura e índice de refracção. A propriedades de baixa absorção de água por parte do material que compõe a fibra polimérica será usada para demonstrar insensibilidade à humidade por parte do sensor. Nowadays, fiber optic technology is being widely employed in communication and sensing areas. Historically, the qualities of polymer optical fibers (POFs) have been overwhelmed by the popularity of the silica optical fibers. This has been mainly due to the POFs higher transmission loss. However, in last years, POF materials are improving their performance. Therefore, the emergence of new devices and techniques have been demonstrated. Considering the communications field, POFs are growing rapidly in fiber to the home applications. Additionally, the advent of single mode operation and fiber Bragg gratings in POFs are being widely explored in several sensing applications. Consequently, this technology will tend to be a reality in a near future. Due to the need of a low loss connection between silica and polymer optical fibers, it will be demonstrated a new technique capable to produce POF terminals of high quality in an easy, fast and semi-automated process. The connectorization of these types of fibers will be then analysed in this dissertation. The development of two Bragg grating inscription systems for POFs will also be explored in this thesis. One of the systems will employ the traditional HeCd laser operating at 325 nm, while the other will use the KrF laser operating at 248 nm. Results will show the capability to write Bragg gratings in a POF in few seconds, contrary to the several tens of minutes reported for the 325 nm radiation. Based on the success of the results, the 248 nm inscription setup will be used to inscribe Bragg gratings in other types of POFs, including step-index, microstructured, and unclad POFs. The inscription of a high quality Bragg grating in a high-birefringence POF will also be presented and the phase birefringence arising from the Bragg peak separation will be compared with the numerical simulations togheter with the wavelength scanning method. The fiber Bragg gratings produced through the previous methods will be characterized to strain temperature, pressure, humidity and refractive index. Results will be compared with literature and with the ones found theoretically. A multimode interference device made by sandwiching a multimode POF between two single mode silica fibers will be used to demonstrate the ability to measure strain and temperature. The water absorption capabilities offered by the polymethylmethacrylate material will be used to measure humidity. At the end of this dissertation, a hybrid sensor composed of a POF based multimode interference device, comprising a fiber Bragg grating, will demonstrate the capability to measure strain, temperature and refractive index. The low water absorption properties of the material that composes the POF will be used to demonstrate a POF sensor with humidity insensitiveness.

Doutoramento em Engenharia Física Com o presente trabalho pretendeu-se explorar soluções de fibra ótica na aquisição da onda de pulso na artéria carótida, para análise da sua morfologia e cálculo da pressão arterial central. Foram desenvolvidos três sistemas, dois baseados em redes de Bragg, gravadas em fibra de sílica, e outro em modulação de intensidade, usando fibra ótica de plástico. O primeiro sensor foi desenvolvido com o objetivo de testar a exequibilidade da utilização de fibra ótica nesta aplicação. Após resultados promissores da sua caracterização e testes em sujeitos, o desenvolvimento dos dois sensores consequentes teve por objetivo o aumento da sensibilidade e facilidade de utilização das sondas, pela melhoria da sua forma, portabilidade e autonomia. A solução baseada em intensidade mostrou-se ainda como um sistema que coligava desempenho a baixo custo, tendo por isso sido submetida a um estudo pré-clínico, comparando o seu desempenho ao de um dispositivo comercial, de natureza eletromecânica, numa pequena coorte de indivíduos saudáveis. Este estudo teve como objetivo investigar a correlação dos resultados obtidos com a sonda de fibra ótica e o dispositivo comercial. Tendo-se obtido uma correlação muito forte entre as duas técnicas, o dispositivo foi proposto para avaliação clínica. O desempenho da sonda foi assim comparado a um dispositivo comercial, numa coorte de indivíduos hipertensos. Foram também levados a cabo testes invasivos, usando como referência ondas de pressão obtidas no lúmen da artéria aorta em contexto de cateterismo cardíaco. Em ambos os estudos clínicos foram obtidos coeficientes de correlação muito fortes e diferenças de pressão média na gama obtida para dispositivos comerciais. Conclui-se assim que o dispositivo baseado em modulação de intensidade surge como uma promissora alternativa de baixo custo aos dispositivos eletromecânicos de avaliação de pressão arterial central disponíveis no mercado. The present study aimed to explore fibre optic solutions in the acquisition of the pulse wave in the carotid artery, to its morphology analysis and central arterial pressure calculation. Three systems were developed, two based on Bragg gratings, engraved in silica fibre, and another on intensity modulation, using plastic optical fibre. The first sensor was developed in order to test the feasibility of the fibre optics use in this application. After promising results in the characterization and small tests in subjects, the development of the consequent two sensors had as main goals increasing the probes sensitivity and user-friendliness, by improving its shape, portability and autonomy. The intensity-based solution proved to be the system that best combined performance to low cost, and thus was subjected to a pre-clinical study, comparing its performance to a commercial device in a small cohort of healthy individuals. This study aimed to investigate the correlation between the results obtained with the fibre optic probe and the commercial device. Having been obtained a very strong correlation between the two techniques, the device was proposed for clinical evaluation. The probe’s performance was therefore compared to a non-invasive commercial device, in a cohort of hypertensive individuals. Invasive testing was also performed, using as reference pressure waves obtained in the lumen of the aortic artery in cardiac catheterization context. In both trials very strong correlation coefficients were obtained, as well as medium pressure differences in the range verified for commercial devices. It is concluded that the device based on intensity modulation arises as promising low cost alternative to central arterial pressure assessment electromechanical devices available in the market.

Análisis, diseño e implementación de sensores de fibras ópticas para el estudio de materiales y monitoreo de estructuras, utilizando sistemas interferómetricos y dispositivos basados en redes de Bragg en fibra. Específicamente pueden mencionarse las siguientes actividades: • Estudio e implementación experimental de sistemas de grabado de diferentes tipos de redes en fibra óptica (uniformes, con chirp y de periodo largo). Caracterización de la respuesta espectral de los dispositivos fabricados. • Análisis de la evolución dimensional de pastas de cemento desde el estado fresco empleando técnicas ópticas de sensado, en particular interferométricas y basadas en redes de Bragg en fibra. • Aplicación de esquemas de sensado basados en fibra óptica para analizar el proceso de curado de materiales polimericos de uso dental, con el objeto de evaluar el nivel de contracción experimentado por los mismos. • Modelado utilizando el método de la matriz de transferencia, de un sistema para la detección de grietas o fisuras en materiales, basado en redes de Bragg con Chirp.

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.

Mestrado em Engenharia Física Esta dissertação tem como objetivo a implementação de um sistema de monitorização remota com sensores óticos, nomeadamente sensores em redes de Bragg em fibra ótica. Foi desenvolvido um sistema de monitorização remota, baseado num acelerómetro ótico, que foi implementado no reservatório de água da Universidade de Aveiro, com sensibilidades 87,848 pm/G e 92,351 pm/G nas direções transversal e longitudinal, respetivamente. A estrutura a monitorizar é descrita fisicamente e matematicamente, através de modelos numéricos, com o objetivo de estimar a sua frequência natural segundo a direção longitudinal e transversal. É implementado e descrito um sistema de monitorização remota que consiste na ligação por fibra ótica da estrutura ao sistema central, instalado no Instituto de Telecomunicações – Pólo de Aveiro, o qual é acessível de qualquer local com acesso à internet. Foi também desenvolvido um sensor de nível para futura implementação na mesma estrutura. Estão também descritas e caracterizadas, térmica e mecanicamente, três versões do sensor de nível, que foi sendo otimizado neste trabalho. A última versão apresenta uma sensibilidade de 72,4±0,100 pm/m, entre 0 e 1 m, e uma resolução de 6,9 cm utilizando um interrogador com 5 pm de resolução. Por fim, a estrutura em estudo foi monitorizada por um período de tempo, observando-se as suas frequências naturais. Verifica-se que não existem alterações significativas do valor das frequências naturais, concluindo-se que a estrutura se encontra em bom estado, mantendo as suas propriedades físicas, nomeadamente a sua rigidez. Este trabalho demonstrou a exequibilidade de utilizar sensores óticos interligados com redes de comunicação por fibras óticas em aplicações de monitorização remota. This dissertation aims the implementation of a remote monitoring system based on optical sensors, namely fibre Bragg grating based sensors. A remote monitoring system, based on an optical accelerometer, was developed and implemented, at the Aveiro University water reservoir, with a sensibility of 87,848 pm/G and 92,351 pm/G for the transversal and longitudinal directions, respectively. The structure to monitor is physically and mathematically described, through numeric models, with the purpose of estimate its natural frequency on the longitudinal and transversal directions. It is implemented and described a remote monitoring system consisting of an optical fibre connection of the structure to the central system, installed at the Instituto de Telecomunicações – Pólo de Aveiro, which can be accessed from any place with an internet connection. A liquid level sensor for future implementation on the same structure was developed. It is also described and characterized, thermal and mechanically, three versions of the liquid level sensor, which has been optimized during this work. The last version has a sensibility of 72,4±0,100 pm/m, between 0 e 1 m, and a resolution of 6,9 cm using an interrogator with a 5 pm resolution. At last, the structure natural frequencies were monitored over a time period. It is verified that there are no significant changes on the value of the natural frequencies, concluding that the structure is at a healthy state, maintaining its physical properties, namely its rigidity. This work demonstrated the successful use of optical sensors interconnected with optical fibre communication networks for remote monitoring applications.

Mestrado em Engenharia Física No presente trabalho é descrito e apresentado o estudo da estabilidade térmica de redes de Bragg em fibra ótica de sílica, fabricadas por um laser de femtosegundo. O plano de trabalhos começou por uma pesquisa bibliográfica relacionada com as diferentes técnicas de gravação de redes de Bragg em fibras óticas e o estado de arte em estudos de estabilidade térmica das mesmas redes. Foram desenvolvidos e produzidos (em ambiente empresarial) um total de 8 sondas de temperatura cujo princípio de funcionamento baseia-se no comportamento típico de redes de Bragg em fibra ótica, quando submetidas a variações de temperatura. Estas sondas foram posteriormente calibradas termicamente. Implementaram-se dois regimes de testes a dois conjuntos de 4 sondas: um regime isotérmico e outro isócrono. Ambos foram desenvolvidos tanto no Departamento de Física da Universidade de Aveiro como nas instalações da HBM FiberSensing, S.A., no Porto. Os resultados obtidos relativos à variação do comprimento de onda de Bragg e refletividade do pico máximo de cada sonda em função do tempo e da temperatura permitiram aplicar um modelo teórico e concluir quanto à estabilidade térmica das redes de Bragg. In this thesis is presented a study of the thermal stability of Bragg gratings in optical silica fiber fabricated by a femtosecond laser. The work plan began with a literature review related to the different Bragg gratings recording techniques in optical fiber and the state of the art of thermal stability studies. A total of eight temperature sensors were developed and produced, whose operating principle is based on typical behaviour of Bragg gratings when submitted to temperature variations. These probes were thereafter thermally calibrated. Two types of tests were implemented for two different sets of four probes each: an isothermal and an isochronous regime. Both tests were developed in the Department of Physics at the University of Aveiro and at HBM FiberSensing, SA in Porto. A theoretical model was applied to the results relating to the variation of Bragg wavelength and to the reflectivity peak of each probe (as a function of time and temperature). With the application of this method it was possible to conclude about the thermal stability of the Bragg gratings.

Mestrado em Engenharia Mecânica Nos ultimos anos, o uso da bra otica cresceu consideravelmente, sendo os sensores uma das suas maiores aplica c~oes. Esta tecnologia tem diversas vantagens sobre os sensores convencionais tais como: imunidade a interfer^ encias eletromagn eticas, biocompatibilidade e elevada sensibilidade. No entanto, h a interesse cient co e industrial em melhorar o seu desempenho (sensibilidade, resolu c~ao do sensor e gama de trabalho), sendo o revestimento da bra otica com diversos materiais um dos procedimentos que poder a ser usado para alcan car esse objectivo. O oxido de grafeno e um derivado do carbono que resulta da exfolia c~ao da gra te. Este nanomaterial consiste em folhas semelhantes as do grafeno mas possui grupos funcionais de oxig enio que podem reagir f sica ou quimicamente com diversas esp ecies. No ^ambito desta disserta c~ao foram revestidas bras oticas com oxido de grafeno atrav es da deposi c~ao por camadas. Nos revestimentos variou-se o processo de deposi c~ao e o n umero de camadas. A caracteriza c~ao foi feita atrav es de espectroscopia de Raman, microscopia electr onica de varrimento e microscopia de for ca at omica. Para averiguar a integridade dos revestimentos imersos em solu c~ao aquosa, foram realizados testes de lix via c~ao. Os resultados da caracteriza c~ao dos revestimentos con rmam a presen ca de oxido de grafeno na superf cie da bra otica. Depois de garantir a qualidade dos revestimentos procedeu-se ao desenvolvimento e caracteriza c~ao dos sensores baseados em bra otica com revestimentos de oxido de grafeno. Foram testadas duas con gura c~oes diferentes baseadas em redes de Bragg uniformes e inclinadas. Os sensores foram testados sem e com revestimento a varia c~oes de ndice de refra c~ao, variando o procedimento de deposi c~ao do oxido de grafeno e o n umero de camadas. A corros~ao do ferro e um dos maiores problemas enfrentados pelos engenheiros. E a degrada c~ao gradual dos metais provocada por rea c~oes qu micas resultantes da intera c~ao do metal e o meio ambiente. Neste trabalho pretendeu-se, ainda, investigar a possibilidade do oxido de grafeno estabelecer liga c~oes qu micas com o ferro, e assim permitir detectar o fen omeno da corros~ao. Neste caso os sensores foram testados em solu c~oes de nitrato de ferro(III). Veri cou-se que h a altera c~ao das caracteristicas dos espetros das redes de Bragg quando s~ao imersos em diferentes solu c~oes, no entanto os resultados n~ao s~ao muito conclusivos quanto as diferen cas entre os procedimentos de deposi c~ao e ao n umero de camadas. In the last years, the use of optical bers has grown considerably, being sensors one of the biggest applications. This technology has several advantages over conventional sensor such as: immunity to electromagnetic interferences, biocompatibility and high sensitivity. However, there is a scienti c and industrial interest to improve the sensor performance (sensitivity, resolution and working range). Coating the optical ber sensor with di erent materials is one proceeding that can be used to achieve this goal. Graphene oxide is a carbon derivative which results from the exfoliation of graphite. This nanomaterial consists in graphene like sheets with oxygen functional groups that can react physicaly or chemically with di erent species. In this work several optical bers samples were coated with GO through the layer by layer method. Two di erent proceedings were tested as the in uence of the number of of graphene oxide layers. The coating characterization was made through Raman spectroscopy, scanning electron microscopy and atomic force microscopy. To test the integrity of the coatings immersed in aqueous solutions, a leaching test was carried out. The results of the characterization con rm the presence of graphene oxide in the optical ber surface. After ensuring the quality of the graphene oxide coatings, it was carried out the development and characterization of optical ber based sensors with graphene oxide coatings. Were tested two di erent sensor con gurations, one based in uniform Bragg gratings and the other in tilted Bragg gratings. The sensors were tested without and with coating to refractive index variations, changing the proceeding to deposit the graphene oxide and the number of layers. Iron corrosion is one of the biggest problems faced by engineers. It is the gradual degradation of the metal by chemical reactions produced by the interactions of the metal with the environment. In this work, it was studied the possibility of the graphene oxide interact with the iron ion in order to detect the corrosion phenomenon. In this case, the sensors were tested in iron(III) nitrate solutions. It was veri ed that there are alterations of the Bragg gratings spectra characteristics when they were immersed in di erent solutions, however the results are not conclusive concerning the in uence of the coating proceeding used and the in uence of the number of layers.

Mestrado em Engenharia Mecânica Submitted by Cristina Santos (cmaria@ua.pt) on 2017-02-21T16:10:21Z No. of bitstreams: 1 Dissertação_EdgarMartins.pdf: 12195832 bytes, checksum: 5e86e7684d6a74df4b2ae728b3d3d262 (MD5) Made available in DSpace on 2017-02-21T16:10:22Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertação_EdgarMartins.pdf: 12195832 bytes, checksum: 5e86e7684d6a74df4b2ae728b3d3d262 (MD5) Previous issue date: 2016

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

Resumen: Las redes de difracción de Bragg en fibras ópticas (Fiber Bragg Grating, FBG) son estructuras que se generan a partir de cambios periódicos o cuasi-periódicos del índice de refracción del núcleo de una fibra óptica. Las FBG actúan como filtros pasa-banda en reflexión, ya que al ser iluminadas con luz de un gran ancho de banda espectral -por ejemplo, un LED (Light Emitting Diode) o un SLED (Superluminescent Light Emitting Diodes)-, reflejan de manera casi reflectiva una longitud de onda específica -denominada longitud de onda de Bragg (B)- dentro del espectro de emisión de la fuente, mientras que las demás componentes espectrales pasan a través de la estructura de la red sin presentar, de forma marcada, atenuación alguna. Debido a su selectividad este dispositivo está revolucionando la manera de procesar la luz, que actualmente es reconocido como uno de los componentes más valiosos en la tecnología de las telecomunicaciones ópticas, en el desarrollo de dispositivos para modular y filtrar señales ópticas en láseres y sistemas de sensado con base en fibra [1,2,3,4]. Por otra parte, las fibras ópticas microestructuradas (Microstructured optical fibers, MOF), son un tipo relativamente nuevo de fibras ópticas que vienen siendo intensamente estudiadas por sus nuevas propiedades, entre otras, la posibilidad de operación monomodo a cualquier longitud de onda [5], ajuste para que el área efectiva del modo de propagación fundamental sea muy grande o pequeña, la posibilidad de escalar los efectos de dispersión [6], de manipular y alcanzar altos valores de birrefringencia mediante el manejo del tamaño y distribución de los huecos ubicados en la región del revestimiento alrededor de la región central de la fibra [7,8,9,10,11]. Hoy en día, las MOF se utilizan en aplicaciones de óptica no lineal como son el desarrollo de láseres de pulso ultra cortos de alta potencia [12] y fuentes de “supercontinuo” [6]; igualmente, son muy estudiadas para el desarrollo de sensores completamente a fibra óptica [7,10,13,14]. Asociado a lo anterior, materiales como polímeros o aleaciones metálica conductoras se pueden introducir en los huecos de las MOF con la atractiva posibilidad de manipular las propiedades de propagación de la luz [15,16]. Maestría

Doutoramento em Engenharia Física Nos últimos anos, a Optoelectrónica tem sido estabelecida como um campo de investigação capaz de conduzir a novas soluções tecnológicas. As conquistas abundantes no campo da óptica e lasers, bem como em comunicações ópticas têm sido de grande importância e desencadearam uma série de inovações. Entre o grande número de componentes ópticos existentes, os componentes baseados em fibra óptica são principalmente relevantes devido à sua simplicidade e à elevada de transporte de dados da fibra óptica. Neste trabalho foi focado um destes componentes ópticos: as redes de difracção em fibra óptica, as quais têm propriedades ópticas de processamento únicas. Esta classe de componentes ópticos é extremamente atraente para o desenvolvimento de dispositivos de comunicações ópticas e sensores. O trabalho começou com uma análise teórica aplicada a redes em fibra e foram focados os métodos de fabricação de redes em fibra mais utilizados. A inscrição de redes em fibra também foi abordado neste trabalho, onde um sistema de inscrição automatizada foi implementada para a fibra óptica de sílica, e os resultados experimentais mostraram uma boa aproximação ao estudo de simulação. Também foi desenvolvido um sistema de inscrição de redes de Bragg em fibra óptica de plástico. Foi apresentado um estudo detalhado da modulação acústico-óptica em redes em fibra óptica de sílica e de plástico. Por meio de uma análise detalhada dos modos de excitação mecânica aplicadas ao modulador acústico-óptico, destacou-se que dois modos predominantes de excitação acústica pode ser estabelecidos na fibra óptica, dependendo da frequência acústica aplicada. Através dessa caracterização, foi possível desenvolver novas aplicações para comunicações ópticas. Estudos e implementação de diferentes dispositivos baseados em redes em fibra foram realizados, usando o efeito acústico-óptico e o processo de regeneração em fibra óptica para várias aplicações tais como rápido multiplexador óptico add-drop, atraso de grupo sintonizável de redes de Bragg, redes de Bragg com descolamento de fase sintonizáveis, método para a inscrição de redes de Bragg com perfis complexos, filtro sintonizável para equalização de ganho e filtros ópticos notch ajustáveis. In the last years, the Optoelectronics has been established as a top field of research able to drive towards new technological solutions. The abundant achievements in the field of optics as well in optical communications have been of great importance and triggered a number of innovations. Among the large group of existing optical components, optical fiber components are mainly relevant due to three factors: their simplicity, their nature as an optical fiber based component and the capability of optical fiber to carry information. In this thesis the focus was on one of these optical components: optical fiber gratings, which have unique optical processing properties and are quite interesting for the development of devices for optical communications and sensing applications. The work started with a theoretical analysis applied to fiber gratings and continues with the most used fiber gratings production methods. The inscription of fiber gratings was also addressed in this work, where an automated inscription setup has been implemented for silica fiber, and experimental results showed a good approximation to the simulation study. Also, the inscription setup for gratings in polymer optical fiber was developed. A detailed analysis of the acousto-optic modulation in fiber gratings in silica and polymer optical fiber was presented. By means of a detailed analysis of the mechanical excitation modes applied to the modulator set, it was noticed that two predominant modes of acoustic excitation can be found in the optical fiber depending on the applied acoustic frequency. Through this characterization, it was possible to develop new applications. Studies and implementation of different devices based on fiber gratings were performed, using acousto-optic effect and regeneration process in optical fiber for photonic applications such as fast add-drop multiplexer, tunability of the fiber Bragg grating group delay, tunable phase-shift fiber Bragg grating, tunable mode coupler, method for inscription of complex fiber Bragg grating profiles, gain equalization filter and adjustable notch filters.

Doutoramento em Engenharia Física Submitted by Bella Nolasco (bellanolasco@ua.pt) on 2014-05-05T10:30:50Z No. of bitstreams: 1 Componentes em fibra otica para comunicações oticas e sensores.pdf: 18504487 bytes, checksum: 1ea24fa54cf067f9f0d5e7353a1c9237 (MD5) Made available in DSpace on 2014-05-05T10:30:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Componentes em fibra otica para comunicações oticas e sensores.pdf: 18504487 bytes, checksum: 1ea24fa54cf067f9f0d5e7353a1c9237 (MD5) Previous issue date: 2013-12-18

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.

Se registraron rejillas de difracción de transmisión en película AGFA 8E75, tratadas químicamente bajo procesos convencionales con D-19 + ferrocianuro de potasio y una técnica de procesamiento químico desarrollada para película PE-2, para la obtención de franjas con relieve. Las estructuras holográficas fueron medidas topográficamente mediante la técnica de microscopía de fuerza atómica en modo no contacto (AFM-NC) y se observan cambios en las profundidades bajo variaciones en las exposiciones y la fotoquímica utilizada. Se encuentra que el mejor rendimiento en términos de profundidad de relieve obtenido está dado por un proceso tradicional con el cual se alcanzaron profundidades entre 0,15 y 0,3 m para densidades ópticas y frecuencias espaciales bajas. En este trabajo evaluamos la posibilidad de obtener matrices de relieve en haluros de plata para procesos de réplica de hologramas., Diffraction transmission gratings were recorded in AGFA-8E75 film, chemically treated under processes with D-19 + potassium ferrocyanide and a chemical processing technique proposed for PE-2 film to obtain embossed stripes. Holographic structures were measured topographically by the technique of atomic force microscopy in noncontact mode (NC-AFM) and we observe changes in the depths under variations in exposures and used photochemistry. We find that the best performance in terms of relief depth obtained is given by the conventional process which reached depths between 0.15 m and 0.3 m for spatial frequencies of the order of 400

La labor desarrollada, básicamente de tipo experimental, estuvo enfocada al análisis, implementación y modelado de diferentes dispositivos basados en tecnología de fibras ópticas, como es el caso de los láseres de fibra, las redes de Bragg en fibra óptica y los sensores de temperatura y deformación. En particular se pueden mencionar las siguientes actividades: - Se desarrolló y publicó en la revista científica con referato internacional “Optics & Laser Technology”, un modelo teórico que permite analizar temporal y espectralmente el comportamiento de un láser de fibra óptica autopulsado en régimen de mode-locking pasivo, por adición coherente de los pulsos que se propagan en cavidades acopladas e interactúan en el elemento reflectivo central. - Se continuo desarrollando el sistema de grabado de redes de Bragg en fibra óptica (FBG) utilizando un láser de Ti:Za que genera pulsos de 1 mJ y 100 fs de duración, en 800 nm. El grabado se realizó empleando una máscara de fase iluminada con la 3er. armónica (266 nm) del oscilador mencionado. - En cuanto a la posibilidad de grabar FBGs sobre distinto tipo de FO, se diseñó y avanzó en la implementación del sistema de hidrogenado tendiente a aumentar su fotosensibildad a la radiación UV. - En cuanto al estudio y determinación de la contracción polimérica de nuevas resinas de fotocurado, se continuó con la colaboración con los grupos de la Facultad de Ingeniería y del INTEMA de Mar del Plata. En este sentido, se hicieron estudios comparativos aplicando diferentes métodos ópticos: respuesta temporal de un interferómetro de Fizeau, sensores de Bragg y análisis espectral de la señal del Fizeau. - Continuando con las aplicaciones de sensado, se comenzó a desarrollar un trabajo conjunto con el Dr. Raúl Zerbino y la Ing. Graciela Giaccio, quienes desarrollan sus actividades en el Laboratorio de Ensayos de Materiales (LEMIT, CIC) y en la Facultad de Ingeniería de la UNLP, tendiente a analizar la evolución dimensional de muestras de concreto desde las primeras etapas de fraguado (partiendo del estado fresco) empleando dos técnicas ópticas y correlacionándolas con mediciones mecánicas tradicionales luego que el material ha fraguado (se ha rigidizado aunque con un nivel de resistencia sumamente bajo). - En el marco de los convenios celebrados entre CONICET y VENG S.A., llevados a cabo en el CIOp, se continuo con las tareas de asesoramiento y desarrollo de trasductores para la implementación de los sensores de temperatura y deformación a ser instalados en prototipos de lanzadores satelitales. - Se comenzó a desarrollar una colaboración con los Dres. Torga y Morel del Laboratorio de Optoelectrónica y Metrología Aplicada (LOMA) de la Facultad Regional Delta de la UTN, tendiente a analizar la factibilidad de la implementación de un sistema para OCT en el dominio espectral con una fuente laser sintonizable en 1550 nm. Los resultados preliminares obtenidos permitirán continuar con esta tarea en el próximo período.

Se registraron rejillas de difracción de transmisión en película AGFA 8E75, tratadas químicamente bajo procesos convencionales con D-19 + ferrocianuro de potasio y una técnica de procesamiento químico desarrollada para película PE-2, para la obtención de franjas con relieve. Las estructuras holográficas fueron medidas topográficamente mediante la técnica de microscopía de fuerza atómica en modo no contacto (AFM-NC) y se observan cambios en las profundidades bajo variaciones en las exposiciones y la fotoquímica utilizada. Se encuentra que el mejor rendimiento en términos de profundidad de relieve obtenido está dado por un proceso tradicional con el cual se alcanzaron profundidades entre 0,15 y 0,3 m para densidades ópticas y frecuencias espaciales bajas. En este trabajo evaluamos la posibilidad de obtener matrices de relieve en haluros de plata para procesos de réplica de hologramas., Diffraction transmission gratings were recorded in AGFA-8E75 film, chemically treated under processes with D-19 + potassium ferrocyanide and a chemical processing technique proposed for PE-2 film to obtain embossed stripes. Holographic structures were measured topographically by the technique of atomic force microscopy in noncontact mode (NC-AFM) and we observe changes in the depths under variations in exposures and used photochemistry. We find that the best performance in terms of relief depth obtained is given by the conventional process which reached depths between 0.15 m and 0.3 m for spatial frequencies of the order of 400, EAFIT University

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.

CNPq, Capes e FINEP Este trabalho descreve a produção e caracterização de guias de onda óticos em cristal de fluoreto de lítio (LiF) produzidos expondo o cristal a um feixe focalizado de um laser de femtosegundo, com o deslocamento do cristal na direção perpendicular ao eixo de propagação do feixe. A medida da emissão, sob iluminação específica, demonstra a presença de centros de cor dos tipos F2 e F3+ nas regiões do cristal expostas ao feixe focalizado do laser. As estruturas produzidas possuem incremento do índice de refração em relação ao índice de refração do cristal. Tais estruturas são caracterizadas em termos da sua morfologia usando microscopia convencional e confocal. A capacidade de guiamento de luz é investigada acoplando fontes laser com diferentes comprimentos de ondas. Os modos suportados são também analisados, bem como as perdas na propagação. A produção de guias de ondas de Bragg é testada acoplando uma fonte de luz branca e comparando seu espectro com o espectro que passa somente pelo cristal. A capacidade de guiamento das estruturas produzidas é confirmada pela análise dos perfis de campo próximo. Os guias suportam poucos modos e os incrementos de índices obtidos são da ordem de 10^-4. This work describes the production and characterization of optical waveguides in lithium fluoride crystal (LiF) produced by exposing the crystal to a focused femtosecond laser beam, with the crystal displacement perpendicular to the beam. The measured emissions, with specific illumination, demonstrate the presence of color centers of types F2 and F+3 at the crystal regions exposed to the focused laser beam. The produced structures have increased refractive index relative to the crystal refraction index. Such structures are characterized in terms of their morphology using conventional and confocal microscopy. Their ability to guide light is investigated through coupling different laser light. The propagation modes supported by the guides are also estimated, as well as the propagation losses. The production of a Bragg grating waveguide is locked for by coupling a white light in the guides and comparing its spectrum with that passing only through the crystal. The guiding capacity of the structural changes produced is confirmed by the near-field profile analysis. The guides support few propagation modes and the obtained changes in the refractive index are in the order of 10^-4.

Este trabalho apresenta resultados de processos pré-tratamento da fibra ótica e/ou pós-tratamento das redes de Bragg, com o objetivo de estabilizar e garantir a operação dessas redes por períodos longos, em temperaturas da ordem de 300°C a 800°C. Resultados do crescimento das redes em fibra ótica padrão G-652 com diâmetro nominal e em tapers, além de fibras óticas pré-aquecidas em chama butano-propano, mostraram aumento da eficiência da gravação pela redução do diâmetro ou aquecimento prévio da fibra. Redes fortes, supostamente de tipo IIA, produzidas em fibra G-652 não hidrogenada, apresentaram estimativas de sobrevida de 17000 horas operando a 400 °C e de 3000 horas operando em 600°C. As redes regeneradas produzidas em fibra G-652 hidrogenada e em fibras fotossensíveis mostraram eficiência de regeneração proporcional ao comprimento e ao nível de saturação da rede semente. Redes regeneradas apresentaram estimativa de sobrevida de aproximadamente 5600 horas a 600 °C e não houve sobrevida por longos períodos de tempo operando em temperaturas iguais ou superiores à da regeneração. São mostrados ciclos de tratamento térmico pra a estabilização das redes IIA. Resultados para sensibilidade térmica das redes mostraram não haver histerese em ciclo aquecimento-resfriamento. Uma solução para encapsulamento da rede através do uso de tubo cerâmico de alumina mostrou-se satisfatória nas regiões de temperatura mencionadas, sem redução no desempenho. This work presents results regarding pré-treatment optical fibers and / or post-treatment of Bragg gratings in order to stabilize and ensure the operational of such gratings for long periods at temperatures form 300 °C to 800 °C. Results of the growth of fiber optic gratings in standard G-652 with nominal diameter and in fiber tapers, as well as gratings recorded in optical fibers preheated by propane-butane flame, showed increased efficiency in the recording, related to the shrinking of the fiber diameter or to the pre-heating. Strong gratings, presumably of type IIA produced in non-hydrogenated G-652 fibers, showed expected survival time of approximately 17000 hours operating at 400 ºC and 3000 hours operating at 600 °C. The regenerated Bragg gratings produced on G-652 hydrogenated fiber and on photosensitive fibers showed regeneration efficiency proportional to the length and saturation of the seed grating. Regenerated Bragg gratings presented expected survival time of about 5600 hours at 600 °C and no survival for long duration intervals when operating at temperatures equal or above the regeneration temperature. Heat treatment cycles to stabilize IIA gratings are described. Results for thermal sensitivity of the Bragg gratings showed no hysteresis in heating-cooling cycle. A solution for encapsulation of the Bragg gratings through the use of alumina ceramic tube was satisfactory tested in the regions mentioned temperature, showing no degradation in performance.

Mestrado em Materiais e Dispositivos Biomédicos Neste trabalho é proposto um sensor de humidade relativa (HR) com base numa rede de Bragg inscrita em fibra ótica, associada a um revestimento de um material híbrido à base de organo-sílica, preparado pelo método sol-gel. Este tipo de sensor beneficia das principais vantagens da tecnologia ótica, tais como a possibilidade de multiplexagem de um grande número de diferentes sensores na mesma fibra ótica, reduzindo a necessidade de cablagem múltipla e pesada utilizada nos sensores eletrónicos convencionais. O revestimento de organo-sílica tem uma forte adesão à fibra ótica e a sua expansão é reversivelmente afetada pela alteração dos valores de HR (15,0 – 95,0 % HR) do ambiente circundante, permitindo uma sensibilidade melhorada devido à presença de um componente inorgânico silicioso. In this work we proposed a relative humidity (RH) sensor based on a Bragg grating written in optical fiber, associated with a coating of organo-silica hybrid material prepared by the sol-gel method. This type of sensor benefits from the main advantages of the optical technology such as possibility to multiplex a large number of different sensors into the same optical fiber, reducing the need for multiple and heavy cabling used in traditional eletronic sensing. The organo-silica-based coating has a strong adhesion to the optical fiber and its expansion is reversibly affected by the change in the RH values (15.0-95.0%) of the surrounding environment, allowing an increased sensitivity due to the presence of a siliceous-based inorganic component.

Doutoramento em Fisica Nas últimas décadas, os sensores de Bragg têm sido frequentemente utilizados em inúmeras aplicações, em resultado das características únicas desta tecnologia. Contudo, a comunidade científica tem feito um esforço contínuo em desenvolver sensores que respondam tanto quanto possível aos requisitos e interesses de cada aplicação em particular. As bioaplicações são um campo de crescente interesse pelos sensores de Bragg, atendendo à heterogeneidade e complexidade dos meios de análise em questão. No âmbito desta dissertação foi realizada uma análise teórica dos princípios de funcionamento das redes de Bragg, focada em redes uniformes e inclinadas. Foi também descrito o processo de produção de redes de Bragg regeneradas. Redes de Bragg uniformes foram aplicadas na caracterização da reacção de polimerização e cura de materiais dentários, nomeadamente resina para base de dentadura, cimentos e gessos. Foi feita uma análise comparativa do desempenho de diferentes tipos de cimentos e gessos. Em relação ao gesso foi ainda avaliada a influência do rácio água/pó nas propriedades do material. Devido à importância que o índice de refracção tem na detecção de substâncias, doenças e controlo de qualidade de produtos, foi desenvolvido um sensor de índice de refracção baseado numa rede de Bragg inclinada. Implementaram-se também sensores para medição simultânea de índice de refracção e deformação, índice de refracção e temperatura e índice de refracção, deformação e temperatura, todos baseados numa única rede inclinada. O último dispositivo foi validado em ambiente laboratorial. Com o propósito de desenvolver um sensor baseado em redes de Bragg para monitorização da deformação óssea, foi avaliada a biocompatibilidade da fibra óptica em cultura de células osteoblásticas, e analisada a integridade física e funcionalidade da rede de Bragg nesse meio. O interesse em aumentar a sensibilidade e alargar a gama de trabalho dos sensores conduziu ao revestimento das fibras ópticas. Atendendo ao potencial índole biológica e biomédica do trabalho, usou-se como material de recobrimento o diamante, dada a excelente resposta em termos de biocompatibilidade, resistência à corrosão, não toxicidade e afinidade para espécies químicas e biológicas. Os filmes foram obtidos por deposição química a partir da fase vapor assistida por filamento quente. Para além de amostras de fibra óptica, foram revestidas redes de Bragg uniformes e regeneradas. Os sensores revestidos com diamante foram caracterizados à deformação e à temperatura. In the last decades, Bragg sensors have often been used in numerous applications as a result of the unique features of this technology. However, the scientific community has made an ongoing effort to develop sensors that respond as much as possible to the requirements and interests of each particular application. The bioapplications are a field of growing interest by fiber Bragg sensors due to the heterogeneity and complexity of the media to monitor. As part of this dissertation, a theoretical analysis of the operating principles of Bragg gratings, focused on uniform and tilted gratings was carried out. It was also described the producing method of regenerated Bragg gratings. Uniform FBGs were applied to characterize the polymerization and curing reaction of dental materials, including denture base resin, cements and gypsums. A comparative analysis of the performance of different kinds of cements and gypsums was made. Regarding to gypsum, it has also assessed the influence of the water/powder ratio in the material properties. Due to the importance that the refractive index has in the detection of substances, diseases and quality control of products, a refractive index sensor based on a tilted fiber Bragg grating was developed. Sensors for simultaneous measurement of refractive index and strain, refractive index and temperature and refractive index, strain and temperature, all based on a single tilted grating were also implemented. The last device was validated in the laboratory. Aiming to develop a Bragg grating sensor for measuring strain in bone, the biocompatibility of the optical fiber in osteoblastic cells culture was assessed, and the physical integrity and functionality of the Bragg grating in that medium was evaluated. The interest in improving the sensitivity and extending the working range of the sensors led to the optical fiber coating. Taking into account its biological and biomedical potential applications, the diamond was used as coating material, due to the excellent response in terms of biocompatibility, corrosion resistance, non toxicity and affinity to chemical and biological species. The films were obtained by hot filament chemical vapor deposition. Apart of optical fiber samples, uniform and regenerated Bragg gratings were also coated. The diamond coated sensors were characterized to stain and temperature.

Doutoramento em Engenharia Física O presente trabalho centra-se no desenvolvimento e aplicação de sensores de aceleração ópticos, baseados em redes de Bragg gravadas em fibras ópticas, para monitorização da integridade estrutural de estruturas de engenharia civil. Foram implementados dois acelerómetros uniaxiais e um acelerómetro biaxial. Recorreu-se a uma ferramenta de simulação baseada no método dos elementos finitos que permitiu optimizar, sem custos de produção, as características dos sensores, nomeadamente a sua frequência de ressonância. A caracterização dos sensores foi realizada em ambiente laboratorial e a sua resposta comparada com os resultados de simulação, de modo a validar os modelos numéricos. A aplicabilidade e demonstração de conceito foram realizadas na monitorização de estruturas com testes de campo. Foi monitorizado um teste destrutivo de uma parede de adobe, construída à escala real no Departamento de Engenharia Civil da Universidade de Aveiro, onde foram utilizados sensores estáticos e dinâmicos baseados em redes de Bragg gravadas em fibra óptica. Foram realizadas medidas dinâmicas na ponte pedonal do Campus Universitário da Universidade de Aveiro, onde se compararam os resultados obtidos com os sensores ópticos com resultados de sensores electrónicos comerciais. O acelerómetro biaxial foi testado na monitorização de estruturas esbeltas, nomeadamente na monitorização de duas torres de telecomunicações móveis, onde se demonstrou a possibilidade da utilização de sensores ópticos na caracterização dinâmica deste tipo de estruturas. Outro tipo de estruturas de engenharia civil onde foi demonstrada a aplicabilidade dos sensores ópticos desenvolvidos na monitorização estrutural foram os reservatórios de água elevados. Foi realizada a monitorização dinâmica de um exemplo deste tipo de estruturas, localizado no Campus Universitário da Universidade de Aveiro. A monitorização foi realizada recorrendo ao sensor biaxial desenvolvido e a um sismógrafo, ficando o sensor óptico instalado na estrutura de modo a permitir futuras leituras e assim a monitorização periódica da estrutura. Foi ainda desenvolvido um sensor de humidade relativa do ar, com um material sol-gel, que permitiu registar o nível de humidade relativa no interior de blocos de betão, durante um ano. Este sensor pode ser incluído numa rede de sensores multiplexados, na caracterização e monitorização da integridade estrutural de certas estruturas de engenharia civil. The present work focuses on the development and application of acceleration optical sensors, based on fiber Bragg gratings written on optical fibers, for structural health monitoring of civil engineering structures. Two uniaxial accelerometers and one biaxial accelerometer have been implemented. A simulation tool based on the finite element method was used, which allows to optimize, without production costs, the characteristics of the sensors, including its natural frequency. The sensors characterization was performed in laboratory environment and their response compared with simulation results, in order to validate the numerical models. The applicability and proof of concept were done in the monitoring of structures with field tests. A destructive test on an adobe wall, held at the Department of Civil Engineering at the University of Aveiro, was monitored using static and dynamic sensors based on fiber Bragg gratings. Dynamic measurements were carried out on a footbridge at the University Campus of the University of Aveiro, where the optical sensors results obtained were compared with the results obtained with a traditional electronic sensors. The biaxial accelerometer was used on the monitoring of high slender structures, namely the monitoring of two mobile telecommunications towers, where the possibility of using optical sensors on the dynamic characterization of such structures was demonstrated. Another type of civil engineering structures where the applicability of optical sensors in structural monitoring was demonstrated were elevated water reservoirs. The dynamic monitoring of an example of such structures, located on the Campus of the University of Aveiro was done. The monitoring was performed using the developed optical biaxial accelerometer and a seismograph, being the optical sensor permanently installed in the structure to allow future and periodic monitoring of the structure. Moreover, a relative humidity sensor was developed, with a sol-gel material, which allows the monitoring of the relative humidity inside concrete blocks over a time period of a year. This sensor can be included in multiplexed networks of sensors, on the characterization and structural health monitoring of certain civil engineering structures.

Mestrado em Engenharia Mecânica

Mestrado em Física Aplicada A medição de parâmetros espectrais de um sinal óptico é uma prática standard na tecnologia dos sensores em fibra óptica e outras aplicações. A crescente utilização de sensores de Bragg em fibra óptica nas mais diversas aplicações de Engenharia, tem promovido a procura e desenvolvimento de técnicas de interrogação de baixo custo. O presente trabalho descreve o estudo e desenvolvimento de um interrogador simples e de baixo custo, baseado nos efeitos de macro – encurvamento, para redes de Bragg em fibra óptica. Devido à dependência do comprimento de onda com a perda resultante da curvatura na fibra óptica, é possível medir o deslocamento do comprimento de onda de Bragg do sensor. Foram realizados estudos teóricos e experimentais da perda resultante da curvatura na fibra óptica. Os resultados experimentais obtidos demonstraram que o macro-encurvamento da fibra óptica SMF28e pode ser utilizado como um filtro viável para a medição indirecta do comprimento de onda. Foi também demonstrado que a técnica pode ser utilizada no desenvolvimento de interrogadores de baixo custo para sensores de Bragg com aplicações em diversas áreas. The measurement of an optical signal is a standard operation in fibre optic sensing and other applications. The increasing use of fiber Bragg sensors in many engineering applications, has promoted the search and development of low cost interrogation techniques. The present work describes the study and development of a simple and low cost interrogation technique based on the macro-bending effects for fibre Bragg gratings. Due to the wavelength dependence of the bending loss of an optical fibre, it is possible to measure the Bragg wavelength shift of the sensor. Theoretical and experimental studies based on optical fibre bending loss have been investigated. The experimental results have demonstrated that the fiber optic SMF28e macrobending can be used as a viable filter for indirect wavelength measurements. It was also shown that this technique can be used in the development of low cost interrogator for Bragg sensors with applications in several areas.

Mestrado em Engenharia Electrónica e Telecomunicações Num contexto de grande desenvolvimento e massificação das telecomunicações, provocada pela necessidade intrínseca de serviços inerentes ao contacto permanente e global de um grande número de indivíduos, têm surgido vários dispositivos que tentam responder a este novo contexto, aumento de largura de banda e processamento totalmente óptico. Um dos dispositivos importante neste cenário, nomeadamente em operações de filtragem e compensação de dispersão cromática no domínio óptico, é a rede de Bragg em fibra óptica. Como tal o objectivo principal deste trabalho é produzir FBGs para aplicações em telecomunicações e aperfeiçoar a plataforma que permite estas implementações. Inicialmente apresenta-se o princípio de funcionamento e tipos de redes Bragg. De modo a simular a resposta em amplitude e fase de redes de Bragg desenvolveu-se um software com base no método da matriz transferência. Seguidamente, estudaram-se métodos de implementação de redes de Bragg com perfil de sinc e com perfil de chirp equivalente, que permitissem obter FBGs com respostas adequadas respectivamente à filtragem óptica em sistemas multicanal, e à compensação de dispersão Procedeu-se ao estudo do sistema de gravação implementado no Instituto de Telecomunicações – Pólo de Aveiro e dos algoritmos de implementação já desenvolvidos, em especial o método de stitching. Por fim, de modo a poder caracterizar-se e retirar conclusões das redes de Bragg implementadas, efectuaram-se projectos, simulações, e gravações de redes e compararam-se as respostas das redes Bragg gravadas com as simuladas, confirmando-se a validade do procedimento suportado pela plataforma disponível. In the subject of great development and growing field of telecommunications provoked by intrinsic necessity of inherent services of permanent contact and globally, a large number of individuals have suggested various devices that attempt to respond to this new subject, increased bandwidth and all optical processing. One of important devices in this scenario, namely in operations of filtering and compensation of chromatic dispersion in optical domain, is Bragg gratings in optical fiber. As such the main objective of this work is produce FBGs for applications in telecommunications and improve the platform that allows these implementations. Initially presents the principle function and types of Bragg’s gratings. In order to simulate the response amplitude and phase developed software based on the matrix method of transfer. Next, we studied methods of implementation of Bragg’s gratings with sinc profile and chirp equivalent profile, which would allow for FBGs with appropriate responses respectively to the optical filtering in multichannel systems, and the dispersion compensation. In this sense, recording the gratings were proceeded the study the recording system to be incorporated in the Institute of Telecommunications-Pólo de Aveiro, and in the implementation algorithms already developed, especially for the stitching method. Lastly, in characterizing and drawing conclusions of the applied gratings, simulations, projects, and recordings of Bragg’s gratings were carried out, in comparing the results of the recordings to the simulations, confirming the validity of the procedure supported by the available platform.

Mestrado em Engenharia Electrónica e Telecomunicações Iniciou-se este trabalho com o estudo das redes de Bragg em fibra óptica, propriedades espectrais e espaciais, identificando os seus principais parametros físicos e o impacto que estes têm na sua resposta em amplitude e fase. Coincidente com esta fase, desenvolveu-se um algoritmo de simulação de redes Bragg baseado no método da matriz de transferência, com o objectivo de uma melhor compreensão das redes Bragg em fibra óptica. De seguida, procedeu-se ao estudo do sistema de gravação implementado no Instituto de Telecomunicações – Pólo de Aveiro e dos algoritmos já desenvolvidos, com especial atenção para um algoritmo de implementação de redes de Bragg através do método de stitching. De seguida, iniciou-se o desenvolvimento do software. Efectuaram-se simulações, projecto e gravações de redes Bragg e compararam-se as respostas das redes Bragg gravadas com as simuladas. Finalmente, caracterizaram-se e analisaram-se algumas redes de Bragg implementadas, utilizando um simulador de sistemas de comunicações ópticas. This work started with the study of the Fiber Bragg Gratings and their spectral and spatial properties, as well as the identification of the main physical parameters associated and their impact in the amplitude and phase response. Simultaneously, a FBG simulation algorithm was developed based on the transfer function method, for a better understanding of the FBGs characteristics. Then, we proceed to the study of the recording system at the Instituto de Telecomunicações - Pólo de Aveiro, as well as the study of the developed algorithms, with particular attention to an implementation algorithm considering the stitching method. The development of the software followed. Several simulations, designs and FBG recordings were performed and the responses of the recorded FBGs were compared to the expected ones. Finally, a number designed FBGs were characterized and tested, using an optical communication system simulator.

Doutoramento em Física O presente trabalho tem como objectivo o estudo, desenvolvimento e aplicações na área da biomecânica de sensores intrínsecos baseados em redes de Bragg em fibras ópticas (FBG). As aplicações são feitas em modelos biomecânicos in vitro tais como: implantes de anca, prótese de joelho, placas de osteossíntese e implantes dentários. A optimização do desenvolvimento de próteses e respectivos elementos de fixação é actualmente dependente da geração e validação experimental de seus modelos computacionais. A validação destes modelos é normalmente feita utilizando-se dados de ensaios não invasivos e invasivos em modelos sintéticos. Em ensaios in vitro os sensores convencionais têm um princípio de funcionamento eléctrico e apresentam por vezes dimensões inadequadas. Existem situações exploradas no presente trabalho, tais como sensoriamento de superfícies irregulares e junções ou ainda análises de deformações internas, onde é recomendável a utilização de sensores FBG, pois apresentam dimensões reduzidas e flexibilidade o que permite efectuar medidas localizadas. O desenvolvimento de um protocolo de utilização de FBG e a sua aplicação no contexto apresentado demonstrou-se mais adequado, pela precisão e segurança futura oferecidas. Foi desenvolvida uma metodologia experimental para medidas de deformações utilizando FBG ao longo de uma placa de osteossíntese metálica aparafusada a um fémur sintético fracturado. Foi efectuada a monitorização da cura do cimento ósseo utilizado como fixador do prato tibial na artroplastia total do joelho através da medida da sua contracção e temperatura. Foi também desenvolvido um sistema refrigerador com resposta às leituras de temperatura com vista a evitar a necrose do osso. Foram efectuados estudos de deformação nesse cimento após a sua cura, como resultado da aplicação de cargas mecânicas estáticas. Foram efectuados estudos da cura de cimento ósseo aplicado a próteses de anca e também de deformações nestas próteses. Foi ainda efectuado o estudo comparativo de vários implantes dentários através da medida da distribuição de deformações como resposta a excitações mecânicas impulsivas. Para a desmodulação das FBG foram inicialmente utilizados sistemas comerciais. Entretanto algumas aplicações não puderam ser implementadas com estes sistemas comerciais devido à baixa reflectividade das FBG utilizadas, mas fundamentalmente devido à necessidade de executar testes com uma taxa de aquisição maior do que os 5 Hz disponíveis (cerca de 15 kHz). Por estes motivos foi desenvolvido um sistema optoelectrónico completo de desmodulação de FBG baseado num filtro sintonizável e que tem como característica principal a alta taxa de aquisição (até 1,2 MHz) mas também se destaca pela facilidade na reconfiguração dos parâmetros de leitura, pela apresentação duma interface de utilizador amigável e pela capacidade de operar com até 5 FBG na mesma fibra óptica. The aim of this work is to study, develop and apply sensors based in optical fiber Bragg grating (FBG) in the field of biomechanics. The specific applications are models in vitro: hip prosthesis, knee prosthesis, osteosynthesis bone plates and dental implants. The optimization of those experimental studies is made dependent on the results obtained from valid computational models. In order to firstly validate those models, either invasive or non-invasive experimental tests are initially carried out in synthetic models or bone. Using conventional sensors in invasive tests is usually not advised not only for security reasons but also to avoid external interference since they work electrically. Furthermore their dimensions may not be adequate. There are situations explored in this work, like sensing irregular joint surfaces or internal analysis of inner deformation, in which the need for extremely localised measures requires the use of sensors based in optical fiber because of their low dimensions and flexibility. Special procedures for the use and installation of FBG in order to obtain more precision were developed. A new methodology to measure strain along an osteosynthesis bone plate attached to a synthetic femur was adopted. The solidification process of the cement used to fix the tibial plate in a total knee arthroplasty was monitored. A cooler system using temperature readings was also developed to deal with the intense heating and so diminish necrosis hazards to the bone. Strain measurements of that cement after curing were carried out for static loads. Similar studies of the cement curing process were carried out for the case of hip prosthesis. Studies of load transfer around dental implants as a result of dynamic mechanical stress were also carried out. The demodulation of the FGB was initially done using commercial systems. For some applications, however, these commercial systems are unsuitable. One reason is the low reflectivity of some FBG; but the main reason is the need for a sampling rate higher than those available 5 Hz, namely around 15 kHz. For that reason a whole new optoelectronic device built around a tunable filter was developed and assembled. This device may reach the high sampling rate of 1.2 MHz and also has a friendly user interface, allows an easy configuration of parameters and is capable of reading up to 5 FBG written in a same sensing fiber.