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Jesse Werner Costa (Defesa)

Última atualização em Quinta, 12 de Dezembro de 2019, 11h59 | Acessos: 1710

SENSOR DE CURVATURA, VAZÃO E ANEMÔMETRO A FIBRA ÓTICA BASEADO EM INTERFERÊNCIA MULTIMODAL

 

Jesse Werner Costa

 

Tese de Doutorado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Instrumentação e Ótica Aplicada - PPGIO, do Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca, CEFET/RJ, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Doutor em Instrumentação e Ótica Aplicada.

 link para tese

Orientadora: Maria Thereza Miranda Rocco Giraldi

Coorientador: Marcos Antônio Ruggieri Franco

Rio de Janeiro

25 de Setembro de 2019, às 9:00h

Banca Examinadora:

Professora Dra. Maria Thereza Miranda Rocco Giraldi (IME) (orientadora)

Professora Dra. Maria Aparecida Gonçalves Martinez (CEFET/RJ)

Professor Dr. Hypolito José Kalinowski (UFF)

Professor Dr. Marcelo Martins Werneck (UFRJ)

Professor Dr. Luiz Carlos Guedes Valente (Ouro Negro Ltda.)

 

Objetivo: Apresentar sensores de curvatura a fibra ótica que operam por interferometria multimodal (MMI) baseados em estrutura SMS, empregados como sensor de vazão e anemômetro, por meio do desenvolvimento de base conceitual, modelagem numérica e testes experimentais.

 

Resumo:

O crescimento das aplicações de sensores óticos nas últimas décadas corrobora a importância do estudo de dispositivos baseados em fibras óticas sensíveis a diversas variáveis físicas como curvatura, vazão, vibração e temperatura, entre outras. Neste trabalho são abordados sensores de curvatura que utilizam o princípio de interferência multimodal numa configuração que emprega um segmento de fibra multimodo (Multimode) conectado entre duas fibras monomodo (Single-mode), conhecida como estrutura SMS. Os dispositivos SMS possuem vantagem de simplicidade de construção e baixo custo, comparados a outros dispositivos sensores a fibra ótica.

A energia luminosa propagada pelos modos guiados do segmento multimodo apresenta interferências construtivas e destrutivas ao longo do sentido de propagação, formando um padrão de interferências que possui sensibilidade com relação às variáveis físicas mencionadas. A leitura da potência de saída é realizada levando em conta o efeito de reimagem, onde o perfil de entrada da MMF é praticamente replicado a uma determinada distância e comprimento de onda. Simulações são realizadas empregando software próprio e comercial, para análise da propagação da luz na fibra multimodo e para análise da eficiência do acoplamento da energia luminosa guiada pelo único modo da fibra monomodo de entrada, com os diversos modos guiados do segmento multimodo.

Análises numérica e experimental do comportamento dos sensores demostram que a potência de saída em função do raio de curvatura apresenta alternâncias de inclinação que podem dificultar seu emprego em aplicações para grandes faixas de curvatura. Essa questão levou à proposta de sensoriamento por variação do arqueamento do sensor em torno de um suporte de perfil circular (raio de curvatura fixo).

São apresentadas análises conceitual e experimental de sensores de curvatura, interrogados na transmissão e na reflexão, utilizando raio de curvatura variável e fixo, com aplicações em sensoriamento de fluido em movimento, como sensor de vazão ou anemômetro, e arqueamento mecânico. Testes em bancada ótica e em túnel de vento foram realizados para comprovar a viabilidade e eficiência do dispositivo como sensor, revelando bom desempenho. Nos experimentos fica evidente a existência de correlação entre a potência de saída do sensor e a variável controlada, tanto para raio de curvatura variável quanto fixo. No caso dos sensores que empregam raio de curvatura fixo, são discutidas as influências do raio de curvatura do suporte e das características físicas da fibra multimodo (diâmetro e comprimento), uma vez que determinam o deslocamento máximo da ponta do sensor e quantidade de arqueamento da fibra no suporte.

Experimentos em túnel de vento com o sensor de vazão livre, sem apoio em suporte, com velocidades de até 12,25 m/s (44,1 km/h), resultaram em sensibilidades da ordem de 2,62 dB/(m/s) para potência refletida e de 435,13 pm/(m/s) para o deslocamento do pico espectral, com resolução de 17,4.10-3 m/s. Testes efetuados em bancada ótica com deslocamento da ponta do sensor, usando apoio em suporte de 85 mm de raio de curvatura, resultaram em sensibilidade de -7,06 dB/mm e resolução de 0,14.10-3 mm.

 

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