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As fibras ópticas, em seu âmbito geral, vêm ganhando cada vez mais visibilidade. Isso acontece porque através do material que são constituídas, SiO2, ´e possível transmitir informações utilizando os raios de luz, sem qualquer interferência eletromagnética. Hoje, sabemos que inúmeras aplicações nos ramos da medicina, prestação de serviços de internet, TV e telefonia (sistemas de telecomunicações), sistemas automobilísticos, cabos submarinos, dentre outros, utilizam as fibras ópticas. No entanto, nos ´últimos anos o interesse científico em melhorar seu desempenho vem aumentando, sendo o estudo do revestimento desse material uma opção para atingir esse objetivo. Neste trabalho será abordado o revestimento da fibra com o óxido de grafeno para construção de sensores. O grafeno é um material formado por uma única camada de carbono dispostas em uma rede hexagonal que pode ser obtido do grafite. Esse material é estável `a temperatura ambiente, leve, fino, rígido, impermeável e sua condutividade pode ser controlada dinamicamente alterando a tensão de polarização aplicada. Quando combinado com grupos funcionais de oxigênio, forma-se o ´oxido de grafeno. No ˆâmbito desse trabalho, foi criado um sistema de sensoriamento de medição de dióxido de carbono, baseado em (OLIVEIRA, 2019), utilizando uma LPG (Rede de Período Longo) com aplicação de tapering (afunilamento da fibra) e coating de ´oxido de grafeno para melhoria da sensibilidade do sensor a variações externas. O objetivo final ´e analisar as melhorias proporcionadas pelo ´oxido de grafeno no desempenho dos sensores a fibra. Os softwares utilizados para as simulações e análises serão descritos e detalhados ao longo do trabalho. The optical fibers in general are gaining more visibility and that happens because through the material they are made of, SiO2, is possible to transmit information using the light, without the electromagnetic interference. Nowadays, several applications in the medicine area, internet services, TV and telephony (telecommunications systems), automotive systems, submarines cables use fiber optics. Because of that, in the last years the scientific interesting in improve their performance are increasing, with the study of the fiber’s coating a option to achieve this goal. In this paper will be discussed the fiber coating with the graphene oxide to develop sensors. The graphene is a material composed by one single carbon layer arranged in hexagonal grid that can be obtained by graphite. This material is stable to environment temperature, light, thin, rigid, waterproof and its conductivity can be control dynamic changing the polarization tension applied. When combined with oxygen groups, we have the graphene oxide. In this research was developed a sensing system of graphene oxide measurement, based in (OLIVEIRA, 2019), using a LPG (Long Period Gratting) with tapering aplication and graphene oxide coating to improve the sensor sensibility to external variations. The main goal is analyse the improvements provided by graphene oxide in the fiber optical sensors. The software used for the simulations and analysis will be described throughout this paper

Não recebi financiamento Hollow-Core Anti-Resonant Optical Fibers (AR-HCF) is a novel hollow-core fiber with a low refractive index in the core and a high refractive index in the cladding. Unlike conventional solid-core optical fibers, where light confinement occurs by total internal reflection, in hollow-core fibers, this confinement can be explained by photonic bandgap mechanisms and by the theory of leaky modes. This work describes the simulations of AR-HCF using the finite element method (FEM), aiming its application in optical sensing. We performed numerical simulations using COMSOL Multiphysics software to study the propagation characteristics of AR-HCF. Also, we made simulation-related analyses, such as boundary conditions, size of mesh elements suitable to be used, and methods to reduce computational effort. Furthermore, this work demonstrates the potential application of AR-HCF as efficient sensors for the simultaneous detection of three gases: methane (CH4), carbon monoxide (CO), and nitrogen monoxide (NO). We investigated two fibers, one made of silicon oxide (SiO2) and indium(III) fluoride (InF3), to demonstrate the impact of the fiber material on performance over a wide wavelength range. We also considered in simulations the insertion of small holes perpendicular to the fiber length to enable the gas entry in the fiber's hollow core. The simulation results show that the designed fibers present low losses in the wavelengths of the absorption lines of the three gases. The highest attenuation value obtained in the simulations was 5.76dB/m for the SiO2 fiber and 0.06dB/m for the InF3 fiber, for λ = 5262.95 nm. Also, a linear behavior of the attenuation as a function of the gas concentration for the three gases of interest in the two designed fibers was obtained in the simulations. The sensitivity obtained by the sensor using an InF3 fiber with a length of 10 meters was 3.8x10^-2 (mV/ppm), 31x10^-2 (mV/ppm) and 11x10^-2 (mV/ppm) for the gases CH4, CO and NO, respectively. For the sensor using a SiO2 fiber with a length of 5 meters, the sensitivity estimated in this work was 1.9x10^-2 (mV/ppm), 15x10^-2 (mV/ppm) and 5.5x10^-2 (mV/ppm) for the gases CH4, CO and NO, respectively. In terms of the detection limits, the fiber made of InF3 material is capable of detecting concentrations of 13.2 to 86271 (ppm) of CH4, 1.6 to 10473 (ppm) of CO and 4.5 to 29340 (ppm) NO. The limits of detection for the fiber constituted of SiO2 were 26.5 to 163990 (ppm) of CH4, 3.2 to 20175 (ppm) of CO and 9.1 to 33034 (ppm) of NO. As Fibras Ópticas Anti-Ressonantes de Núcleo Oco são um novo tipo de fibra de núcleo oco com baixo índice de refração no núcleo e alto índice de refração na casca. Diferente das fibras ópticas de núcleo sólido, onde o confinamento da luz acontece pela reflexão interna total, nas fibras ópticas de núcleo oco este confinamento pode ser explicado pelos mecanismos de bandgap fotônicos e pela teoria dos modos vazados. Nesse sentido, esse trabalho descreve as simulações deste tipo de fibra óptica utilizando o método dos elementos finitos visando sua aplicação em sensoriamento óptico. Simulações numéricas foram realizadas usando o software COMSOL Multiphysics para estudar as suas características de propagação. Análises relacionadas à simulação foram realizadas, tais como as condições de contorno, tamanho dos elementos de malha adequados para serem usados e métodos para reduzir o esforço computacional. Além disso, este trabalho demonstra o potencial de aplicação das fibras ópticas anti-ressonantes de núcleo oco como sensores eficientes para detecção simultânea de três gases: metano (CH4), monóxido de carbono (CO) e monóxido de nitrogênio (NO). Duas fibras foram projetadas, uma feita de óxido de silício (SiO2) e outra composta por trifluoreto de índio (InF3), para demonstrar o impacto do material da fibra no desempenho em uma ampla faixa de comprimento de onda. Para possibilitar a entrada de gás no núcleo da fibra, foi considerada nas simulações a inserção de pequenos furos perpendiculares ao comprimento da fibra. Os resultados de simulação mostram que as fibras projetadas apresentam baixas perdas nos comprimentos de onda das raias de absorção dos três gases. O maior valor de atenuação obtido nas simulações foi de 5,76dB/m para a fibra de SiO2 e de 0,06dB/m para a fibra de InF3, para λ = 5262,95nm. Além disso, foi obtido nas simulações um comportamento linear da atenuação em função da concentração de gás para os três gases de interesse nas duas fibras projetadas. A sensibilidade obtida pelo sensor utilizando uma fibra de InF3 com comprimento de 10 metros foi de 3,8x10^-2 (mV/ppm), 31x10^-2 (mV/ppm) e 11x10^-2 (mV/ppm) para os gases CH4, CO e NO, respectivamente. Para o sensor utilizando uma fibra de SiO2 com comprimento de 5 metros a sensibilidade estimada neste trabalho foi de 1,9x10^-2 (mV/ppm), 15x10^-2 (mV/ppm) e 5,5x10^-2 (mV/ppm) para os gases CH4, CO e NO, respectivamente. Em termos de limites de detecção, a fibra constituída de material InF3 é capaz de detectar concentrações de 13,2 até 87117 (ppm) de CH4, 1,6 até 10587 (ppm) de CO e 4,5 até 29649 (ppm) de NO. Já os limites de detecção para a fibra constituída de SiO2 foram de 26.5 até 165798 (ppm) de CH4, 3,2 até 20410 (ppm) de CO e 9,1 até 33672 (ppm) de NO.

Neste trabalho é analisado o efeito dos filmes finos na sensibilidade ao índice de refração das redes de Bragg corroídas. Foi possível realizar um estudo da influência do índice de refração do filme e de sua espessura, no índice de refração efetivo dos modos propagados dentro da fibra. Além disso, a distribuição do campo elétrico no interior da fibra foi investigada propondo-se um modelo para a resposta do dispositivo. Para isso foi utilizado um modelo numérico baseado no método dos elementos finitos. Esse método é bastante apropriado para a resolução de problemas onde ocorrem interações com a vizinhança bem como por possuir estabilidade e acurácia. Os resultados obtidos apontam para um aumento não linear significativo da sensibilidade quando a fibra é recoberta com filmes finos de maiores índices de refração e, da mesma forma, para dispositivos recobertos com filmes de maiores espessuras. O incremento na sensibilidade ocorre em função da maior distribuição do campo evanescente proporcionado pelo aumento, tanto do índice de refração do filme, quanto de sua espessura. Foi possível determinar uma equação para a resposta da rede levando em conta o índice de refração do filme e sua espessura. In this work, the effect of thin films on the sensitivity of corroded Bragg grid is analyzed. It was possible to carry out a study of the influence of the refractive index of the film and its thickness, on the effective refractive index of the modes propagated within the fiber. In addition, the distribution of the electric field within the fiber was investigated by proposing a model for the response of the device. For this, a numerical model based on the finite element method was used. This method is very suitable for solving problems where interactions with the neighborhood occur as well as for stability and accuracy. The results obtained point to a significant non-linear increase in sensitivity when the film is covered with thin films with higher refractive index and, similarly, for devices covered with films of greater thickness. The increase in sensitivity occurs due to the greater distribution of the evanescent field proportional to the increase, both in the refractive index of the film and in its thickness. The study of the parameters A, B, C and k the proposition of an equation for the grid response taking into account the refractive index of the film and its thickness.

Submitted by Biblioteca Central (biblioteca@unicap.br) on 2021-08-09T13:34:29Z No. of bitstreams: 2 Ok_klayne_kattiley_santos_filho.pdf: 3287116 bytes, checksum: 99fc2d4c4c26250b5ce1844d8f953ea3 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Made available in DSpace on 2021-08-09T13:34:29Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Ok_klayne_kattiley_santos_filho.pdf: 3287116 bytes, checksum: 99fc2d4c4c26250b5ce1844d8f953ea3 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2021-02-11 Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES Sem resumo em português. Concrete is one of the main materials used worldwide and the quest to improve the quality and durability of concrete structures is constant. Several factors can contribute to the decrease of the durability of the material, deformations caused by phenomena such as Shrinkage and internal swelling reactions occur for different causes and generally at different ages, but they can directly interfere in decreasing the useful life of the structures.There are several test methods used to describe the behavior of structures against retraction or affected by internal swelling reactions (ISR), but most of them require complex and destructive procedures for material analysis. Over time, new technologies have been the subject of study for monitoring structures over time, including fiber optic sensors, so fiber optic sensors have been increasingly applied to the study of concrete elements and engineering in general. There are several types and designs of sensors, but not all are suitable for use in concrete structures. This work aims to evaluate whether this technology is effective as an alternative for monitoring concrete. The analysis of deformations from Shrinkage and internal swelling reactions in concrete elements was done using a bare-type, smalldiameter FBG (Fiber Bragg Grating) sensor.

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 Secretaria da Ciência, Tecnologia e Ensino Superior (SETI) A análise de vibrações é uma das principais técnicas utilizadas para a identificação do comportamento de estruturas e máquinas elétricas. Em ambas as áreas há a necessidade de monitorar e identificar as componentes em frequência. Em estruturas, a alteração das frequências pode estar relacionada à variação da rigidez e, consequentemente, a uma possível presença de defeito. Em máquinas elétricas, através do espectro de vibração, é possível identificar falhas no rotor, estator e rolamentos. Os fatores como influência do campo eletromagnético em máquinas elétricas, longas distâncias e descargas atmosféricas ao analisar edificações de grande porte, sugere o desenvolvimento de novos sensores, propiciando um campo promissor para a aplicação dos sensores ópticos. Assim, neste trabalho é desenvolvido um acelerômetro óptico biaxial empregando redes de Bragg em fibra óptica (FBG) com elevada abertura numérica (UHNA). As etapas para o desenvolvimento do acelerômetro são definidas em: projeto, caracterização, calibração e teste. A frequência de ressonância e sensibilidade do transdutor é de 1250,00 Hz e 100 pm.g−1, respectivamente. Para validar a resposta do acelerômetro óptico biaxial para o monitoramento das frequências de vibrações em máquinas elétricas, são realizados ensaios a vazio e com carga no eixo do motor analisado. Além disso, neste trabalho é proposto a técnica de controle de vibrações, empregando os neutralizadores, aliado ao sensoriamento óptico. Para a análise dos neutralizadores de vibrações é implementado um modelo passivo massa-mola (MK), massa-mola-amortecedor (MKC), semi-ativo e híbrido do tipo pendular para o controle da vibração em um prédio em escala. O neutralizador MK é sintonizado na primeira frequência natural do prédio, impondo elevada impedância nessa componente. Para o neutralizador MKC é empregado o material viscoelástico C-1002, devido ao seu elevado amortecimento permite o controle na faixa de 1,45 Hz a 1,71 Hz. O neutralizador semi-ativo é implementado baseado na topologia feedback, tendo a FBG como sensor. Para validação desse sensor na análise do controle de vibração, a resposta é comparada com o sensor piezoelétrico. A faixa de controle desse sistema está limitada entre 1,10 Hz e 1,55 Hz e a atenuação obtida da excitação próximo da frequência natural do prédio é de 14 dB. O neutralizador pendular híbrido alia as características do elemento passivo e semi-ativo, permitindo a banda larga de atuação definida entre 1,10 Hz e 1,65 Hz. Em suma, o desenvolvimento do acelerômetro óptico baseado na fibra óptica UHNA e dos neutralizadores de vibrações, permitiram validar esses projetos e assim implementar futuras aplicações na análise e no controle de vibrações. Vibration analysis is one of the main techniques used to identify the behavior of structures and electrical machines. In both areas, there is a need to monitor and identify the components in frequency. In structure monitoring, the alteration of frequencies can be related to the stiffness variation and, consequently, the defect identification. In electrical machines, based on the vibration spectrum, it is possible to identify failures in the rotor, stator, and bearings. The influence of the electromagnetic field in electrical machines, long distances, and atmospheric discharges when analyzing large buildings suggests developing new sensors, providing a promising area for applying optical sensors. Thus, in this work, a biaxial optical accelerometer is developed using fiber Bragg gratings (FBGs) with a high numerical aperture (UHNA). The steps development of the accelerometer is defined as project, characterization, calibration, and testing. The resonance frequency and sensitivity of the transducer is 1250.00 Hz and 100 pm.g−1, respectively. The tests are carried out with and without the load on the analyzed motor axis. This allows for validation of the biaxial optical accelerometer response for monitoring the frequencies of vibrations in electrical machines. In addition, the vibration control technique is proposed in this work, based on the neutralizers, coupled with optical sensing. For the analysis of vibration neutralizers, a passive spring-mass (MK), spring-mass-damping (MKC), the semi-active and hybrid pendulum-type model is implemented to control vibration in a building in scale. The MK neutralizer is tuned to the building’s first natural frequency. For the MKC neutralizer, the viscoelastic material C-1002 is used, which sets a control in the range of 1.45 Hz to 1.71 Hz. The semi-active neutralizer is implemented based on the feedback topology, having the FBG as sensor. For validation of this sensor in vibration control analysis, the response is compared with the piezoelectric sensor. The control range of this system is limited between 1.10 Hz and 1.55 Hz, and the attenuation obtained from the excitation near the natural frequency of the building is 14 dB. The hybrid pendular neutralizer combines the passive and semi-active element’s characteristics, allowing the actuation broadband between 1.10 Hz and 1.65 Hz. Thus, the optical accelerometer development based on UHNA fiber optics and the vibration neutralizers allowed validating these projects and implementing future vibration analysis and control applications.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Este trabalho apresenta estudos sobre a identificação de vibrações mecânicas e temperatura originadas no núcleo de ferro de um transformador trifásico à seco. Diferentes componentes de frequência podem gerar perdas e danos por meio de vibrações mecânicas. A perda de isolamento provoca falhas como curtos-circuitos, que acabam gerando prejuízos às concessionárias de energia e principalmente aos consumidores finais. Diferentemente dos sensores elétricos comerciais, que são acoplados na carcaça externa do transformador, esse estudo propõe a aplicação de redes de Bragg em fibra ótica (FBG) como elementos sensores aplicados diretamente ao núcleo, monitorando de forma simultânea vibração e temperatura. Também comparados aos sensores elétricos tradicionais (strain gages), os sensores FBGs não sofrem interferência eletromagnética, podendo ser aplicados internamente ao transformador sem atenuações do sinal ótico. Além disso, monitora a vibração diretamente na principal fonte causadora, que é o núcleo de ferro. Como o sensor fica exposto a um ambiente hostil, um dispositivo em compósito reforçado de fibra de carbono foi projetado para proteger a fibra ótica. Os sensores óticos foram revestidos pelo compósito, que também tem a função de melhorar a sensibilidade à deformação do sensor. A geometria da peça tem um formato de mola que garante esse aumento na sensibilidade em aproximadamente 12,3 % para a componente de frequência fundamental mecânica de 120 Hz. Para a medição da temperatura e vibração foram utilizados dois sensores multiplexados com comprimentos de onda diferentes. A compensação da temperatura do sensor de deformação também foi realizada. Ensaios elétricos em um transformador trifásico à seco de 3 kVA foram realizados com diferentes tipos de cargas elétricas. A Função da Resposta em Frequência (FRF) foi utilizada para apresentação dos resultados de deformação e comparação das FRFs de sensores colados livremente no núcleo com os sensores embebidos em fibra de carbono. O dispositivo de engate rápido, nos testes experimentais, obteve uma relação média de incremento de sensibilidade de 32 % em relação ao sensor não encapsulado. Dessa forma, mostrou-se viável a aplicação direta no núcleo de ferro de transformadores trifásicos à seco. This work presents studies on the identification of mechanical vibrations and temperature originating in the iron core of a three-phase dry transformer. Different frequency components can generate losses and damages through mechanical vibrations. The loss of insulation causes major failures such as short circuits, which end up generating losses to energy concessionary and mainly to final consumers. Unlike commercial electrical sensors, which are attached to the transformer’s external housing, this study proposes the application of Bragg gratings in optical fiber (FBG) as sensor elements applied directly to the core, simultaneously monitoring dynamic vibration and temperature. Also compared to traditional electrical sensors (strain gages), FBGs sensors do not suffer electromagnetic interference, and can be applied internally to the transformer without optical signal attenuation. In addition, it monitors vibration directly at the main causative source, which is the iron core. As the sensor is exposed to a hostile environment, a carbon fiber reinforced composite device is designed to protect the optical fiber. The optical sensors were coated by the composite, which also has the function of improving the sensitivity to dynamic deformation of the sensor. The part geometry has a spring shape that guarantees this increase in sensitivity by approximately 12.3 % for the 120 Hz mechanical fundamental frequency component. For the measurement of temperature and vibration, two multiplexed sensors with different wavelengths were used. The temperature compensation of the strain sensor was also performed. Electrical tests on a 3 kVA three-phase dry transformer were carried out with different types of electrical loads. The Frequency Response Function (FRF) was used to present the dynamic deformation results and compare the FRFs of sensors glued freely to the core with the embedded sensors. The quick coupling device, in the experimental tests, obtained an average sensitivity increase ratio of 32 % in relation to the non-encapsulated sensor. Thus, direct application to the iron core of three-phase dry transformers was shown to be feasible.

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 Neste trabalho são apresentadas as etapas de fabricação e teste de uma matriz de sensoriamento tátil constituída por 4 sensores de macrocurvatura em fibras óticas, multiplexados e encapsulados em silicone. Para a interrogação do sistema são usadas as informações contidas nos espectros de transmissão da matriz na região espectral do visível. A intensidade de transmissão, nos diferentes comprimentos de onda da luz, é afetada por perturbações externas causadas por cargas aplicadas sobre a superfície da matriz, permitindo o sensoriamento tátil. A resposta acoplada dos 4 sensores permitiu a identificação da magnitude e posição de cargas aplicadas simultaneamente em até 5 regiões de sensoriamento pré-estabelecidas. Regressões lineares foram usadas para analisar os espectros de transmissão obtidos quando da aplicação de cargas entre 0,0 kg e 2,0 kg sobre a superfície da matriz. O sensoriamento na matriz com um número de sensores menor do que o número de regiões de sensoriamento foi alcançado. O sistema mostrou-se capaz de reconhecer cargas e posições com erro de 0,208 kg usando a regressão Ridge. Este erro representa 10,40 % da maior carga aplicada por região e 3,47 % da maior carga total aplicada na matriz. In this work, fabrication and testing of a tactile sensing array consisting of 4 macrobend optical fiber sensors, multiplexed and encapsulated in silicone are presented. The array transmission spectra in the visible spectral range carries information used for the sensing system interrogation. Intensity at different wavelengths of the transmission spectrum is affected by external perturbations caused by loads applied on the array surface, allowing tactile sensing. The coupled response of the 4 sensors allowed the identification of the magnitude and position of loads applied simultaneously in up to 5 previously established sensing regions. Linear regressions were used in the analysis of the transmission spectra obtained when the array was submitted to loads from 0.0 kg to 2.0 kg. Tactile sensing with fewer sensors than the number of sensing regions has been achieved. The system was able to recognize the magnitude and location of loads with an error of 0.208 kg using Ridge regression. This error represents 10.40 % of the highest applied load per region and 3.47 % of the highest total load applied on the sensing array.

Conselho Nacional do Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) Financiadora de Estudos e Projetos (FINEP) Fundação Araucária de Apoio ao Desenvolvimento Científico e Tecnológico do Paraná Nesse trabalho é analisado o efeito da deposição nanopartículas de ouro funcionalizadas com citrato sobre a sensibilidade ao índice de refração externo de redes de Bragg corroídas. As nanopartículas de ouro foram sintetizadas pelo método de Turkevich. A morfologia das nanopartículas foi analisada por microscopia eletrônica de transmissão, a distribuição de tamanhos foi avaliada através do espalhamento dinâmico de luz e a banda plasmônica foi caracterizada pela espectroscopia UV-Vis. As nanopartículas foram depositadas sobre a superfície da fibra pela técnica conhecida como drop-cast que permitiu a fixação das nanopartículas com uma boa aderência mesmo com a fibra imersa em solução aquosa. O processo de deposição das nanopartículas também foi caracterizado, possibilitando utilizar a diminuição da intensidade do espectro como parâmetro para finalizar a deposição. A presença das nanopartículas na superfície da fibra aumentou a sensibilidade das redes de Bragg em pelo menos 30%. A hipótese para este aumento na sensibilidade é o aumento do campo evanescente devido ao aumento do índice de refração efetivo do modo de núcleo. Os resultados apresentados nessa dissertação demonstram as vantagens do uso de nanopartículas de ouro funcionalizadas com citrato para o desenvolvimento de imunossensores. Nesse trabalho é analisado o efeito da deposição nanopartículas de ouro funcionalizadas com citrato sobre a sensibilidade ao índice de refração externo de redes de Bragg corroídas. As nanopartículas de ouro foram sintetizadas pelo método de Turkevich. A morfologia das nanopartículas foi analisada por microscopia eletrônica de transmissão, a distribuição de tamanhos foi avaliada através do espalhamento dinâmico de luz e a banda plasmônica foi caracterizada pela espectroscopia UV-Vis. As nanopartículas foram depositadas sobre a superfície da fibra pela técnica conhecida como drop-cast que permitiu a fixação das nanopartículas com uma boa aderência mesmo com a fibra imersa em solução aquosa. O processo de deposição das nanopartículas também foi caracterizado, possibilitando utilizar a diminuição da intensidade do espectro como parâmetro para finalizar a deposição. A presença das nanopartículas na superfície da fibra aumentou a sensibilidade das redes de Bragg em pelo menos 30%. A hipótese para este aumento na sensibilidade é o aumento do campo evanescente devido ao aumento do índice de refração efetivo do modo de núcleo. Os resultados apresentados nessa dissertação demonstram as vantagens do uso de nanopartículas de ouro funcionalizadas com citrato para o desenvolvimento de imunossensores.

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 Na última década, sensores em redes de Bragg (FBG) têm sido amplamente estudados, tanto na academia quanto na indústria. Entre os principais tópicos de pesquisa referentes às FBGs estão: o aumento da sensibilidade dos sensores e a capacidade de modular o sinal em função da presença de algum analito. Para solucionar ambos os problemas, é possível que existam boas aplicações a serem desenvolvidas incorporando a tecnologia do óxido de grafeno (GO) à das FBG. O GO é um nanomaterial bidimensional constituído por folhas de carbono em estrutura hexagonal, enxertadas com grupos funcionais oxigenados (hidroxilas, carboxilas e ligações epóxi). Em termos de sensibilidade, é possível que um revestimento de GO em FBG ajude a aumentar a resposta do sensor a perturbações. Já em termos de detecção de analítos, o GO pode servir como plataforma para funcionalização do sensor com grupos químicos capazes de interagir com às moléculas que pretende-se detectar. Neste trabalho estudamos a síntese do GO através de um método de Hummers modificado, e uma técnica de deposição de GO em FBGs, que utiliza o (3-Aminopropyl)triethoxysilano (APTES) como substância de ligação entre fibra e revestimento. A pesquisa foi executada em três etapas. Primeiro, foram sintetizadas amostras de GO, subsequentemente caracterizadas através de microscopia de transmissão, espectroscopia Raman, e índice de refração. Foram produzidos dois lotes de material, cada um com modificações distintas do método de Hummers. Através da microscopia de transmissão foi possível identificar zonas de sobreposição de camadas e de dobra no GO. Já da espectroscopia Raman foram extraídas informações físico-químicas sobre os lotes de GO, através dos picos deconvoluídos do espectro do material produzido. Na segunda etapa, foram confeccionadas as FBGs, através de um processo de gravação a laser em fibras óticas. A redes foram subsequentemente corroídas, e suas respostas foram caracterizadas em relação à variações do índice de refração do meio circundante. Na terceira etapa, o GO produzido foi depositado na superfície das FBGs, que foram então caracterizadas através de microscopia de varredura, espectroscopia Raman, e perfilometria. Os resultados obtidos confirmam que o revestimento funcionou, embora não tenha sido depositado homogeneamente. Foram feitas também caracterizações da resposta das FBGs revestidas, onde foi detectado um aumento na sensibilidade dos sensores ao índice de refração do meio. In the last years, Fiber Bragg gratins (FBGs) have been widelly studied, both in industry and universities. some of it's main topics of research are: improvement of the sensor's sensibility, and how to modulate the sensor's signal to detect the presence of some analyte of interest. It is possible that we may contribute to both topics by incorporating graphene oxide (GO) technology to FBGs. GO is a 2D nanomaterial, made by hexagonally structured carbon sheets, with oxygen functional groups. In terms of sensibility, it is possible that a GO coating might increase the FBG response. In terms of detecting analytes, GO may be used as a plataform where we can graft chemical functions capable of interacting with the molecules we wish to detect. In this research, we study the synthesis of GO through a modified Hummers' method, and a depositiong technique to coat FBGs with GO, by using (3-Aminopropyl)triethoxysilane (APTES) as a bonding substance between sensor and coating. The research was done in three steps. First, we synthetized two samples of GO, by two different modifications in the traditional Hummers' method. These samples were characterized by means of transmission electron microscopy, Raman spectroscopy, and refraction index. Through the microscopies, we were able to identify zones of GO layer superposition and folding. From the Raman spectroscopy, it was possible to extract data about the material's chemical-physical properties, by deconvoluting the materials's spectra and identifying the resulting peaks. In the second setp, FBGs were produced by laser engraving. The FBGs were subsequently corroded, and its response to variations in the refractive index of surrounding media was measured. In the third step, the FBGs were coated with the GO, and characterized by scanning electron microscopy, Raman spectroscopy, and profilometry. The results shown that the coating was succesfull, yet heterogeneous. The response of the coated FBGs was also measured, and an improvement of the sensor's sensibility was detected.

Submitted by Julia CTC/B (julia.vieira@uerj.br) on 2021-09-23T14:01:00Z No. of bitstreams: 1 Dissertação - Bernadin Pinquière - 2020 - Completo.pdf: 2199166 bytes, checksum: 286b25b750e2cef14cefc57fbc24217e (MD5) Made available in DSpace on 2021-09-23T14:01:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertação - Bernadin Pinquière - 2020 - Completo.pdf: 2199166 bytes, checksum: 286b25b750e2cef14cefc57fbc24217e (MD5) Previous issue date: 2020-08-12 Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES This work presents the study on the characteristics of a data transmission channel using optical fibers electrooptically modified by the poling technique. This technique is performed in order to create a noo-zero non linearity coefficient by simultaneously applying an intense electric field and high temperature. This coefficient is determined by the change in phase of the interference caused by the high voltage in the active arm of the interferometer, i.e. the application of voltage modulates the propagating wave. The first attempt to perform this study was using an experimental setup of a Mach-Zehnder interferometer (MZI). Before the tests, a commercial modulator (OC-192, of JDS Uniphase) was used to calibrate the system. Then, the commercial modulator was replaced by an electrooptically modified optical fiber. Due to limitations in the available equipment, e.g, the lack of an electric amplifier that achieves 200 V and an ASE (Amplified Spontaneous Emission) light source, the attempt to study the properties of this modulation system was done through simulations using the platform COMSOL Multiphysics®. Here it was used the geometrical and optical features of two types of real fibers (F051007-1C and SMF28) to build the MZI system. The obtained results showed that no changes or distortions in the sinusoidal waves are expected if the frequency of the waves is below 10 GHz, which is close to the theoretical value calculated for this system (9.1 GHz). Based on these results, it was concluded that the model made for the simulation of the experimental system has the potential to be a powerful tool to perform the channel estimation in this type of system. Este trabalho apresenta uma proposta para estudo das características de um canal de transmissão de dados feito com fibras ópticas modificadas eletroopticamente pela técnica de poling. Essa técnica é realizada para poder criar um coeficiente de não-linearidade não nulo aplicando simultaneamente um campo elétrico intenso e uma temperatura alta. Esse coeficiente é determinado pela mudança de fase interferência causada pela alta tensão no braço ativo do interferômetro, ou seja, a aplicação de tensão modula a fase da onda propagante. A primeira tentativa de realizar este estudo foi usando uma configuração experimental de um interferômetro Mach-Zehnder (MZI). Antes dos testes, um modulador comercial (OC-192, da JDS Uniphase) foi utilizado para calibrar o sistema. Em seguida, o modulador comercial foi substituído por uma fibra óptica modificada eletroopticamente. Devido à falta de equipamentos importantes, por exemplo, a falta de um amplificador elétrico que atinja 200 V e uma fonte de luz ASE (Emissão Espontânea Amplificada), a tentativa de estudar as propriedades desse sistema de modulação foi realizada através de simulações usando a plataforma COMSOL Multiphysics®. Foram utilizadas as características geométricas e ópticas de dois tipos de fibras reais (F051007-1C e SMF28) para construir o sistema MZI. Os resultados obtidos mostraram que não são esperadas alterações ou distorções nas ondas senoidais se a frequência delas for inferior a 10 GHz, o que é próximo ao valor teórico calculado para este sistema (9,1 GHz). Com base nesses resultados, concluiu-se que o modelo feito para a simulação do sistema experimental tem o potencial de ser uma ferramenta poderosa para realizar a estimativa de canal nesse tipo de sistema.

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.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Neste trabalho é analisado o período de efeito da toxina botulínica em um paciente portador de bruxismo através de um dispositivo interoclusal instrumentado por sensores baseados em redes de Bragg em fibras óticas. O estudo de caso do paciente voluntário envolve duas análises: de força de mordida máxima e de hiperatividade durante o sono. Na análise de força de mordida o paciente vestindo o dispositivo oclusal é orientado a morder em ensaios controlados enquanto é monitorado através dos sensores a fibra ótica. No caso da hiperatividade o paciente dorme com o dispositivo oclusal e os movimentos são monitorados durante este período. Estas duas análises foram realizadas antes e após a aplicação da toxina botulínica. A gravação dos sensores, o processo de fabricação do dispositivo instrumentado, a caracterização do sistema e a análise in vivo são reportados neste trabalho. Os resultados de mordida máxima antes da aplicação foram de 33,00 ± 3,60 N. Após a aplicação da toxina botulínica o paciente foi monitorado e forças máximas de mordida de 18,80 ± 2,40 N foram obtidas, correspondente à aproximadamente 57 % da força prévia. O paciente foi avaliado ao longo do tempo e aproximadamente 4 meses posterior à aplicação o valor da força máxima média foi de 30,70 ± 2,60 N, relacionado à 93 % da força inicial. Os resultados obtidos na análise de hiperatividade realizados durante o período de sono, indicam também uma redução na amplitude dos movimentos após a aplicação. Antes da aplicação a média da amplitude obtida foi de 32,90 ± 8,60 N e depois de realizado o procedimento da aplicação da toxina botulínica a força média de mordida foi de 24,80 ± 6,40 N, e retorno para aproximadamente 75 % em 2 meses. This paper analyzes the effect period of botulinum toxin in a patient with bruxism through an interocclusal device instrumented by sensors based on Bragg gratings in optical fibers. The case study of the volunteer patient involves two analyzes: maximum bite force and hyperactivity during sleep. In bite force analysis the patient wearing the occlusal device is oriented to bite in controlled trials while being monitored through the optical fiber sensors. In case of hyperactivity the patient sleeps with the occlusal device and the movements are monitored during this period. These two analyzes were performed before and after botulinum toxin application. Sensor recording, instrumented device fabrication process, system characterization and in vivo analysis are reported in this paper. The maximum bite results before application were 33.00 ±N 3.60 N. After botulinum toxin application the patient was monitored and maximum 18.80 ± 2.40 N bite forces were obtained, corresponding to approximately 57% of previous force. The patient was evaluated over time and approximately 4 months after application, the mean maximum force value was 30.70 ± 2.60 N, related to 93 % of the initial force. The results obtained in the hyperactivity analysis performed during sleep also indicate a reduction in movement amplitude after application. Before application, the average amplitude obtained was 32.90 ± 8.60 N and after the botulinum toxin application procedure, the average bite force was 24.80 ± 6.40 N, and return to approximately 75 % in 2 months.

O crescente consumo de energia proveniente de fontes não renováveis e finitas vem incentivando o avanço no desenvolvimento e utilização de novas opções de geração de energia. Estas opções, quando incorporadas ao sistema atual de geração e distribuição de energia elétrica, devem incluir novas exigências do sistema de comunicação motivando o desenvolvimento de redes elétricas inteligentes ou Smart Grid (SG). O presente documento propõe um método para otimização de uma rede de topologia em malha com enlaces em fibra óptica. Essa otimização é alcançada através de alterações das conexões físicas da rede em conjunto com uma gerência reativa inteligente. The increasing consumption of energy from nonrenewable and finite sources is encouraging the advance of development and use of new energy generation options. These options, when incorporated into the current electricity generation and distribution system, should demand new requirements from the communication system, motivating the development of Smart grid. This document proposes a method to improve and optimize the network or grid access, built with optic fiber and mesh topology, through the handling of physical connections in the network and a smart reactive management.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Esta tese apresenta os resultados da produção e caracterização de um sensor bioquímico baseados em redes de Bragg funcionalizadas com nanotubos de L-difenilalanina. A fibra na qual a rede de Bragg foi gravada, foi corroída de forma a remover a casca e então revestida com nanotubos de L-difenilalanina para produzir um sensor capaz de detectar vapor de misturas de etanol-metanol. Os nanotubos foram estudados em suas duas fases (hexagonal e ortorrômbica), analisados por espectroscopia Raman, FTIR, difração de raios X, EDS e microscopia eletrônica de varredura (MEV). A transição de temperatura entre as fases foi determinada por espalhamento de raios X em ângulo pequeno (SAXS). A transição de fase tem início à 135 °C e termina à 190 °C. Considerando a concentração de metanol no vapor, a fase ortorrômbica apresentou sensibilidade de (7,3 ± 0,8) pm/ (% v/v), 32 vezes maior que a observada na fase hexagonal, com aproximadamente o mesmo tempo de resposta. O desvio máximo do comprimento de onda medido foi (0,98 ± 0,02) nm. Além disso, foram propostos modelos matemáticos para descrever a resposta do sensor e levantadas hipótese para os mecanismos que poderiam levar ao seu comportamento não linear. This thesis presents the results of the production and characterization of a biochemical sensor based on fiber Bragg gratings functionalized with L-diphenylalanine nanotubes. The fiber in which the fiber Bragg gratings was inscribed was etched to remove cladding and then coated with L-diphenylalanine nanotubes to produce a sensor capable of detecting vapor from ethanol-methanol mixtures. Nanotubes were studied in its two phases (hexagonal and orthorhombic), analyzed by Raman spectroscopy, FTIR, X-ray diffraction, EDS and scanning electron microscopy (SEM). The temperature transition between phases was determined by small angle X-ray scattering (SAXS). The obverse temperature at which the phase transition begins was 135 °C and the complete transition occurred at 190 °C. Considering the methanol concentration in the steam, the orthorhombic phase presented a sensitivity of (7.3 ± 0.8) pm / (% v / v), 32 times higher than that observed in the hexagonal phase, with approximately the same response time. The maximum deviation of the measured wavelength was (0.98 ± 0.02) nm. In addition, mathematical models were proposed to describe the sensor response and hypothesized for the mechanisms that could lead to its nonlinear behavior.

O presente trabalho descreve a fabricação de microestuturas produzidas com laser de pulsos ultracurtos na ordem de femtosegundos (fs) em estruturas planares transparentes e em fibras óticas. O objetivo geral da pesquisa é a produção e a caracterização destas microestruturas através da análise dos parâmetros de gravação. Este trabalho consiste no desenvolvimento de programas de movimentação para a fabricação de diferentes microestruturas, e em ensaios exaustivos com mudanças dos parâmetros de gravação. As metodologias empregadas para a fabricação de microcavidades em estruturas planares transparentes são: a microusinagem baseada na ablação direta por exposição laser e a microusinagem por exposição laser seguida de corrosão química (FLICE). São descritas as produções de linhas, canais, canaletas e áreas em estruturas planares. Para a microusinagem em fibras óticas a metodologia utilizada é a de ablação direta por exposição laser. Utilizando a metodologia de ablação direta foram desenvolvidas duas técnicas para a obtenção de cavidades com perfis diferentes que empregam distintos programas de movimentação das fibras óticas. Os resultados obtidos por estas diferentes técnicas são microcavidades com perfis laterais em forma de U e V. As microcavidades obtidas em estruturas planares e fibras óticas foram aplicadas como sensores de força, índice de refração e temperatura, baseados em demodulação em intensidade e comprimento de onda. Os resultados obtidos neste trabalho, oriundos das caracterizações realizadas para cada um desses arranjos experimentais, demonstram a viabilidade de fabricação dessas microestruturas para utilização em sensores. The present work describes the manufacture of microstructures produced with femtosecond (fs) ultrashort pulse laser in transparent planar structures and optical fibers. The general objective of the research is the production and characterization of these microstructures through the analysis of the recording parameters. This work consists in the development of movement programs for the manufacture of different microstructures, and in exhaustive tests with changes of the recording parameters. The methodologies employed for the manufacture of microcavities in transparent planar structures are: micro-machining based on direct laser exposure ablation and laser exposure micro-machining followed by chemical corrosion (FLICE). The productions of lines, channels and areas in planar structures are described. For optical fiber micromachining the methodology used the direct ablation by laser exposure. Using the direct ablation methodology, two techniques were developed to obtain different profile cavities that employ different optical fiber movement programs. The results obtained by these different techniques are microcavities with U and V-shaped side profiles. The microcavities obtained in planar structures and optical fibers were applied as force, refractive index and temperature sensors, based on intensity and wavelength demodulation. The results obtained in this work, originate in the characterizations performed for each of these experimental arrangements, demonstrate the feasibility of manufacturing these microstructures used in sensors.

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.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento, testes e resultados de um sensor de deformação longitudinal (Strain Gage) baseado nas redes de Bragg em fibra ótica monomodo padrão de telecomunicações, G-652. Utiliza encapsulamento em corpo de alumínio e apresenta compensação de temperatura na mesma cápsula por meio de uma segunda FBG para monitoramento térmico. O projeto e simulação estrutural foram concebidos pelo software de modelagem tridimensional Catia™, posteriormente o encapsulamento foi confeccionado a partir de uma chapa de alumínio 1200 H14. Por meio da caracterização de temperatura do sensor, foi definida a sensibilidade térmica da FGB sensora de deformação e da FBG de compensação de temperatura, com base nas curvas de sensibilidade de ambas as FBGs, foi definida a equação de compensação de temperatura. Um segundo teste foi realizado na caracterização em temperatura, a fim de definir o tempo de resposta do sensor em função da variação de temperatura. Foram realizados testes de tração longitudinal até 8 kg (78,3 N), com passos de 1 kg (9,79 N), por meio da utilização de massas padrão. Em cada patamar foi realizado o monitoramento da variação do comprimento de onda, juntamente com o monitoramento da variação do comprimento de onda, foi realizada a medição do deslocamento obtido no sensor por meio de um relógio micrométrico apalpador. Para o sistema de interrogação foi utilizado o interrogador SM125 da Micron Optics. Em função da metodologia de testes, os resultados obtidos apresentam valores para medições de deformação diretamente ou medição de força aplicada e apresentam razoável sensibilidade e linearidade em função do carregamento/descarregamento aplicado. This work presents the development, confection, tests and results of a longitudinal deformation sensor (Strain Gage) based on Bragg gratings in standard single-mode telecommunications fiber, G-652. It uses encapsulation in aluminum body and presents temperature compensation in the same capsule by means of a second FBG for thermic monitoring. The design and structural simulation were made by Catia ™ three-dimensional modeling software, later the encapsulation was made from a 1200 H14 aluminum plate. By means of the sensor temperature characterization, the thermal sensitivity of strain sensor FGB and of the compensation temperature FBG was defined, based on the sensitivity curves of both FBGs, the temperature compensation equation was defined. A second test was carried out in the characterization in temperature, in order to define the response time of the sensor as a function of the temperature variation. Longitudinal traction tests were performed up to 8 kg (78.3 N), with steps of 1 kg (9.79 N), using standard masses. At each step wavelength variation monitoring was performed, along with the monitoring of the wavelength variation, the displacement obtained in the sensor was measured by means of a micrometer gauge. For the interrogation system, the SM125 interrogator from Micron Optics was used. By the test methodology, the results obtained shows values for measurements of deformation directly or measurement of applied force and present reasonable sensitivity and linearity as a function of applied loading/unloading.

Conselho Nacional do Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Financiadora de Estudos e Projetos (FINEP) Fundação de Apoio à Educação, Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (FUNTEF-PR) Petróleo Brasileiro (Petrobrás) A presente Tese de Doutorado aborda o desenvolvimento e aplicação de duas técnicas ópticas distintas. A primeira técnica tem como objetivo o mapeamento, em duas dimensões, de grandes superfícies (175 x 175 mm), utilizando novo método para cálculo de ângulo de contato que utiliza imagens da vista superior. As medições de ângulo de contato através da vista superior são validadas mostrando-se tão confiáveis quanto métodos tradicionais de medição através da vista lateral. Uma série de amostras, incluindo materiais industrialmente relevantes para coberturas de construções e impressão, são analisadas e os resultados comparados com outros métodos apresentados e a literatura. O mapeamento de superfícies é realizado analisando superfícies diversas como: pastilha de silício recoberta com nanopartículas de prata e papel Aspen (impresso em preto com impressora a laser). O potencial da análise forense e/ou química é demonstrado ao se revelar regiões da superfície do papel Aspen contaminadas e não contaminadas por óleo mineral. O método promete ser uma solução viável para a caracterização em nano escala e o monitoramento industrial, bem como análises químicas, permitindo medições de ângulo de contato rápidas em grandes áreas ou grandes números de amostras, o que não é possível de ser realizado com as técnicas tradicionais apresentadas. Além da possibilidade da sua utilização embarcada em dispositivos eletrônicos móveis e/ou autônomos. A segunda técnica possui como objetivo a elaboração de sensor óptico distribuído para monitoramento acústico – DAS. O sistema utiliza a topologia φ-OTDR e laser com largura de banda de ~2 kHz e comprimento de coerência de ~50 km. A alta coerência do laser propicia a geração do efeito do ruído Rayleigh coerente (CRN) o que colabora para a detecção acústica. É desenvolvida metodologia de processamento para a detecção de frequências e perturbações no DAS. A metodologia de processamento do DAS é confirmada através de testes como a detecção das frequências naturais de oscilação em uma fibra óptica bi-engastada. Testes em campo são apresentados detectando a presença de um cavalo andando sobre pista equestre instrumentada. Por fim é apresentado o “microfone óptico” com o qual é possível reconstruir o áudio e o espectro das vogais “a e i o u”. This PhD thesis describes the development and application of two different optical techniques. The first technique aims the at two-dimensional mapping of large surfaces (175 x 175) mm, using a new method for contact angle calculation named Top-Down Method. The contact angles measurements by Top-Down method have been validated and confirmed to be as good as traditional side-based measurements. A range of samples, including industrially relevant materials for roofing and printing, has been analyzed and the results compared to other introduced methods and literature. The surface mapping is performed by analyzing several surfaces such as: silicon wafer coated with silver nanoparticles (Ag) and Aspen paper printed. The potential of forensic and chemical analysis is shown to reveal regions of the surface of the printed paper Aspen black with a laser printer contaminated and non-contaminated by mineral oil. The method promises to be a viable solution for nanoscale characterization and industrial monitoring as well as chemical analyses by allowing rapid contact angle measurements over large areas or large numbers of samples in ways and times that have not been possible before. Besides the possibility of its use in embedded mobile and/or stand-alone electronic devices. The second technique has as objective the elaboration of a distributed optical sensor for acoustic monitoring – DAS. The system uses the φ-OTDR topology and a laser with ~2 kHz bandwidth and coherence length of 48 km. The high coherence of the laser allows the generation of coherent Rayleigh noise (CRN), which contributes to acoustic detection. On this thesis, is developed the processing methodology for the detection of frequencies and disturbances in DAS. The DAS processing methodology is confirmed by tests such as the detection of natural oscillation frequencies in a fixed optical fiber. Field tests are presented detecting the presence of a horse walking on an instrumented equestrian track. Finalizing the tests, is made "optical microphone" where it is possible to reconstruct the speech of the vowels "a e i o u".

Nesse trabalho é proposto um sistema de monitoramento do nível de água de rios baseado em redes de Bragg (FBG – Fiber Bragg Gratings) e no princípio da força hidrostática. O sistema consiste em uma boia cilíndrica, protegida por uma coluna, que produz uma tensão longitudinal em uma FBG embebida em uma borracha de silicone devido a força de empuxo exercida pela água. A calibração do sensor mostrou que é possível sintonizar o nível máximo de água que o sistema pode medir através aumento da profundidade da rede na borracha de silicone. O aumento da profundidade da rede na borracha também aumenta a não linearidade na resposta do sensor, mas os resultados obtidos mostram que é possível aproximar a resposta da rede a retas em diferentes regiões. Os resultados dos testes na coluna de água mostraram que vibrações mecânicas podem ser distinguidos do aumento do nível da água por serem eventos de curta duração. Os ensaios também mostraram que o sistema pode medir níveis até um limite de aproximadamente 12 metros de altura do nível de água. O problema da sensibilidade cruzada pode ser contornado com o uso de uma segunda rede encapsulada em uma agulha para distinguir o efeito da temperatura do aumento do nível da água. As respostas das duas redes podem ser utilizadas para diminuir o efeito da temperatura na resposta da rede utilizada para medir o nível da água e também para identificar que há uma variação de temperatura. Adicionalmente a rede encapsulada na agulha apresentou uma sensibilidade à força aplicada muito pequena, praticamente nula se comparada com a sensibilidade da rede inserida no silicone. Esta característica aliada a resposta térmica das redes permite facilmente a distinção de efeitos de temperatura do aumento do nível dos rios. Os resultados desse trabalho mostram o potencial do uso de sensores baseados em rede de Bragg no desenvolvimento de sistemas de monitoramento do nível dos rios em áreas de riscos por enchentes. This work proposes a system for monitoring the water level of rivers based on fiber Bragg gratings and the hydrostatic force´s principle. The system consists of a cylindrical buoy, protected by a column, which produces a longitudinal tension in a FBG embedded in a silicone rubber, as result of the buoyancy force exerted by the water. The calibration of the sensor showed that it is possible to tune the maximum water level that the system can measure by increasing the grating depth in the silicone rubber. The increase of the depth also increases the non-linearity in the sensor response, but the results obtained show that it is possible to use linear approximations in different regions of the sensor response. The results of the tests in the water column showed that mechanical vibrations can be distinguished from the increase in water level because they are short duration events. The tests also showed that the system can measure levels up to a limit of approximately 12 meters high from the water level. The crosssensitivity problem can be overcome by the use of a second grating encapsulated in a needle to distinguish the temperature effect from increasing water level. The responses of the gratings can be used to decrease the effect of the temperature on the sensor response used to measure the water level and to identify that there is a temperature variation. In addition, the needle encapsulated grating showed an applied force sensitivity very small, practically nil when compared with the sensitivity of the grating inserted in the silicone. This feature allied to the thermal response of the gratings allows the distinction of temperature effects from the increase of the level of the rivers. The results of this work show the potential of the use of fiber Bragg gratings sensors in the development of river level monitoring systems in flood risk areas.

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.

Conselho Nacional do Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) O miniforno elétrico descrito nesta dissertação foi desenvolvido com a finalidade de aperfeiçoar a fabricação e teste de dispositivos em fibra ótica que precisam de temperaturas elevadas. A otimização é obtida ao confinar a maior parcela do calor em região de 1 cm ao longo da direção axial da fibra. Assim, mesmo quando o miniforno opera na temperatura máxima (1000 ºC) o trecho de fibra ótica fora da câmara de aquecimento não se fragiliza com estresse térmico resultante do processo. O miniforno conta com uma Interface Homem-Máquina (IHM) e um controlador digital, que é o responsável por amostrar e controlar a temperatura no interior da câmara de aquecimento, que foram desenvolvidos especificamente para esta aplicação. Por fim, os resultados obtidos da distribuição do calor no interior do miniforno, repetibilidade e do erro em regime permanente confirmam que o miniforno alcançou seus objetivos. The electrical minifurnace described in this dissertation was development with the goal of optimize the fabrication and test of fiber optics devices that needs high temperature. The optimize is obtained by conning the largest portion of the heat in region of 1 cm along the axial direction of the fiber. Therefore, even when the minifurnace operates in the maximum temperature (1000 °C) the fiber optic section outside the heating chamber does not become brittle with thermal stress resulting from the process. The minifurnace has a man-machine interface and a digital controller, which is responsible for sampling and controlling the temperature inside the heating chamber, that were developed specifically for this application. Lastly, the results obtained of the heat distribution in the heating chamber, repeatability and of the error in permanent regime confirm that the minifurnace reached its objectives.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) As propriedades de propagação e acoplamento entre modos em uma fibra ótica com dois núcleos são investigadas utilizando o método dos elementos finitos em 3D. A simulação da transferência de potência entre os núcleos ao longo da fibra em um comprimento de onda específico permite sintonizar um filtro de atenuação no espectro de transmissão. A sintonização dinâmica do espectro de transmissão do filtro é obtida através da aplicação de ondas acústicas flexurais. Uma fibra com dois núcleos com propriedades geométricas e materiais similares ao da simulação é experimentalmente caracterizada sob excitação de ondas acústicas de baixa frequência (9 kHz - 16 kHz). O modulador acusto-ótico foi utilizado para sintonizar a magnitude e o comprimento de onda do filtro de atenuação. Os resultados experimentais indicam concordância com a teoria e simulação. O estudo aponta para uma nova metodologia numérica para o projeto e análise de dispositivos acusto-óticos baseados em fibras com vários núcleos, o que habilita a aplicação destes dispositivos em filtros de atenuação, chaveadores de potência entre núcleos, sensores e acopladores. The coupling and the propagation properties between the modes in a double-core optical fiber are investigated by means of the 3D finite element method. The simulation of the power transfer between the cores along the fiber at a specific wavelength allows tuning an attenuation filter in the transmission spectrum. The dynamic tuning of the filter transmission spectrum is achieved by the application of flexural acoustic waves. A double-core fiber with similar geometrical and material properties compared to the simulation is acoustically excited and experimentally characterized. An acousto-optic modulator (9 kHz - 16 kHz) is assembled to tune the magnitude and the wavelength of the attenuation filter. The experimental results indicate agreement with simulations. The study points out to a new numerical methodology for the project and analysis of acousto-optic devices based on multicore fibers, which enables the application of these devices in attenuation filters, channel switches, sensors and couplers.

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 apresenta o desenvolvimento de um sistema de sensoriamento tátil com transdutores de rede de Bragg em fibra ótica capaz de detectar até quatro cargas aplicadas simultaneamente em diferentes posições, utilizando a técnica de sensoriamento compressivo. Seis redes de Bragg, encapsuladas em borracha de silicone com auxílio de um molde confeccionado através de uma impressora 3D, formam a matriz de sensores táteis. Apresentam-se às respostas e sensibilidades do sensor com respeito às deformações mecânicas longitudinais e variações de temperatura. Por fim, apresentam-se os resultados obtidos durante os testes de mapeamento de forças aplicadas na matriz de sensores dividida em oito regiões de sensoriamento. Os resultados mostram SNRs médias maiores do que 19 dB e erros relativo médio menores que 10,5 %. Em adição, mostra-se o funcionamento da matriz de sensores táteis quando são aplicadas forças táteis por meio dos dedos da mão. This work describes the development of a tactile sensing array instrumented with fiber Bragg gratings. The system can detect up to four loads simultaneously applied on the array in different positions by using compressive sensing. The sensing array is composed of six Bragg gratings encapsulated in a sheet of silicone elastomer with the aid of a mold manufactured with a 3D printer. Response and sensitivity to applied loads and temperature changes, were assessed for one encapsulated FBG. Results obtained in tests of force mapping with the sensor array divided into eight sensing areas are presented. Average SNR higher than 19 dB and relative mean errors less than 10.5 % were obtained. The ability of the sensor array to detect forces applied by the finger tips is also demonstrated.

Neste trabalho é relatado o desenvolvimento de um método para caracterização de movimentos mandibulares e forças de mordida baseados em redes de Bragg em fibras óticas. As redes são inseridas em dispositivos interoclusais, normalmente utilizados para alívio de sintomas causados por hábitos parafuncionais, como bruxismo do sono, e/ ou alterações oclusais. Os sensores são posicionados nos primeiros molares maxilares na região dos pontos de contato com os dentes antagonistas. Os experimentos foram realizados in vivo por um paciente com bruxismo do sono e os sensores foram utilizados para medir movimentos mandibulares. A caracterização de distribuição de forças nos dispositivos é realizado usando diferentes movimentos induzidos pelo voluntário. São investigados dois dispositivos interoclusais diferentes, sendo um resiliente e outro rígido, através dos resultados obtidos com os sensores. Análise de fadiga muscular é realizada no paciente usando um dispositivo interoclusal resiliente. Forças máximas de mordida são utilizadas para induzir rápida exaustão para a análise de fadiga. Além disso, os sensores também são usados para monitorar a distribuição da força no voluntário com bruxismo que utiliza um dispositivo interoclusal resiliente durante o sono. Os resultados indicam que o método proposto é uma potente ferramenta para a caracterização de dispositivo interoclusais e para a investigação de problemas parafuncionais como fadiga e bruxismo. In this work we report the development of a method to characterize mandibular movements and bite force based on Bragg Gratings in optical fibers. The gratings are inserted in to the occlusal splints, usually used to treatment of muscle pain resulting from parafunctional habit and or occlusal alterations. The sensors are positioned in the maxillary first molars regions above the points of contact with opposing teeth. The experiments are realized in vivo by patients with occlusal parafunction and the sensors are used to measure different jaw movements. The characterizations of the force distribution in the splints are realized by using different movements induced by the volunteer. Two different occlusal splints are investigated, resilient and rigid splints, through the obtained results with the sensors. The analysis of muscle fatigue is performed with a patient that wears a resilient occlusal splint. Maximum bite forces are used to induce rapid exhaustion for the analysis of fatigue. In addition, sensors are also used to monitor the force distribution in a volunteer with bruxism that wear a resilient occlusal splint during sleep. The results indicate that the proposed method is a powerful tool for the characterization of occlusal splints and for the investigation of parafunctional problems like fatigue and bruxism.

Orientador: Cristiano Monteiro de Barros Cordeiro Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin Resumo: No trabalho aqui apresentado, fibras ópticas especiais foram fabricadas e estudadas para fins de sensoriamento de corrente elétrica e campo magnético. Primeiramente, propusemos e fabricamos uma fibra óptica especial com dois tipos de birrefringência: linear e circular. Para a adição de birrefringência linear, um padrão de buracos levemente assimétrico, de modo a produzir um núcleo elíptico, foi empregado. Para a adição de birrefringência circular, adotamos a estratégia de imprimir uma torção na fibra durante sua fabricação. Essa fibra óptica especial foi modelada, fabricada e analisada teórica (método dos elementos finitos) e experimentalmente (modos guiados, perda, birrefringência) A aplicação da fibra especial com taxa de torção como sensor de corrente elétrica se baseou no efeito Faraday, em que a luz tem seu estado de polarização alterado ao atravessar uma região sob a influência de um campo magnético. Para o estabelecimento do sensor foi utilizado um método de interrogação polarimétrico com luz linearmente polarizada. Obtivemos uma sensibilidade de (1,00 ± 0,04) x 10-5 A-1 e, mais importante, demonstramos que o procedimento de adicionar birrefringência circular à fibra torna-a menos sensível a perturbações externas, em especial, ao efeito da birrefringência linear induzida pela curvatura da fibra. Ainda no âmbito de sensoriamento de corrente elétrica e campo magnético, discutimos alguns sensores utilizando fibras convencionais, com redes de Bragg e filmes finos de terfenol-D (material magnetostritivo). Por fim, desenvolvemos um sensor de temperatura empregando uma fibra capilar com núcleo imerso na parede (embedded-core fiber) e preenchida com material metálico (índio). Com este sensor, obtivemos uma sensibilidade de (8,40 ± 0,06) nm.°C-1, valor comparável aos mais elevados encontrados na literatura Abstract: In this work, specialty optical fibers were developed and studied for electric current and magnetic field sensing. First we proposed and fabricated an optical fiber with linear and circular birefringences. To create the linear birefringence a slightly asymmetric pattern of air holes was used to produce an elliptical core. In order to add circular birefringence to the fiber we developed a mechanism to spun the fiber during its fabrication. This specialty optical fiber was theoretically (finite elements method) and experimentally (guided modes, loss and birefringences) analyzed. Using the spun fiber as an electric current sensor was based on the Faraday effect, where light has its polarization changed when travelling through a region under the influence of a magnetic field. To establish the sensor we used a polarimetric interrogation system with linearly polarized light. Here we obtained a sensitivity of (1,00 ± 0,04) x 10-5 A-1 and, most importantly, we demonstrated that the procedure of adding circular birefringence to the fiber makes it less sensitive to external perturbations, such as the effect of the linear birefringence induced by curvature. Regarding electric current and magnetic field sensing, we studied some configurations using a conventional optical fiber, with an inscripted FBG and a thin film of magnetosctrictiv material, terfenol-D. Finally, we developed a temperature sensor by employing a embedded-core fiber filled with índium. With this sensor we obtained a sensitivity of (8,40 ± 0,06) nm.°C-1, which is comparable to the highest reported values Doutorado Física Doutor em Ciências CAPES 797088/2009

CAPES O presente trabalho tem por objetivo apresentar uma nova técnica de instrumentação para estudo dos diferentes tipos de andaduras realizadas por equinos, utilizando sistemas baseados na tecnologia de sensoriamento ótico quase-distribuído, redes de Bragg em fibra ótica-FBG. Essa técnica poderá ser usada como ferramenta auxiliar de diagnóstico precoce de lesões relacionadas ao sistema locomotor do cavalo, principalmente na porção distal do dígito, uma das causas mais comuns de aposentadoria destes quando atletas. São apresentadas, portanto, duas técnicas de instrumentação in vivo: a primeira t´técnica consiste na fixação de FBGs sem encapsulamento, diretamente na parede dorsal do casco em cada um dos membros de três cavalos atletas em treinamento; a segunda técnica apresentada ´e o desenvolvimento de um protótipo sensor com formato de ferradura encapsulado em material compósito reforçado com fibra de carbono, este método foi utilizado na instrumentação de dois equinos também em fase de treinamento. O primeiro método permite avaliar o comportamento do casco em diferentes fases da passada, durante as andaduras passo e trote. A segunda técnica, com o elemento sensor encapsulado, permite avaliar diferentes tipos de andadura, como passo, trote e galope sob condições de treinamento. Estas duas técnicas de instrumentação, utilizando sensores FBGs, se mostram promissoras para o estudo clínico e biomecânico de equinos, em avaliações m´médicas ou até mesmo durante treinamentos ou competições. The main goal of this paper is to study the viability of the application of the system based on the optic sensing almost distribute (Fiber Bragg Gratings-FBG) technology, to study different kinds of equine gaits and how it is a possible helpful tool to early diagnose of injuries related to the locomotor system of the horse, mainly the distal part of the digit, which is one of the most common reasons for retire of athlete horses. Two different technics are presented in vivo: The first one consists in the attachment of the FBGs without encapsulation, directly on the wall of the hoof of each member of three athlete horses during training; the second technic presented, is the development of a prototype sensor with the same form of a horse shoe, encapsulated in a composite material reinforced with Carbon Fiber, this method was used in two horses during training as well. The first method allowed evaluate the behavior of the hoof in different phases of the horse gaits, such as walk and trot. The second technic, with the sensor element now encapsulated, allowed to evaluate different types of equine gaits, like walk, trot and run under training conditions. Both of the instrumentation using FGBs sensors technics were considered promising to clinical and biomechanics equine study in the medical evaluations or even during training or competition.

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 Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR) Nanopartículas (NPs) metálicas são uma classe importante de nanomateriais que têm fascinado cientistas pelas suas propriedades ópticas extraordinárias devido sua ressonância plasmônica de superfície. A frequência dessa ressonância depende fortemente do tamanho, forma, interações entre partículas vizinhas, propriedades dielétricas e meio em que as NPs se encontram. Sendo assim, as NPs tornaram-se materiais importantes para aplicações em sensoriamento óptico, pois podem melhorar a sensibilidade e, também, a seletividade desses sensores. Neste trabalho é reportado o crescimento de nanocompósitos formados por nanopartículas de prata (AgNPs) recobertas pelo complexo β-dicetonato de európio, [Eu(tta)3(H2O)2], em que o ligante tta é o β-tenoiltrifluoracetonato, em um substrato de sílica para futura aplicação em sensores de fibra óptica. Especificamente, esse trabalho oferece a oportunidade de estudar a interação entre a SPR das AgNPs e a fluorescência do complexo luminescente, bem como as mudanças nas propriedades ópticas do material como a intensificação da fluorescência pela presença da superfície metálica nanoparticulada (metal enhanced fluorescence - MEF) ou ainda a intensificação da absorção. Os resultados obtidos pelas caracterizações realizadas pelas técnicas de DRX, FT-IR e MET indicam que a rota química de síntese do nanocompósito proposta mostrou-se funcional e, além disso, os resultados obtidos por espectroscopia UV-Vis e por fotoluminescência mostraram a existência da interação entre a banda de absorção do complexo e a banda de absorção plasmônica das AgNPs. Nos espectros UV-Vis, foram observados deslocamentos para valores de maiores comprimento de onda da banda do complexo referente a transição π-π* do ligante tta, devido à interação eletromagnética entre as AgNPs e o [Eu(tta)3(H2O)2], quando as moléculas do complexo recobrem de maneira organizada a superfície das NPs, formando agregados J. Nos espectros de emissão, essa interação converteu-se em supressão da luminescência pela concentração do complexo, ou seja, pela perda de energia caracterizada pela formação de agregados J na superfície das AgNPs e, também, pela a perda de energia para a superfície metálica, competição de absorção entre as AgNPs e o complexo de európio no comprimento de onda de excitação. No entanto, quando a concentração do complexo é cerca de 10 vezes maior, foi observada a intensificação da luminescência, pois a SPR excita os emissores de luz próximo ao metal, por interações dipolo-dipolo. Sendo assim, as propriedades ópticas dos nanocompósitos estudados aqui mostram que tais materiais são excelentes candidatos para aumentar a sensibilidade dos sensores baseados em fibras ópticas. Metallic nanoparticles (NPs) are an important class of nanomaterials that have fascinated scientists due to their extraordinary optical properties owing to their surface plasmon resonance (SPR). The SPR frequency is strongly dependent of the size, shape, interparticle interactions, dielectric properties and local environment of the nanoparticle. Therefore, NPs have been recognized in optical sensors application mainly due to their high sensitivity and selectivity displayed on devices. Herein, we report the growth of a nanocomposite formed by silver nanoparticles (AgNPs) coated with europium complex, [Eu(tta)3(H2O)2], onto the surface of silica substrate. For future application in fiber optic sensors. Specifically, this work offers the opportunity to study the interaction between the SPR of the AgNPs and the fluorescence of the luminescent complex and the changes in the optical properties of the material such as metal enhanced fluorescence (MEF) or the intensification of the absorption. The proposed route of synthesis of the nanocomposite was functional and the results showed the existence of the interaction between the complex absorption band and the surface plasmon band of the AgNPs. In the UV-Vis spectra, red shifts of the π-π* absorption were observed due to electromagnetic interaction between AgNPs and [Eu(tta)3(H2O)2] when the complex cover the surface of the NPs in an organized way (J-aggregates). In photoluminescence spectra, this interaction quenched the luminescence by concentration, that is, by the loss of energy characterized by the J-aggregation on the surface of the AgNPs and by the loss of energy for the metal surface due to absorption competition between the AgNPs and the europium complex. However, when the concentration of the complex is higher, metal enhanced fluorescence was observed because the SPR excites the light emitters near the metal, by dipole-dipole interactions. Thus, the optical properties of the nanocomposite studied here show that this material is an excellent candidate for increasing the sensitivity of the sensors.

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

Essa dissertação apresenta o trabalho de pesquisa que teve como foco o estudo de sólitons em sistemas não-integráveis governados por modelos efetivos de equações diferenciais parciais (EDPs) de dimensão (1+1), isto é, uma dimensão espacial e uma temporal. Na linha de pesquisa principal, foi considerado um modelo de dois campos dado por equações de Schrödinger com não-linearidade logarítmica e acoplamento linear, em que foram investigados os principais aspectos da colisão de dois sólitons gaussianos (gaussons), considerando a estabilidade das soluções, seus mecanismos de interação e a regularidade do espalhamento. O estudo de colisões de gaussons nesse modelo foi realizado a partir de duas abordagens: semianalítica (modelo variacional/reduzido) e simulação numérica direta. Para o sistema considerado nesse trabalho, as duas abordagens renderam resultados semelhantes que revelam a existência de uma dinâmica caótica e fractal envolvendo as condições iniciais e as propriedades pós-colisionais dos sólitons, que foi constatada pela análise das correlações entre os parâmetros de entrada e saída. Os padrões fractais são constituídos por janelas de regularidade, cujo posicionamento segue uma regra bem definida que foi obtida via um modelo de linearização que se mostrou muito semelhante nas duas abordagens (i.e., a distribuição de janelas foi bem descrita variacionalmente). Em tais janelas a dinâmica de colisão dos sólitons deixa de ser caótica (colisão regular), tornando-se previsível e bem definida, por isso a largura dessas janelas fornece as condições em que o controle da interação é possível. Além disso, pela análise da dinâmica dos parâmetros variacionais do modelo reduzido e das quantidades físicas mais relevantes na abordagem exata via EDPs (energia total cinética e potencial), verificou-se que essas janelas surgem devido a um mecanismo ressonante de troca de energia entre os modos translacionais e vibracionais dos sólitons. Pelo estudo da estabilidade linear das ondas solitárias, verificou-se que os modos vibracionais decorrem de oscilações de forma induzidas por modos internos e também, possivelmente, por modos de instabilidade excitados durante as colisões. Constatou-se que essas oscilações são bem definidas em todas as colisões regulares. A viabilidade do método variacional no sistema estudado se deve à adequada descrição dos modos vibracionais pelo modelo reduzido e à baixa influência da radiação não-linear emitida sobre os processos de colisão regulares encontrados via simulações diretas. This dissertation presents the research that was focused on the study of solitons in nonintegrable systems governed by effective models of partial differential equations (PDEs) of (1+1) dimensions, that is, one spatial and one time dimension. In the main research line, we considered a model of two fields given by nonlinear Schrödinger equations with logarithmic nonlinearity and linear coupling, the main aspects of the collision dynamics of two Gaussian solitons (gaussons) were investigated, addressing the stability of the solutions, the interaction mechanisms, and the regularity of the scattering. The study of gaussons collisions in this model was performed via two approaches: semianalytic (variational/reduced model) and direct numerical simulation. For the system considered in this work, both approaches provided similar results which revealed the existence of a chaotic and fractal dynamics involving the initial conditions and the post-collisional properties of the solitons, which were verified by the analysis of the correlations between the input and output parameters. The fractal patterns are constituted by regularity windows that are positioned accordingly to a well defined rule, which was obtained via a linearization model that was found to be very similar in both approaches (i.e., the windows arrangement was well described by the variational model). In such windows the solitons collision dynamic turns out to be not chaotic (regular collision), it becomes predictable and very well defined, hence the width of these windows provides the conditions in which the control of the interaction is possible. Besides, by analyzing the dynamics of the variational parameters of the reduced model and also the dynamics of the most relevant physical quantities in the exact approach via PDEs (namely the total kinetic and potential energies), we attested that these windows arise due to a resonant mechanism of energy exchange between translational and vibrational soliton modes. By studying the linear stability of the solitary waves, we proved that the vibrational modes originate from shape oscillations induced by internal modes and also, possibly, by instability modes excited during the collisions. We verified that these oscillations are well defined in all regular collisions. The viability of the variational method in the system studied is due to the suitable description of the vibrational modes by the reduced model, and also the low influence of the emitted nonlinear radiation in the regular collision processes found in the direct simulations. Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq

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

Finep; CAPES; CNPq; FA; ANEEL; ENGIE; Esta tese apresenta aplicações de redes de Bragg em fibra óptica (FBG) para medição de parâmetros em máquinas elétricas. Os resultados apresentados permitem explorar novas técnicas de instrumentação que mostram o potencial de utilização de FBGs em ambientes industriais, como a medição de temperatura em uma usina hidrelétrica, e de investigação em laboratório, como no estudo da deformação dinâmica do estator de motores de indução. As técnicas de instrumentação apresentadas podem ser utilizadas isoladamente ou integradas, de forma a obter uma instrumentação multiparamétrica em usinas hidrelétricas ou em ambientes industriais que utilizam motores de indução em seu processo produtivo. A tese é organizada em forma de coletânea de artigos científicos, os quais apresentam a medição de temperatura e determinação de um modelo térmico de uma ponte retificadora utilizada para ajustar a corrente de campo do rotor de um gerador, um sensor de campo magnético, medição da deformação dinâmica do estator de motores de indução e caracterização de um acelerômetro óptico biaxial. Os resultados para medição de temperatura nos tiristores utilizados na ponte retificadora mostram a dependência entre temperatura e corrente de excitação, onde oscilações de corrente levam a oscilações de temperatura. O ajuste a partir do modelo térmico desenvolvido para o sistema apresenta um erro de 1,5oC em comparação com as medidas pelas FBGs. O sensor de campo é baseado na magnetostricção, sendo utilizadas duas FBGs. Uma delas para medição de deformação e outra para compensação de temperatura. No sensor de campo é apresentada a variação da resposta em função da temperatura, onde a magnetoestricção apresenta comportamento não-linear e sua saturação também varia em função temperatura. A medida de deformação do estator empregando as FBGs apresenta uma boa relação sinal ruído, com 80 dB para a harmônica fundamental, e as frequências observadas na vibração são as esperadas teoricamente. Além disso, com a utilização de duas FBGs pode-se observar a natureza girante da força magnética do entreferro. A medição de deformação do estator trata-se de uma técnica de análise inovadora, sendo a principal contribuição desta tese. Os resultados obtidos com a medida de deformação do estator são utilizados para validar as medidas de vibração de um acelerômetro óptico biaxial utilizado em um motor de indução. O acelerômetro óptico biaxial é insensível à variação de temperatura, podendo ser aplicado para medição de vibração em máquinas elétricas. This paper presents the application of fiber Bragg gratings (FBG) for parameters measurement in electrical machines. The results allow to explore new instrumentation techniques and show the potential for industrial applications, presenting the measurement in an hydroelectric power plant, and laboratory research, such as the dynamic stator strain measurement. Each instrumentation technics presented in this paper has a potential to use isolated or integrated in order to obtain a multiparameter instrumentation in hydroelectric power plants or industrial environments that using induction motors in its production process. This paper is organized in a collection of articles, and the FBG applications are the temperature measurement and simulation of a rectifier bridge used to adjust the rotor field current of a power generator, a magnetic field sensor, , a biaxial optical accelerometer and the measurement of the stator dynamic strain of an induction motor. The results for the thyristor temperature measurement show the dependence of temperature and excitation current, where current oscillations lead to temperature fluctuations. The simulation of the thermal model presents a 1.5oC error compared to measures by the FBGs. The field sensor is based on magnetostriction, property where the magnetic material undergo deformation in the presence of a magnetic field. For this sensor are used two FBGs for temperature measurement and deformation in Terfenol-D, material with magnetostrictive properties. In the magnetic field sensor the response is a function of temperature, where the magnetostriction and saturation presents non-linear behavior varies as a function of temperature. Stator strain measurement using the FBGs has a good relationship signal noise, 80 dB for the fundamental harmonic and the observed frequencies in the vibration are theoretically expected. Moreover, with the use of two sensors can be determine the rotating nature of the air gap magnetic force. Finally, the biaxial optical accelerometer does not have is insensitive to temperature variations and can be applied for measuring vibration in electrical machines.

CAPES Neste trabalho são apresentados os resultados numéricos e experimentais de refratômetros baseados em redes de Bragg produzidos em fibras óticas multimodo. O desempenho dessas redes é comparado com o desempenho de redes tradicionais gravadas em fibras óticas monomodo. Para que as redes apresentem sensibilidade ao índice de refração elas são submetidas à corrosão química e após esse processo a fibra ótica monomodo apresentou um diâmetro de (18,08 ± 0,01) m, enquanto que a fibra ótica multimodo apresentou um diâmetro de (17,10 ± 0,10) m. Os resultados deste estudo mostraram que as redes de Bragg gravadas em fibras óticas multimodo apresentaram maior sensibilidade ao índice de refração externo, bem como maior faixa dinâmica, em relação às redes gravadas em fibras óticas monomodo. Determinou-se experimentalmente uma sensibilidade de 41,9 nm/UIR para a rede gravada em fibra multimodo, contra uma sensibilidade de 1,3 nm/UIR para a rede gravada em fibra monomodo, sendo que tais sensibilidades foram obtidas para um índice de refração de 1,4656. O uso de fibras óticas multimodo conferiu maior sensibilidade ao sistema, além de ter proporcionado aumento da robustez mecânica em função dos maiores diâmetros empregados, quando comparados às fibras óticas monomodo com sensibilidade similares. Os dispositivos estudados foram aplicados na determinação da concentração de óleo vegetal na mistura óleo-biodiesel, que é um dos parâmetros de qualidade do processo de produção e distribuição do combustível. Os resultados obtidos mostram que utilizando o modo 1 é possível obter uma resolução de 2,11% v/v quando a concentração de óleo se aproxima de 0,00% e 0,28% v/v para 70% v/v de concentração de óleo. Caso a análise seja realizada utilizando o modo 2 a resolução obtida é de 1,37% v/v quando a concentração de óleo se aproxima de 0,00% e 0,13% v/v para 60,51% v/v de concentração de óleo. In this work are reported the experimental and numerical results of a refractometer based on fiber Bragg gratings produced on multimode optical fibers. The performance of the gratings inscribed in multimode optical fibers is compared with the gratings inscribed in single mode optical fibers. In order to become sensitive to the external refractive index, the gratings were subdued to a chemical etching process, after which the single mode fiber presented a (18.08 ± 0.01) m diameter while the multimode fiber presented a (17.10 ± 0.10) m diameter. The results of this study showed that the gratings inscribed in multimode optical fibers presented a higher sensitivity to the external refractive index, and a broader dynamic range as well, when compared with the gratings inscribed in single mode optical fibers. Experimental results showed a 41.9 nm/RIU sensitivity for gratings inscribed in multimode optical fibers and a 1.3 nm/RIU sensitivity for gratings inscribed in single mode optical fibers, being both fibers exposed to a 1.4656 external refractive index. Multimode optical fibers provided an increase in the system sensitivity, and a mechanical robustness improvement as well, due to the higher optical fibers diameters employed when compared with single mode optical fibers with similar sensitivities. The devices were used to determine the vegetal oil concentration of oil-biodiesel blends, which stands as a quality parameter for the fuel production and distribution. The results showed that the mode 1 allowed a resolution of 2.11% v/v for 0.00 % of oil concentration and 0.28 % v/v when oil concentration was 70.00% v/v. Analysis performed with mode 2 showed a resolution of 1.37% v/v for 0.00 % of oil concentration and 0.13 % v/v when oil concentration was 60.51% v/v.

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.

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

CNPQ O presente trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um biosensor, utilizando redes de Bragg em fibras óticas, capaz de mensurar deformações em tecido ósseo. Inicialmente foram realizados testes de esterilização e desinfecção com sensores, após o processo completo, os sensores foram testados quanto a sua sensibilidade. Com isso os métodos de esterilização e desinfecção autoclave, óxido etileno, hipoclorito de sódio, cloramina T e ácido peracético, foram eficazes para eliminação e ou inativação dos microrganismos, sem que haja alterações no comportamento das FBGs. Com isso definem-se métodos aplicáveis para possíveis estudos, onde fibras óticas foram implantadas em animais in vivo para estudos de comportamento metabólico com a presença de materiais inorgânicos. Na continuidade dos trabalhos foram realizados testes de compatibilidade de fibras óticas inseridas no tecido subcutâneo de ratos. Baseado na análise descritiva dos cortes histológicos pode-se concluir que as fibras ópticas sem revestimento e com revestimento foram biocompatíveis quando implantadas em subcutâneo de ratos. Sendo assim, foi possível contemplar o desenvolvimento de um sensor baseado em redes de Bragg em fibras óticas para implantação direta no tecido ósseo. Posteriormente foram realizados testes-piloto para o desenvolvimento da metodologia de construção e implante no desenvolvimento de biosensores. Com todo o trabalho feito até à data, o desenvolvimento e construção de um biosensor que foi implantado in vivo foi possível. O biossensor foi fixado na região mandibular de um bovino quatro meses de idade. Uma semana após a implantação, os animais receberam diferentes tipos de alimentos e foi monitorizada durante a ingestão de alimentos. Com as deformações medidas foi possível a análise dos diferentes padrões mastigatórios e diferentes magnitudes de força e frequência mastigatória que o animal desempenhada durante o processo de mastigação. This study aims to develop a biosensor using Bragg gratings in optical fibers, capable of measuring deformation in bone tissue for this took a lot of work. Initially sterilization and disinfection with sensors tests were performed after the entire process, the sensors were tested for their sensitivity. In the same study methods of sterilization and disinfection have been tested to assess its efficiency. Thus methods of sterilization and disinfection autoclave, ethylene oxide, sodium hypochlorite, chloramine T and peracetic acid were effective for removing or inactivating microorganisms and, without changes in the behavior of the FBGs. With this set up methods applicable for possible studies, where optical fibers are implanted in in vivo animal studies metabolic behavior in the presence of inorganic materials. Continuing the work was carried out optical fiber compatibility tests inserted in the subcutaneous tissue of rats. Based on the descriptive analysis of histological sections can be concluded that the optical fiber uncoated and coated were biocompatible when implanted in rat subcutaneous tissue. Thus it is possible to contemplate the development of a sensor based on Bragg gratings in optical fibers for direct implantation into the bone tissue. Following on from the work were carried out pilot tests for development of construction methodology and implant in biosensor development. With all the work done to date, the development and construction of a biosensor that was implanted in vivo was possible. The biosensor was fixed in the mandibular region of a bull four months old. A week after implantation, the animal received different types of food and was monitored during the intake of foods. With the deformations measured parse the different masticatory patterns and different magnitudes of force and masticatory frequency that the animal developed during the chewing process completing the objectives of this study.

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

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

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Neste trabalho foi desenvolvido um software para ser embarcado em um sistema autônomo baseado em arquitetura ARM, como o objetivo de detecção da posição de picos de um espectro refletido por uma rede de Bragg gravada em fibra óptica (FBG) e interrogadas pelo Interrogador comercial I-MON. O software foi desenvolvido para ser embarcado em uma plataforma pcDuino o qual permite o monitoramento em tempo real e os dados podem ser visualizados em uma interface gráfica. Para detecção da posição dos picos foi aplicado um algoritmo que aproxima os dados experimentais por uma função gaussiana através do método dos mínimos quadrados. O sistema foi caracterizado a partir do monitorado da temperatura sobre a superfície de uma célula termoelétrica, as leituras foram realizadas entre 0°C e 100°C. Comparando a posição do pico de Bragg registrada com o sistema desenvolvido e com o software Ext_Evaluation disponibilizado pelo fabricante do interrogador I-MON, verifica-se diferença média de aproximadamente 0,010 nm. A diferença média na posição do pico de Bragg é superior a resolução de 0,5 pm informada pelo fabricante do interrogador I-MON. Contudo, geralmente interessa saber a variação na posição do pico de Bragg e não a sua posição absoluta no espectro. Assim, pode-se concluir que o algoritmo desenvolvido é eficiente na detecção da variação na posição do pico do espectro refletido por um sensor FBG. This work developed a software to be embedded in an autonomous system based on ARM architecture, as the goal of detecting the peak position of a spectrum reflected by a Bragg grating written to optical fiber (FBG) and interrogated by the commercial Interrogator I-MON 512 E. The software was developed for the ARM architecture using the pcDuino platform which allows real-time monitoring and the data can be viewed in a graphical interface. For detecting the position of the peaks was applied to an algorithm that approximates the experimental data by a Gaussian function by the method of least squares. The system is characterized from the monitored temperature on the surface of a thermoelectric cell readings were made between 0°C and 100°C. Comparing the position of the Bragg peak registered with the system developed and the Ext_Evaluation software provided by the manufacturer of the interrogator I-MON it appears the average difference is approximately 0,010 nm. The mean difference in the position of the Bragg peak is less than 0.5 pm resolution is informed by the manufacturer of the interrogator I-MON. However, usually interested in changes in position of the Bragg peak instead of on absolute position in the spectrum. Thus, it can be concluded that the proposed algorithm is effective detecting the variation in position of Bragg peaks using FBG sensors.

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

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

CAPES, CNPq), Fundação Araucária, Agência Nacional do Petróleo (ANP), FINEP Neste trabalho é apresentado um estudo sobre a aplicabilidade de sensores em fibra ótica baseados em redes de período longo como ferramentas para avaliar combustíveis líquidos. O estudo pautou-se em investigação experimental e no levantamento das principais características metrológicas dos sensores, incluindo a estimativa de incertezas segundo diretrizes recomendadas por organizações internacionais de padronização. Nesse sentido, investigou-se o desempenho dos sensores na determinação do teor de etanol presente em misturas etanol-gasolina. Os resultados obtidos mostraram que concentrações de etanol foram mensuradas nessas misturas com resolução de até 0,14% v/v. Adicionalmente, avaliaram-se os comportamentos dos sensores na identificação do teor de etanol em misturas etanol-água e propuseram-se dois métodos para que tais determinações fossem unívocas para toda a faixa de concentração de etanol. Nessa aplicação foi possível medir concentrações de etanol com resolução de até 0,17% v/v. Os sensores foram ainda empregados nas avaliações de biodiesel, de óleo de origem e de óleo diesel presentes em misturas binárias e homogêneas. Para tanto, três métodos foram desenvolvidos com o intuito de superar as limitações impostas pelos elevados índices de refração dessas substâncias, possibilitando quantificações sem demandar segregação de componentes ou fibras óticas especiais. Dessa maneira, viabilizou-se a identificação de teores de biodiesel em misturas biodiesel-óleo diesel com resolução de até 0,05% v/v. Por fim, implementou-se um método de interrogação de redes de período longo a partir da leitura de sinais de reflexão disponibilizados por uma rede de Bragg, o qual foi utilizado para avaliar misturas contendo óleo de origem e biodiesel. Nesse caso, as determinações dos teores de óleo foram realizadas com resolução de 0,10% v/v. This work shows a study about the applicability of optical fiber sensors based on long period gratings as tools for assessment of liquid fuels. The study was based on both experimental research and evaluation of the main metrological characteristics of the sensors, including the estimative of uncertainties according to guidelines recommended by international organizations for standardization. In a sense, it was evaluated the performance of sensors for determining the ethanol concentration in ethanol-gasoline blends. The results obtained showed that ethanol concentrations were measured in these mixtures with resolution up to 0.14% v/v. The use of the sensors to measure ethanol in ethanol-water blends was also investigated and two methods were proposed to establish the ethanol content without ambiguity for the whole ethanol concentration range. In this application it was possible to measure ethanol concentrations with resolution up to 0.17% v/v. Optical fiber sensors were also employed for evaluating biodiesel, vegetable oil and petrodiesel concentrations in binary and homogeneous mixtures. Three methods were developed in order to overcome the drawbacks imposed by the high refractive indices of these substances, allowing quantifications without requiring segregation of components or specialty optical fibers. Biodiesel concentrations could be identified in biodiesel-petrodiesel blends with resolution up to 0.05% v/v. Finally, an alternative method to interrogate long period gratings that employs the reflection provided by a fiber Bragg grating was implemented to evaluate mixtures of vegetable oil and biodiesel. In this case, oil concentrations were determined with resolution of 0.10% v/v.