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O vibrômetro proposto está baseado em um interferômetro de Michelson modificado, homódino e em malha fechada. A demodulação em tempo real é executada inteiramente em modo digital, utilizando uma plataforma embarcada que realiza a aquisição de dados, processamento dos sinais, controle PI (proporcional-integral) e a geração dos sinais que acionam o modulador de fase óptica (baseado em uma célula Pockels) e o atuador piezoelétrico sob estudo. Dois sinais em quadratura de fase são obtidos a partir de um único sinal interferométrico utilizando uma tensão de modulação principal e, em seguida, a conhecida técnica de multiplicação cruzada é aplicada para calcular a variação da fase óptica de interesse. A condição de quadratura é atingida pelo próprio controlador PI por meio da análise da figura de Lissajous dos sinais fora de fase. O novo vibrômetro óptico é capaz de medir deslocamentos nanométricos, e é simples, barato, exato, imune ao desvanecimento e auto-consistente. O controlador PI é robusto, uma vez que o método de demodulação é capaz de trabalhar com elevado ruído eletrônico, variações indesejáveis no ganho do amplificador e na tensão de meia-onda da célula Pockels com a temperatura e outras perturbações externas. O novo sistema foi utilizado para determinar a magnitude da resposta em frequência de dois protótipos de atuadores piezoelétricos flextensionais multiatuados. As medições foram feitas na faixa de frequências entre 500 Hz e 15 kHz, e os resultados concordaram com os obtidos pelo método de coincidência de sinais descrito em ISO 6063-41 usado em calibração primária de vibrômetros. A vibrometer to measure nanometric displacements is presented in this work. The proposed vibrometer is based on a modified closed loop homodyne Michelson interferometer. Real-time phase demodulation is carried out entirely in a digital mode, using an embedded platform that performs data acquisition, signal processing, PI (proportional-integral) control and the generation of signals that drive the electrooptic Pockels cell phase shifter and the piezoelectric actuator under test. Two phase quadrature signals are generated from a single interferometric output, using the interleaving action, in alternation, of a digitally generated principal modulating signal, and then the well-known cross-multiplication technique is applied to perform the computation of the phase shift of interest. The quadrature condition is reached by the PI control itself, using the length difference between the major axis and the minor axis of the ellipse formed by the Lissajous figure associated with the out of phase signals as the controller error signal. The new optical vibrometer is capable of measuring nanometric displacements, and is simple, inexpensive, accurate, immune to fading and self-consistent. The PI controller is robust, since the demodulation method is able to work under high electronic noise, undesirable variations in Pockels cell half-wave voltage with temperature, amplifier gain and other external entrances. The new method was used to determine the displacement frequency response curves of two prototypes of multi-actuated flextensional piezoelectric actuators. Measurements were made between 500 Hz and 15 kHz, and the results agreed with those obtained by the standard SCM-Signal Coincidence Method described in ISO 6063-41, which is used as primary calibration of vibrometers. CAPES: 001

Submitted by Luiz Henrique Vitti Felão (vitti.felao@unesp.br) on 2019-10-18T18:34:02Z No. of bitstreams: 1 Tese - Luiz Henrique _ Ficha catalografica e certificado.pdf: 14527750 bytes, checksum: 25dd6736699f2b3a16670850d5e79531 (MD5) Approved for entry into archive by Cristina Alexandra de Godoy null (cristina@adm.feis.unesp.br) on 2019-10-21T14:17:55Z (GMT) No. of bitstreams: 1 felao_lhv_dr_ilha_par.pdf: 1635750 bytes, checksum: 01089982efc8d5e4876ebea268d4da6b (MD5) Made available in DSpace on 2019-10-21T14:17:55Z (GMT). No. of bitstreams: 1 felao_lhv_dr_ilha_par.pdf: 1635750 bytes, checksum: 01089982efc8d5e4876ebea268d4da6b (MD5) Previous issue date: 2019-07-29 Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) Interferômetros são dispositivos de medição extremamente sensíveis, os quais utilizam o princípio de interferência entre duas ou mais fontes de luz para gerar um padrão de interferência construtiva e destrutiva. Este padrão contém informação sobre os fenômenos físicos sob estudo, e sua intensidade luminosa pode ser usada para calcular a diferença de caminho óptico acumulada pelos dois feixes de luz. A diferença de caminho óptico e a intensidade de luz são relacionadas por uma função cossenoidal. Grandes distúrbios podem alterar o ponto de operação do interferômetro, alcançando regiões não lineares da curva característica do interferômetro e até mesmo induzindo ambiguidades, devido à periodicidade da relação entrada/saída. Este trabalho preocupou-se com o modelamento, desenvolvimento e aplicação de uma estratégia de controle baseada em controle com modos deslizantes, em um interferômetro de dois feixes em quadratura. Foi utilizada a abordagem de alto ganho, a qual consiste em utilizar o sistema de controle para compensar completamente os deslocamentos de fase induzidos no braço sensor, de tal forma que o sinal de controle se relaciona com os deslocamentos de fase por uma equação de reta. Portanto o processo de demodulação não necessita de algoritmos de desdobramento de fase. O sistema implementado mostrou capacidade de melhorar a faixa dinâmica e largura de banda quando comparado com outros sistemas de controle na literatura, também baseados na abordagem de alto ganho. Destaca-se que um algoritmo de identificação de elipse foi aplicado no sistema, permitindo a correção da figura de Lissajous formada pelos sinais de saída do interferômetro, de uma elipse para um círculo. Portanto, o sistema estima o deslocamento de fase mesmo com erros na condição de quadratura. Um novo método de demodulação de fase óptica é proposto, aliando esta estratégia de controle com um interferômetro emulado virtualmente. Isto permite manter o interferômetro físico em malha aberta e recuperar a informação de deslocamento de fase a partir do sinal de controle do interferômetro virtual, trazendo considerável simplificação da instrumentação requerida. Sensores inerciais tais como acelerômetros e giroscópios podem se beneficiar deste sistema em dois pontos principais: a sensitividade pode ser aumentada sem limitar o fim de escala do sensor devido à relação proporcional entre o sinal de controle e o deslocamento de fase medido; o sistema pode ser implementado sem a necessidade de moduladores e circuitos de acionamento de PZT, reduzindo o custo, volume e peso. Interferometers are extremely sensitive measurement devices, which use the principle of interference between two or more sources of light to generate a pattern of constructive and destructive interference. This pattern contains information about the physical phenomenon under study, and their light intensity can be used to calculate the optical path difference traveled by the two beams. The optical path difference and light intensity relationship is given by a cosine type function. Large disturbances can change the interferometer operation point, reaching nonlinear regions of the interferometric curve and even inducing ambiguities due to the periodicity of the input/output relationship. The present work concerns with the modeling, development and application of a control strategy based on sliding mode control, in a two-beam quadrature interferometer. It was used the high gain approach, which consists in to fully compensate the phase shifts induced on the sensor arm with the control system, in such a way that the voltage control signal becomes proportional to the phase disturbances. Therefore, the demodulation process does not require phase unwrapping algorithms. This implemented system showed capability to improve dynamic range and bandwidth when compared with other control systems in literature that were based on different high gain approach topologies. Also a new method of interferometric phase demodulation is proposed allying this control strategy to a virtual emulated interferometer. This allows keeping the real interferometer in open-loop and retrieving the phase shift information from the control signal of the virtual closed-loop interferometer, thus leading to considerable simplification of the required instrumentation. An ellipse fitting algorithm was applied to the system, allowing the correction of the Lissajous figure formed by both output interferometric signals from an ellipse to a unitary circle. Therefore, the system estimates the phase shift even with quadrature mismatches. Inertial sensors such as accelerometers and gyroscopes can benefit from this system in two major points: first, the sensitivity can be increased without limiting the end of scale of the sensor due to the proportional relation of the voltage control signal and the measured phase shift; and second, the system can be implemented without the need of PZT feedback actuators or modulators and PZT driven circuitry, reducing cost, volume and weight of the sensors. FAPESP: 17/17235-1

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:22:31Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2010-11-30Bitstream added on 2014-06-13T20:49:10Z : No. of bitstreams: 1 takiy_ae_me_ilha.pdf: 1702331 bytes, checksum: b89d2b4960ee7bbc0e01a3a5d3e7a2be (MD5) Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) Neste trabalho estuda-se a interferometria laser, a qual constitui uma técnica adequada para determinar grandezas físicas com sensibilidade extremamente elevada. Basicamente, no interferômetro óptico, a informação a respeito do dispositivo sob teste é inserida na fase da luz. Utilizando-se o fotodiodo, promove-se a transferência de informação, do domínio óptico para o elétrico, no qual pode ser demodulada usando-se as várias técnicas disponíveis na literatura para detectar sinais modulados em fase. Ênfase é dada a um novo método de demodulação de fase óptica auto-consistente e de grande sensibilidade. Neste método, utiliza- se a modulação dada por uma forma de onda triangular e é baseado na análise do espectro do sinal fotodetectado, sendo capaz de estender a faixa dinâmica de demodulação a valores tão elevados quanto às dos métodos clássicos. Simulações dinâmicas computacionais de interferômetros ópticos são executadas em Simulink juntamente com este método, levando-se em consideração tensões de ruído eletrônico do tipo ruído branco, evidenciando a eficiência do método quando comparados com dados teóricos obtidos em Matlab. A validação experimental do método é realizada com o auxílio de um modulador eletro-óptico de amplitudes, cujas características de fase podem ser previstas analiticamente. Trata-se de um sensor polarimétrico baseado em cristal de Niobato de Lítio, em que a diferença de fase óptica induzida pela tensão elétrica aplicada pode ser determinada através de análise espectral, tal como o novo método descrito neste trabalho. Um interferômetro de Michelson homódino de baixo custo é implementado e a eficiência do novo método de demodulação de fase óptica é avaliada através de testes com atuadores e manipuladores piezoelétricos flextensionais, cujas características de linearidade são conhecidas... In this work, has been done a study the laser interferometer, which is a technique for determining physical quantities with extremely high sensitivity. Basically, in the optical interferometer, information about the device under test modulates the phase of light. Using a photodiode, promotes the transfer of information from the optical domain for the electric, which can be demodulated using the various techniques available in literature to detect modulated signals in phase. Emphasis is given to a new method of phase demodulation of optical self-consistent and high sensitivity. The method employs a linear modulation given by a triangular waveform, and is based on analysis of the spectrum of the photodetected signal, being able to extend the dynamic range of the demodulation values as high as the classical methods. Dynamic computational simulations of optical interferometers are implemented in Simulink with this method, taking into account strains of electronic noise like white noise, indicating the efficiency of the method compared with theoretical data obtained in Matlab workspace. The experimental validation of the method is performed with the aid of an electro- optic amplitude modulator, whose phase characteristics can be analytically predicted. This is a polarimetric sensor based on lithium niobate crystal, in which the optical phase difference induced by electric voltage can be determined by spectral analysis, using new method described in this work. A low cost homodyne Michelson interferometer is implemented and the efficiency of the new method of optical phase demodulation is evaluated by testing with piezoelectric flextensional actuators whose characteristics of linearity are well known.The experimental results agree with theoretical analysis and reveal this method is more efficient than the classical methods

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:22:31Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2009-05-25Bitstream added on 2014-06-13T18:08:24Z : No. of bitstreams: 1 menezes_jpc_me_ilha.pdf: 3284910 bytes, checksum: c8578da11e5d14cfc4d1f4eaaafb100b (MD5) Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) Atuadores piezoelétricos convertem energia elétrica em energia mecânica, sendo amplamente utilizados como transdutores de deslocamento micrométricos ou sub-micrométricos de elevada precisão. Neste trabalho, atuadores piezoelétricos flextensionais (APFs), projetados pelo método de otimização topológica, são caracterizados em termos de linearidade entre a tensão de excitação e o deslocamento gerado, bem como em termos de resposta em frequência, utilizando-se um interferômetro de Michelson homódino e em malha aberta. Interferômetros homódinos não realimentados têm seu desempenho prejudicado pelo fenômeno de desvanecimento, causado por perturbações ambientais espúrias que incidem aleatoriamente entre seus braços. Nesta dissertação, enfatizam-se métodos de demodulação de fase óptica baseados em relações envolvendo as componentes espectrais do sinal de saída do interferômetro que são imunes ao problema do desvanescimento. Dentre estes, destacam-se métodos clássicos como J1... J4, J1... J4 modificado, J1... J6 neg e J1... J6 pos. Estes métodos permitem a medição direta de deslocamentos microscópicos, sem a necessidade de qualquer procedimento de calibração. Além disso, não são afetados por instabilidades da fonte óptica, da responsividade do fotodiodo e da visibilidade das franjas de interferência. Contudo, apresentam reduzidas faixas dinâmicas de demodulação de fase. A fim de superar esta deficiência, investiga-se um método adicional de detecção direta, baseado na análise do espectro do sinal fotodetectado, exibindo todas as vantagens dos demais métodos, mas que é capaz de estender a faixa dinâmica de demodulação a valores tão elevados quanto 100 rad. Simulações computacionais são executadas com este método, levando-se em consideração o efeito do desvanecimento e tensões de ruído eletrônico do tipo 1/f, evidenciando... Piezoelectric actuators convert electrical energy into mechanical energy, being widely used as micrometric or sub-micrometric displacement transducer of high accuracy. In this work, piezoelectric flextensional actuators (PFA’s), designed by the topology optimization method, are characterized in terms of linearity between the drive voltage and the corresponding displacement, as well as in terms of frequency response, using a homodyne, open-loop, Michelson interferometer. Homodyne interferometers without feedback have their performance spoiled by signal fading, caused by spurious environmental disturbances that occur randomly between their arms. This thesis emphasizes methods of optical phase demodulation, based on relations involving the spectral components of the interferometer output signal, which are immune to signal fading. Among these methods, it is detailed here the classical ones, such as J1... J4, modified J1... J4, J1... J6 neg e J1... J6 pos. These methods allow direct measurements of microscopic displacements, free of calibration procedures. Besides, they are not affected by optical source oscillations, photodiode responsivity and interferometric fringe visibility. However, they have reduced dynamic range for phase demodulation. In order to overcome this, this work investigates an additional method for direct detection, based on spectral analysis drawback of the photodetected signal. The method has all the advantages of the others, but it is able to span its demodulation dynamic range to values as high as 100 rad. Numerical simulations are done using this method (considering the signal fading and the 1/f electronic noise voltage), showing its viability to characterize PFA’s. Experiments are performed in laboratory, involving tests with different PFA’s. The method validation is carried out with the aid of an electrooptic intensity modulator, whose phase characteristics can... (Complete abstract click electronic access below)