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2. High sensitivity fiber optic angular displacement sensor and its application for detection of ultrasound

Author

Sakamoto, João M. S., Kitano, Cláudio, Pacheco, Gefeson M., and Tittmann, Bernhard R.

Subjects
Physics - Instrumentation and Detectors
Abstract

In this paper, we report the development of an intensity modulated fiber optic sensor for angular displacement measurement. This sensor was designed to present high sensitivity, linear response, wide bandwidth and, furthermore, to be simple and low cost. The sensor comprises two optical fibers, a positive lens, a reflective surface, an optical source, and a photodetector. A mathematical model was developed to determine and simulate the static characteristic curve of the sensor and to compare different sensor configurations regarding the core radii of the optical fibers. The simulation results showed that the sensor configurations tested are highly sensitive to small angle variation (in the range of microradians) with nonlinearity less than or equal to 1\%. The normalized sensitivity ranges from $(0.25\times V_{\rm max})$ to $(2.40\times V_{\rm max})$ mV/$\mu$rad (where $V_{\rm max}$ is the peak voltage of the static characteristic curve) and the linear range, from 194 to 1840 $\mu$rad. The unnormalized sensitivity for a reflective surface with reflectivity of 100\% was measured as 7.7 mV/$\mu$rad. The simulations were compared with experimental results to validate the mathematical model and to define the most suitable configuration for ultrasonic detection. The sensor was tested on the characterization of a piezoelectric transducer and as part of a laser ultrasonics setup. The velocity of the longitudinal, shear, and surface waves were measured on aluminum samples as 6.43 mm/$\mu$s, 3.17 mm/$\mu$s, 2.96 mm/$\mu$s, respectively, with an error smaller than 1.3\%. The sensor proved to be suitable to detect ultrasonic waves and to perform time-of-flight measurements and nondestructive inspection, being an alternative to the piezoelectric or the interferometric detectors., Comment: 13 pages, 12 figures

Published
2017
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3. Geometrical parameter analysis of the high sensitivity fiber optic angular displacement sensor

Author

Sakamoto, João M. S., Pacheco, Gefeson M., Kitano, Cláudio, and Tittmann, Bernhard R.

Subjects
Physics - Optics
Abstract

In this work, we present an analysis of the influence of the geometrical parameters on the sensitivity and linear range of the fiber optic angular displacement sensor, through computational simulations and experiments. The geometrical parameters analyzed were the lens focal length, the gap between fibers, the fibers cladding radii, the emitting fiber critical angle (or, equivalently, the emitting fiber numerical aperture), and the standoff distance (distance between the lens and the reflective surface). Besides, we analyzed the sensor sensitivity regarding any spurious linear displacement. The simulation and experimental results showed that the parameters which play the most important roles are the emitting fiber core radius, the lens focal length, and the light coupling efficiency, while the remaining parameters have little influence on sensor characteristics. This paper was published in Applied Optics and is made available as an electronic reprint with the permission of OSA. The paper can be found at the following URL on the OSA website: http://www.opticsinfobase.org/ao/abstract.cfm?URI=ao-53-36-8436. Systematic or multiple reproduction or distribution to multiple locations via electronic or other means is prohibited and is subject to penalties under law., Comment: 10 pages, 12 figures

Published
2015
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4. Sparse Array Design Using the Genetic Algorithm for Optimizing the Radiation Pattern of Linear Arrays

Author

de Souza, Julio Cesar Eduardo, Prado, Vander Teixeira, Kitano, Cláudio, Higuti, Ricardo Tokio, Magjarevic, Ratko, Series Editor, Ładyżyński, Piotr, Associate Editor, Ibrahim, Fatimah, Associate Editor, Lackovic, Igor, Associate Editor, Rock, Emilio Sacristan, Associate Editor, Costa-Felix, Rodrigo, editor, Machado, João Carlos, editor, and Alvarenga, André Victor, editor

Published
2019
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10. Non-intrusive techniques to measure roll waves level evolving in a flume

Author

Maciel Geraldo de Freitas, Cunha Evandro Fernandes da, Sao Yuri Taglieri, Toniati André Luis, Fiorot Guilherme Henrique, Ferreira Fabiana de Oliveira, Kitano Cláudio, and Gonçalves Junior Vicente de Paula

Subjects
Environmental sciences, GE1-350
Abstract

An open-channel experimental set-up is presented in this paper as a tool for examining the presence of instabilities on free-surfaces flows of non-Newtonian fluid. When these flows occur in favorable conditions of inclination, discharge and rheological properties, the propagation of instabilities can evolve into a specific type of wave, known as roll waves. The experimental apparatus developed allows study of stabilized roll waves in many scenarios for non-Newtonian rheology fluids, thereby constituting a highly useful tool for the understanding and control of roll waves. The test fluid used in the experiments was carbopol gel which is rheometrically representative of the muddy material from natural disasters, such as mudflows. Two non-intrusive level measurement systems are proposed (ultrasonic transducer and laser-based absorption technique), and the efficiency of each technique is presented and discussed. Both methods presented relatively low-cost implementation, and calibration procedure assured the quality of the results. The results from the experimental set-up were in agreement in shape and amplitude.

Published
2018
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23. A simple interferometric method to measure the calibration factor and displacement amplification in piezoelectric flextensional actuators

Author

Barbosa, Francisco de Assis Andrade [UNESP], Nader, Gilder [UNESP], Higuti, Ricardo Tokio [UNESP], Kitano, Cláudio, Silva, Emílio Carlos Nelli, Universidade Estadual Paulista (Unesp), Instituto de Pesquisas Tecnológicas Centro de Metrologiade Fluidos, and Universidade de São Paulo (USP)

Subjects
Piezoelectric flextensional actuators, Cerâmica PZT, Interferômetros, Interferometers, Displacement measurement, Atuador piezoelétrico flextensional, PZT ceramics, Medição de deslocamento
Abstract

Submitted by Guilherme Lemeszenski (guilherme@nead.unesp.br) on 2013-08-22T18:58:40Z No. of bitstreams: 1 S0103-17592010000600003.pdf: 3446401 bytes, checksum: 40d6c0b735239ecbd57ff3b05b1b40c3 (MD5) Made available in DSpace on 2013-08-22T18:58:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 S0103-17592010000600003.pdf: 3446401 bytes, checksum: 40d6c0b735239ecbd57ff3b05b1b40c3 (MD5) Previous issue date: 2010-12-01 Made available in DSpace on 2013-09-30T19:54:32Z (GMT). No. of bitstreams: 2 S0103-17592010000600003.pdf: 3446401 bytes, checksum: 40d6c0b735239ecbd57ff3b05b1b40c3 (MD5) S0103-17592010000600003.pdf.txt: 43732 bytes, checksum: 14eae24f160240c3b864000bd67653c9 (MD5) Previous issue date: 2010-12-01 Submitted by Vitor Silverio Rodrigues (vitorsrodrigues@reitoria.unesp.br) on 2014-05-20T13:29:04Z No. of bitstreams: 2 S0103-17592010000600003.pdf: 3446401 bytes, checksum: 40d6c0b735239ecbd57ff3b05b1b40c3 (MD5) S0103-17592010000600003.pdf.txt: 43732 bytes, checksum: 14eae24f160240c3b864000bd67653c9 (MD5) Made available in DSpace on 2014-05-20T13:29:04Z (GMT). No. of bitstreams: 2 S0103-17592010000600003.pdf: 3446401 bytes, checksum: 40d6c0b735239ecbd57ff3b05b1b40c3 (MD5) S0103-17592010000600003.pdf.txt: 43732 bytes, checksum: 14eae24f160240c3b864000bd67653c9 (MD5) Previous issue date: 2010-12-01 Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) A interferometria laser constitui uma técnica consagrada para caracterizar atuadores piezoelétricos. Neste trabalho, utilizase um interferômetro de Michelson de baixo custo para mensurar o fator de calibração e a amplificação de deslocamento de um novo atuador piezoelétrico flextensional (APF), projetado através da técnica de otimização topológica. Um método simples, baseado na excitação do APF com sinal triangulare com baixa profundidade de modulação de fase óptica, permite realizara calibração absolutado interferômetro. Deslocamentos do APF para várias tensões de excitação são mensurados e a amplificação do deslocamento da piezocerâmica é determinada. A linearidade e a resposta em frequência do APF, até a frequência de 20 kHz, são avaliadas Laser interferometry is a well-established technique for the characterization of piezoelectric actuators. In this work, by using a low cost Michelson interferometer, the measurement of the calibration factor and the displacement amplification of a novel piezoelectric flextensional actuator (PFA), designed by using the topology optimization method, is performed. A simple method, based on small phase modulation depth when the PFA is driven by a triangular waveform, allows the absolute interferometer calibration. The free-displacement of the PFA for various drive voltages is measured and the displacement amplification is determined. The linearity and frequencyresponse of the PFA are evaluated up to 20 kHz Unesp Departamento de Engenharia Elétrica Instituto de Pesquisas Tecnológicas Centro de Metrologiade Fluidos EPUSP Departamento de Mecatrônica e de Sistemas Mecânicos Unesp Departamento de Engenharia Elétrica

Published
2010

40. A simplified and higher dynamic range version of the J1... J4 method for optical phase measurements.

Author

Marçal, Luiz A. P., Higuti, Ricardo T., and Kitano, Cláudio

Subjects
PHYSICAL measurements, PHASE shifters, ELECTRONIC modulators, ELECTRIC potential, PHYSICS experiments, DETECTORS
Abstract

A new and an improved version of the J1...J4 method for optical phase detection, named J1-J3 method, is described, which is more stable to phase drift and simpler for implementation than the original one. The sensor dynamic range is increased while maintaining the accuracy and the minimum detectable phase-shift. The method is experimentally validated by using an electro-optic intensity modulator. The agreement between theoretical and experimental results, based on the 1/f voltage noise, is demonstrated. © 2011 Wiley Periodicals, Inc. Microwave Opt Technol Lett, 54:387-392, 2012; View this article online at wileyonlinelibrary.com. DOI 10.1002/mop.26533 [ABSTRACT FROM AUTHOR]

Published
2012
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41. Open and Standardized Resources for Smart Transducer Networking.

Author

Rossi, Silvano R., de Carvaiho, Aparecido A., da Silva, Alexandre C. R., Batista, Edson A., Kitano, Cláudio, Santos Filho, Tércio A., and Prado, Thiago A.

Subjects
COMPUTER network architectures, TRANSDUCERS, JAVA programming language, NETWORK processors, COMPUTER interfaces, DATA transmission systems, COMPUTER systems
Abstract

IEEE 1451 standard is intended to address the smart transducer interfacing problem in network environments. Usually, proprietary hardware and software are a very efficient solution for implementing the aforementioned normative, although they can become expensive and inflexible. In contrast, the use of open and standardized resources for implementing the IEEE 1451 smart transducer interface standards is proposed in this paper. Tools such as Java and Phyton programming languages, Linux, low-cost programmable logic devices, personal computer resources, and Ethernet architecture were integrated to construct a network node based on the IEEE 1451 standard. The node can be used in systems based on the client-server communication model. The evaluation of the employed tools and experimental results are presented. [ABSTRACT FROM AUTHOR]

Published
2009
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42. Spectral domain approach applied to the analysis of planar waveguides in integrated electro-optic modulators with LNOI (Lithium Niobate Thin film on Insulator) substrates

Author

Lemes, Andryos da Silva, Universidade Estadual Paulista (Unesp), and Kitano, Cláudio [UNESP]

Subjects
Integrated electro-optic modulator, Modulador eletro-óptico integrado, Planar waveguides, Expressões de campo eletromagnético, Guias de onda planos, Abordagem de domínio espectral, Spectral Domain Approach, Substrato de LNOI, LNOI substrate, Electromagnetic field expressions
Abstract

Submitted by ANDRYOS DA SILVA LEMES (andryos.lemes@gmail.com) on 2020-10-22T18:26:53Z No. of bitstreams: 1 TESE - Andryos da Silva Lemes.pdf: 2603982 bytes, checksum: d95df5155ee443d72494fe6fd2b155c7 (MD5) Approved for entry into archive by Raiane da Silva Santos (raiane.santos@unesp.br) on 2020-10-22T23:08:15Z (GMT) No. of bitstreams: 1 lemes_as_dr_ilha_par.pdf: 1107125 bytes, checksum: 6896b649f2a24df80aaf86e13aeb3e68 (MD5) Made available in DSpace on 2020-10-22T23:08:15Z (GMT). No. of bitstreams: 1 lemes_as_dr_ilha_par.pdf: 1107125 bytes, checksum: 6896b649f2a24df80aaf86e13aeb3e68 (MD5) Previous issue date: 2020-09-17 A substituição da eletrônica convencional por componentes ópticos em aplicações de processamento óptico de sinal tem aumentado o interesse em integrar diferentes dispositivos fotônicos em um único chip. Por conseguinte, as pesquisas em circuitos fotônicos integrados têm se intensificado ao longo das últimas décadas. Desta forma, aumentou-se a necessidade de moduladores de fase óptica integrados que sejam escaláveis e de alta performance, com ampla largura de banda, compatibilidade com a fotônica baseada em silício e integração com a eletrônica CMOS. Neste contexto, o filme de Niobato de Lítio Sobre o Isolador (LNOI - Lithium Niobate Thin Film On Insulator) é uma plataforma promissora que surgiu e tem permitido a confecção de moduladores eletro-ópticos de maior eficiência. Sendo assim, neste trabalho aplica-se a consagrada técnica de Abordagem de Domínio Espectral (ADE) para a análise dos guias de onda planos em moduladores eletro-ópticos integrados com substratos de LNOI. As expressões de campo eletromagnético destes guias são obtidas e a formulação desenvolvida é submetida a testes, obtendo-se resultados em concordância com a literatura publicada. Os resultados numéricos indicam que o substrato de LNOI pode permitir a confecção de guias de onda CPW e CPS pouco dispersivos para uma faixa ampla de frequências e com impedâncias próximas de 50 Ω. Além disso, observou-se que a miniaturização do invólucro metálico pode estender a banda monomodo de operação quando comparada a dispositivos do tipo bulk. Mostrou-se que se pode obter moduladores eletro-ópticos com tensões de meia-onda de no máximo 5 V e com guias de onda de comprimentos inferiores ao da maioria dos dispositivos bulk comercialmente disponíveis. Verificou-se que a adição de uma camada de buffer-layer, além de evitar o contato da luz com os eletrodos, permite que se obtenham moduladores com bom casamento de velocidades entre o modo óptico e elétrico, o que resulta em modos fundamentais com respostas em frequência de modulação superiores a região monomodo. Por fim, os resultados sugerem que o modo-π fundamental do guia CPS possui curvas de dispersão pouco dispersivas até 1 THz, sendo que nos testes realizados não foram encontrados os gráficos típicos de transição modal que comumente estão associados às estruturas de óptica integrada. Desta forma, caso pesquisas futuras comprovem que não há acoplamento entre os modos fundamental e superiores, e garanta-se o estabelecimento de somente o modo fundamental no guia, poderia-se obter moduladores eletro-ópticos com respostas em frequência próximos a 900 GHz. Esta frequência está dentro da banda de terahertz, que é considerada a próxima fronteira para aplicações em sistemas de comunicação com banda extremamente larga. The replacement of conventional electronics by optical components in optical signal processing applications has increased the interest in integrating different photonic devices on a single chip. Therefore, researches in integrated photonic circuits have been intensified over the past few decades. In this way, the need for scalable and high performance integrated optical phase modulators, with wide bandwidth, compatibility with silicon-based photonics and integration with CMOS electronics has increased. In this context, Lithium Niobate Thin Film On Insulator (LNOI) is a promising platform that has emerged and enabled the production of more efficient electro-optic modulators. Thus, in this work the well-established technique of Spectral Domain Approach (SDA) is applied to planar waveguides analysis in integrated electro-optic modulators with LNOI substrates. Electromagnetic field expressions in these guides are obtained and the developed analysis is thoroughly tested, obtaining results in accordance to the literature, determined by other techniques. Numerical results indicate that LNOI substrate shows the possibility of manufacturing CPW and CPS presenting low dispersion for a wide range of frequencies and impedances close to 50 W. Besides, it was observed that the metallic box miniaturization can extend the single-mode band of operation when compared to bulk type devices. It has been shown that electro-optic modulators can be obtained with a maximum of 5 V half-wave voltages and waveguide length shorter than most of commercially bulk devices available. It was found that the addition of a buffer-layer, besides avoiding the contact of the light with the electrodes, it allows to obtain modulators with good velocity matching between optical and electrical modes, which results in fundamental modes with higher modulation frequency responses than the single-mode region. Finally, the results indicate that the CPS fundamental p-mode has low dispersion curves up to 1 THz and, in the performed tests, the typical modal transition curves, commonly associated to integrated optics structures, were not found. Thus, if future researches prove that there is no coupling between fundamental and superior modes, and if it can be guaranteed the establishment of only the fundamental mode in the guide, electro-optic modulators with frequency responses close to 900 GHz could be obtained. This frequency is within the terahertz band, which is considered the next frontier to be applied to communication systems applications with extremely broadband demand.

Published
2020

43. Optical phase detection method applied to polarimetric voltage sensor calibration

Author

Tobal, Flávio Henrique Fernandes, Universidade Estadual Paulista (Unesp), Galeti, José Henrique, and Kitano, Cláudio [UNESP]

Subjects
Interferometria, Instrumentação, Pockels cell, Measurement, Efeito Pockels, Phase measurement, Metrology, Medição, Interferometry, Sensor de alta tensão, Célula Pockels, Optoelectronics, High-voltage sensor, Metrologia, Optoeletrônica, Medição de fase, Pockels effect, Instrumentation
Abstract

Submitted by FLÁVIO HENRIQUE FERNANDES TOBAL (flaviotobal@yahoo.com.br) on 2020-03-30T18:19:34Z No. of bitstreams: 1 Dissertacao_Flavio_Tobal_Final_Parcial.pdf: 241701 bytes, checksum: fd37933da520cdf60dc11718b14f827f (MD5) Submitted by FLÁVIO HENRIQUE FERNANDES TOBAL (flaviotobal@yahoo.com.br) on 2020-03-30T18:19:34Z No. of bitstreams: 1 Dissertacao_Flavio_Tobal_Final_Parcial.pdf: 241701 bytes, checksum: fd37933da520cdf60dc11718b14f827f (MD5) Submitted by FLÁVIO HENRIQUE FERNANDES TOBAL (flaviotobal@yahoo.com.br) on 2020-03-30T18:19:34Z No. of bitstreams: 1 Dissertacao_Flavio_Tobal_Final_Parcial.pdf: 241701 bytes, checksum: fd37933da520cdf60dc11718b14f827f (MD5) Submitted by FLÁVIO HENRIQUE FERNANDES TOBAL (flaviotobal@yahoo.com.br) on 2020-03-30T18:19:34Z No. of bitstreams: 1 Dissertacao_Flavio_Tobal_Final_Parcial.pdf: 241701 bytes, checksum: fd37933da520cdf60dc11718b14f827f (MD5) Approved for entry into archive by Raiane da Silva Santos (raiane.santos@unesp.br) on 2020-03-31T19:56:58Z (GMT) No. of bitstreams: 1 tobal_fhf_me_ilha_par.pdf: 1042140 bytes, checksum: acfb845eb417001481ef9aa20dc73386 (MD5) Approved for entry into archive by Raiane da Silva Santos (raiane.santos@unesp.br) on 2020-03-31T19:56:58Z (GMT) No. of bitstreams: 1 tobal_fhf_me_ilha_par.pdf: 1042140 bytes, checksum: acfb845eb417001481ef9aa20dc73386 (MD5) Approved for entry into archive by Raiane da Silva Santos (raiane.santos@unesp.br) on 2020-03-31T19:56:58Z (GMT) No. of bitstreams: 1 tobal_fhf_me_ilha_par.pdf: 1042140 bytes, checksum: acfb845eb417001481ef9aa20dc73386 (MD5) Approved for entry into archive by Raiane da Silva Santos (raiane.santos@unesp.br) on 2020-03-31T19:56:58Z (GMT) No. of bitstreams: 1 tobal_fhf_me_ilha_par.pdf: 1042140 bytes, checksum: acfb845eb417001481ef9aa20dc73386 (MD5) Made available in DSpace on 2020-03-31T19:56:58Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tobal_fhf_me_ilha_par.pdf: 1042140 bytes, checksum: acfb845eb417001481ef9aa20dc73386 (MD5) Previous issue date: 2020-02-04 Made available in DSpace on 2020-03-31T19:56:58Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tobal_fhf_me_ilha_par.pdf: 1042140 bytes, checksum: acfb845eb417001481ef9aa20dc73386 (MD5) Previous issue date: 2020-02-04 Submitted by FLÁVIO HENRIQUE FERNANDES TOBAL (flaviotobal@yahoo.com.br) on 2020-03-30T18:19:34Z No. of bitstreams: 1 Dissertacao_Flavio_Tobal_Final_Parcial.pdf: 241701 bytes, checksum: fd37933da520cdf60dc11718b14f827f (MD5) Approved for entry into archive by Raiane da Silva Santos (raiane.santos@unesp.br) on 2020-03-31T19:56:58Z (GMT) No. of bitstreams: 1 tobal_fhf_me_ilha_par.pdf: 1042140 bytes, checksum: acfb845eb417001481ef9aa20dc73386 (MD5) Submitted by FLÁVIO HENRIQUE FERNANDES TOBAL (flaviotobal@yahoo.com.br) on 2020-03-30T18:19:34Z No. of bitstreams: 1 Dissertacao_Flavio_Tobal_Final_Parcial.pdf: 241701 bytes, checksum: fd37933da520cdf60dc11718b14f827f (MD5) Approved for entry into archive by Raiane da Silva Santos (raiane.santos@unesp.br) on 2020-03-31T19:56:58Z (GMT) No. of bitstreams: 1 tobal_fhf_me_ilha_par.pdf: 1042140 bytes, checksum: acfb845eb417001481ef9aa20dc73386 (MD5) Made available in DSpace on 2020-03-31T19:56:58Z (GMT). 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No. of bitstreams: 1 tobal_fhf_me_ilha_par.pdf: 1042140 bytes, checksum: acfb845eb417001481ef9aa20dc73386 (MD5) Previous issue date: 2020-02-04 Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Atualmente, a técnica óptica de maior sucesso desenvolvida para medição de altas tensões em linhas elétricas de potência com frequências de 50/60 Hz, utiliza célula Pockels de niobato de lítio volumétrica, constituindo o chamado OVS - sensor óptico de tensão (do inglês: Optical Voltage Sensor). Mas, ao contrário da área de vibrometria onde existem padrões ISO baseados em métodos interferométricos simples e confiáveis para calibração de sensores, ainda não há procedimento padronizado para medição de Vπ (tensão de meia onda) da célula Pockels ou para calibração de OVSs. Como os OVSs baseados em células Pockels podem ser considerados como interferômetros polarimétricos, e inspirados pela norma ISO 16063-41 (para calibração de transdutores de vibração e choque), especificamente a técnica chamada SCM - método do sinal coincidente (do inglês: Signal Coincidence Method), este trabalho apresenta um novo método para detecção de fase óptica digital e processado em tempo real sob medida para medição de Vπ em OVSs. A fim de demonstrar a eficácia da nova técnica, medições foram executadas aplicando-se um sinal de tensão ao OVS, composto pela superposição de uma tensão senoidal de 60 Hz, com amplitude igual ao valor de referência de Vπ (4,07 kV neste caso) e uma tensão DC alta o suficiente para fornecer um retardo de fase bias estática de 90◦ , como especificado pelo SCM, comprovando que o método pode recuperar o valor de Vπ de acordo com o valor estimado. Entretanto, é sabido que o ajuste da fase bias em um interferômetro polarimétrico pode sofrer variações indesejadas de tempos em tempos, devido a desvios na temperatura ambiente e outros distúrbios externos, levando o OVS a um ponto fora do ponto de operação ideal e não atendendo ao padrão ISO. Como uma vantagem, experimentos demonstraram que o novo método é tolerante a variações na fase bias estática de 90◦ (variando de 60◦ a 120◦ ), bem como a variações na amplitude de tensão aplicada ao OVS, variando de ±25% em relação a tensão de referência 4,07 kV. Valores de Vπ foram detectados com precisão, com erro percentual máximo de 0,15% e, portanto, satisfazendo a especificação do padrão ISO 16063. Nowadays, the most successful optical technique developed for measuring high voltages in 50/60 Hz electric power lines utilizes the bulk lithium niobate Pockels cell, constituting the so-called OVS - Optical Voltage Sensor. But, unlike the area of vibrometry where there are ISO standards based on reliable and simple interferometric methods for calibrating the sensors, there is still no standardized procedure for measuring Vπ (half-wave voltage) of Pockels cells or for calibrating OVSs. As the Pockels cell-based OVSs can be considered as a polarimetric iterferometer, and inspired by the ISO 16063-41 standard (for the calibration of vibration and shock transducers), specifically the technique called SCM – Signal Coincidence Method, this work presents a new digital and real-time method for optical phase detection tailored for the measurement ofVπ in OVSs. Measurements were made in order to demonstrate the effectiveness of the new technique by applying a voltage signal to the OVS, composed by the superposition of a 60 Hz sinusoidal voltage, with amplitude equal to the reference value of Vπ (4.07 kV in this case) and a DC voltage high enough to provide a 90◦ bias static phase shift, as specified by SCM, proving that the method can recover the value of Vπ in accordance with the estimated value. However, it is well known that the adjustment of the bias phase in a polarimetric interferometer can undergo undesired variations from time to time, due to drifts in ambient temperature and other external disturbances, taking the OVS out of its optimal operating point and not attending the ISO standard. As an advantage, experiments have shown that the new method is tolerant to variations in the 90◦ bias static phase (ranging from 60◦ to 120◦ ), as well as to variations in the amplitude of the voltage applied to the OVS, varying ±25% in relation to the 4.07 kV reference voltage. The Vπ values were accurately detected, with a maximum percentage error of 0.15% and, therefore, satisfying the specification of the ISO 16063 standard. CAPES: 001

Published
2020

44. Digital demodulation using I/Q signals and optical phase control applied to a vibrometer

Author

Gálvez Límaco, Ángel Manuel, Universidade Estadual Paulista (Unesp), and Kitano, Cláudio [UNESP]

Subjects
Demodulação digital da variação da fase óptica, Atuadores piezoelétricos, Optical interferometry, Interferometria óptica, Closed-loop, Medição de deslocamentos nanométricos, Piezoelectric actuators, Realimentação, Nanometric displacement measurement, Digital optical phase shift demodulation
Abstract

Submitted by Ángel Manuel Gálvez Límaco (amgl.035@gmail.com) on 2020-04-02T12:12:16Z No. of bitstreams: 1 Dissertação_Angel_Galvez.pdf: 5182974 bytes, checksum: 656e6c3c6f9ae5740f69a55cbac454c8 (MD5) Submitted by Ángel Manuel Gálvez Límaco (amgl.035@gmail.com) on 2020-04-02T12:12:16Z No. of bitstreams: 1 Dissertação_Angel_Galvez.pdf: 5182974 bytes, checksum: 656e6c3c6f9ae5740f69a55cbac454c8 (MD5) Approved for entry into archive by Raiane da Silva Santos (raiane.santos@unesp.br) on 2020-04-06T13:33:01Z (GMT) No. of bitstreams: 1 galvez_limaco_am_me_ilha.pdf: 5423400 bytes, checksum: 096db63439c3f7ed702e9d444059ee19 (MD5) Submitted by Ángel Manuel Gálvez Límaco (amgl.035@gmail.com) on 2020-04-02T12:12:16Z No. of bitstreams: 1 Dissertação_Angel_Galvez.pdf: 5182974 bytes, checksum: 656e6c3c6f9ae5740f69a55cbac454c8 (MD5) Approved for entry into archive by Raiane da Silva Santos (raiane.santos@unesp.br) on 2020-04-06T13:33:01Z (GMT) No. of bitstreams: 1 galvez_limaco_am_me_ilha.pdf: 5423400 bytes, checksum: 096db63439c3f7ed702e9d444059ee19 (MD5) Approved for entry into archive by Raiane da Silva Santos (raiane.santos@unesp.br) on 2020-04-06T13:33:01Z (GMT) No. of bitstreams: 1 galvez_limaco_am_me_ilha.pdf: 5423400 bytes, checksum: 096db63439c3f7ed702e9d444059ee19 (MD5) Made available in DSpace on 2020-04-06T13:33:02Z (GMT). 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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

Published
2020

45. Abordagem de alto ganho e controle de modos deslizantes aplicados ao interferômetro de quadratura

Author

Felão, Luiz Henrique Vitti, Universidade Estadual Paulista (Unesp), and Kitano, Cláudio [UNESP]

Subjects
Controle com modos deslizantes, Sliding mode control, Optical interferometry, Interferometria óptica, Interferômetro de quadratura, Quadrature interferometer
Abstract

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

Published
2019

46. Interferometric analysis of the influence of piezoelectric actuators fixation holders on breadboard: modification of frequency response for nanometric displacement

Author

Martinez, Guilherme Alves, Universidade Estadual Paulista (Unesp), and Kitano, Cláudio [UNESP]

Subjects
Interferometria laser, Deslocamentos nanométricos, Atuadores piezoelétricos flextensionais, Medição de fase óptica, Optical phase measurement, Nanometric displacement, Laser interferometry, Piezoelectric actuators
Abstract

Submitted by Guilherme Alves Martinez (gui-martinez@hotmail.com) on 2019-04-22T22:52:31Z No. of bitstreams: 1 Dissert_Martinez.pdf: 28316686 bytes, checksum: bd4f88d94dfc2e5e0f75178792349e60 (MD5) Approved for entry into archive by Cristina Alexandra de Godoy null (cristina@adm.feis.unesp.br) on 2019-04-23T11:45:33Z (GMT) No. of bitstreams: 1 martinez_ga_me_ilha.pdf: 28316686 bytes, checksum: bd4f88d94dfc2e5e0f75178792349e60 (MD5) Made available in DSpace on 2019-04-23T11:45:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 martinez_ga_me_ilha.pdf: 28316686 bytes, checksum: bd4f88d94dfc2e5e0f75178792349e60 (MD5) Previous issue date: 2018-09-10 Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) A manufatura de micro e nano dispositivos vem se tornado um mercado de grande representação na indústria moderna, onde destacam-se a indústria médica, eletrônica e mecatrônica, que necessitam de dispositivos capazes de movimentar ou manipular elementos de dimensões microscópicas, tais como micro-pipetas em cirurgias, posicionamento de máscaras de chips, de amostras em microscópios de força atômica, entre outros. Neste contexto, os atuadores piezoelétricos flextensionais são dispositivos consagrados quanto ao uso na micro e nano manipulação. A solução analítica destes atuadores normalmente é muito complexa ou até mesmo impossível e, diante disso, há a necessidade de efetuar a caracterização experimental do atuador após sua confecção. A interferometria óptica é uma técnica muito precisa de medição de pequenos deslocamentos. O interferômetro volumétrico é normalmente montado sobre uma mesa óptica (breadboard) por meio de estruturas comerciais para montagem de experimentos ópticos. Diante disso, o atuador é fixado ao breadboard por estruturas como postes, deslocadores cinemáticos de translação, rotação e tilt, etc. Dessa forma, neste trabalho, levantou-se a resposta em frequência de um protótipo de atuador piezoelétrico flextensional multi atuado que foi projetado e confeccionado no Departamento de Engenharia Mecatrônica e de Sistemas Mecânicos da Escola Politécica da USP - EPUSP. Utilizou-se um interferômetro de Michelson em óptica volumétrica, e, posteriormente, um interferômetro de Michelson duplo, para a medida simultânea do deslocamento do atuador em nas direções X e Y. A resposta em frequência foi obtida por meio de gráficos em unidades de deslocamento mecânico por tensão elétrica aplicada (nm/V) para cada frequência analisada, e, por meio destes, obteve-se o valormédio da inclinação (ganho do atuador em nm/V) e o atraso do deslocamento de saída em relação a tensão de entrada (gráfico de fase). Verificou-se a existências de ressonâncias espúrias no espectro de deslocamento deste atuador, e, por meio do uso de uma estrutura de fixação adequada, observou-se os efeitos da estrutura de eliminou-se estas ressonâncias. Após a eliminação das ressonâncias espúrias foi possível utilizar o atuador multi atuado como motor piezoelétrico. Constitui objetivo de estudo desta dissertação, a investigação detalhada dessas ressonâncias espúrias, sua associação aos suportes de fixação do atuador ao breadboard e a proposição de formas de suprimi-las. The manufacture of micro and nano devices has become a market of great prominence in the modern industry, where the medical, electronic and mechatronic industries stand out that need devices capable of repositioning or manipulating elements of microscopic dimensions, such as micro-pipettes in surgeries, positioning of chip masks, adjusting of samples in atomic force microscopes, among others. In this context, flextentional piezoelectric actuators are appropriated devices for use in micro and nano manipulation. The analytical solution of these actuators is usually very complex or even impossible, and there is a need to characterize the actuator after its manufacturing. Optical interferometry is a very precise technique for measuring small displacements and consequently, primissing for the caracterization of these piezoelectric atuators. The bulk interferometer is usually mounted on an optical table (breadboard) by means of commercial precision kinematic optical mounts, such as posts, tilt platformors, translations and rotation stages, and others. In this work, the frequency response of a multi-actuated flextensional piezoelectric actuator prototype, designed and manufactured at the Department of Mechatronics and Mechanical Systems of the Polytechnic School of USP - EPUSP, was investigated. Both, a Michelson interferometer and a double Michelson interferometer were applied for the simultaneousmeasurement of the displacement of the actuator in the X and Y directions. The frequency response was obtained by means of the generated mechanical displacement (gain of the actuator in nm/V) and the delay between the output displacement and the input voltage (phase) both plotted as a function of the frequency. The existence of spurious resonances in the displacement spectrum of this actuator was verified, and the relationship with the mechanical devices used to hold the actuator to the breadborad in the experiment setup was concluded. By the use of a suitable fixation structure all these spurious ressonances were supressed from the frequency response. After elimination of the spurious resonances, the multi-actuator XY device could be adapted to work as piezoelectric motor. CAPES: Código de Financiamento 001

Published
2018

47. Implementation of an experimental apparatus for measuring instability on free surface with non-Newtonian fluid

Author

Cunha, Evandro Fernandes da, Universidade Estadual Paulista (Unesp), Maciel, Geraldo de Freitas [UNESP], and Kitano, Cláudio [UNESP]

Subjects
Superfície livre, Roll waves, Fluidos não-Newtonianos, Non-Newtonian fluids, Ultrasonic Techniques, Photometric Techniques, Free Surface, Técnicas fotométricas, Técnicas ultrassônicas
Abstract

Submitted by EVANDRO FERNANDES DA CUNHA (evandro.cunha@unesp.br) on 2018-11-18T20:13:14Z No. of bitstreams: 1 Tese Evandro Cunha.pdf: 10054124 bytes, checksum: f324825069efc486e2637a46c1b85371 (MD5) Approved for entry into archive by Cristina Alexandra de Godoy null (cristina@adm.feis.unesp.br) on 2018-11-21T15:21:55Z (GMT) No. of bitstreams: 1 cunha_ef_dr_ilha.pdf: 10054124 bytes, checksum: f324825069efc486e2637a46c1b85371 (MD5) Made available in DSpace on 2018-11-21T15:21:55Z (GMT). No. of bitstreams: 1 cunha_ef_dr_ilha.pdf: 10054124 bytes, checksum: f324825069efc486e2637a46c1b85371 (MD5) Previous issue date: 2018-07-31 Esta tese de doutorado traz uma abordagem experimental sobre mecanismos de geração, desenvolvimento e propagação em canal de instabilidade na superfície livre de um escoamento de fluido não-Newtoniano. Estas instabilidades, quando evoluem para um padrão estável, exibem comprimento, amplitude e celeridade bem definidos, sendo denominadas roll waves. Na literatura existe uma lacuna no que diz respeito às medições destes fenômenos em condições controladas de laboratório, e com pouquíssimos registros, quando presentes em eventos naturais. Assim, buscou-se neste trabalho projetar e implementar um aparato experimental operacional e de baixo custo com o objetivo de gerar e aferir tais instabilidades, sob condições controladas e sem a influência de vibrações externas (canalete posicionado sobre uma mesa inercial), seguindo metodologia de ensaio proposta e testada. O fluido teste utilizado foi o gel de carbopol 996, que apresentou boa estabilidade e propriedades reológicas aderentes ao modelo de Herschel-Bulkley, tal qual as lamas encontradas em pés de barragens, lamas oriundas de fluxos hiperconcentrados ou de corridas propriamente ditas. Um sistema de sucção-recalque, através de uma bomba hidráulica de cavidade progressiva, impulsionava o gel para o canal de ensaio, garantindo fluxo contínuo do material em regime de recirculação. Para gerar as instabilidades na superfície livre, foi imposta, a montante do canal, uma perturbação, por meio de um pulso de ar controlado em intensidade e frequência. Após evolução e estabilização, a onda (roll wave) era aferida por meio de sistema de medição ultrassônico na configuração de pulso-eco e, seguindo metodologia inovadora proposta nesta tese, por meio de técnica fotométrica em função da absorção luminosa de um corante (azul de metileno) adicionado ao fluido teste em escoamento. Para confirmação da qualidade dos resultados obtidos pela aplicação das técnicas de medição experimental, foram feitas confrontações entre as técnicas experimentais propostas e entre estas e um modelo numérico, desenvolvido pelo grupo de pesquisa. Por fim, foram testados dois estudos de caso de formação e propagação de roll waves no canal, o primeiro visando a obtenção e tratamento das amplitudes em diversos pontos ao longo do canal, e, no segundo, a influência da frequência de perturbação sobre a amplitude da roll wave, todos para cenários experimentais com números de Froude superiores ao Froude mínimo, condição necessária à geração do fenômeno. This doctoral thesis brings an experimental approach on generation, development and propagation mechanisms of instabilities free-surface flows of a non-Newtonian fluid. When these instabilities evolve to a stable pattern, they display well-defined length, amplitude and celerity, being denominated as roll waves. There is a great gap in literature concerning experimental data. Few experiments are found relating laboratory measurements of these phenomena in controlled conditions; this is also true when it comes to in situ measurements from natural events. Thus, the aim of this project was to design and implement a low cost operational experimental apparatus to generate and measure such instabilities under controlled conditions, isolated from external vibration influences. This project follows a previous methodology developed which was tested and approved. Carbopol gel 996 was used as test fluid, presenting good stability and rheological properties matching to Herschel-Bulkley model, oftenly used for modeling industrial sludge, slurry fluids, natural mud, among others. A hydraulic circuit was installed in which a progressive cavity hydraulic pump pushed the gel to the inlet of the testing channel, ensuring continuous flow of material, capturing the fluid at the channel outlet. A free-surface disturbance was imposed to the flow through a controlled pulse of air (intensity and frequency) on the upstream flow to produce the free-surface instabilities. After evolution and stabilization, the wave (roll wave) was measured through ultrasonic measurement system in the pulse-echo configuration and also through photometric technique using light absorption by a dye (methylene blue) added to the test fluid. Confrontations of the experimental data were made among the proposed experimental techniques and also with numerical simulations developed by the research group in order to assess the quality of the results obtained by the application of the experimental measurement techniques. Lastly, two case studies of formation and propagation of roll waves were tested: the first one aimed to obtain and process the amplitudes in several points along the channel; the second one, the influence of frequency of disturbance over the amplitude of the roll wave was studied. All the experimental scenarios were tested for Froude number over the minimum value necessary for the generation of the phenomenon.

Published
2018

48. Sistema de controle não linear baseado em estrutura variável e modos deslizantes para interferômetros de dois feixes

Author

Martin, Roberta Irma, Universidade Estadual Paulista (Unesp), Kitano, Cláudio [UNESP], and Teixeira, Marcelo Carvalho Minhoto [UNESP]

Subjects
Two beam optical interferometry, Controle não linear, Estrutura variável e modos deslizantes, Nonlinear control, Variable Structure and sliding modes, Interferometria óptica de dois feixes
Abstract

Submitted by Roberta Irma Martin (robertagortan@gmail.com) on 2018-04-10T11:54:24Z No. of bitstreams: 1 Tese_Roberta_Martin_FINAL.pdf: 33647313 bytes, checksum: 7d8c8a7a029acf674e2e269e15cb1251 (MD5) Approved for entry into archive by Cristina Alexandra de Godoy null (cristina@adm.feis.unesp.br) on 2018-04-10T17:39:20Z (GMT) No. of bitstreams: 1 martin_ri_dr_ilha.pdf: 33647313 bytes, checksum: 7d8c8a7a029acf674e2e269e15cb1251 (MD5) Made available in DSpace on 2018-04-10T17:39:20Z (GMT). No. of bitstreams: 1 martin_ri_dr_ilha.pdf: 33647313 bytes, checksum: 7d8c8a7a029acf674e2e269e15cb1251 (MD5) Previous issue date: 2018-03-21 Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Este trabalho apresenta um estudo teórico e experimental de um sistema de controle não linear baseado em estrutura variável e modos deslizantes desenvolvido para interferômetro de dois feixes. O sistema proposto apresenta alta precisão, robustez e, além disso, é simples e de baixo custo, aumentando a capacidade de medição para diferentes aplicações de sensores interferométricos. Comparado a outras técnicas de controle aplicadas a interferometria óptica, esta técnica apresenta importantes vantagens e leva em consideração a característica não linear do interferometro, aumentando seu poder de medição. Consequentemente, um circuito de reset não é necessário, o interferometro pode trabalhar em ambientes com grandes perturbações, a montagem e ajuste dos parâmetros é mais simples (fácil implementação), com simples configuração e custo efetivo, atingindo alta robustez e acurácia. Comparado as técnicas de demodulação baseado no espectro do sinal (J1..J4), o sistema proposto tem faixa dinâmica e resolução maiores, podendo medir atraso no tempo e operar com formas de onda arbitrárias. Além disso, aperfeiçoa os métodos de demodulação temporais aumentando a precisão para sinais de baixa amplitude, mantendo a condição de quadratura (ponto máximo de sensibilidade) e, portanto, elimina o efeito do desvanecimento do sinal, mesmo diante de grandes perturbações ao redor do sistema como, vibrações, variações de temperatura e correntes de ar. A estabilidade do sistema linearizado foi estudada através do método de linearização de Lyapunov e a estabilidade local dos pontos de equilíbrio foram provadas. Através do método do plano de fase, todas as não linearidades do sistema foram consideradas, e provou-se que para qualquer condição inicial, o sistema não linear é estável e converge para o ponto de equilíbrio. Como resultado, o sistema é globalmente assintóticamente estável e não tende a um ciclo limite ou à intabilidade. Finalmente, foi obtido a equação de Lyapunov do sistema não linear considerando a análise do plano de fase, provando novamente a estabilidade do sistema de controle. Portanto, essa abordagem pode compensar o comportamento não linear do interfometro, mantendo-o na condição de quadratura e eliminando o efeito do desvanecimento do sinal para formas de onda arbitrárias, senoidais ou sem sinal de entrada, mesmo diante de grandes perturbações externas. O sistema provou ser eficiente para operações dinâmicas em diferentes aplicações como: caracterização de atuadores piezoelétricos, caracterização da resposta da fibra à temperatura, detecção de ultrassom e detecção de ondas longitudinais geradas por um laser Q-switched em amostras de alumínio e aço, conforme mostrado neste trabalho. A alta robustez oferecida pelo controlador permite que o sistema seja embarcado e opere em ambientes com grandes perturbações como fábricas, trazendo a interferometria para fora do laboratório. This work presents the theoretical and experimental study of a nonlinear control system designed for two beam optical interferometry based on variable structure and sliding modes. The proposed system presents high accuracy, robustness and, furthermore, is simple and low cost, increasing the measurement capability for different applications of interferometric sensors. Compared with other control techniques applied in optical interferometry, this control technique presents important features and takes in account the nonlinear characteristic of the interferometer, increasing its measurement capability. Consequently, a reset circuit is not necessary, the interferometer can work in harsh environments, the assembly and adjustment of the parameters is simpler (easy implementation), with simple setup and the effective cost, achieving high robustness and accuracy. Regarding demodulation techniques based on signal spectrum (J1..J4), the proposed system has a higher dynamic range, resolution, can measure time delay and operate with arbitrary signal waveforms. Also, it improves the temporal demodulation methods increasing the accuracy for small amplitude signals, maintaining the quadrature condition (maximum point of sensitivity) and, therefore, eliminates the effect of signal fading, even under strong external disturbances around the interferometer setup such as vibration, temperature variation and air current flow. The stability of the linearized system was studied through the Lyapunov’s linearization method and the local stability of the equilibrium points were proved. Through the phase plane method, we considered all the nonlinearities from the system, and we proved that for any initial condition, the nonlinear system is stable and converges to the equilibrium point. As a result, the system is globally asymptotically stable and it does not tend to a limit cycle nor to instability. Finally, we obtained the Lyapunov equation for the nonlinear system taking into account the phase plane analysis, proving the system’s stability. Therefore, this approach can fully compensate the nonlinear behavior of the interferometer, keep it in the quadrature point and suppress the signal fading for arbitrary signal waveforms, sinusoidal signals or zero input signal, even under strong external disturbances. The system proved to be suitable for dynamic operations, in different applications as: characterization of piezoelectric actuators, characterization of fiber response to temperature, ultrasound detection and the detection of longitudinal waves generated by a Q-switched laser on aluminum and steel samples, as shown in this work. The high robustness allows the system to be embedded and to operate in harsh environments such as factories, bringing the interferometry outside the laboratory.

Published
2018

49. High-voltage optical sensor with quadrature switching and phase-controlled feedback

Author

Pereira, Fernando da Cruz, Universidade Estadual Paulista (Unesp), and Kitano, Cláudio [UNESP]

Subjects
Interferômetro polarimétrico, Efeito eletro-óptico, Polarimetric interferometer, Quadrature homodyne interferometry, Electro-optic effect, Interferometria homódina em quadratura, High voltage optical sensor, Detecção de fase óptica, Closed-loop feedback, Realimentação, Sensor óptico de tensão elevada, Optical phase detection
Abstract

Submitted by FERNANDO DA CRUZ PEREIRA (fernandocp.eng@gmail.com) on 2018-04-24T17:28:01Z No. of bitstreams: 1 Tese - Fernando da Cruz Pereira.pdf: 6132578 bytes, checksum: 5b74ffd75609af94d4d9dea04e13c167 (MD5) Approved for entry into archive by Cristina Alexandra de Godoy null (cristina@adm.feis.unesp.br) on 2018-04-24T17:59:54Z (GMT) No. of bitstreams: 1 pereira_fc_dr_ilha.pdf: 6132578 bytes, checksum: 5b74ffd75609af94d4d9dea04e13c167 (MD5) Made available in DSpace on 2018-04-24T17:59:54Z (GMT). No. of bitstreams: 1 pereira_fc_dr_ilha.pdf: 6132578 bytes, checksum: 5b74ffd75609af94d4d9dea04e13c167 (MD5) Previous issue date: 2018-03-09 Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Os transformadores de potencial baseados em tecnologia óptica têm sido desenvolvidos com a finalidade de melhorar o desempenho na proteção e medição nos sistemas elétricos de potência. Estes transformadores de potencial podem ser projetados em torno dos moduladores eletro-ópticos de amplitude que, por sua vez, são baseados no efeito Pockels em cristal como o Niobato de Lítio. A expressão geral da transmissão (razão entre o retardo de fase e a tensão aplicada) de um modulador eletro-óptico de intensidades é idêntica à expressão do sinal de saída de um interferômetro de dois feixes. Através de processamento eletrônico de dois sinais interferométricos de saída, com fase relativa de 90o entre si, consegue-se demodular o sinal, independentemente das derivas ambientais. Esses interferômetros, chamados de interferômetros de quadratura, são amplamente utilizados em laboratórios de metrologia. Assim, em 2014, um método de detecção interferométrica de fase óptica foi desenvolvido no Laboratório de Optoeletrônica (LOE) da FEIS-UNESP, constituindo uma versão melhorada da técnica de phase-unwrapping. Este método é imune ao fenômeno de desvanecimento, consegue medir o tempo de atraso entre o estímulo e a resposta, tem ampla faixa dinâmica, reconstrói a forma de onda do sinal de modulação sem a necessidade de aplicação de filtros à saída interferométrica, possuindo, ainda, a capacidade de demodular sinais com formas de ondas não periódicas. Beneficiando-se dessas informações, promoveu-se a adaptação do método a um sensor óptico de altas tensões em configuração de quadratura de sinais. Desta forma, a presente pesquisa aborda o estudo e o desenvolvimento de um sensor óptico de alta tensão com chaveamento de quadratura, baseado em célula Pockels, dando continuidade às pesquisas em desenvolvimento no LOE, de um sistema de sensoriamento eletro-óptico de alta tensão. O sensor de alta tensão com chaveamento de quadratura e realimentado por controle de fase, foi implementado e submetido a testes com aplicação de tensões entre 200 V e 8,4 kV (de pico) em 60 Hz, apresentado excelente linearidade na faixa de interesse e boa precisão na medição do conteúdo harmônico dos sinais. Tais resultados evidenciam o potencial do sistema para operar na análise da qualidade de energia elétrica em sistemas da classe de 13,8 kV. Optical technology-based potential transformers have been developed to improve performance in protection and measurement in electrical power systems. These potential transformers can be designed around amplitude electro-optical modulators which, in turn, are based on the crystal Pockels effect such as Lithium Niobate. The general expression of the transmission (ratio between phase delay and applied voltage) of an electro-optical modulator of intensities is identical to the expression of the output signal of a two-beam interferometer. By electronic processing of two interferometric output signals, with relative phase of 90o between each other, the signal can be demodulated, irrespective of the environmental drift. These interferometers, called quadrature interferometers, are widely used in metrology laboratories. Thus, in 2014, an optical phase interferometric detection method was developed at the FEIS-UNESP’s Optoelectronic Laboratory (LOE), constituting an improved version of the phase-unwrapping technique. This method is immune to the phenomenon of fading, can measure the delay time between the stimulus and the response, has a wide dynamic range, reconstructs the waveform of the modulation signal without the need of applying filters to the interferometric output, also possessing the ability to demodulate signals with non-periodic waveforms. Taking advantage of this information, the adaptation of the method to a high voltage optical sensor in a quadrature configuration was promoted. In this way, the present research deals with the study and development of a high voltage optical sensor with quadrature switching, based on Pockels cell, giving continuity to researches in the LOE of a high voltage electro-optical sensing system. The high voltage sensor with quadrature switching and phase controlled feedback was implemented and submitted to tests with voltage between 200 V and 8.4 kV (peak) at 60 Hz, with excellent linearity in the range of interest and good accuracy in measuring the harmonic content of the signals. These results show the potential of the system to operate in the analysis of electric power quality in systems of the class of 13.8 kV.

Published
2018

50. Closed-loop phase demodulation methods applied to two-beam interferometers

Author

Galeti, Jose Henriqe [UNESP], Universidade Estadual Paulista (Unesp), Kitano, Cláudio [UNESP], and Connelly, Michael [UNESP]

Subjects
Interferometria, Controle, Medição de alta-tensão, Medição de deslocamentos nanométricos
Abstract

Submitted by JOSÉ HENRIQUE GALETI null (jhgaleti@gmail.com) on 2017-01-03T21:16:10Z No. of bitstreams: 1 tese_rev3.pdf: 8999468 bytes, checksum: ef055311eb93be45d327ab2efb96704d (MD5) Approved for entry into archive by Juliano Benedito Ferreira (julianoferreira@reitoria.unesp.br) on 2017-01-05T18:11:56Z (GMT) No. of bitstreams: 1 galeti_jh_dr_ilha.pdf: 8999468 bytes, checksum: ef055311eb93be45d327ab2efb96704d (MD5) Made available in DSpace on 2017-01-05T18:11:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 galeti_jh_dr_ilha.pdf: 8999468 bytes, checksum: ef055311eb93be45d327ab2efb96704d (MD5) Previous issue date: 2016-11-04 Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) A interferometria óptica é uma técnica amplamente reconhecida por sua sensibilidade extremamente elevada para a medição de diversas grandezas físicas. Em particular, quando aplicada à medição de deslocamentos mecânicos, permite a detecção de movimentos micrométricos e nanométricos em sólidos. Neste trabalho são enfatizados dois arranjos interferométricos: (i) um interferômetro de Michelson homódino em montagem volumétrica, aplicado à detecção de deslocamentos gerados por atuadores piezoelétricos flextensionais; e (ii) um interferômetro polarimétrico aplicado a detecção de alta-tensão, sendo ambos realimentados. O trabalho se insere na linha de pesquisas desenvolvidas no Laboratório de Optoeletrônica (LOE) da FEIS-UNESP dedicada à concepção de técnicas inéditas de detecção interferométrica de fase óptica. Propõe-se na tese, a implementação de técnicas inovadoras de demodulação de fase aplicadas a interferômetros de dois feixes, divididas em dois grupos: (a) métodos de demodulação baseados na análise do espectro do sinal fotodetectado; (b) método de demodulação heteródino sintético realimentado. Além desses, apresenta-se um estudo de viabilidade de um interferômetro homódino em malha fechada que seja capaz de detectar a fase óptica de um sinal com forma de onda arbitrária, e com elevado conteúdo de ruído eletrônico. Os métodos propostos foram implementados e aplicados experimentalmente em medidas de micro e nanodeslocamentos de atuadores piezoelétricos, e também, à medição de alta-tensão. Restou demostrado, através dos experimentos, a capacidade dos métodos de detectar amplitudes de deslocamentos entre de 10 nm a 5 μm, independente das variações das características ambientais no local do interferômetro. Confirmou-se também a viabilidade de medição de ordens elevadas de conteúdo harmônico de sinais de alta-tensão, através do uso de um interferômetro polarimétrico em conjunto com o método heteródino sintético controlado com sistema de realimentação. CAPES: 99999.007730/2014-04 CNPq: 152205/2012-8

Published
2016

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