Towards Simplified Optical Sensing: Enhancement of Interrogation Techniques based on Intensity Modulation

Nome: MARIANA LYRA SILVEIRA
Tipo: Tese de doutorado
Data de publicação: 24/03/2023
Orientador:

Nome	Papel
ANSELMO FRIZERA NETO	Orientador
CAMILO ARTURO RODRIGUEZ DIAZ	Co-orientador

Banca:

Nome	Papel
ANSELMO FRIZERA NETO	Coorientador
CAMILO ARTURO RODRIGUEZ DIAZ	Orientador
JEAN CARLOS CARDOZO DA SILVA	Examinador Externo
MARIA JOSE PONTES	Examinador Interno
PAULO FERNANDO DA COSTA ANTUNES	Examinador Externo

Resumo: Sensores de fibra ´optica podem ser utilizados em locais onde a instrumenta¸c˜ao eletrˆonica ´e
perigosa, requerindo um empacotamento meticuloso para se tornar segura. Para a maioria
das aplica¸c˜oes, o custo ´e uma preocupa¸c˜ao fundamental e a escolha do melhor sistema de
sensoriamento se baseia em um compromisso entre pre¸co e desempenho. Muitos sensores
´opticos de baixo custo atendem `as demandas de diversas aplica¸c˜oes, desde a ´area da sa´ude
at´e ´areas industriais de pequena e m´edia escala. Neste contexto, esta Tese descreve duas
propostas para aprimorar t´ecnicas de interroga¸c˜ao de baixo custo que requerem apenas uma
fonte de banda larga n˜ao modulada e alguns componentes ´opticos de baixa complexidade.
Tecnologias de interroga¸c˜ao distribu´ıda exploraram diferentes solu¸c˜oes para aumentar a
potˆencia retroespalhada e, como consequˆencia, aumentar a precis˜ao na detec¸c˜ao de curto
alcance. Esta Tese apresenta um sistema de interroga¸c˜ao distribu´ıdo baseado em An´alise de
Transmiss˜ao-Reflex˜ao (TRA, do inglˆes Transmission Reflection Analysis), cuja resolu¸c˜ao
espacial foi aprimorada devido `a utiliza¸c˜ao de uma fibra ´optica de alto espalhamento.
Durante os experimentos, perdas por dobradura foram induzidas em v´arios pontos da
fibra, e uma resolu¸c˜ao espacial de 15 𝑐𝑚 foi alcan¸cada em uma fibra de 5, 4 m. A an´alise
anal´ıtica mostrou que fortes perturba¸c˜oes (potˆencia transmitida normalizada igual a 0.035)
foram localizadas com sucesso com uma precis˜ao de at´e ±0.8 mm perto da extremidade
da fonte e ±7.2 mm perto da extremidade da fibra. Com rela¸c˜ao aos dist´urbios fracos
(potˆencia transmitida normalizada igual a 0.8), a precis˜ao foi estimada em at´e ±6.4 mm
perto da extremidade da fonte e ±36.7 mm perto da extremidade da fibra.
Os filtros de borda passivos originam sistemas de interroga¸c˜ao de baixo custo, mas resultam
em erros de medi¸c˜ao devido `a sensibilidade cruzada entre temperatura e deforma¸c˜ao. A
segunda t´ecnica proposta nesta Tese ´e uma solu¸c˜ao autorreferenciada para suprimir a
sensibilidade `a temperatura em sistema de medi¸c˜ao de deforma¸c˜ao. A t´ecnica proposta
consiste em sintonizar as redes de Bragg (FBG, do inglˆes fiber Bragg gratings) de referˆencia
e de sensoriamento nas inclina¸c˜oes ascendentes e descendentes de um filtro Fabry-P´erot. O
otimizador Grey Wolf ´e utilizado para ajuste espectral. Foi demonstrado que a solu¸c˜ao
proposta n˜ao afeta a faixa dinˆamica e a sensibilidade do sistema, sendo compat´ıvel
com diferentes filtros de borda, incluindo interferˆometros de baixo custo produzidos por
processos simples de fabrica¸c˜ao. Sinais de temperatura com perfis senoidal, aleat´orio, linear
e constante foram analisados em simula¸c˜ao. Para uma condi¸c˜ao livre de deforma¸c˜ao, a
potˆencia ´optica normalizada permaneceu essencialmente constante, exibindo um desvio
padr˜ao m´aximo de 2, 1 × 10−3
. Em uma condi¸c˜ao de deforma¸c˜ao vari´avel, as medi¸c˜oes
apresentaram um erro m´edio de 3, 4 % devido a varia¸c˜oes de temperatura de at´e 30 ∘𝐶.
Um erro relativo m´aximo de 5, 79 % foi obtido entre simula¸c˜ao e experimento.
Ambas as tecnologias propostas requerem componentes ´opticos pequenos e leves, sendo
facilmente incorporadas em prot´otipos port´ateis ou tˆexteis inteligentes. Sistemas h´ıbridos
que mesclam ambas as solu¸c˜oes utilizando uma ´unica fonte ´optica de banda larga podem
ser explorados para aprimoramento da precis˜ao e acur´acia. Al´em disso, m´odulos IoT podem
ser facilmente conectados ao hardware de aquisi¸c˜ao para aplica¸c˜oes baseadas em Internet
das Coisas (IoT).
Keywords: sensores de fibra ´optica, an´

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