UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA“JÚLIO DE MESQUITA FILHO”

FACULDADE DE ENGENHARIA DE ILHA SOLTEIRA

Sensores de Amplitude em Fibras Ópticas

Prof. Cláudio Kitano

Ilha Solteira, agosto de 2017

Optical fiber sensors are used to sense some quantities like temperature, pressure, vibrations, displacements, rotations or concentration of chemical species. Fibers have so many uses in the field of remote sensing because they require no electrical power at the remote location and they have tiny size.

Fiber optic sensors are important for insensitive conditions, including noise, high vibration, extreme heat, wet and unstable environments.

Sensor extrínseco:

Sensor intrínseco:

Displacement Sensor:

Displacement Sensor:

Reflective sensor:emitter

receiver

Reflective sensor:

emitter

receiver

Yuan Guoa, Yutian Wang, Mei Jin, Improvement of measurement range of optical fiber displacement sensor based on neutral network, Optik, 125 (2014) 126– 129.

Several kind of optical fiber sensors:

Gyro/acceleration; displacement; flow rate; position/torque; discharge; liquid level; temperature; fire/smoke; pressure; oil pollution; vibration

psi=pound per square inch: 1 psi=6.894,757 N/m2, 1 atm=101.325 Pa=14,70 psi

Fotodetector de lei-quadrática:

Fotodiodo PIN

Adendo: Abertura numérica

Adendo: Paradoxo das Relações de Fresnell?

Quando θi=00 em caso de reflexão externa (n1<n2), tem-se a situação mostrada abaixo, e assim, não mais faz sentido se falar em polarização perpendicular ou paralela, uma vez que ambas tornam-se equivalentes devido à simetria.

Entretanto, segundo as relações de Fresnell, tem-se que r⊥ < 0 (ocorre inversão de fase) e r// > 0 (não ocorre inversão de fase), respectivamente, quando θi=00.

→

→

Pergunta: Existe alguma inconsistência nessas equações?

ti

tinnnnr

θθθθ

coscoscoscos

21

21+−=⊥

ti

tinnnnr

θθθθ

coscoscoscos

12

12// +

−= 2 1/ /

2 1

0n nrn n

−= >+

1 2

1 2

0n nrn n⊥

−= <+

Não existe inconsistência: Em ambos os casos resulta em inversão de sentido do vetor campo elétrico durante a reflexão, mesmo quando . Isto se deve à forma como os campos , e nas figuras para polarização perpendicular e polarização paralela foram orientados, a qual é obedecida nas figuras abaixo, para valores de θipequenos. Observe-se que, fazendo-se , em ambas as polarizações os campos incidente e refletido apontam em direções opostas.

0// >riE

rE

tE

0→iθ

O resultado oposto ocorre, no caso de reflexão interna (n1>n2), para , conforme mostrado nas figuras abaixo, onde ambos os campos apontam na mesma direção, mesmo quando .

O leitor deve ficar atento, pois livros existem na literatura nos quais a orientação dos sistemas de coordenadas e dos vetores envolvidos são tais que esse tipo de contradição de fato ocorre, ou seja, contêm erros.

0→iθ0// <r

Adendo: Reflexão de ondas circularmente polarizadas: incidência normal

Onda circularmente

polarizada

−

Demonstrar isto em detalhes, no sistema de coordenadas do Capítulo 2!

−

Adendo: CD player

Polarizing beam-splitter:

Quarter-wave-plate:

Interior do CD player:

B. Hnilicka, A. Voda, H.-J. Schroder, Modelling the characteristics of a photodetector in a DVD player, Sensors and Actuators A 120 (2005) 494–5.

ERIC UDD, WILLIAM B. SPILLMAN, JR., FIBER OPTIC SENSORS – An Introduction for Engineers andScientists Second Edition, 2011 by John Wiley & Sons.

Adendo:

Exemplos de sensores de macro-curvaturas:

a) Espira de fibra b) Mandril:

Para se ter uma ideia das pequenas dimensões desses sensores mostra-se abaixo um sensor de explosivos nitro aromáticos, como o trinitrotolueno (TNT), sendo o tamanho da cabeça sensoracomparada com uma moeda.

Uma área com grande aplicação dos sensores em fibra óptica é na medicina, sendo a endoscopia por fibra óptica a mais comum. Neste cenário, é de interesse cirurgias minimamente invasivas, que exigem catéteres sensores descartáveis. Fibras ópticas podem ser inseridas diretamente em agulha hipodérmicas e catéteres.

As fibra são imunes a EMI (num ambiente altamente contaminado por radiação eletromagnética, sendo comum a existência de equipamentos como MRI - magnetic resonance imaging, CT - computed tomography, PET - positron emission tomography, SPECT - single photon emissioncomputed tomography), quimicamente inertes, não-tóxicas e intrinsicamente seguras.

Em contraste com os raios UV, raios-X e raios gama, normalmente usados para o tratamento de câncer, o emprego da espectroscopia IR é uma ferramenta importante, pois não danifica tecidos biológicos e células.

Ultrasonic sensor:

Pengfei Wang, Yuliya Semenova, Qiang Wu, Gerald Farrell, A fiber-optic voltage sensor based on macrobendingstructure, Optics &LaserTechnology, 43 (2011) 922–925.

Pengfei Wang, Yuliya Semenova, Qiang Wu, A macrobending fiber based micro-displacement sensor, 2010 IEEE.

Knudsen's curves (Knudsen, 1948) are the ambient noise spectral levels, widely used to predict natural ocean noise levels at frequencies from 1 to 100 kHz.. The Knudsen’s curves of underwater ambient noise as a function of sea state (presented as straight lines as a function of frequency and sea state conditions plotted on a logarithmic scale) are related to sea state or wave height.

ERIC UDD, WILLIAM B. SPILLMAN, JR., FIBER OPTIC SENSORS – An Introduction for Engineers andScientists Second Edition, 2011 by John Wiley & Sons.

Adendo:

Sensores de reflexão interna total frustrada

Spillman, Jr. and McMahon* (1980) propuseram um hidrofone com fibra óptica multimodo baseado na reflexão interna total frustrada.As duas fibras foram polidas num ângulo (em relação ao eixo longitudinal) grande o suficiente para causar reflexão interna total para todos os modos de propagação na fibra.Aproximando-se suficientemente suas extremidades, uma grande fração de potência óptica pode ser acoplada entre ambas.A modulação da espessura do gap xg por meio do deslocamento vertical relativo x entre as fibras, provoca-se modulação do acoplamento de luz entre as mesmas.

*W. B. Spillman, Jr., and D. H. McMahon, Frustrated-total-internal-reflection multimode fiber-optic hydrophone, APPLIED OPTICS , Vol. 19, p. 113, 1980.

Na figura abaixo mostra-se a simulação da transmissão para fibras cortadas em ângulos iguais a 52, 64 e 76 graus.A sensibilidade aumenta a medida que o ângulo tende a 90 graus.

Aparato experimental:

Resultados experimentais obtidos comparados com a previsão teórica:

*Kambiz Rahnavardy, Vivek Arya, Anbo Wang, and Joseph M. Weiss, Investigation and application of thefrustrated-total-internal-reflection phenomenon in optical fibers, APPLIED OPTICS , Vol. 36, p. 2183, 1997.

O protótipo também foi testado por Rahnavardy* (1997) para medir pressão de vácuo dentro de um tubo de plástico.

A pressão inicial dentro da cavidade do sensor era igual a pressão da sala.O gap entre as fibras aumentou quando a pressão do ambiente caiu abaixo da pressão (inicial) da sala, à medida que a cavidade começou a expandir.

Resultados experimentais obtidos:

Adendo:

Sensores de campo evanescente em fibra óptica

Sensores de absorção da onda evanescente podem ser obtidos em fibra óptica, removendo-se Uma certa região da casca da fibra, por polimento ou ataque químico, permitindo a interação da calda com o meio ambiente.

Variações no índice de refração da região de calda evanescente (por exemplo) podem ser usadas para interrogar diferentes tipos de sensores de grandezas físicas e químicas.

O meio sob investigação absorve parte da luz que está sendo transmitida pela fibra.

A luz interrogada permanece guiada e nenhuma óptica de acoplamento é necessária na região sensora (por exemplo, usando-se prismas ou pontas de prova com fibra óptica).

O sensor evanescente pode se apresentar em várias configurações, cada qual mais adequada a um determinado tipo de problema