TE-286 SensoresII Módulo: SensoresFotônicosvilsonra/TE286_2018-1/TE286_Aula02_04abr2018.pdf ·...

SENSORES FOTÔNICOS:

• Sensores a Fibra Óptica

• Giroscópio a Fibra Óptica

• Acelerômetros Optomecânicos

• Sensores Ópticos Integrados

TE-286 Sensores IIMódulo: Sensores Fotônicos

Aula 02 – 04 ABR 2018

Miscellanea

E-mail Prof. Vilson: [email protected]

Aulas disponibilizadas em arquivo eletrônico

Avaliação do Módulo “Sensores Fotônicos”

Aula de 11 ABR 2018: 10 às 12h

Aula-Visita ao Laboratório da EFO-S: EFO-S: Subdivisão de Sensores – Divisão de Fotônica

11 ABR 2017, de 09:00 às 09:50

Sensores a Fibra Óptica (Revisão)

MENSURANDOS:

Deformação/vibração (stress)

Pressão

Rotação (giroscópios/girômetros)

Aceleração (acelerômetros)

Temperatura

Líquidos/gases/pH

Identificação de substâncias químicas

etc.

Sensores a Fibra Óptica

DISPOSITIVOS SENSORES:

A própria fibra óptica como sensor

Grades de Bragg (Fiber Bragg Gratings)

Fibras torcidas (Twisted Fibers; Chiral

Fiber Gratings)

etc...

Sensores a Fibra ÓpticaGrade de Bragg em Fibra Óptica (Fiber Bragg Grating - FBG)

“Hill”gratings R=4% R=4%

Grades de Bragg em Fibra Óptica – Histórico

Figure 11.30. A photograph of a photoinduced Bragg grating written on the core of a D-fiber. A phase contrast microscope was used. (Courtesy of B. Malo et al. [30].)

Elements of Photonics, K. Iizuka, Volume II, Wiley Intersc., 2002.

Grades de Bragg: Fabricação

n0 = (n3 – n2) confinamento óptico

(1 – V -2), para V 1.5N número de períodos da gradeV frequência normalizada (V-number) http://en.wikipedia.org/wiki/Fiber_Bragg_grating

Fiber Bragg Gratings, Othonos & Kalli, Artech House (1999).

“Condição de Bragg”:

FBG: Índice de Refração com Perfil Senoidal

FBG: Fabricação

Optical Filter Design and Analysis, C. K. Madsen And J. H. Zhao, John Wiley & Sons, Inc., 1999

Escrita Direta com UV

n

n

I

l

R

llB

T

llB

n

lBragg = 2n

Franjas de Interferência Óptica Inscrição Ponto-a-Ponto

FBG: Fabricação

Fonte: Michael Fokine

FBG: Fabricação no IEAv

FABRICAÇÃO DE GRADES DE BRAGG

FBG: Draw Tower Grating (DTG)

Fonte: www.fbgs.com/technology/dtg-technology

• Alta resistência mecânica• Sequências de FBG sem emendas• Fixação direta de Organic Modified Ceramic (ORMOCER)• Robustez à temperatura (-180 a +200ºC), devido ao uso do ORMOCER• Alta repetibilidade de parâmetros de produção• Baixo custo relativo (por FBG)

FBG: Tipos e Perfis de Índices

FBG de período longo (lB = 2neff / NLP):Acoplamento da potência óptica

entre núcleo e casca da fibra óptica.NLP: “ordem” da grade (número inteiro)

http://en.wikipedia.org/wiki/Long-period_fiber_grating

http://en.wikipedia.org/wiki/Fiber_Bragg_grating

térmicadilatação de ecoeficient 1

elástica deformação de ecoeficient 1

ico termoóptecoeficient

coelastoópti ecoeficient

efetivo índice :

ra temperatu:

efibra/grad da ocompriment :

de variação:

Bragg de grade da central onda - de - ocompriment :

2

T

L

T

n

L

n

n

T

L

TT

nT

nL

Ln

L

n

eff

eff

eff

BB

B

eff

eff

eff

eff

B

ll

l

l

Fiber Bragg Gratings, Othonos & Kalli, Artech House (1999).

nm/MPa 103 :Pressão

10 με 1

με /pm 2.1

Poisson de razão :

óptica deformação detensor do scomponente : e

o)(deformaçã strain :

2

12

3

6

1211

121112

2

P

L

L

pp

pppn

p

L

L

pLL

nL

n

B

z

B

z

eff

e

z

zeBeff

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l

l

l

Cpm/ 7.13

C 106.8

C 105.5

2

1-6

1-7

T

TTT

nT

n

B

n

nBeff

eff

l

l

FBG: Sensitividade à Temperatura e Deformação

J.-R. Lee et al., “In-flight health monitoring of a subscale wing using a fiber Bragg grating sensor system” Smart Mater. Struct. 12 (2003)

Fiber Bragg Grating (FBG)

3rd EWOFS (2007)

Grades de Bragg(Fiber Bragg Gratings)


3rd EWOFS (2007)


Sensor de deformação

Sensor de temperatura

http://www.fibersensing.com/PageGen.aspx?WMCM_PaginaId=27812

Sensores de deformação

Acelerômetro comGrades de Bragg



Fibras Torcidas(Chiral Fiber Gratings ou Twisted Fibers)

Chiral Gratings Operation Products

Reflection

Short PeriodFilters, Lasers

Scattering

Intermediate Period

Polarizers

Coupling

Long Period Sensors

Light with handedness coinciding with that of the chiral structure

Light with handedness opposite that of the chiral structure

Fonte: www.chiralphotonics.com

Victor I. Kopp et al., Single- and double-helix chiral fiber sensors, J. Opt. Soc. Am. B, v. 24, n. 10, A48-52 (2007).


Double-Helix

Single-Helix

Sensor de Líquidos

Victor I. Kopp et al., Single- and double-helix chiral fiber sensors, J. Opt. Soc. Am. B, v. 24, n. 10, A48-52 (2007).

Fig. 8. Wavelength of transmission dip ofsinglehelix CLPG versus temperature.The temperature was continuouslycycled around 400 °C for 24 h after thefiber was annealed for 2 h at 800 °C.

Fig. 7. Wavelength of transmission dip ofsinglehelix CLPG versus temperature.The temperature was measured with athermocouple.


Sensor de (alta) Temperatura

Coffee Break

Optical Communication, Eric A. Swanson, MIT Lincoln Laboratory

GIROSCÓPIO A FIBRA ÓPTICA

BOBINADEFIBRA

ACOPLADORDIRECIONAL A2

ACOPLADORDIRECIONAL A1

POLARIZADORMODULADORDEFASE

OSCILADOR

ROTAÇÃO

PROCESSADORDESINAL

FOTODETETOR

DIODOLASER

FONTEDECORRENTE

ROTAÇÃO

GIROSCÓPIOS * TENDÊNCIAS TECNOLÓGICAS

Inertial Sensor Technology Trends - 1998

Girômetros/Giroscópios:

estratégicos para a navegação de veículos e estabilização de sistemas;

controlados (Exp. Adm. Reg. dos EUA, MTCR, etc.);

DEFESA: mísseis, VANTs, VLS, etc.;

INDÚSTRIA - P&D: Robótica, satélites, automóveis, transporte pessoal, entretenimento, P&D em geral.

GIROSCÓPIOS * APLICAÇÕES

Roboturb UFSC-FINEP

Segway Ballbot SegwayNintendo Revolution

S S (t= 0)

R R

Lah LahLh Lh

S' (t= t )ah

S" (t= t )h

(a) (b)

Feixes de radiação óptica contrapropagantes ao longo de uma espira, (a) em repouso e (b) sob efeito de uma rotação .

Fonte: ALVES, F. D. P., "Processamento de Sinal de Giroscópios a Fibra Óptica Utilizando Técnica de Cruzamentos de Zero", Trabalho de Graduação, Divisão de Engenharia Eletrônica, Instituto Técnológico de Aeronáutica, 1997.

Girômetros a Fibra ÓpticaEfeito Sagnac (1913)

L R R t c tah ah ah ah 2. . . . .

L R R t c th h h h 2. . . . .

t t t

R R

c

R

c

A

ch aho o o

2 2 4 4

2

2

2 2

. . . . . . . . ..

No vácuo:

CirculadorFonte de ÓpticoRadiação Óptica

LiNbO3

Bobina de Circuito Óptico Fibra Óptica

Fotodetector Integrado para GFO(Dispositivo Multifuncional)

Sco

D ttI

tI cos.1.2

gahh ttttt

Resposta Interferométrica Básica (Interferômetro de Sagnac):

So

DD

IItIt cos1.

20

Girômetros a Fibra Óptica

c

cn R

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R

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11

11

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2

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c ch ah

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h ah

22

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t t t R

R Rn

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RR

ch aho o

22 2 1 1

222

2

2

2. . .. . . . .

. . .. .

tA

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4

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..

..

...2

oo

Sc

DL

l

Em um meio qualquer. Fator/termo de Lorentz:

Modulação de fase com onda senoidal: tsent mo ..

tsent mmS .. gmom fsen ....2

tsenI

tI

tI mmSoo

D ..cos1.2

cos1.2

11.2

1.20

..1.2...2

...2cos..2.cos1

.2

nmmnS

nmmnmS

o

tnsenJsen

tnJJI

Girômetros a Fibra Óptica

CirculadorFonte de ÓpticoRadiação Óptica

Bobina de Circuito Óptico Fibra Óptica

Fotodetector Integrado para GFO

BOBINA DEFIBRAÓPTICA

ACOPLADORDIRECIONALAD2 MODULADOR

DE FASE (PZT)

POLARIZADOR

ACOPLADORDIRECIONALAD1 OSCILADOR

MEDIDA DAROTAÇÃO

FONTE DE PROCESSADORRADIAÇÃO DE SINAISÓPTICA

Configuração Clássica

Configuração Moderna

Fonte: Dissertação de Mestrado – Vilson R. Almeida (ITA-1998): “Aplicação de Dispositivo Multifuncional a Óptica Integrada em Interferômetro de Sagnac”

GFO em 3 eixos(para a Marinha do Brasil)

GFO em 1998 (35 cm)Ensaio em VS-30

Em exposição no MAB

GFO em 2001 (12 cm)

GFOs - Domínio Tecnológico no IEAvCAPACITAÇÃO TÉCNICA ADQUIRIDA (IEAv – EFO-S)

Sistema Diretor de Vôo (SDV) em 2007

GFO-E (2004)

0 10 20 30 40 50 60

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Tempo (s)

Ve

locid

ad

e d

e R

ota

çao

No

rma

lizad

a

Dados do Giro para Maiores Velocidades

SDV

DLR

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

Spin Rate [Hz]

flight time [sec]

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

Spin Rate [Hz]

flight time [sec]

Quebra da barreira do som

Taxa de rotação devido aos motores de spin

Máxima aceleração

Acionamento do sistema yoyoSeparação

do 1º estágio

Ignição do 2º estágio

Sistema Diretor de Vôo (SDV) Vôo em VSB-30 em 2007

MAR-1MAR-1

VLS

IEAv EFO-S Girômetros a Fibra ÓpticaFINEP-SIA & FINEP-GIROMAR

IEAv EFO-S Girômetros a Fibra ÓpticaFINEP-SIA

SISCAOSISNAVLS

IEAv EFO-S Girômetros a Fibra ÓpticaFINEP-SIASISCAOSISNAVLS

Gyr

o C

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Y

Z

X

Y

BLOCO GIROMÉTRICO

Gyr

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Z

Y

Z

X

Y

BLOCO GIROMÉTRICO

MAR-1MAR-1

IEAv EFO-S Girômetros a Fibra ÓpticaFINEP-GIROMAR

IEAv EFO-S Girômetros a Fibra ÓpticaFINEP-GIROMAR

IEAv – OPTSENSYS - MECTRON

GIROMAR - RESULTADOS (Etapa B)

RESULTADOS (Etapa B)Ensaios de Temperatura

RESULTADOS (Etapa B)Ensaios de Vibração

RESULTADOS (Etapa B)Ensaios de EMI & EMC

www.youtube.com/watch?v=v9k-s1aYiOM&index=2&list=PL50kIiuBGlkDLJkYIsFdB4Nk7Zk1kTbPS

www.optsensys.com.br

Avisos Finais

Próximas Aulas:

Grade de Bragg em Fibra Óptica

Giroscópio a Fibras Ópticas

Acelerômetro Óptico-Mecânico (Optomecânico)

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