Fibra Óptica em Sensores Acústicos: Hidrofones, Sensores de Laser e Temperatura, Manuais, Projetos, Pesquisas de Sistemas de Detecção

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FACULDADE GRAN TIETÊ

BACHAREL EM ENGENHARIA DA COMPUTAÇÃO

TRABALHO BIMESTRAL

FIBRA OTICA

Lucas Henrique de Souza

Pedro Felipe Lopes

2020

Sumário

• Introdução..............................................................................................................................
• Objetivo
• Hidrofone de fibra óptica em movimento
• Sensor de Grade
• Sensores de polarização
• Sensor de Reflexão Interna Total Frustrada
• Sensor de Reflexão Interna Total Curta
• Sensor de Laser de Diodo.......................................................................................................
• Sensor Acústico
• Hidrofone...............................................................................................................................
• Sensor Magnético
• Sensor de Corrente
• Acelerômetro
• Espectrofones de fibra óptica
• Sensores de temperatura
• Limitações de Diodo de Laser
• Ruído de amplitude
• Tamanho de coerência............................................................................................................
• Ruído de fase
• Conclusão
• Referências

Sensor de Grade

O sensor de grade transforma movimentos de um feixe ótico de uma grade de montagem

em diagramas que se movem abaixo de uma interferência acústica. Qualquer movimento entre

os padrões de linha irá modificar as luzes de transmissão. Tendo isso em vista, podemos assumir

que as grandes irão acompanhar a movimentação acústica. O índice modular é: 𝑄 =

2

𝑝𝑐𝜔𝐼

′

sendo

pc é a impedância acústica média, w é a frequência angular sonora e I’ é o período da grade

GIALLORENZI, Thomas G. et. al (1982).

Sensores de temperatura

Os sensores de polarização são baseados nas mudanças na birrefringência das fibras

monomodo. A extensão da resistência pode ser obtida por envolver a fibra em um pequeno

cilindro induzindo uma larga birrefringência. Essa birrefringência cria uma propagação linear

independente de dois modos livres. Rashleigh diz que a resposta do sensor para pequenos sinais

é 𝑄 =

4 , 9 𝑋 10

6

𝑎𝑙

𝐸𝑏( 1 −

𝑎

2

𝑏

2

)

𝑎

𝑏

). [

𝑎

2

𝑏

2

] onde, a é o raio da fibra, l é o

comprimento da fibra, E é modulo de Young, v a razão de Poisson, b é o raio do cilindro.

GIALLORENZI, Thomas G. et. al (1982).

Sensor de Reflexão Interna Total Frustrada

O sensor FTIR consistem em duas fibras onde seus finais são polidos no angulo do eixo

e é produzido com total reflexão interna, para todos os tipos de propagação na fibra. Quando

temos um estado estacionários em uma das fibras e um deslocamento vertical na segunda fibra,

o sinal de luz que passa entre as fibras varia do deslocamento e da luz transmitida para o

modulador GIALLORENZI, Thomas G. et. al (1982).

Sensor de Reflexão Interna Total Curta

O sensor NTIR ou sensor de ângulo crítico, tem grande similaridade ao sensor FTIR.

Com uma fibra monomodo o sensor NTIR corta em qualquer ângulo abaixo do ângulo crítico

GIALLORENZI, Thomas G. et. al (1982).

Sensor de Corrente

Para aplicações mais simples utilizamos este sensor, em situações interferométricas os

sensores fibras aparecem menos devido a sua complexidade. O sensor funciona com uma luz

modulada emitida que é capitada por um modulador GIALLORENZI, Thomas G. et. al (1982).

Sensor Acústico

Qualquer sensor acústico que utilize uma membrana de vidro como refletor tem a

possibilidade de configurar um sensor de diodo laser. A modulação da membrana devido a onda

acústica produz uma mudança no estágio de devolução que então e medido pelo fotodetector.

O detector se ajusta a sensibilidade máxima antes da detecção GIALLORENZI, Thomas G. et. al

(1982).

Hidrofone

Para construir um hidrofone simples utilizamos um princípio empregado a um sensor

acústico. Todo o sensor e colocado dentro de uma proteção de acrílico, apenas a membrana

flexível tem contato com a água.

Sensor Magnético

O Sensor de diodo laser é utilizado em todo sensor magnético. A modulação de reflexão

é conseguida montando os sensores em pequenas peças de tubos de Ni magnetostrictivo. Em

outros sensores ajustam a voltagem no elemento piezoelétrico com um circuito de

compensação. Sua frequência de resposta bate por volta de 900Hz quando a ressonância

longitudinal do tudo de Ni é observado GIALLORENZI, Thomas G. et. al (1982).

Sensor de Corrente

Esse sensor age de maneira similar ao sensor magnético, através de um rolo de fio a

corrente a ser detectada passa, isso é embrulhado pelo elemento magnetostrictivo em um sensor

magnético descrito acima, o sensor detecta o campo magnético da corrente que passa pelo fio,

como consequência temo uma leitura idêntica ao sensor magnético GIALLORENZI, Thomas G.

et. al (1982).

Acelerômetro

Um eixo singular de fibra de acelerômetro altamente sensitivo para que as

respostas sejam da melhor magnitude possível.

O acelerômetro está na forma de um oscilador harmônico singular, consistindo

numa massa suspensa entre duas fibras. Quando o dispositivo for acelerado em direção a fibra,

uma tensão é induzida na fibra de suporte proporcional à aceleração a.

Colocando a fibra de acelerômetro em um terminal de um interferômetro,

acelerações na casa de 600Hz são medidas.

Limitações de Diodo de Laser

Fonte ( https://pt.slideshare.net/MarioTimotius/semicondutores-diodos-laser- 31247907 )

O tamanho pequeno, de alta eficiência e alta saída de energia do estado-sólido GaA1As

do diodo de laser monomodo os tornam uma fonte conveniente para sensores de fibra óptica.

De qualquer forma, ao mudar dos sensores convencionais de fontes de gas-laser (normalmente

HeNe) para fontes de semicondutores, algumas desvantagens são notadas conforme novos

problemas surgem. O problema da saída destes lasers, os quais manifestam como uma perca na

sensibilidade do sensor, pode ser explicada dentre de três grupos básicos.

Ruído de amplitude

Tamanho de coerência............................................................................................................

Ruído de fase

De qualquer maneira, a performance do laser depende da luz alimentada de volta para a

cavidade do laser. A amplitude e a fase da luz realimentada para a cavidade dos lasers, bem

como o tamanho da cavidade externa, são todos importantes na determinação da qualidade do

output do laser. Contudo, muitas estruturas diferentes de laser monomodo GaA1As tem sido

fabricadas. Eles todos mostram comportamentos parecidos, quando a saída de luz deles é

considerada. Entretanto, algumas das relativamente pequenas diferenças no output com lasers

de diferentes estruturas podem ser significantes, isso mostra que as características de output dos

lasers de diodo impõem restrições no design dos sensores de fibra óptica, e ainda é possível

construir dispositivos de alta sensibilidade.

Deve-se notar que conforme muitos artigos foram escritos sobre ruídos do laser de

diodo, a maioria tem se concentrado em ruídos de alta frequência (>100 kHz). Em aplicações

de sensores, tipicamente com baixa frequência (50 kHz ou menos) são de interesse

GIALLORENZI, Thomas G. et. al (1982).

Ruído de amplitude

Em um interferômetro de fibra homodino convencional, a presença do ruído de

amplitude da fonte vai provavelmente reduzir o sinal do qual será indistinguível para o

interferômetro do sinal de fase de interesse. Na variação do interferômetro de fase é um terminal

do interferômetro de frequência aparece como um sinal de output, se ele for acima de 1kHz, ou

acima de 20dB pode ser bastante indesejável para o sistema.

Tamanho de coerência

Estudos apontam que as espessuras de linhas de lasers podem ser vistas com diversas

frequências, variando de 10MHz a 100MHz. As menores precisões de tamanho de coerência

correspondem a distancias de 3 m, a depender do sensor. As outras variações podem também

ser definidas como diretamente proporcional à espessura da cavidade do laser e também do

direcionamento do feixe laser.

Mas, as diversas espessuras de linha não alteram o interferômetro com ruídos GIALLORENZI,

Thomas G. et. al (1982).

Ruído de fase

O ruído de fase em um sistema interferômetro é devido a alterações no comprimento de

onda da fonte de luz do interferômetro e é fortemente dependente da diferença do caminho

óptico entre os terminais. Se um laser HeNe for usado para alimentar o interferômetro e a

diferença de caminho é alterada entre 0 e 1 m, quase nenhum aumento no ruído é notada na

saída, devido a boa estabilidade da frequência.

REFERÊNCIAS

GIALLORENZI, Thomas G. et. al. OPTICAL FIBER SENSOR TECHNOLOGY. IEEE

Transaction on microwave theory and techniques, Vol. MTT-30, NO. Naval Research Laboratory.

United States, 4, April, 1982.