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...
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: 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
eff
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)
Sensor de deformação
Sensor de temperatura
http://www.fibersensing.com/PageGen.aspx?WMCM_PaginaId=27812
Sensores de deformação
Acelerômetro comGrades de Bragg
Grades de Bragg(Fiber Bragg Gratings)
Sensores a Fibra Óptica
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).
Fibras Torcidas(Chiral Fiber Gratings ou Twisted Fibers)
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.
Fibras Torcidas(Chiral Fiber Gratings ou Twisted Fibers)
Sensor de (alta) Temperatura
GIROSCÓPIO A FIBRA ÓPTICA
BOBINADEFIBRA
ACOPLADORDIRECIONAL A2
ACOPLADORDIRECIONAL A1
POLARIZADORMODULADORDEFASE
OSCILADOR
ROTAÇÃO
PROCESSADORDESINAL
FOTODETETOR
DIODOLASER
FONTEDECORRENTE
ROTAÇÃO
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
cn R
c
cn R
R
n c
c
nR
nh
o
o
o
o
o
o
.
. .
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.
.
. .( ) ...
11
11
2
2
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R
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c
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nah
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. .
.
.
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11
11
2
2
t t t R
R c c
c ch ah
h ah
h ah
22
. . .. .
.
t t t R
R Rn
cn
RR
ch aho o
22 2 1 1
222
2
2
2. . .. . . . .
. . .. .
tA
co
4
2
..
..
...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
Gyr
o C
on
ne
cto
r
X
Z
Y
Z
X
Y
BLOCO GIROMÉTRICO
Gyr
o C
on
ne
cto
r
X
Z
Y
Z
X
Y
BLOCO GIROMÉTRICO
MAR-1MAR-1
IEAv EFO-S Girômetros a Fibra ÓpticaFINEP-GIROMAR
www.youtube.com/watch?v=v9k-s1aYiOM&index=2&list=PL50kIiuBGlkDLJkYIsFdB4Nk7Zk1kTbPS
www.optsensys.com.br