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metadata.dc.type: Tese
Issue Date: 1-Apr-2016
metadata.dc.creator: FERNANDES, Cindy Stella
metadata.dc.contributor.advisor1: COSTA, João Crisóstomo Weyl Albuquerque
metadata.dc.contributor.advisor-co1: GIRALDI, Maria Thereza Miranda Rocco
Title: Desenvolvimento de sensores baseados em fibra óptica para monitoramento estrutural
metadata.dc.description.sponsorship: CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior
Citation: FERNANDES, Cindy Stella. Desenvolvimento de sensores baseados em fibra óptica para monitoramento estrutural. 2016. 80 f. Tese (Doutorado) - Universidade Federal do Pará, Instituto de Tecnologia, Belém, 2016. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica.
metadata.dc.description.resumo: A investigação e o desenvolvimento de sistemas para a medição de parâmetros físicos e mecânicos de integridade estrutural, pode permitir a prévia detecção de colapsos, processos de deterioração e outros fatores naturais e/ou provocados pelo homem. Nesse caso, a medida desses parâmetros em tempo real é crucial para a identificação, localização e quantificação de danos, e também para melhorar a manutenção e segurança dessas estruturas. Medições de curvatura e vibração são importantes para o monitoramento estrutural devido a sua relação com as respostas dinâmicas de estruturas de engenharia. Nessa tese, estruturas de descasamento de diâmetro de núcleo são propostas e experimentalmente investigadas para sensoriamento de curvatura e vibração. Entre as análises, duas configurações exibiram um melhor desempenho, uma abordagem usa uma estrutura formada pela emenda de uma pequena seção de fibra multimodo não revestida entre duas fibras monomodo padrão (SMS), combinada com um espelho óptico em fibra na sua extremidade, e a outra abordagem é formada pelo sanduíche de uma seção de fibra monomodo entre duas pequenas seções de fibra multimodo, emendadas entre duas fibras monomodo padrão (SMSMS). O dispositivo SMS é analisado através de medidas experimentais e simulações numéricas. Na análise experimental de curvatura, o sensor SMS proposto gera padrões de interferência destrutiva e aumenta a perda óptica se é curvado, variando somente a atenuação do sinal óptico sem variação do comprimento de onda. A modelagem numérica é feita com o método de propagação de feixe por diferenças finitas através da utilização do software BeamProp 9.0 da empresa RSoft. O sensor SMSMS possui duas seções MMF que agem como acoplador e reacoplador de modos de núcleo-casca, e a seção SMF ao meio atua como o “braço” de interferência. Assim os modos da casca que se propagam na seção SMF do meio tornam-se sensíveis às frequências aplicadas. Este dispositivo foi analisado experimentalmente como sensor de vibração e provou ser adequado para monitorar frequências tão baixas como 0.1 Hz. As configurações de sensores propostos apresentam várias características interessantes, tais como fácil fabricação, baixo custo, alta eficiência e alta sensibilidade. Embora o processo de fabricação das estruturas não seja muito preciso, o que afeta sua reprodutibilidade, esses sensores são muito úteis numa vasta variedade de aplicações, tais como monitoramento de integridade estrutural.
Abstract: The research and development of systems for measuring physical and mechanical parameters of structural health, allows the early detection of collapses, deterioration process and other natural and / or caused by man factors. In this case, real-time measurements of these parameters are crucial for identification, localization and quantification of damages, and also improve the maintenance and safety of such structures. Curvature and vibration measurements are important to structural monitoring due to their relationship with the dynamic responses of engineering structures. In this thesis, core diameter mismatch structures are proposed and experimentally investigated for curvature and vibration sensing. Among the analyzes, two settings exhibited improved performance, one approach uses a structure formed by splicing an uncoated short section of multimode fiber between two standard single mode fibers (SMS), combined to an optical fiber mirror at its end, and the other approach is made by the sandwich of one single mode fiber section between two short multimode fiber sections, spliced between two standard single mode fibers (SMSMS). The SMS device is analyzed through experimental measurements and numerical simulations. In the curvature analysis, the proposed SMS sensor generates destructive interference patterns whether it is bent, varying only the attenuation of the optical signal without wavelength shifts. Numerical modeling is performed using the finite difference beam propagation method by means of the BeamProp 9.0 software of Rsoft™ company. In the experimental vibration analysis, the SMSMS sensor is formed by two MMF sections that act as coupler and re-coupler of core-cladding modes, and the SMF section in the middle acts as the "arm" of interference. So the cladding modes that propagate in the SMF middle section become sensitive to the applied frequencies. The SMSMS vibration sensor proved to be suitable to monitor very low frequencies such as 0.1 Hz. The proposed sensors configurations present several interesting features, such as easy fabrication, low-cost, high-efficiency, and high sensitivity. Although the manufacturing process of the structures is not very precise, which affects its reproducibility, such sensors very useful in a wide range of applications, such as structural health monitoring.
Keywords: Detectores de fibras óticas
Dispositivos optoeletrônicos
Fibras óticas
Modelos matemáticos
Monitoramento de estruturas
metadata.dc.subject.cnpq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA::TELECOMUNICACOES
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Federal do Pará
metadata.dc.publisher.initials: UFPA
metadata.dc.publisher.department: Instituto de Tecnologia
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
metadata.dc.rights: Acesso Aberto
Appears in Collections:Teses em Engenharia Elétrica (Doutorado) - PPGEE/ITEC

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