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Título: Desenvolvimento de técnicas ópticas avançadas de sensoriamento
Título(s) alternativo(s): Development of advanced optical sensing techniques
Autor(es): Dutra, Guilherme
Orientador(es): Martelli, Cicero
Palavras-chave: Medição de superfícies
Fibras ópticas
Espalhamento (Física)
Dispositivos óptico-acústicos
Detectores ópticos
Area measurement
Optical fibers
Scattering (Physics)
Acoustooptical devices
Optical detectors
Data do documento: 11-Dez-2018
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: DUTRA, Guilherme. Desenvolvimento de técnicas ópticas avançadas de sensoriamento. 2018. 134 f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2018.
Resumo: A presente Tese de Doutorado aborda o desenvolvimento e aplicação de duas técnicas ópticas distintas. A primeira técnica tem como objetivo o mapeamento, em duas dimensões, de grandes superfícies (175 x 175 mm), utilizando novo método para cálculo de ângulo de contato que utiliza imagens da vista superior. As medições de ângulo de contato através da vista superior são validadas mostrando-se tão confiáveis quanto métodos tradicionais de medição através da vista lateral. Uma série de amostras, incluindo materiais industrialmente relevantes para coberturas de construções e impressão, são analisadas e os resultados comparados com outros métodos apresentados e a literatura. O mapeamento de superfícies é realizado analisando superfícies diversas como: pastilha de silício recoberta com nanopartículas de prata e papel Aspen (impresso em preto com impressora a laser). O potencial da análise forense e/ou química é demonstrado ao se revelar regiões da superfície do papel Aspen contaminadas e não contaminadas por óleo mineral. O método promete ser uma solução viável para a caracterização em nano escala e o monitoramento industrial, bem como análises químicas, permitindo medições de ângulo de contato rápidas em grandes áreas ou grandes números de amostras, o que não é possível de ser realizado com as técnicas tradicionais apresentadas. Além da possibilidade da sua utilização embarcada em dispositivos eletrônicos móveis e/ou autônomos. A segunda técnica possui como objetivo a elaboração de sensor óptico distribuído para monitoramento acústico – DAS. O sistema utiliza a topologia φ-OTDR e laser com largura de banda de ~2 kHz e comprimento de coerência de ~50 km. A alta coerência do laser propicia a geração do efeito do ruído Rayleigh coerente (CRN) o que colabora para a detecção acústica. É desenvolvida metodologia de processamento para a detecção de frequências e perturbações no DAS. A metodologia de processamento do DAS é confirmada através de testes como a detecção das frequências naturais de oscilação em uma fibra óptica bi-engastada. Testes em campo são apresentados detectando a presença de um cavalo andando sobre pista equestre instrumentada. Por fim é apresentado o “microfone óptico” com o qual é possível reconstruir o áudio e o espectro das vogais “a e i o u”.
Abstract: This PhD thesis describes the development and application of two different optical techniques. The first technique aims the at two-dimensional mapping of large surfaces (175 x 175) mm, using a new method for contact angle calculation named Top-Down Method. The contact angles measurements by Top-Down method have been validated and confirmed to be as good as traditional side-based measurements. A range of samples, including industrially relevant materials for roofing and printing, has been analyzed and the results compared to other introduced methods and literature. The surface mapping is performed by analyzing several surfaces such as: silicon wafer coated with silver nanoparticles (Ag) and Aspen paper printed. The potential of forensic and chemical analysis is shown to reveal regions of the surface of the printed paper Aspen black with a laser printer contaminated and non-contaminated by mineral oil. The method promises to be a viable solution for nanoscale characterization and industrial monitoring as well as chemical analyses by allowing rapid contact angle measurements over large areas or large numbers of samples in ways and times that have not been possible before. Besides the possibility of its use in embedded mobile and/or stand-alone electronic devices. The second technique has as objective the elaboration of a distributed optical sensor for acoustic monitoring – DAS. The system uses the φ-OTDR topology and a laser with ~2 kHz bandwidth and coherence length of 48 km. The high coherence of the laser allows the generation of coherent Rayleigh noise (CRN), which contributes to acoustic detection. On this thesis, is developed the processing methodology for the detection of frequencies and disturbances in DAS. The DAS processing methodology is confirmed by tests such as the detection of natural oscillation frequencies in a fixed optical fiber. Field tests are presented detecting the presence of a horse walking on an instrumented equestrian track. Finalizing the tests, is made "optical microphone" where it is possible to reconstruct the speech of the vowels "a e i o u".
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/3893
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