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Título: Sensor de campo magnético baseado em rede de Bragg em fibra ótica com transdutor magneto-mecânico de ferro reduzido
Título(s) alternativo(s): Magnetic-field sensor based on a fiber Bragg grating with a reduced-iron magneto-mechanical transducer
Autor(es): Cidade Filho, Acy
Orientador(es): Abe, Ilda
Palavras-chave: Redes de Bragg
Fibras ópticas
Detectores ópticos - Desenvolvimento
Campos magnéticos - Medição
Transdutores - Projetos e construção
Bragg gratings
Optical fibers
Optical detectors - Development
Magnetic fields - Measurement
Transducers - Design and construction
Data do documento: 13-Abr-2026
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: CIDADE FILHO, Acy. Sensor de campo magnético baseado em rede de Bragg em fibra ótica com transdutor magneto-mecânico de ferro reduzido. 2026. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2026.
Resumo: A medição de campos magnéticos é relevante em diferentes contextos de instrumentação científica e tecnológica, especialmente quando se busca monitoramento remoto, imunidade à interferência eletromagnética e ausência de componentes eletrônicos no ponto sensível. Neste contexto, esta dissertação desenvolve e caracteriza um sensor magneto-mecânico baseado em Rede de Bragg em Fibra Ótica (FBG) para estimativa indireta do módulo do campo magnético. O princípio de funcionamento baseia-se na conversão da interação magnética em deforma- ção mecânica, posteriormente transduzida em deslocamento espectral pela FBG. O transdutor foi construído com ferro reduzido em pó encapsulado em tubo capilar de vidro para microhematócrito, fixado à face inferior de um substrato de quartzo, enquanto a FBG foi aderida à face superior com adesivo cianoacrilato. As FBGs foram inscritas por máscara de fase com laser exímero Coherent Xantos XS (ArF, 193 nm) e interrogadas por um I-MON 512 USB (Ibsen Photonics) a 1 kHz. O campo magnético foi aplicado por uma pilha de ímãs permanentes de neodímio (NdFeB), com posicionamento realizado por estágio micrométrico e quantificação por gaussímetro com sonda Hall radial. O protocolo experimental foi dividido em cinco etapas: referência, subida, máximo, descida e retorno, repetidas em cinco ensaios independentes. A análise dos dados incluiu a extração de patamares após estabilização, a modelagem transitória por ajuste exponencial de primeira ordem e a calibração por ajuste não linear. Também foram avaliadas métricas de sensibilidade incremental, repetibilidade interensaio, histerese, estabilidade da linha de base e resolução equivalente em campo. Os resultados mostraram resposta predominantemente não linear até 56,87 mT, com ajuste global de alta aderência (𝑅2 = 0,986) e sensibilidade dependente do ponto de operação. A sensibilidade incremental variou de aproximadamente 0,30 pm/mT para o campo magnético 𝐵 ≈ 0, 1,34 pm/mT em 18 mT e 3,60 pm/mT em 56,87 mT. Considerando a estabilidade do zero, com resolução espectral de 2,4 pm, a resolução equivalente em campo pelo critério 3𝜎 foi de aproximadamente 5,4 mT em 18 mT e 2,0 mT em 56,87 mT. A histerese relativa média no nível intermediário foi de 1,49 ± 0,55% (𝑁 = 5). A temperatura ambiente foi monitorada, indicando possível influência sobre a linha de base do sensor. Entretanto, não foi realizada compensação térmica, pois o arranjo experimental não incluiu uma FBG de referência termicamente desacoplada nem outro método independente capaz de separar quantitativamente os efeitos térmico e magnético. Conclui-se que o protótipo demonstrou viabilidade como prova de conceito experimental em bancada, apresentando resposta magneto-mecânica mensurável por FBG. Os resultados delimitam a faixa de operação investigada e indicam a necessidade de melhorias futuras no controle mecânico, na compensação térmica, na rastreabilidade do estímulo magnético e na robustez do transdutor para aplicações em campos magnéticos mais elevados.
Abstract: Magnetic field measurement is relevant in different contexts of scientific and technological instrumentation, especially when remote monitoring, immunity to electromagnetic interference, and the absence of electronic components at the sensing point are required. In this context, this dissertation develops and characterizes a magneto-mechanical sensor based on a Fiber Bragg Grating (FBG) for the indirect estimation of the magnetic field magnitude. The operating principle is based on the conversion of the magnetic interaction into mechanical deformation, which is subsequently transduced into a spectral shift by the FBG. The transducer was constructed using reduced iron powder encapsulated in a glass micro-hematocrit capillary tube fixed to the lower face of a quartz substrate, while the FBG was bonded to the upper face using cyanoacrylate adhesive. The FBGs were inscribed by the phase-mask technique using a Coherent Xantos XS excimer laser (ArF, 193 nm) and interrogated by an I-MON 512 USB interrogator (Ibsen Photonics) at 1 kHz. The magnetic field was applied using a stack of neodymium permanent magnets (NdFeB), with positioning performed by a micrometric stage and field quantification carried out using a gaussmeter with a radial Hall probe. The experimental protocol was divided into five stages: reference, rising, maximum, decreasing, and return, repeated in five independent tests. Data analysis included the extraction of plateaus after stabilization, transient modeling by first-order exponential fitting, and calibration by nonlinear fitting. Metrics such as incremental sensitivity, inter-test repeatability, hysteresis, baseline stability, and equivalent magnetic field resolution were also evaluated. The results showed a predominantly nonlinear response up to 56.87 mT, with a high goodness of fit for the global adjustment (𝑅2 = 0.986) and sensitivity dependent on the operating point. The incremental sensitivity varied from approximately 0.30 pm/mT for magnetic field 𝐵 ≈ 0, to 1.34 pm/mT at 18 mT, and 3.60 pm/mT at 56.87 mT. Considering the zero-field stability, with a spectral resolution of 2.4 pm, the equivalent magnetic field resolution using the 3𝜎 criterion was approximately 5.4 mT at 18 mT and 2.0 mT at 56.87 mT. The mean relative hysteresis at the intermediate level was 1.49 ± 0.55% (𝑁 = 5). Room temperature was monitored, indicating a possible influence on the sensor baseline. However, no thermal compensation was performed, since the experimental arrangement did not include a thermally decoupled reference FBG or any other independent method capable of quantitatively separating thermal and magnetic effects. It is concluded that the prototype demonstrated feasibility as an experimental bench-top proof of concept, presenting a measurable magneto-mechanical response using an FBG. The results delimit the investigated operating range and indicate the need for future improvements in mechanical control, thermal compensation, traceability of the magnetic stimulus, and transducer robustness for applications in higher magnetic fields.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/40461
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