Metrologia óptica com fibra polimérica

Abstract

O presente trabalho teve por objectivo global o estudo e desenvolvimento de sensores baseados em fibra óptica polimérica. O crescimento da tecnologia polimérica nos últimos anos permitiu a introdução deste tipo de fibras ópticas na área das telecomunicações e no desenvolvimento de sensores. As vantagens associadas à metrologia óptica com fibra polimérica têm vindo a atrair as atenções da comunidade científica dado que permitem o desenvolvimento de sistemas de baixo-custo ou custo competitivo face às tecnologias convencionais. Dada a actualidade do tema proposto, descreve-se, numa primeira fase, a tecnologia em fibra óptica polimérica existente no mercado e o estado de arte de sensores em fibra óptica polimérica. Segue-se a descrição de dois tipos de sensores baseados em modulação de intensidade. Projectou-se um sensor extrínseco capaz de avaliar a quantidade de luz dispersa e absorvida por partículas suspensas num líquido. Foi efectuada a caracterização do sensor quanto à concentração de partículas suspensas, tamanho e reflectividade. O sensor foi testado no âmbito da monitorização ambiental, designadamente, na análise de turbidez em amostras de sedimentos recolhidos em áreas ardidas. O sistema desenvolvido foi comparado com um sistema comercial. Um sensor intrínseco, baseado no polimento lateral de fibra óptica polimérica, foi analisado analiticamente. O modelo teórico avalia o sensor em diferentes condições de macroencurvamento e de índice de refracção do meio envolvente. O modelo teórico foi validado positivamente através de resultados experimentais. Foi avaliada a sensibilidade à temperatura e os conhecimentos adquiridos foram aplicados no desenvolvimento de um sistema capaz de monitorizar a cura de diferentes materiais. É ainda apresentada uma técnica para melhorar a sensibilidade do sensor de curvatura através da aplicação de um revestimento na zona sensível. A dependência na curvatura da potência transmitida por uma fibra óptica polida lateralmente serviu de base ao desenvolvimento de uma joelheira e de uma cotoveleira instrumentada, capazes de avaliar quantitativamente o movimento articular. A necessidade de portabilidade levou ao desenvolvimento de um sistema sem fios para aquisição e transmissão de dados. Espera-se que os protótipos desenvolvidos venham a ter um impacto significativo em sistemas futuros aplicados à medicina física e reabilitação.

The global aim of this thesis was the study and development of optical sensors based on plastic optical fibre. The recent advance of polymer technology allowed the introduction of this type of optical fibre in telecommunications and sensor design. The advantages of optical metrology with plastic fibre have attracted attention from the scientific community because it allows the development of low-cost or cost competitive systems compared with conventional technologies. Given the relevance of the topic, the current plastic optical fibre technology and the state of the art of plastic optical fibre optic sensors are described. Two types of intensity-based sensors are presented. An extrinsic sensor was designed in order to measure the amount of scattered and absorbed light by particles suspended in a liquid. The characterisation of the sensor was accomplished with respect to the concentration of the suspended particles, size and reflectivity. The sensor was tested in environmental monitoring, particularly, in the analysis of turbidity in sediment samples collected from burned areas and compared to a commercial system. An intrinsic sensor based on side-polished plastic optical fibre was analytically analysed. The theoretical model assesses the sensor performance in different conditions of curvature and refractive index of the surrounding media. The theoretical model has been positively validated by experiments. The sensitivity of the sensor to the temperature was also evaluated and the knowledge acquired was applied to the development of a pressure sensor and a system capable of monitoring the cure of different materials. A technique for improving the sensor sensitivity is also presented by the application of a coating on the sensitive area. The dependence of the transmitted power of a side-polished plastic optical fibre on the curvature was used in the development of a system for monitoring knee and elbow angle. These devices allowed the quantitative assessment of the human motion. The need of portability led to the introduction of a wireless data transmission system. It is expected that the developed prototypes will play an important role in future physical medicine and rehabilitation systems.