EFEITOS E APLICAÇÕES DE DEFORMAÇÕES NÃO HOMOGÊNEAS EM REDES DE BRAGG

Redes de Bragg em fibras ópticas (RBF) são formadas por modulações periódicas introduzidas no índice de refração do núcleo de fibras ópticas. Estes componentes comportam-se como filtros espectrais de banda passante, ou seja, quando iluminados por um sinal óptico de banda larga, refletem apenas uma fina fatia espectral de luz, cujo centro, o comprimento de onda de Bragg, é proporcional ao período espacial da modulação no índice de refração. As RBF têm encontrado aplicações importantes no sensoriamento das mais diversas grandezas, sendo hoje utilizadas em sistemas de monitoramento para vários segmentos industriais, tais como os setores de petróleo e gás, construção civil e aeroespacial, que, estima-se, respondem em conjunto por cerca de 70% destas aplicações. Em diversas situações o sensoriamento com RBF baseia-se em medidas indiretas da grandeza de interesse, sendo empregados mecanismos de transdução que transformam variações do mensurando em deformações na fibra óptica. Nestes casos, um problema que deve ser tratado com atenção é o acoplamento entre temperatura e deformação, uma vez que as RBF são sensíveis a estas duas variáveis. Não raro, a alternativa é utilizar simultaneamente duas RBF para obter-se a compensação de temperatura na medida de deformação. Este trabalho apresenta um estudo sobre deformações não homogêneas em redes de Bragg e discute aplicações de duas técnicas que podem ser utilizadas como alternativas para eliminar o efeito da temperatura no sensoriamento de deformação com apenas uma RBF. A primeira delas explora a birrefringência óptica induzida na RBF por carregamentos transversais à fibra óptica. A segunda baseia-se nos efeitos sobre o espectro refletido pela rede de Bragg quando submetida a um campo de deformações longitudinais não uniformes ao longo da direção axial da fibra óptica. No trabalho são apresentados protótipos e dispositivos que exploram tais técnicas para a medida simultânea de pressão e temperatura. Esses protótipos foram projetados com auxílio de ferramentas CAD e modelados utilizando-se o método de elementos finitos em conjunto com a teoria de modos acoplados da Rede de Bragg. As previsões obtidas utilizando-se estes modelos mostraram-se bastante próximas dos resultados das implementações experimentais dos protótipos, indicando que a metodologia de modelagem desenvolvida pode ser aplicada nos projetos de transdutores baseados nas duas técnicas estudadas.Fiber Bragg gratings (FBG) are modulations in the effective refractive index of optical fibers, introduced in a small length along the fiber core. Such components operate as narrow band reflective filters, that is, when illuminated by a broad-band light source, they reflect a narrow spectral band centered at a specific wavelength, the Bragg wavelength. This wavelength is proportional to the spatial period of the refractive index modulation. Fiber Bragg gratings have find an increasing number of applications as sensors for different quantities, and today are being employed as part of permanent, real time monitoring systems in various industrial segments. The oil and gas sector, together with civil infrastructure and aeronautics and aerospace, account for almost 70% of this applications. In a number of situations, FBG sensing is based on indirect measurements of the quantity being monitored, and a transduction mechanism is employed to transform changes in the measured quantity in strain sensed by the optical fiber. Since the FBG is sensitive to strain and temperature, proper temperature compensation is always necessary. Usually, a second grating is employed to simultaneously measure temperature and strain, performing the required compensation. This thesis presents a study on effects due to non- homogeneous strains in the Bragg grating and discusses application of two different techniques, based on these effects, to allow temperature compensated strain measurement using a single FBG. The first technique explores strain induced optical birefringence when the fiber is loaded transversely. The second technique is based on changes in the spectral shape of the light signal reflected by the grating when subjected to non homogeneous axial strain fields. Prototypes of pressure and temperature transducers based on these techniques have been developed. These prototypes have been designed by employing CAD techniques and modeled using the finite element method in conjunction with the theory of coupled modes for fiber Bragg gratings. Comparisons between results provided by theoretical models and experimental realizations of the prototypes are very close, demonstrating that the developed approach can be applied to design transducers based on the discussed techniques. Results obtained with the proposed pressure and temperature sensors are also encouraging indicating that the two techniques are suitable for industrial applications