Towards Simplified Optical Sensing: Enhancement of Interrogation Techniques based on Intensity Modulation

dc.contributor.advisor1Diaz, Camilo Arturo Rodriguez
dc.contributor.advisor1IDhttps://orcid.org/0000000196575076
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/2410092083336272
dc.contributor.authorSilveira, Mariana Lyra
dc.contributor.authorIDhttps://orcid.org/0000-0002-0368-5629
dc.contributor.authorLatteshttp://lattes.cnpq.br/5307116832176112
dc.contributor.referee1Silva, Jean Carlos Cardozo da
dc.contributor.referee1IDhttps://orcid.org/0000-0003-2310-9159
dc.contributor.referee1Latteshttp://lattes.cnpq.br/9949032159595994
dc.contributor.referee2Pontes, Maria José
dc.contributor.referee2IDhttps://orcid.org/0000000290092425
dc.contributor.referee2Latteshttp://lattes.cnpq.br/4148956242627659
dc.contributor.referee3Frizera Neto, Anselmo
dc.contributor.referee3IDhttps://orcid.org/0000000206873967
dc.contributor.referee3Latteshttp://lattes.cnpq.br/8928890008799265
dc.contributor.referee4Antunes, Paulo Fernando da Costa
dc.date.accessioned2024-05-30T01:41:36Z
dc.date.available2024-05-30T01:41:36Z
dc.date.issued2023-03-24
dc.description.abstractOptical fiber sensors can be straightforwardly utilized in places where electrical instrumentation is dangerous and requires meticulous packaging for explosion insulation. For most of applications, cost is a key concern and choosing the best interrogation system depends on making a trade-off between price and performance. Many low-cost technologies meet the demands of several applications, from personal healthcare to small-scale industrial operation. In this context, this Thesis describes two proposals to enhance low-cost interrogation techniques that require only an unmodulated broadband source and a few low-complexity optical components. Distributed interrogation technologies have explored different solutions to enhance the backscattered power and, as a consequence, increase accuracy in short-range sensing. The first technology herein presented is a distributed interrogation system based on Transmission Reflection Analysis (TRA) with enhanced spatial resolution due to the use of a high-scattering optical fiber. During experiments, bending losses were induced at several points of the fiber, and a spatial resolution of 15 cm was achieved over a 5.4-m fiber. The localization of a strong disturbance (normalized transmitted power of 0.035) with an estimated accuracy of up to 4.01 mm near the source end and 4.69 cm near the fiber end was analytically demonstrated. With regard to weak disturbances (normalized transmitted power of 0.8), the sensor accuracy has been estimated up to 3.19 cm near the source and 19.44 cm near the fiber end. Passive edge filtering is one of the most inexpensive interrogation techniques, however it is prone to errors induced by the cross-sensitivity between temperature and strain. The second proposed technique is a self-referenced solution for mitigation of temperature crosssensitivity in deformation measurements. It consists of matching the reference and sensing fiber Bragg gratings (FBGs) at the ascending and descending slopes of a Fabry-P´erot filter. The Grey Wolf Opmitizer is utilized for spectral tuning. It has been shown that the proposed solution does not affect the system’s dynamic range and sensitivity, being compatible with different edge filters, including ultra-low-cost interferometers produced by simple manufacture processes. Temperature signals with sinusoidal, random, linear and constant profiles were analyzed under simulation. For a strain-free condition, the normalized optical power remained essentially constant, exhibiting a maximum standard deviation of 2.1 × 10−3. In a variable strain condition, strain measurements presented an average error of 3.4 % due temperature variations up to 30 ∘C. Simulation and experimental results presented a maximum relative error of 5.79 %. Both aforementioned technologies integrate small and lightweight optical components, being easily incorporated into fully portable prototypes or embedded into smart textiles. Hybrid systems that merge both solutions utilizing the same broadband source can be further explored for accuracy enhancement. In addition, IoT modules can be easily connected to the acquisition hardware for applications based on Internet of Things (IoT).
dc.description.resumoSensores de fibra óptica podem ser prontamente utilizados em locais onde a instrumentação eletrônica é perigosa, requerendo um empacotamento meticuloso para se tornar segura. Para a maioria das aplicações, o custo é uma preocupação fundamental e a escolha do melhor sistema de sensoriamento se baseia em um compromisso entre preço e desempenho. Muitos sensores ópticos de baixo custo atendem às demandas de diversas aplicações, desde a área da saúde até áreas industriais de pequena e média escala. Neste contexto, esta Tese descreve duas propostas para aprimorar técnicas de interrogação de baixo custo que requerem apenas uma fonte de banda larga não modulada e alguns componentes ópticos de baixa complexidade. Tecnologias de interrogação distribuída exploraram diferentes soluções para aumentar a potência retroespalhada e, como consequência, aumentar a precisão na detecção de curto alcance. Esta Tese apresenta um sistema de interrogação distribuído baseado em Análise de Transmissão-Reflexão (TRA, do inglês Transmission Reflection Analysis), cuja resolução espacial foi aprimorada devido à utilização de uma fibra óptica de alto espalhamento. Durante os experimentos, perdas por curvatura foram induzidas em vários pontos da fibra, e uma resolução espacial de 15 cm foi alcançada em uma fibra de 5, 4 m. A análise analítica mostrou que fortes perturbações (potência transmitida normalizada igual a 0, 035) foram localizadas com sucesso com uma precisão de até 4,01 mm próximo à extremidade da fonte e 4, 69 cm próximo à extremidade da fibra. Com relação aos distúrbios fracos (potência transmitida normalizada igual a 0, 8), a precisão foi estimada em até 3,19 cm perto da extremidade da fonte e 19, 44 cm perto da extremidade da fibra. Os filtros de borda passivos originam sistemas de interrogação de baixo custo, mas resultam em erros de medição devido à sensibilidade cruzada entre temperatura e deformação. A segunda técnica proposta nesta Tese ´e uma solução autorreferenciada para suprimir a sensibilidade à temperatura em sistema de medição de deformação. A técnica proposta consiste em sintonizar as redes de Bragg (FBG, do inglês fiber Bragg gratings) de referência e de sensoriamento nas inclinações ascendentes e descendentes de um filtro Fabry-Pérot. O otimizador Grey Wolf é utilizado para ajuste espectral. Foi demonstrado que a solução proposta não afeta a faixa dinâmica e a sensibilidade do sistema, sendo compatível com diferentes filtros de borda, incluindo interferômetros de baixo custo produzidos por processos simples de fabricação. Sinais de temperatura com perfis senoidal, aleatório, linear e constante foram analisados em simulação. Para uma condição livre de deformação, a potência óptica normalizada permaneceu essencialmente constante, exibindo um desvio padrão máximo de 2,1 × 10−3. Em uma condição de deformação variável, as medições apresentaram um erro médio de 3, 4 % devido a variações de temperatura de até 30 ∘C. Um erro relativo máximo de 5,79 % foi obtido entre simulação e experimento. Ambas as tecnologias propostas requerem componentes ópticos pequenos e leves, sendo facilmente incorporadas em protótipos portáteis ou têxteis inteligentes. Sistemas híbridos que mesclam ambas as soluções utilizando uma única fonte óptica de banda larga podem ser explorados para aprimoramento da precisão e acurácia. Além disso, módulos IoT podem ser facilmente conectados ao hardware de aquisição para aplicações baseadas em Internet das Coisas (IoT).
dc.description.sponsorshipFundação Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
dc.formatText
dc.identifier.urihttp://repositorio.ufes.br/handle/10/16825
dc.languagepor
dc.publisherUniversidade Federal do Espírito Santo
dc.publisher.countryBR
dc.publisher.courseDoutorado em Engenharia Elétrica
dc.publisher.departmentCentro Tecnológico
dc.publisher.initialsUFES
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
dc.rightsopen access
dc.subjectSensores de fibra óptica
dc.subjectAnálise de transmissão-reflexão
dc.subjectFiltro de borda
dc.subjectModulação de intensidade
dc.subjectRede de Bragg em fibra
dc.subjectInterrogação de sensor
dc.subject.br-rjbnsubject.br-rjbn
dc.subject.cnpqEngenharia Elétrica
dc.titleTowards Simplified Optical Sensing: Enhancement of Interrogation Techniques based on Intensity Modulation
dc.title.alternativetitle.alternative
dc.typedoctoralThesis
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