SENSOR DE CURVATURA, VAZÃO E ANEMÔMETRO A FIBRA ÓTICA BASEADO EM INTERFERÊNCIA MULTIMODAL

Abstract

Fiber optical sensors have been used for a large area of applications, which includes monitoring physical variables as bending, flow rate, vibration and temperature, among others. In this work the basic device is a small simple arrangement composed of a single-mode fiber connected to a multimode fiber segment and this one to another single-mode fiber, in a structure that is called SMS. This type of device has the advantage of being simple and low-cost, compared to others optical fiber sensors. Inside of the multimode segment the light beams in the guided modes interfere with each other in what is called multimodal interference (MMI). The length of the multimode segment is just the necessary to get the light out using the self-image principle, where the constructive interferences of the light waves among the several guided modes lead to a copy of the input light signal. The aim of this work is to develop theoretical analysis, numeric simulations and experimental tests of fiber optics SMS bend sensors using multimodal interference in both transmission and reflection modes, with applications as flow rate sensor, anemometer and mechanical bend sensor in general. Issues about alternating slope behavior of the sensor output power response to bending, which is fully demonstrated, led to a solution which is the use of a circular support with fixed curvature radius, where the sensor bends forming an arc along the support edge. Experimental tests were accomplished using optical bench work and wind tunnel in order to verify the practical feasibility and efficiency of the devices as optical sensors, in both free and fixed curvature radius, which revealed good correlation between output power and the controlled variable. Sensitivities of 2,03 dB/(m/s) of reflected power with resolution of 4,93x10-3 m/s and 381,33 pm/(m/s) of spectral peak displacement with resolution of 23x10-3 m/s are reported (free sensor, without fixed radius support, inside the wind tunnel). Sensitivity of -7,06 dB/mm with resolution of 0,14x10-3 m/s using displacement of the sensor tip, on the optical work bench, is reported using an 85 mm curvature radius circular support.

O crescimento das aplicações de sensores óticos nas últimas décadas corrobora a importância do estudo de dispositivos baseados em fibras óticas sensíveis a diversas variáveis físicas como curvatura, vazão, vibração e temperatura, entre outras. Neste trabalho são abordados sensores de curvatura que utilizam o princípio de interferência multimodal numa configuração que emprega um segmento de fibra multimodo (Multimode) conectado entre duas fibras monomodo (Single-mode), conhecida como estrutura SMS. Os dispositivos SMS possuem vantagem de simplicidade de construção e baixo custo, comparados a outros dispositivos sensores a fibra ótica. A energia luminosa propagada pelos modos guiados do segmento multimodo apresenta interferências construtivas e destrutivas ao longo do sentido de propagação, formando um padrão de interferências que possui sensibilidade com relação às variáveis físicas mencionadas. A leitura da potência de saída é realizada levando em conta o efeito de reimagem, onde o perfil de entrada da MMF é praticamente replicado a uma determinada distância e comprimento de onda. Análises numérica e experimental do comportamento dos sensores demostram que a potência de saída em função do raio de curvatura apresenta alternações de inclinação que podem dificultar seu emprego em aplicações para grandes faixas de curvatura. Essa questão levou à proposta de sensoriamento por variação do arqueamento do sensor em torno de um suporte de perfil circular (raio de curvatura fixo). São apresentadas análises conceitual e experimental de sensores de curvatura, interrogados na transmissão e na reflexão, utilizando raio de curvatura variável e fixo, com aplicações em sensoriamento de fluido em movimento, como sensor de vazão ou anemômetro, e arqueamento mecânico. Testes em bancada ótica e em túnel de vento foram realizados para comprovar a viabilidade e eficiência do dispositivo como sensor, revelando bom desempenho. Nos experimentos fica evidente a existência de correlação entre a potência de saída do sensor e a variável controlada, tanto para raio de curvatura variável quanto fixo. No caso dos sensores que empregam raio de curvatura fixo, são discutidas as influências do raio de curvatura do suporte e das características físicas da fibra multimodo (diâmetro e comprimento), uma vez que determinam o deslocamento máximo da ponta do sensor e quantidade de arqueamento da fibra no suporte. Experimentos em túnel de vento com o sensor de vazão livre, sem apoio em suporte, com velocidades de até 12,25 m/s (44,1 km/h), resultaram em sensibilidade da ordem de 2,03 dB/(m/s) para potência refletida com resolução de 4,93x10-3 m/s e sensibilidades de 381,33 pm/(m/s) para o deslocamento do pico espectral, com resolução de 23x10-3 m/s. Testes efetuados em bancada ótica com deslocamento da ponta do sensor, usando apoio em suporte de 85 mm de raio de curvatura, resultaram em sensibilidade de -7,06 dB/mm e resolução de 0,14x10-3 mm.