With the present work, the development of fiber optic sensor solutions for the
application in challenging media was intended. New sensor structures based
on the post-processing of optical fibers were addressed, taking into account
their sensitivity to variations in the external environment.
In a first stage, fiber Bragg gratings were embedded in lithium batteries, to
monitor temperature in situ and operando. Due to the harsh chemical
environment of the battery, fiber optic sensors revealed to be the most
advantageous alternative, when comparing to the electronic sensors. Fiber
sensors exhibited good sensitivities and fast responses, besides being less
invasive, thus they did not compromise the battery response. Furthermore, they
were chemically stable.
Still in the framework of this theme, and with the objective of monitoring
possible strain and pressure variations inside the batteries, new sensors based
on in-line Fabry-Perot cavities have been proposed. These sensors were
characterized in lateral load, strain, and temperature.
In a later stage, the study focused on the development of configurations that
allowed to obtain high-resolution and/or sensitivity sensors. One of such
configurations was obtained by creating a hollow microsphere at the fiber tip.
The sensor was used to detected concentration variations and refractive index
of glycerin and water mixtures. The influence of the diaphragm size in the
sensor response was also studied, as well as the temperature response.
New sensors based on multimode interference have also been characterized,
using a coreless silica fiber tip. First, the influence of different parameters, such
as length and diameters were analyzed. The sensors were tested in different
solutions of glucose and water. It was observed that the sensor diameter is a
decisive factor in obtaining devices that are more sensitive to refractive index
and, consequently, to concentration.
The determination of the thermo-optic coefficient of water/ethanol mixtures was
also addressed using a multimode fiber interferometer sensor.
Finally, a multimode interferometer sensor was functionalized by depositing
agarose throughout the structure, allowing to optimize the response of the
sensors to the external environment.Com o presente trabalho pretendeu-se explorar soluções de sensores em fibra
ótica para a aplicação em meios desafiantes. Novas estruturas sensoras
baseadas em pós-processamento de fibra ótica foram abordadas, tendo em
consideração a sua sensibilidade a variações do meio externo.
Numa primeira etapa, foram embebidas redes de Bragg no interior de baterias
de lítio, para monitorizar variações de temperatura in situ e operando. Devido
ao complexo meio químico da bateria, os sensores em fibra ótica revelaram
ser uma alternativa mais vantajosa em relação aos sensores elétricos, não só
pela sensibilidade e rápida resposta, mas também pelo fato de não afetarem o
desempenho da bateria. Além disso, os sensores usados revelaram ser pouco
invasivos e quimicamente estáveis.
Ainda no âmbito deste tema, e com o objetivo de monitorizar possíveis
deformações e variações de pressão no interior da bateria de lítio, foram
desenvolvidos novos sensores baseados em cavidades de Fabry-Perot do tipo
in-line. Esses sensores foram caraterizados em pressão lateral, deformação e
temperatura.
Numa fase posterior, o estudo centrou-se no desenvolvimento de
configurações que permitissem a obtenção de sensores com elevada
resolução e/ou sensibilidade. Uma das configurações consistiu na formação de
uma microesfera oca na ponta de uma fibra ótica. Esse sensor foi utilizado
para detetar variações de concentração e índice de refração de misturas de
glicerina e água. A influência do tamanho do diafragma na resposta do sensor
também foi estudada, assim como a resposta em temperatura.
Em seguida, desenvolveram-se novos sensores baseados em interferência
multimodo, utilizando para tal uma ponta de fibra de sílica sem núcleo. Numa
primeira abordagem analisou-se a influência de diferentes parâmetros, como o
comprimento e o diâmetro dos sensores. Os sensores foram expostos a
diferentes soluções de glucose e água. Verificou-se que o diâmetro do sensor
é um fator decisivo para a obtenção de dispositivos mais sensíveis ao índice
de refração e, consequentemente, à concentração.
Foi também desenvolvido um sensor baseado em interferência multimodo que
permitiu determinar o coeficiente termo-ótico de misturas de etanol e água.
Por fim, procedeu-se à funcionalização de um sensor baseado em interferência
multimodo através da deposição de agarose ao longo da estrutura, permitindo
assim otimizar a sua resposta a variações do meio externo.Programa Doutoral em Engenharia Físic
