Doutoramento em FísicaO 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.POPH; FCT; FS