SENSOR EM FIBRA ÓPTICA APLICADO À CARACTERIZAÇÃO DE ATUADORES PIEZOELÉTRICOS FLEXTENSIONAIS

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1 UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA JÚLIO DE MESQUITA FILHO CAMPUS DE ILHA SOLTEIRA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA SENSOR EM FIBRA ÓPTICA APLICADO À CARACTERIZAÇÃO DE ATUADORES PIEZOELÉTRICOS FLEXTENSIONAIS João Maros Salvi Sakaoto Dissertação de estrado subetida à Fauldade de Engenharia de Ilha Solteira da Universidade Estadual Paulista - UNESP. Coo parte dos requisitos neessários para obtenção do título de Mestre e Engenharia Elétria. Coissão Exainadora: Prof. Dr. Cláudio Kitano - Fauldade de Engenharia de Ilha Solteira - Orientador Prof. Dr. Mauro Henrique de Paula - Universidade Federal de Mato Grosso do Sul Prof. Dr. Apareido Augusto de Carvalho - Fauldade de Engenharia de Ilha Solteira ILHA SOLTEIRA SP, ABRIL DE 006.

2 Dissertação de Mestrado FICHA CATALOGRÁFICA Elaborada pela Seção Ténia de Aquisição e Trataento da Inforação/Serviço Ténio de Bibliotea e Douentação da UNESP-Ilha Solteira Sakaoto, João Maros Salvi S158s Sensor e fibra óptia apliado à araterização de atuadores piezoelétrios flextensionais / João Maros Salvi Sakaoto. -- Ilha Solteira : [s.n.], 006 xvii, 154 p. : il. Dissertação (estrado) - Universidade Estadual Paulista. Fauldade de Engenharia de Ilha Solteira, 006 Orientador: Cláudio Kitano Bibliografia: p Sensor e fibra óptia.. Sensor - Modelos ateátios. 3. Dispositivos piezoelétrios.

3 Dissertação de Mestrado

4 Dissertação de Mestrado ii ÍNDICE GERAL ÍNDICE GERAL II ÍNDICE DE FIGURAS IV LISTA DE SÍMBOLOS VI LISTA DE ABREVIATURAS XII SUMÁRIO XIII ABSTRACT XIV AGRADECIMENTOS XV DEDICATÓRIA XVII CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO O ESTADO DA ARTE DO SENSOR REFLEXIVO EM FIBRA ÓPTICA MOTIVAÇÃO PARA A REALIZAÇÃO DO TRABALHO ORGANIZAÇÃO DO TEXTO 8 CAPÍTULO FIBRAS ÓPTICAS FIBRAS ÓPTICAS 9. - ANÁLISE DA PROPAGAÇÃO ELETROMAGNÉTICA NA FIBRA ÓPTICA DE ÍNDICE DEGRAU MODOS MAGNETICAMENTE TRANSVERSAIS (TM) E ELETRICAMENTE TRANSVERSAIS (TE) MODOS HÍBRIDOS (HE E EH) CONDIÇÃO DE CORTE CURVAS DE DISPERSÃO DA FIBRA ÓPTICA DE ÍNDICE DEGRAU MODOS LINEARMENTE POLARIZADOS (LP) 5 CAPÍTULO 3 SENSOR REFLEXIVO EM FIBRA ÓPTICA SENSORES DE INTENSIDADE EM FIBRA ÓPTICA PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO SENSOR REFLEXIVO EM FIBRA ÓPTICA MODELO MATEMÁTICO DE FEIXES UNIANGULARES DO SENSOR REFLEXIVO FUNÇÃO INTENSIDADE INTEGRADA NO PLANO IMAGEM MODELO MATEMÁTICO DE RAIOS GAUSSIANOS DO SENSOR REFLEXIVO SIMULAÇÃO DO SENSOR REFLEXIVO EM FIBRA ÓPTICA 60

5 Dissertação de Mestrado iii CAPÍTULO 4 PIEZOELETRICIDADE E ATUADORES PIEZOELÉTRICOS EFEITO PIEZOELÉTRICO DEFORMAÇÃO MECÂNICA OU STRAIN TENSÃO MECÂNICA OU STRESS LEI DE HOOKE GENERALIZADA EQUAÇÕES CONSTITUTIVAS PARA MEIOS PIEZOELÉTRICOS ATUADORES PIEZOELÉTRICOS ATUADOR PIEZOELÉTRICO FLEXTENSIONAL ETAPAS DE PROJETO DO ATUADOR PIEZOELÉTRICO FLEXTENSIONAL DEFINIÇÃO DO DOMÍNIO ESTENDIDO FIXO DO PROJETO DISCRETIZAÇÃO DO DOMÍNIO DISTRIBUIÇÃO DE MATERIAL NO DOMÍNIO INTERPRETAÇÃO DAS ESCALAS DE CINZA AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO ETAPA DE FABRICAÇÃO DESCRIÇÃO DO PIEZOATUADOR FLEXTENSIONAL UTILIZADO GRANDEZAS RELEVANTES PARA CARACTERIZAÇÃO DO PIEZOATUADOR FLEXTENSIONAL 86 CAPÍTULO 5 MONTAGEM E TESTE DO SENSOR REFLEXIVO EM FIBRA ÓPTICA CLIVAGEM DA FIBRA ÓPTICA ACOPLAMENTO DE LUZ À FIBRA ÓPTICA SELEÇÃO DAS FIBRAS ÓPTICAS MONTAGEM DO SENSOR DE DESLOCAMENTO EM FIBRA ÓPTICA CARACTERIZAÇÃO ESTÁTICA DO SENSOR REFLEXIVO FATOR DE CALIBRAÇÃO DO SENSOR REFLEXIVO VALIDAÇÃO EXPERIMENTAL DO SENSOR REFLEXIVO USO DO SENSOR REFLEXIVO COMO PERFILÔMETRO 108 CAPÍTULO 6 RESULTADOS EXPERIMENTAIS OBTIDOS COM PIEZOATUADORES FLEXTENSIONAIS SISTEMA DE MEDIÇÃO DE DESLOCAMENTO RESPOSTA EM FREQÜÊNCIA DO PIEZOATUADOR FLEXTENSIONAL PFX RESPOSTA EM FREQÜÊNCIA DO PIEZOATUADOR FLEXTENSIONAL PFX INFLUÊNCIA DO FENÔMENO DE ERRO TRAJETÓRIA NO PFX UMA DISCUSSÃO SOBRE A LINEARIDADE DO PIEZOATUADOR FLEXTENSIONAL SIMULAÇÃO DO PFX-1 COM MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS ESTIMATIVA DA DEFLEXÃO ANGULAR DO ESPELHO 136 CAPÍTULO 7 CONCLUSÕES 140 REFERÊNCIAS 145

6 Dissertação de Mestrado iv ÍNDICE DE FIGURAS Figura.1 Estrutura básia de ua fibra óptia [39] Figura. Estrutura da fibra óptia...11 Figura.3 Carta de odos da fibra óptia o índie degrau...3 Figura.4 Linhas de apo dos odos próprios da fibra óptia....5 Figura.5 Carta de odos LP....7 Figura.6 Modo LP Figura.7 Modo LP Figura.8 Modo LP Figura.9 Modo LP Figura.10 - Perfis de intensidade: odo LP 01 e gaussiano Figura 3.1 Classifiação de sensores e fibra óptia Figura 3. Diagraa de bloos de u sensor o odulação de intensidade óptia Figura 3.3 Configuração fundaental do sensor reflexivo...35 Figura 3.4 Curva araterístia do sensor reflexivo...36 Figura 3.5 Fibras óptias transissora e reeptora Figura 3.6 Anel para K entre 1 e Figura 3.7 Anel para K aior que...4 Figura 3.8 Eleento de área iluinado por feixes uniangulares Figura Regiões para a esolha do extreo de integração K...44 Figura 3.10 Geoetria de feixes uniangulares separados por dθ...44 Figura Regiões do one de abertura Figura 3.1 Fluxo de potênia nas fibras transissora e reeptora...49 Figura 3.13 Geoetria para o álulo da potênia P o Figura 3.14 Detalhe ostrando-se o ângulo ξ Figura 3.15 Geoetria para obtenção do ângulo ξ...51 Figura Geoetria para obtenção dos extreos de integração...5 Figura Perfil de distribuição de intensidade da fibra óptia transissora Figura Diagraa esqueátio do sensor reflexivo o perfil de intensidade gaussiano Figura Geoetria para obtenção do ângulo ξ(r) e do eleento diferenial de área ds R...56 Figura Geoetria para obtenção dos extreos de integração...57 Figura 3.1 Curva araterístia: Modelo de Raios Uniangulares Figura 3. - Curva araterístia: Modelo Gaussiano Siples....6 Figura Curva araterístia: Modelo Gaussiano o Fator de Aoplaento...6 Figura Coparação entre os odelos ateátios...63 Figura 4.1 Estrutura atôia do quartzo...65 Figura 4. - Estrutura atôia do PZT [50] Figura Polarização do PZT Figura 4.4 Piezoerâia polarizada...71 Figura 4.5 Exeplos de apliações de atuadores piezoelétrios Figura 4.6 Piezoatuadores flextensionais típios...75 Figura 4.7 Atuadores piezoelétrios oeriais [54] Figura Atuadores piezoelétrios flextensionais projetados pelo Grupo da EPUSP [64]...77 Figura 4.9 Esquea do piezoatuador flextensional...77 Figura 4.10 Proediento de otiização topológia [6]...79 Figura Doínio estendido fixo ( Ω )....80

7 Dissertação de Mestrado v Figura Método de hoogeneização....8 Figura Resultados da otiização topológia e a interpretação orrespondente [6] Figura 4.14 Piezoatuador flextensional o erâia de 3 de espessura (PFX-1)...85 Figura Piezoatuador flextensional o erâia de 1 de espessura (PFX-) Figura 5.1 Proediento para reoção do revestiento Figura 5. - Extreidade da fibra óptia Figura 5.3 Clivador de fibra óptia...90 Figura 5.4 Proediento de livage...91 Figura 5.5 Posiionador para ajustes e três diensões o lente objetiva...9 Figura 5.6 Filtro de odos...94 Figura 5.7 Distribuições de intensidades óptias dos odos de propagação da luz na fibra óptia onoodo Figura 5.8 Padrão de intensidade óptia projetado pela saída de ua fibra óptia ultiodos...96 Figura 5.9 Sensor reflexivo o duas fibras óptias visto o irosópio...97 Figura 5.10 Desenho esqueátio do sistea sensor...98 Figura 5.11 Sistea ontado e laboratório...99 Figura 5.1 Curva araterístia: resultado experiental e odelos teórios Figura 5.13 Sensibilidade da urva araterístia Figura Diso rotativo Figura Diso rotativo, peça etália e sensor reflexivo Figura Fora de onda obtida para a peça etália Figura Diso rotativo, oeda e sensor Figura Perfil da oeda de 1 entavo de Euro Figura 6.1 Configuração utilizada para análise dinâia Figura 6. Aplifiador lok-in Figura Fotografias do suporte de fixação do piezoatuador Figura 6.4 Resposta e freqüênia do atuador piezoelétrio flextensional, obtida o o sensor reflexivo Figura Resposta e freqüênia do atuador piezoelétrio flextensional obtida por interferoetria [36] Figura Analisador de ipedânias, HP 419A Figura 6.7 Aditânia elétria do piezoatuador flextensional PFX Figura 6.8 Miro-ressonânias Figura Piezoatuador Flextensional PFX- e suporte de fixação Figura Resposta e freqüênia do PFX Figura Aditânia elétria do piezoatuador flextensional PFX Figura Gráfio de fase apliado entre 0 e 10 khz....1 Figura 6.13 Sinais de entrada e saída para fora de onda triangular Figura Sinal de entrada e saída para fora de onda retangular Figura Gráfio de linearidade do atuador PFX-1, edido o o sensor reflexivo e fibra óptia...16 Figura Gráfio de linearidade do atuador PFX-1, edido o interferoetria óptia Figura Foras de onda aostradas no osilosópio...18 Figura Diagraa de traçado de raios...19 Figura Espelho do PFX Figura U quarto do piezoatuador PFX-1 e detalhe da região de estudo Figura Siulação e ANSYS da resposta e freqüênia do piezoatuador PFX Figura 6. - Resultado da siulação na freqüênia de 10 khz Figura Resultado obtido na freqüênia de 19,8 khz Figura Moviento do piezoatuador na freqüênia de 19,8 khz Figura Resultado obtido na freqüênia de 30 k Figura Resultado da siulação na freqüênia de 40,8 khz Figura Construção geoétria para deterinação do ângulo α...137

8 Dissertação de Mestrado vi LISTA DE SÍMBOLOS n 1 n a b ω H r σ Índie de refração do núleo da fibra óptia transissora Índie de refração da asa da fibra óptia transissora Raio do núleo da fibra óptia transissora Raio da asa da fibra óptia transissora Freqüênia angular da fonte de luz Intensidade de apo agnétio Condutividade do aterial j 1 ε E r Perissividade absoluta do eio Intensidade de apo elétrio µ Pereabilidade absoluta do eio D r Densidade de fluxo elétrio ρ B r ε r ε o Densidade de arga Densidade de fluxo agnétio Perissividade relativa do eio Perissividade absoluta do váuo µ r Pereabilidade relativa do eio µ o Pereabilidade absoluta do váuo k o Constante de fase no espaço livre x, y, z Coordenadas artesianas r, φ, z Coordenadas ilíndrias β E r, E φ, E z Constante de fase do odo guiado no interior da fibra óptia Coponentes de apo elétrio nas direções r, φ, z

9 Dissertação de Mestrado vii H r, H φ, H z k k Coponentes de apo elétrio nas direções r, φ, z Constante de fase Constante de fase no espaço livre G, V Constantes arbitrárias F(r) Φ(φ) J Função na variável r Função na variável φ Índie inteiro Função de Bessel de 1ª espéie e orde J ' Derivada da função de Bessel de 1ª espéie e orde k 1 ε r1 Constante de fase do eio 1 (núleo da fibra óptia) Perissividade relativa do eio 1 (núleo da fibra óptia) C, Q Constantes arbitrárias () 1 H Função de Hankel odifiada de 1ª espéie e orde () 1 H Derivada da função de Hankel odifiada de 1ª espéie e orde ' γ k ε r ε 1 ε K Constante de fase Constante de fase do eio (asa da fibra óptia) Perissividade relativa do eio (asa da fibra óptia) Perissividade absoluta do eio 1 (núleo da fibra óptia) Perissividade absoluta do eio (asa da fibra óptia) Função de Bessel odifiada de orde K ' Derivada da função de Bessel odifiada de orde U U = a k W v W = a γ Índie inteiro TE v Modo eletriaente transversal, = 0, 1,,...; v = 1,, 3,... TM v Modo agnetiaente transversal, = 0, 1,,...; v = 1,, 3,... HE v Modo híbrido, = 0, 1,,...; v = 1,, 3,... EH v Modo híbrido, = 0, 1,,...; v = 1,, 3,... β orte k, orte Valor de β na ondição de orte Valor de k na ondição de orte

10 Dissertação de Mestrado viii veloidade da luz no váuo V-nuber Valor que india o ponto de operação da fibra óptia ω orte λ o n eff k o Freqüênia angular na ondição de orte Copriento de onda da fonte óptia = β Índie de refração efetivo = ( n1 n ) n1 LP v Modo linearente polarizado, = 0, 1,,...; v = 1,, 3,... P Estíulo físio Io I(P) θ θ T NA n q K q Intensidade óptia de entrada onstante Intensidade óptia odulada pelo estíulo físio P Ângulo rítio Ângulo entre 0 e θ Distânia entre o eleento sensor e a superfíie reflexiva Abertura nuéria Índie de refração do eio irunvizinho Raio do one no plano iage para u ângulo θ Coordenada adiensional no espaço K Raio do one de abertura nuéria no plano iage K L I SN P f P T P i α I o I U I K K ' l Coordenada adiensional no espaço K, relaionada a q Intensidade por unidade de ângulo Intensidade óptia na área do núleo Potênia óptia de u feixe uniangular Potênia óptia total entregue à superfíie transversal da fibra Potênia óptia total ao eergir da extreidade da fibra transissora Fator de perdas de potênia óptia Intensidade total da luz ao eergir da extreidade da fibra transissora Intensidade óptia sobre o plano iage, assoiada ao ângulo de abertura de L Intensidade integrada Extreo de integração Segento de reta

11 Dissertação de Mestrado ix A P o η a r r p h M ds ξ s t ds K I(r) I i Λ ρ f(z) r b r r δ P R ds R r 1, r Γ E I A = a T Potênia óptia aptada pela fibra reeptora Coefiiente de transferênia de potênia Espessura da asa da fibra transissora Raio do núleo da fibra reeptora Espessura da asa da fibra reeptora Constante que relaiona os raios dos núleos da fibra transissora e reeptora Constante que relaiona as espessuras das asas da fibra transissora e reeptora Distânia entre os entros dos núleos das fibras transissora e reeptora Eleento diferenial de área Ângulo Extreo de integração inferior Extreo de integração superior ds K = ds a Distribuição de intensidades que inide no plano de seção transversal à distânia z e raio r Intensidade óptia no entro do plano de seção transversal à distânia z Constante relaionada o a distribuição de potênia odal na fibra óptia Distânia de a até r f(z) = ρ + a Raio deliitado pelo ângulo rítio Raio da asa da fibra óptia reeptora Espessura da asa da fibra reeptora Espaço entre as asas das fibras transissora e reeptora Potênia óptia que inide na fae da fibra óptia reeptora Eleento diferenial de área Extreos de integração Fator de aoplaento Distribuição de apo elétrio na seção transversal da fibra transissora

12 Dissertação de Mestrado x E oi E F E of Aplitude do apo elétrio na seção transversal da fibra transissora Distribuição de apo elétrio no interior da fibra reeptora Aplitude do apo elétrio no interior da fibra reeptora X, Y, Z Eixos do ristal S T ijkl Deforação eânia ou strain Tensão eânia ou stress Tensor de quarta orde que orresponde às onstantes elástias de rigidez do eio sijkl Tensor de quarta orde que orresponde às onstantes elástias de flexibilidade do eio E ijkl Tensor orrespondente às onstantes elástias de rigidez o apo elétrio onstante ou nulo S ε ij Tensor orrespondente à perissividade dielétria o deforação onstante ou nula e ijk Tensor piezoelétrio s ijkl Tensor orrespondente às onstantes elástias de flexibilidade h ijk Tensor orrespondente relaiona apo o deforação d ijk Tensor que relaiona deforação o apo elétrio S ψ ik Ipereabilidade dielétria Ω Doínio estendido fixo X ( x) Função disreta C (x) C o a, b τ V áx T BIAS D Q f nor Tensor Tensor onstitutivo do aterial base Variáveis de projeto Ângulo Valor áxio de tensão detetada Ponto de operação no eixo T D = dη/dt Ponto sobre a urva araterístia f nor = η T

13 Dissertação de Mestrado xi f Fator de alibração f T d ζ ED FH FG GH D o Fator de alibração Espessura Plano ζ Segento de reta Segento de reta Segento de reta Segento de reta Distânia iniial entre a fibra transissora e o espelho d, q, p, Segentos de retas X Variável auxiliar α Deflexão angular do espelho

14 Dissertação de Mestrado xii LISTA DE ABREVIATURAS EPUSP Esola Politénia da Universidade de São Paulo FEIS Fauldade de Engenharia de Ilha Solteira UNESP Universidade Estadual Paulista PZT Titanato zironato de hubo PbTiO Titanato de hubo PbZrO 3 Zironato de hubo BaTiO 3 Titanato de bário PFX-1 Piezoatuador Flextensional 1 PFX- Piezoatuador Flextensional He-Ne Hélio-Neônio ANSYS Software oputaional FEM Método de Eleentos Finitos PVDF Polyvinylidene Fluoride EMI Interferênia eletroagnétia

15 Dissertação de Mestrado xiii SUMÁRIO A interferoetria a laser é ua ténia onsolidada para a araterização de atuadores piezoelétrios. No entanto, este étodo requer u alinhaento óptio preiso e ua operação etiulosa. Há u grande interesse no desenvolviento de sisteas de edição de desloaento e vibração usando sensores reflexivos e fibra óptia devido a sua inerente sipliidade, taanho reduzido, largura de banda apla, liite de deteção extreaente baixo e apaidade de realizar edições se ontato ou afetar o sistea a ser ensaiado. Neste trabalho apresenta-se u arranjo siples do sensor reflexivo para se atingir resolução sub-iroétria, utilizando-se fibras e oponentes óptios de baixo usto e iruitos eletrônios siples. O sistea é onstituído por duas fibras óptias adjaentes (ua transissora e outra reeptora) e o extreidades eparelhadas, posiionadas na frente de ua superfíie reflexiva vibratória. A luz proveniente de ua fonte óptia (no aso u laser) é aoplada à fibra transissora e parte dos raios refletidos pela superfíie óvel é apturada pela fibra reeptora, que onduz a luz para u fotodetetor. A tensão de saída do fotodetetor é função da distânia entre as extreidades das fibras e a superfíie reflexiva. Apresenta-se ua forulação teória da função de intensidade óptia refletida no plano a ua distânia qualquer, juntaente o oparações entre araterístias experientais e teórias do sensor reflexivo. Finalente, atuadores piezoelétrios flextensionais, projetados o o étodo de otiização topológia, são araterizados experientalente através da edição de seus desloaentos sub-iroétrios, utilizando o sensor reflexivo. As respostas e freqüênia dos piezoatuadores flextensionais são levantadas e o fenôeno de erro de trajetória e linearidade são disutidos. Palavras have - Atuador piezoelétrio flextensional, sensor reflexivo e fibra óptia, étodo de otiização topológia.

16 Dissertação de Mestrado xiv ABSTRACT The laser interferoeter ethod is a well-established tehnique for the haraterization of piezoeletri atuators. However, this ethod requires preise optial alignent and etiulous operation. There is great interest in developing displaeent and vibration easureent systes using refletive fiber opti displaeent sensors (RFODS) beause of their inherent sipliity, sall size, wide frequeny range, extreely low displaeent detetion liit, and ability to perfor easureents without ontat or affeting the vibrating syste. This work presents a siple arrangeent of RFODS to ahieve sub-iroeter resolution, using low-ost fibers and optial oponents, and siple eletroni iruits. The syste is oposed of two adjaent transitting and reeiving fibers at one end, loated in front of a refleting vibrating surfae. The transitting fiber is onneted to a laser soure, and part of the refleted rays by the oving surfae is aptured by the reeiving fiber, whih is onneted to a light detetor. The output voltage is a funtion of the distane between probe and vibrating surfae. A theoretial forulation of the refleted light intensity funtion at distal end plane is presented, together with oparisons of experiental and ideal RFODS harateristis. Finally, piezoeletri flextensional atuators (PFAs), designed with the topology optiization ethod, are experientally haraterized by the easureent of their sub iroetri displaeents using a RFODS. The frequeny responses of the PFAs are evaluated, and the traking error phenoenon and linearity are disussed. Keywords - Piezoeletri flextensional atuator, refletive fiber opti sensor, topology optiization ethod.

17 Dissertação de Mestrado xv AGRADECIMENTOS A parte ais difíil do trabalho é deonstrar quão agradeido e sinto e relação às pessoas que e aopanhara não só neste trabalho, as tabé durante os bons ou difíeis oentos da inha vida... Agradeço ao eu orientador, Prof. Dr. Cláudio Kitano, por e orientar, ensinar e desafiar durante os dois últios anos, ontribuindo uito para a inha foração. Agradeço tabé pela paiênia e dediação despendidas durante a ondução do trabalho. No apo pessoal, agradeço a aizade e os diálogos desontraídos que antiveos no tepo e que trabalhaos juntos. Ao eu orientador de graduação e o-orientador de pós-graduação, Prof. Dr. Alexandre César Rodrigues da Silva, pela aizade, paiênia, pelo inentivo e por sepre areditar na inha apaidade. À Coordenação de Aperfeiçoaento de Pessoal de Nível Superior (CAPES), que ontribuiu por eio de ua bolsa de estudos. Aos eus pais Arnaldo e Luiza e à inha irã Doitila que sepre e apoiara e estivera ao eu lado. Ao Everaldo pelo suporte ténio e iruitos eletrônios e sugestões para arranjos experientais. Ao Valdeir Chaves que ontribuiu o a riação e usinage de peças esseniais para as ontagens experientais. Ao Adilson, Hideassa e Aderson por todos esses anos de onvivênia e serviços prestados. Ao Dr. Gilder Nader (IPT) que nos auxiliou e disussões sobre os piezoatuadores flextensionais e despendeu seu tepo para realizar siulações oputaionais. Ao Prof. Dr. Eílio Neli (EPUSP) Silva que gentilente edeu piezoatuadores flextensionais e se ostrou interessado e ontinuar trabalhando e pareria. Ao Prof. Dr. Riardo Tokio Higuti que aopanhou a realização deste trabalho desde o iníio, ontribuindo o sugestões interessantes e tabé por sepre

18 Dissertação de Mestrado xvi disponibilizar equipaentos e inforações esseniais para a realização deste trabalho. Ao Prof. Dr. Apareido Augusto de Carvalho por sepre disponibilizar equipaentos e por sugestões dadas à realização deste trabalho. Ao Prof. Dr. Cláudio Luiz Carvalho por esses anos de onversas agradáveis e pela ontribuição a este trabalho o a disponibilização do equipaento de deposição de prata. Ao Prof. Dr. José Antônio Malonge que disponibilizou a utilização do analisador de ipedânias e ajudou na sua operação. Aos ténios de laboratório da Físia Erlon, Levi e Mário que peritira a utilização de equipaentos sepre que neessário. Ao Prof. Dr. Celso Riyoitsi Sokei que ajudou o equipaentos de irosopia. Ao Prof. Dr. Antonio de Pádua Lia Filho por se interessar e disutir possíveis apliações para o nosso trabalho. Ao Prof. Dr. Edvaldo Assunção pela aizade e ensinaentos desde os tepos de graduação. Aos funionários da bibliotea, e espeial ao João que ontribuiu o inforações para a onfeção das referênias. Ao grande aigo Wander Wagner Mendes Martins o que onvivi desde o iníio do estrado, estudando juntos e opartilhando o eso laboratório. Sepre disposto a e auxiliar no laboratório ou na vida pessoal, qualquer que fosse o problea. Agradeço pela reente, poré grande aizade. Ao grande aigo Carlos César Eguti o que tive o prazer de onviver desde o iníio da inha vida aadêia e que sepre e auxiliou se hesitar. Agradeço pelo bo onvívio e pelos anos e que opartilhaos os estudos, as festas e até o eso teto. Aos aigos José Vital, Antonio Perezi, Wesley Pontes, Sérgio Nazário, Marelo Sanhes, Carlos Antunes, Renato Mendes, Élio, Tério, Thiago, Edson, Silvano, Guilhere. Aos grandes aigos que e aopanha desde o prieiro ano de fauldade Alex Lia Pedro, Renato Sartório Raos, Franiso Molina, Daniel Luis Cortielha e Viníius R. Santos. Aos aigos de infânia, pratiaente irãos, Gustavo Kiyoshi, Alexandre Massunari e Laura Akei.

19 Dissertação de Mestrado xvii DEDICATÓRIA (in Meorian) Ao eu padrinho tio Beto, ao tio Hiroshi e à tia Hideko.

20 Capítulo 1 Introdução 1 CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO E engenharia de preisão, a pesquisa e o desenvolviento estão sendo epreendidos para o desenvolviento dos atuadores piezoelétrios (ou piezoatuadores). Existe ateriais, oo as erâias piezoelétrias, que possue a propriedade de onverter energia elétria e deforação eânia, sendo este u efeito reversível, isto é, tabé pode onverter deforação eânia e energia elétria. Estas erâias piezoelétrias, entretanto, eso sob a apliação de tensões elevadas (da orde de entenas de volts) sofre u desloaento uito pequeno (da orde de nanoetros) sendo, uitas vezes, neessário aplifiar tais desloaentos. Isto pode ser alançado através da utilização de estruturas flexíveis aopladas à piezoerâia para aplifiar desloaentos. Este tipo de estrutura tabé pode ser utilizada para onverter desloaentos e ua direção para outra direção. Dentre os vários entros de pesquisa envolvidos nesse assunto, deseja-se destaar o Grupo de Sensores e Atuadores da Esola Politénia da USP (EPUSP), que ve obtendo êxito no projeto e onstrução de atuadores piezoelétrios flextensionais. Dentre os atuadores piezoelétrios flextensionais desenvolvidos por este grupo, pode-se itar aqueles que são onstituídos por ua erâia piezoelétria aoplada a ua estrutura flexível de aluínio projetada através da utilização de otiização topológia o étodo de hoogeneização. Trata-se de u étodo de projeto oputaional que obina algoritos de otiização e étodos de eleentos finitos (FEM) para enontrar a topologia ótia de partes eânias. Noralente, alguas araterístias das erâias piezoelétrias (resposta e freqüênia, linearidade) pode ser deterinadas através de odelos ateátios que

21 Capítulo 1 Introdução possue solução analítia. Entretanto, piezoatuadores onstituídos por estruturas oplexas oo o piezoatuador flextensional, não possue solução analítia. Assi, para a araterização deste tipo de dispositivo é neessário utilizar étodos de eleentos finitos para as siulações, ou então, étodos experientais. Neste ontexto, trabalhos de pareria vê sendo onduzidos entre o Grupo da EPUSP e o Grupo de Instruentação da Fauldade de Engenharia de Ilha Solteira (FEIS) da UNESP para araterização óptia de piezoatuadores. A óptia te sido apontada na engenharia oo solução para resolver grande núero de probleas. Coo exeplos, ita-se as apliações e sisteas de proessaento de inforação, eória óptia, haveaento, et. E ouniações inlui a transissão de dados a longa distânia e sob elevadas taxas de transissão. Na área de instruentação eletrônia, destaa-se os sensores óptios que, no aso do presente trabalho, pode onstituir ua solução para resolver o problea de araterização de atuadores piezoelétrios flextensionais desenvolvidos pelo Grupo da EPUSP. Dentre os sensores óptios existe ua lasse que se deseja destaar que são os sensores e fibra óptia. Estes sensores, dependendo da onfiguração utilizada, pode ser epregados para edir desloaentos, deforação eânia, posição, pressão, aeleração, ângulo, rotação, nível de líquido, radiação ionizante, apo elétrio, apo agnétio, apo aústio, orrente elétria, tensão elétria, teperatura, et. [1]-[4]. Pode-se apontar alguas vantagens dos sensores e fibra óptia relativaente aos sensores onvenionais. Os sensores óptios se benefiia de baixa suseptibilidade a interferênia eletroagnétia, inérias téria e eânia baixas, não produze entelhaento, possue altas sensibilidade e faixa dinâia, suporta altas teperaturas, não sofre oxidação ou orrosão, et.[1], []. A baixa suseptibilidade a interferênia eletroagnétia torna este tipo de sensor adequado para apliações industriais e e linhas de transissão de energia elétria. O fato de não produzir entelhaento faz o que sensores óptios seja dispositivos seguros para trabalhar e abientes explosivos (o gases inflaáveis, por exeplo) [3]. Neste trabalho, ênfase espeial será dediada ao estudo de u sensor e fibra óptia para a edição de desloaentos sub-iroétrios e sólidos. O sistea sensor é onstituído por duas fibras óptias adjaentes (ua transissora e outra

22 Capítulo 1 Introdução 3 reeptora) e o extreidades eparelhadas, posiionadas na frente de ua superfíie reflexiva vibratória. A luz proveniente de ua fonte óptia (no aso u laser) é aoplada à fibra transissora e parte dos raios refletidos pela superfíie óvel é apturada pela fibra reeptora, que onduz a luz para u fotodetetor. A tensão de saída é função da distânia entre as extreidades das fibras e a superfíie reflexiva. Ua iportante etapa do trabalho onsiste e u estudo aprofundado da propagação eletroagnétia e fibras óptias de índie degrau e de odelaentos ateátios para o sensor reflexivo. De aordo o as fontes de referênia, este tipo de sensor pode ser designado por diferentes noes oo, por exeplo: sensor fotônio (Fotoni Sensor), sensor de desloaento o feixe bifurado de fibras óptias (bifurated optial fiber bundle displaeent sensor), sensor o guia e Y (Y-guide probe), transdutor de desloaento de haste de fibra óptia (fiber opti lever displaeent transduer), sensor reflexivo de desloaento e fibra óptia (refletive fiber opti displaeent sensor). Neste trabalho, adotou-se a últia denoinação ou, siplesente, sensor reflexivo O Estado da Arte do Sensor Reflexivo e Fibra Óptia O sensor reflexivo e fibra óptia foi proposto e prieiraente relatado e 1967, por Menadier et al [5], e foi denoinado Sensor Fotônio (Fotoni Sensor). O prinípio de funionaento no qual se baseia este dispositivo onsiste na utilização de u par de fibras óptias adjaentes, sendo que ua fibra transporta a luz proveniente de ua fonte loalizada reotaente para u objeto alvo (espelho ou ebrana refletora), enquanto a outra fibra apta e transite para u fotodetetor a luz refletida pelo objeto. Neste sensor pode-se usar onfigurações o apenas u par de fibras ou u feixe (bundle) de fibras. Alé das vantagens inerentes aos sensores óptios, este sensor apresenta vantagens adiionais oo sipliidade, versatilidade, taanho físio

23 Capítulo 1 Introdução 4 reduzido, leveza, resposta rápida, ausênia de ontato físio, não produz efeito de arregaento eânio (assa), baixo usto, et. [4], [6]. Há ua apla gaa de apliações para o sensor e questão enontradas na literatura. E 197, Crispi et al [7] desrevera a utilização de ua ténia óptia e ua aústia para a edição de iro-desloaentos de alta freqüênia. Na ténia óptia utilizou-se u sensor reflexivo oerial (Miro Tehnology, In.) o dois feixes de fibras óptias (u transissor de luz e outro reeptor). E 1975, Bailly-Salins [8] desreveu a utilização deste tipo de sensor para o estudo da resposta dinâia de u diso etálio exposto a u feixe pulsado de elétrons de 1 MeV. Neste aso, fora utilizados dois feixes de 64 fibras óptias de plástio, pois se onstatou que as fibras de vidro apresentava uita intilação. U resultado teório interessante ostra que a sensibilidade deste tipo de aparato pode auentar se o diâetro das fibras for enor. E 1980, Grojean e Sousa [9] utilizara u sensor bifurado para a edição de luinesênia de eios densos ou turvos. Segundo os autores, a elhor distribuição das fibras no feixe, para este aso, é a aleatória. E 1983, Cuoo [10] propôs u hidrofone para edir pressão e gradiente de pressão que pode forneer ua sensibilidade aústia ao enos equivalente à de piezoerâias e o a esa faixa de freqüênias. Neste dispositivo, foi utilizado u feixe de 500 fibras óptias de vidro distribuídas aleatoriaente. No ano de 1989, Zukerwar e Cuoo [11] propusera u sensor o 7 fibras óptias para edir flutuações de pressão e fluidos hipersônios. A vantage prinipal da utilização deste sensor é que ele pode suportar as altas teperaturas (aia de 1000 o C) que este tipo de apliação exige. E junho do eso ano, Risti et al [1] desenvolvera u sensor de tato utilizando sensores reflexivos. Os autores realizara testes experientais que envolvia a influênia de parâetros oo distânia e ângulo entre a fibra transissora e a reeptora. Conluiu-se que ângulos enores que 90 o (é o noralente utilizado neste tipo de sensor) produze sinais de saída de aior aplitude. Ainda e 1989, Harer e Sheggi [13], desrevera apliações para edição de onentrações de oxigênio, onentrações de íons hidrogênio (ph) e outras grandezas de interesse e biologia e ediina. Kyuaa, na referênia [14], denoinou este tipo de sensor oo sonda o guia e Y (Y-guide probe) e onfirou é adequado para apliações e robótia (edição de posição). O autor tabé itou a utilização do Y-guide probe para a onstrução de sensores de pressão e de vazão. Udd [4] e 1991,