Sistemas Ópticos de Sensorização em Larga Escala Campus da FEUP Rua Dr. Roberto Frias, 378 4200-465 Porto Portugal 351 222 094 000 www.inescporto.pt Rua Vasconcelos Costa, 277 4470-640 Maia Portugal 351 229 613 010 www.fibersensing.com Ireneu Dias
PRINCÍPIOS BÁSICOS DE SENSORES EM FIBRA ÓPTICA FONTE ÓPTICA SISTEMA ÓPTICO DETECÇÃO ÓPTICA ALIMENTAÇÃO (eléctrica) SINAL DE SAÍDA (eléctrico) PARÂMETRO FÍSICO SENSOR EM FIBRA ÓPTICA: O parâmetro físico altera propriedades da luz que se propaga na fibra ou sai da fibra na região de interacção 2
PRINCÍPIOS BÁSICOS DE SENSORES EM FIBRA ÓPTICA r E r r r r 2πn = E cos( ωt + k. ) k = uˆ λ O Variação de v k r. Interferometric Sensor Variação de ω Doppler Effect Sensor Variação de λ Variação de Variação de E r r o E E r o o Wavelength Sensor Polarimetric Sensor Intensity Sensor
PRINCÍPIOS BÁSICOS DE SENSORES EM FIBRA ÓPTICA E r ( λ ) = T ( X r, λ E r ( λ ) mod E r (λ) E r ( λ ) mod ( ) X r Campo óptico à entrada Campo óptico modulado Matriz de modulação do sensor Vector de interacção do sensor r T ( X, λ ) OBJECTIVO: determinar X r
Um Aspecto Crucial na Tecnologia dos Sensores Baseados em Fibra Óptica A fibra óptica é simultaneamente: Elemento sensor Canal de comunicação Multiplexagem Acoplador Acoplador Acoplador Circulador Fibra Óptica Fio Eléctrico S11 S S 21 i1 S n 1 S 12 S 22 S i2 S n2 Ambiente Agressivo S 1m S 2m S im S nm V out11 V out12 V outim V outnm Iluminação, Leitura e Processamento centralizado de dezenas/centenas de sensores distribuídos numa escala espacial de metros, quilómetros, dezenas de quilómetros.
Configurações de Sensores em Fibra Óptica Single-point sensor Fiber M ulti-point (quasi-distributed) sensor Sensing elem ent D istributed sensor Multiple sensing points Continuous sensing elem ent
Multiplexagem de Sensores Pontuais Sensor em fibra óptica Exemplo de multiplexagem em série de sensores de Bragg
Sensores Distribuídos em Fibra Óptica Espalhamento de Brillouin: a posição espectral das riscas depende da temperatura e da deformação Espalhamento de Raman: a amplitude da risca Anti-Stokes depende da temperatura Medição distribuída da Temperatura e deformação Medição distribuída da temperatura Scattering of light Laser, λo Scattering medium Spatial Resolution < 1m, ε, ε Brillouin Distributed Sensing
Áreas de Intervenção Actuais e Futuras Monitorização de Condutas de Petróleo e Gás Monitorização de Barragens Monitorização de Campos Petrolíferos Monitorização de Pontes Monitorização de Linhas de Alta Tensão Monitorização de Perímetros de Segurança
Áreas de Intervenção Actuais e Futuras Monitorização de Reservatórios Mapas Sísmicos Monitorização de Plataformas Continentais
Monitorização Ambiental Monitorização da Temperatura da Água na Ria de Aveiro Cabo de Sensores em Fibra Óptica com 10 km de extensão o 40 50' Varela 45' Torreira Laranjo 40' 35' Atlantic Ocean Barra Costa Nova S.Jacinto Vagueira AVEIRO Vista Alegre Vouga River o 8 45' 40' - Transverse electric cables - Longitudinal optical cable Temperature (ºC) 26 24 22 20 18 26 24 22 20 18 L= 0 m (sensor 1 - λ=1 526 nm ) 60 65 70 75 80 85 90 L= 450 m (sensor 19 - λ=1 552 nm ) 60 65 70 75 80 85 90 L= 850 m (sensor 25 - λ=15 56 nm ) 26 24 22 20 18 60 65 70 75 80 85 90 Projecto PROTEU INESC Porto Uni. Aveiro ICTE Cabelte D ays Implementação: 2001
Intervenção na Ponte Luis I 128 sensores 3 km cabos de fibra óptica Equipamentos de Medida J. Frank Implementação: 2004 Metro do Porto Labest
Intervenção na Rede Holandesa de Alta Velocidade 408 sensores Implementação: 2006 Dutch High Speed Railway Smartec
Intervenção no Túnel do Rossio 840 sensores 18 km cabos de fibra óptica Equipamentos de Medida Gestão de Dados Implementação: 2007 EPOS REFER
Viadutos de Anzo e Deza - Espanha 22 sensores Equipamentos de Medida Gestão de Dados Implementação: 2008 Ofiteco ADIF
Algumas Considerações Gerais Sensores são Necessários ao Desenvolvimento Tecnológico Sistemas Complexos Implicam Controle Efectuar Controle implica a necessidade de informação sensorial do Mundo Exterior
Algumas Considerações Gerais Como Consequência: O mercado dos sensores é considerado um candidato firme a exibir taxas de crescimento aceleradas Onde se focará? Linha Clássica: Avaliação e Teste (T&E) Mas existem dois enormes mercados emergentes... Manutenção de máquinas, Segurança e manutenção aviões, navios, etc., Monitorização e manutenção de linhas de produção, etc...
Algumas Considerações Gerais Monitorização Ambiental Qualidade do Ar Qualidade da Água.. Com a exigência de Medição Multiponto
Mercado de Consumo Algumas Considerações Gerais Unidades de navegação portáteis Jogos Instalações desportivas Robôs domésticos.. Com a exigência de Multifuncionalidade e Baixo Custo
Algumas Considerações Gerais Grande diversidade de Tecnologias de sensorização Sensores convencionais de base eléctrica continuam em desenvolvimento acelerado em face dos avanços notáveis da electrónica Exemplo: MEMS + Integração Electrónica Baratos e de Elevado Desempenho Mas com problemas no contexto da medição multiplexada/distribuida (cablagens, ruído, nível de multiplexagem, etc.)
Como Sensores Individuais, provavelmente a tecnologia dos sensores em fibra óptica só será competitiva em situações específicas, por exemplo Locais Remotos Algumas Considerações Gerais Ambientes de elevado ruído electromagnético Outros.
Mas Quando se Pretende Algumas Considerações Gerais Redes densas de sensores, medição distribuida, localização remota, grande dispersão geográfica,... Os Sensores em Fibra Óptica Têm Vantagens Únicas
Algumas Considerações Gerais Grandes Desafios e Grandes Oportunidades