Modelagem numérica de uma fibra óptica microestruturada para sensoriamento distribuído de pressão

Abstract

Sensores baseados em fibras ópticas vêm sendo cada vez mais utilizados em ambientes hostis para medição de pressão, temperatura, stress, análise química e biológica, etc. Esses sensores têm a vantagem de possuírem tamanho e peso reduzidos, imunidade à interferência eletromagnética, de serem quimicamente inertes, e também permitirem a medição distribuída do parâmetro a ser analisado ao longo da fibra. As fibras ópticas microestruturadas possuem características relevantes na aplicação de sensoriamento, tal como a liberdade de construção de sua estrutura interna variando o diâmetro dos buracos e a distância entre eles, entre outros parâmetros, que não são aplicáveis em fibras ópticas convencionais. Este trabalho tem como objetivo estudar uma fibra óptica microestruturada como sensor distribuído de pressão hidrostática, utilizando as técnicas de medição POTDR (Polarization Optical Time-Domain Reflectometry) e OFDR (Optical Frequency-Domain Reflectometry). A aplicação de pressão hidrostática sobre a fibra altera sua birrefringência e, consequentemente, a evolução do seu estado de polarização, sendo este último o parâmetro monitorado pelas técnicas. Analisando-se a mudança deste estado, pode-se inferir a mudança de pressão aplicada. O estudo é realizado através de simulações e análises efetuadas no software MatLab.

Sensors based on optical fibers are being increasingly used in hostile environments for measuring pressure, temperature, stress, chemical and biological parameters, etc. These sensors have the advantage of having reduced size and weight, immunity to electromagnetic interference, of being chemically inert, and also allowing the distributed measurement of the respective parameter along the fiber. Microstructured optical fibers have characteristics that are relevant to sensing applications, such as freedom of design of their internal structure obtained by varying the diameter of the holes and the distances between them, among other parameters, which is not applicable in conventional optical fibers. The present work aims to use a microstructured optical fiber as a distributed sensor for hydrostatic pressure, using the POTDR (Polarization Optical Time-Domain Reflectometry) and the OFDR (Optical Frequency-Domain Reflectometry) measurement techniques. The application of hydrostatic pressure on the fiber changes its birefringence and, consequently, the evolution of the states of polarization, which is the parameter monitored by the techniques. By monitoring the changes of these states, it is possible to infer the changes in applied pressure. The study is undertaken via simulations and analysis, both performed in the software MatLab.