Sensores em fibra óptica para monitorização ambiental

Fruto da crescente preocupação face à bioacumulação e bioconcentração de poluentes e conscientização dos efeitos do aquecimento global, nos últimos anos têm sido adoptadas inúmeras acções e medidas que visam o controlo de parâmetros indicadores da qualidade do meio, a detecção de substâncias potencialmente perigosas e a promoção/utilização de energias alternativas não poluentes. Neste âmbito, a monitorização em tempo real revela-se fundamental para a análise contínua do equilíbrio dos ecossistemas. Neste contexto, os sensores de fibra óptica, mais concretamente os sensores químicos em fibra óptica possuem um conjunto de características, como por exemplo a miniaturização, baixo custo, versatilidade, biocompatibilidade, capacidade de monitorização remota, que representam uma alternativa tecnológica e economicamente viável. Por outro lado, a utilização de redes de difracção em sensores de fibra óptica, é em adição uma mais-valia para este tipo de sistemas, as redes de período longo pela sua sensibilidade intrínseca ao índice de refracção, e as redes de Bragg pela sua facilidade de interrogação e facilidade de multiplexagem. A presente dissertação tem por objectivo o estudo, desenvolvimento e análise de sensores em fibra óptica para monitorização de espaços ambientais. O presente documento encontra-se organizado em cinco capítulos. O capítulo 1 faz um enquadramento dos sensores de fibra óptica para monitorização ambiental dando relevo aos sensores químicos em fibra óptica. No capítulo 2 expõe-se o conjunto de conceitos necessários para a compreensão do trabalho. A começar pelas redes de difracção em fibra óptica e a suas potencialidades como elementos sensores. Algumas configurações foram detalhadas assim como alguns princípios para interrogação das mesmas. A medição multi-parâmetro e o fabrico de membranas de sensibilidade selectiva são também abordados. O Capitulo 3 refere a primeira configuração desenvolvida, trata-se de um sensor interferométrico baseado numa cavidade Fabry-Pérot, constituído por uma rede de Bragg e a reflectividade da ponta da fibra. O objectivo do sensor é a monitorização do ácido acético e outras espécies carboxílicas em bioreactores. Para tornar a configuração sensível ao ácido foi aplicado um revestimento de Silane-PVP à extremidade da fibra. A configuração sensora demonstrada aufere de características favoráveis, como excelente resolução, resposta linear, não utilização de indicadores, leitura em reflexão e o facto de operar na janela espectral das telecomunicações. O Capítulo 4 apresenta a segunda configuração desenvolvida que tem por objectivo a medição simultânea de salinidade e temperatura. A medição de salinidade é baseada no índice de refracção. Trata-se de um sensor de intensidade auto-referenciado, baseado em três redes de difracção. Uma rede de período longo sensível ao índice de refracção e temperatura e duas redes de Bragg, para interrogação da da rede de período longo e compensação de temperatura. Para discriminação dos parâmetros de interesse foi utilizado o método matricial. A configuração exposta exibe características favoráveis, como excelente resolução, resposta linear, discriminação de índice de refracção e temperatura, leitura em reflexão e o facto de operar na janela espectral das telecomunicações. O Capitulo 5 contém as conclusões e comentários finais ao trabalho. No final da tese seguem-se os anexos, onde se encontram as publicações e comunicações resultantes do trabalho realizado.

Sensores de pressão em fibra óptica para o estudo dos fenómenos da percolação da água em solos

Dada a necessidade de obtermos sistemas monitorizados com elevada precisão, de grande durabilidade e resistentes às condições atmosféricas, surgiu a possibilidade de aplicação das fibras ópticas como sensores para monitorização de pressão. Nesse contexto, as fibras “hetero-core” (fibra óptica composta por uma fibra multimodo entre duas fibras ópticas monomodo) e a utilização de lentes GRIN (“GRaded INdex”) em conjunto com superfícies reflectoras permitem a determinação da pressão e são objecto de estudo desta dissertação. Em termos de aplicação, o objectivo principal desta tese de mestrado foi de proporcionar o projecto e desenvolvimentos da medida de pressão em 48 pontos para um tanque de estudo dos fenómenos de percolação da água nos solos e que é pertencente à Secção de Geotecnia do Departamento de Engenharia Civil da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto. Inicialmente, foi caracterizado um sistema contendo uma fibra “hetero-core” à qual foi aplicada uma curvatura, com auxílio de uma carruagem micrométrica. Este sistema permitiu a simulação do mesmo efeito de aplicação de pressão à fibra “hetero-core”. Na configuração seguinte, usou-se um OTDR (“Optical Time Domain Reflectometer”) para visualização e registo das perdas encontradas durante o processo de dobrar e esticar da fibra “hetero-core”. Ao longo deste registo, várias configurações foram testadas até ser encontrada a cabeça sensora com melhor comportamento para monitorizar a pressão. A multiplexagem foi conseguida ao colocar dois sensores em série, sendo cada um deles constituído por uma fibra “hetero-core” colocada no fundo de um tubo de água disposto verticalmente. Com a adição da água no tubo de água, a curvatura na fibra “hetero-core” aumentava, notando-se claramente que as perdas também subiam. Os resultados obtidos nesta configuração foram bastante satisfatórios permitindo a independência entre os dois sensores dispostos em série. Posteriormente, foi testada uma nova configuração sensora, o sensor de fibra óptica para monitorização de pressão foi construído com recurso a uma lente GRIN e uma superfície reflectora. Esta lente, disposta diante de um espelho, permitiu emitir e captar luz de um determinado comprimento de onda devido à reflexão do sinal luminoso no espelho. Com sucessivos incrementos, afastou-se e aproximou-se a lente ao espelho, registando-se e observando-se as perdas de potência obtidas com auxílio do OTDR. Também para esta configuração foi testada a multiplexagem de vários sensores, tendo sido utilizadas as seguintes opções: um acoplador de 2:1; um acoplador 4:1 e um comutador óptico. Verificou-se que a utilização de um comutador óptico é o melhor caso para a monitorização de pressão de múltiplos sensores. A multiplexagem com recurso ao comutador foi possível, uma vez que permitia a medição independente de cada sensor de pressão num determinado tempo. Com este resultado, é possível monitorizar 48 sensores com recurso ao OTDR, multiplexados temporalmente. Toda esta implementação prática da dissertação foi realizada nas instalações da Unidade de Optoelectrónica e Sistemas Electrónicos no INESC Porto, onde foram caracterizados e estudados sensores com diferentes características que poderão ser lidas neste documento. A componente teórica foi efectuada na Universidade da Madeira.

Implementação de um sistema autónomo para a geração de visualizações 3D de dados ambientais

Este trabalho foi realizado na Universidade da Madeira, no âmbito do Mestrado em Engenharia Informática, tendo como título “Implementação de um sistema autónomo para a geração de visualizações 3D de dados ambientais”. A visualização 3D tem vindo a ganhar terreno em áreas como o entretenimento, medicina, arquitetura e desenho de equipamentos, entre outros. Relativamente à visualização de dados ambientais (oceano e atmosfera) em 3D, esta é uma área pouco explorada. Como tal, foi proposto o estudo e criação de um sistema autónomo capaz de gerar imagens 3D de dados ambientais e disponibilizar as mesmas na web. O estudo iniciou-se com testes às ferramentas que permitem a visualização 3D de dados ambientais, de forma a escolher a que mais se adequa ao sistema a implementar. Após diversos testes às várias ferramentas, a que mais se destacou foi o IDV (Integrated Data Visualization), pelas suas funcionalidades e capacidade de ser executado de forma automática. A implementação do sistema foi efetuada ao longo de diversas etapas: pré-processamento dos dados; escolha das visualizações a disponibilizar na web; escrita do script responsável pelo processo; criação das páginas web para visualização das imagens e implementação de todo o sistema em ambiente Linux. Este sistema foi desenvolvido tendo em conta a adição de novas visualizações, assim como a alteração das visualizações existentes. A possibilidade de adicionar/alterar visualizações de forma simples também foi tida em conta, de forma a não ser necessário reestruturar todo o sistema.

Desenho e implementação da presença web do Rali Vinho da Madeira

A promoção de qualquer evento passa, em muito, pela utilização da Internet como meio de disponibilização e propagação de conteúdos, através de um website ou de redes sociais. Mas não é só para a disponibilização de conteúdos que estes websites são úteis. A adição de funcionalidades permite torná-los em plataformas mais completas e com os mais diversos propósitos, incluindo elementos para a gestão do próprio evento. Este projeto surge da necessidade da organização do Rali Vinho Madeira (RVM) em substituir a plataforma existente, insuficiente para as necessidades atuais na área da divulgação pública do evento e na gestão das inscrições e registo de diversas entidades participantes no evento. Assim, o objetivo principal deste projeto passou pelo desenvolvimento de um novo website que implementasse os requisitos de forma satisfatória tanto para a organização do RVM como para os utilizadores. Ao mesmo tempo foi também importante garantir que o servidor onde estaria alojada a nova plataforma possuiria o melhor desempenho possível em condições reais, usando para o efeito um plano de testes de carga para validar as configurações escolhidas e detetar atempadamente possíveis problemas. Um último componente da plataforma do RVM, desenvolvido ainda no âmbito deste trabalho, foi o desenvolvimento de uma aplicação web para consulta dos resultados em equipamentos mobile, como smartphones e tablet’s. Ao longo deste documento são descritas as várias etapas do projeto, de onde se destacam: (1) a avaliação de websites para melhorar a caracterização dos requisitos, (2) o processo de análise, especificação e desenvolvimento da plataforma, e (3) a realização de testes de carga como meio de validação das configurações do servidor para um desempenho satisfatório durante a prova. O módulo Rally Entries, central para a organização e também para este projeto, transforma uma plataforma simples de disponibilização de conteúdos num sistema para gestão das inscrições de diversas entidades no âmbito do RVM. Além da descrição da implementação e das funcionalidades deste módulo, é ainda descrita a forma como este componente será capaz de se adaptar a novos requisitos em futuros eventos. A validação da plataforma desenvolvida passou por um contato com os utilizadores através de inquéritos. No geral os resultados obtidos foram positivos, comparativamente à plataforma existente e a websites de outros ralis. Como evento integrante das atividades da Federação Internacional do Automóvel (FIA) e da Federação Portuguesa de Automobilismo e Karting, o website também integrou a avaliação do evento feito por estas organizações, tendo recebido em ambas as avaliações 4 pontos em 5 possíveis. Por último, os testes de carga realizados revelaram ser uma grande ajuda na preparação da plataforma, principalmente para os períodos de pico de acessos, tendo esta sido capaz de responder de forma previsível à carga a que foi sujeita.