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ii
MARQUES FILHO, LUIZ ANTONIO
Sensor de temperatura baseado em
fluorescência utilizando fibra óptica plástica
(POF). [Rio de Janeiro] 2006
XVI, 133 p. 29,7 cm (COPPE/UFRJ, M. Sc.,
Engenharia Biomédica, 2006)
Dissertação - Universidade Federal do Rio
de Janeiro, COPPE
1. Sensor óptico
I. COPPE/UFRJ II. Título (série)
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iii
Dedico este trabalho a meus pais, Luiz A.Marques e Regina
M. Faria Marques, a minha esposa Cláudia Valéria da
Silva S. Marques, a meus filhos, Carine da Silva
S. Marques, Aline da Silva S. Marques
e Luiz A. da Silva Santos Marques.
iv
AGRADECIMENTOS
A Deus por mais uma conquista.
Aos meus pais e minha família, que sempre me apoiaram para que eu pudesse
realizar os meus sonhos.
Ao professor Marcelo Martins Werneck pela oportunidade oferecida, confiança,
orientação, apoio, conhecimento transferido e incentivo no transcorrer do curso e
durante o desenvolvimento deste trabalho.
Ao professor Ricardo Marques Ribeiro pelas brilhantes sugestões, ajudando-me a
estabelecer as metas para alcançar os objetivos dos experimentos e pela preocupação
constante com o desenvolvimento dos trabalhos.
Ao Carlos Wilson Ribeiro Fernandes, pela amizade, pelo exemplo, influência,
motivação e conhecimentos transmitidos.
Aos senhores Marcos Manoel Lopes, Marco Antonio Ribeiro Canuto e Rovane de
Lima Maicá pela confiança e concessão das condições necessárias para que eu pudesse
buscar novos conhecimentos e o aprimoramento profissional.
Aos amigos Alex dos Santos Carvalho, Geraldo Tarcízio Ferreira pelo excelente
ambiente de trabalho, pela dedicação nas realizações das atividades que nos eram
incumbidas, o que me proporcionou tranqüilidade no recebimento e cumprimento das
diversas tarefas.
Ao Amigo Alexandre Leite da Silva pelas orações, ensinamentos e palavras de
incentivos.
A equipe do Laboratório de Instrumentação e Fotônica, pelo excelente ambiente
de trabalho onde realizava meus experimentos com muita motivação, pela troca de
experiência (com os coordenadores, gerentes de projetos, pesquisadores, técnicos,
funcionários e estagiários), pelas brincadeiras saudáveis.
A todos os professores e funcionários do Programa de Engenharia Biomédica pela
contribuição na minha formação, em especial aos professores: Rosimary T. Almeida,
Márcio Nogueira de Souza, Marco Antonio von Krüguer e Roberto Macoto Ichinose por
estarem sempre a disposição para retiradas de dúvidas e orientações.
A professora Maria Helena Farias pelos conhecimentos transmitidos, pois foram
de muita valia para a elaboração deste trabalho.
A todos os demais que participaram de forma direta ou indireta.
Meus sinceros agradecimentos
v
Resumo da Dissertação apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos
necessários para a obtenção do grau de Mestre em Ciência (M. Sc.).
SENSOR DE TEMPERATURA BASEADO EM FLUORESCÊNCIA UTILIZANDO
FIBRA ÓPTICA PLÁSTICA (POF)
Luiz Antonio Marques Filho
Março / 2006
Orientador: Marcelo Martins Werneck.
Programa: Engenharia Biomédica.
A presente dissertação trata do desenvolvimento de um transdutor de temperatura
fabricado com fibra óptica plástica para aplicações biológicas. Nela é descrito o
desenvolvido de um protótipo que emprega o tempo de decaimento da fluorescência do
rubi na medição de temperaturas na faixa de 35°C a 45°C com resolução de 0,1°C
apresentando as seguintes características: baixo custo, velocidade de resposta, exatidão
e bio-compatibilidade. A motivação para a construção de tal transdutor é suprimir as
deficiências dos termômetros convencionais aproveitando as vantagens das fibras
ópticas que possuem núcleo feito de material não tóxico o que lhes dá um grande
potencial para seu emprego em equipamentos de instrumentação médica. As fibras
apresentam como características, serem dielétricas, possuírem pequena massa,
transmitirem sinais luminosos à longa distância e serem fabricadas em comprimentos
variados. Adicionalmente, devido a sua imunidade às ondas eletromagnéticas podem ser
empregadas na medição do calor produzido dentro de campos por RF durante
hipertermia médica no tratamento de câncer. O sensor aqui desenvolvido para
aplicações médicas não apresenta o risco de choque elétrico podendo ser aplicado em
medições invasivas e implantado por longo período de tempo. Além disto graças a sua
flexibilidade pode alcançar locais de difícil acesso em partes internas de órgãos.
vi
Abstract of Dissertation presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the
requirements for the degree of Master of Science (M. Sc.).
TEMPERATURE SENSOR BASED ON FLUORESCENCE USING PLASTIC OPTIC
FIBER (POF)
Luiz Antonio Marques Filho
March / 2006
Advisors: Marcelo Martins Werneck.
Department: Engenharia Biomédica.
In this dissertation is presented the development of a temperature sensor made
with plastic fiber optical for biological applications. Its is described the development of
a prototype employing the fluorescence decay time of ruby for measurement of
temperatures in the range of 35ºC to 45ºC with resolution of the 0.1ºC presenting the
caracteristics of low cost, fast response, accuraty, and biocompatibility. The motivation
for such transducer is to overcome the deficiencies of conventional thermometers by
employing plastic fiber optics properties which posses core made of nontoxic material.
Plastic fiber optic are, lightweight, can be manufactured with a variety of transmittance
and length. Addotionally, because of its immunity to eletromagnetic waves to can be
employed to measure the heat generation inside RF fields during medical hyperthermia
in cancer tratament or in studies of the effect of microwave exposure of biological
tissues. The sensor here developed for medical applications does not present risk of
electric shock and can be employed in invasive measurements for long periods of time.
It has the capability of reach regions of difficult access in internal parts of organs.
vii
Índice Página
Índice de Figuras. ......................................................................................................... x
Índice de Tabelas. ......................................................................................................... xvi
CAPÍTULO I 1
1 Introdução. ........................................................................................................... 1
1.1 Objetivo do trabalho. ................................................................................. 3
1.2 Justificativa. ............................................................................................... 4
CAPÍTULO II 5
2 Estado da Arte. .................................................................................................... 5
2.1 Sensores de fibra óptica modulados por intensidade. ................................ 5
2.2 Sensores baseados no deslocamento do comprimento de onda. ................ 6
2.3 Sensores baseados no decaimento da fluorescência. ................................. 8
2.4 Sensores utilizando a técnicas de interferometria. ..................................... 15
2.5 Sensores de temperatura com infravermelho. ............................................ 15
CAPÍTULO III 17
3 Fundamentos Teóricos. ........................................................................................ 17
3.1 Regulação da temperatura corporal. ...........................................................
17
3.1.1 Temperatura corporal normal. .......................................................... 17
3.1.2 Limites da temperatura corporal. ...................................................... 18
3.1.3 Hipertermia. ...................................................................................... 18
3.1.4 Sistema de instrumentação à fibra óptica em Engenharia
Biomédica. ...........................................................................................................
18
3.1.5 Sensores biomédicos. ........................................................................
19
3.2 Fibra óptica. ............................................................................................... 19
3.2.1 Índice de refração. ............................................................................ 20
3.2.2 Lei de Snell. ...................................................................................... 20
3.2.3 Refração da luz. ................................................................................ 21
3.2.4 Princípio geral de direcionamento de luz na fibra. ........................... 21
3.2.5 Fontes luminosas. ............................................................................. 22
3.2.6 Acoplamento e conexões. ................................................................. 23
3.2.7 Espectro de transmissão. ...................................................................
24
3.2.8 Tipos de fibras ópticas. ..................................................................... 24
3.2.9 Propriedades das fibras ópticas plásticas. ........................................ 25
viii
3.2.10 Abertura numérica das fibras ópticas. ............................................ 26
3.2.11 Curva de atenuação espectral das fibras ópticas plásticas PMMA.. 26
3.2.12 Resistência à temperatura com o tempo. ........................................ 27
3.2.13 Fibra óptica plástica fluorescente. .................................................. 28
3.3 Sensores à fibra óptica. .............................................................................. 29
3.3.1 Vantagens dos sensores à fibra óptica. ............................................. 29
3.3.2 Classificação dos sensores. ............................................................... 29
3.3.3 Tipos de modulação. ......................................................................... 30
3.3.4 Sensores à fibra óptica baseados na intensidade do sinal. ................ 30
3.3.5 Sensores à fibra óptica baseados no deslocamento do comprimento
de Onda. ...............................................................................................................
31
3.3.6 Construção de Redes de Bragg em POF. ...........................................
32
3.3.7 Caracterização da Rede de Bragg em POF. ....................................... 33
a) Sensibilidade térmica da rede de Bragg em POF. ........................ 33
b) Estiramento mecânico da rede de Bragg em POF. ....................... 33
3.3.10 Sensores a fibra óptica baseado no decaimento da fluorescência. .. 34
3.3.11 Luminescência, fluorescência e fosforescência. .............................. 36
3.3.12 Espectro de absorção e fluorescência do rubi. ................................. 36
3.3.13 Decaimento da fluorescência conforme a concentração de Cr
+
. ..... 37
CAPÍTULO IV 38
4 Materiais e Métodos. .......................................................................................... 38
4.1 Desenvolvimento do primeiro experimento. ..............................................
38
4.1.1 Montagem da primeira etapa do primeiro experimento. ...................
39
4.1.2 Procedimentos experimentais da primeira etapa. ............................. 39
4.1.3 Montagem da segunda etapa. ............................................................ 41
4.1.4 Procedimentos experimentais da segunda etapa. .............................. 41
4.1.5 Montagem experimental da terceira etapa. ....................................... 42
4.1.6 Procedimentos experimentais da terceira etapa. ............................... 43
4.2 Desenvolvimento do segundo experimento. .............................................. 43
4.2.1 Montagem do segundo experimento. ................................................ 43
4.2.2 Procedimento do segundo experimento. ........................................... 44
4.3 Desenvolvimento do terceiro experimento. ............................................... 45
4.3.1 Montagem da primeira etapa do experimento. ................................. 45
ix
a. Montagem do sensor. ............................................................................. 46
b. Montagem do fotodetector. .................................................................... 48
c. Montagem do arranjo óptico. ................................................................. 50
4.3.2 Procedimentos da primeira etapa do terceiro experimento. .............. 51
4.3.3 Desenvolvimento da segunda etapa do terceiro experimento. .......... 51
a. Arranjo óptico utilizado no experimento utilizando uma única fibra
óptica. ..................................................................................................................
52
b. Caracterização e montagem dos filtros ópticos plásticos. ..................... 52
c. Montagem do sensor em uma única fibra óptica plástica. ..................... 56
d. Montagem do driver do LED e conexão do filtro óptico. ..................... 57
e. Montagem do arranjo óptico em uma caixa metálica. ........................... 58
f. Montagem da fonte de alimentação. ....................................................... 62
4.2.3 Procedimentos de medições da segunda etapa do terceiro
experimento. ........................................................................................................
63
CAPÍTULO V 71
5 Resultados e Discussão. ......................................................................................
71
5.1 Resultados da primeira montagem experimental. ...................................... 71
5.2 Resultados da segunda montagem experimental. ...................................... 74
5.3 Resultados da terceira montagem experimental. ........................................
74
CAPÍTULO VI 105
Conclusão. .................................................................................................................... 105
Referências Bibliográficas. ........................................................................................... 107
Apêndice A. .................................................................................................................. 113
Apêndice B. .................................................................................................................. 114
Apêndice C. .................................................................................................................. 116
Apêndice D. .................................................................................................................. 121
Apêndice E. .................................................................................................................. 125
x
Índice de figuras Página
Figura 1.1: Princípio de termodiluição para medição de débito cardíaco. Adaptada de BANNER
(1998). ..............................................................................................................................
02
Figura 2.1: Sensor de temperatura desenvolvido utilizando a técnica da modulação com a variação
da intensidade luminosa. Adaptada de PENNISI (2002). ................................................
05
Figura 2.2: Sensor de temperatura desenvolvido utilizando a técnica da modulação com a variação
da intensidade luminosa. Adaptada de KALINOWSKI (1997). .....................................
06
Figura 2.3: Montagem proposta para medir temperatura utilizando duas redes de Bragg com
coeficiente térmico diferente. Adaptada de TSAO (1996). .............................................
06
Figura 2.4: Montagem experimental utilizando quatro redes de Bragg em uma sonda sensora.
Adaptada de RAO (1997). ...............................................................................................
07
Figura 2.5: Diagrama do equipamento Luxtron 1000. A medição de temperatura através da
relação dos picos F
2
e F
1
da emissão do sensor. Adaptada de (GRATTAN, 1995). .......
08
Figura 2.6: Esquema do arranjo experimental proposto utilizando fibra óptica e um cristal de
alexandrita. Adaptada de AUGOUSTI (1987). ...............................................................
09
Figura 2.7: Protótipo da sonda sensora com material fluorescente na extremidade da fibra óptica.
Adaptada de SUN (1990). ................................................................................................
10
Figura 2.8: Esquema do sensor desenvolvido com cristal de Cr:LiSAF. Adaptada de ZHANG
(1992). ..............................................................................................................................
10
Figura 2.9: Espectro da fluorescência da fibra dopada com érbio com a temperatura e a relação
dos picos do espectro de fluorescência em função da temperatura. Adaptada de IMAI
(1996). ..............................................................................................................................
11
Figura 2.10:
Esquema do arranjo experimental e sistema óptico utilizando uma sonda sensora com
CrMg
2
SiO
4
e Cr:(Mg,Fe)SiO
4
como material fluorescente. Adaptada de FENICOLA
(1997). ..............................................................................................................................
12
Figura 2.11:
Esquema da ponta sensora construída com um cristal de 2,5 mm preso na ponta de
uma fibra óptica multímodo de sílica. Adaptada de FENICOLA (1997). .......................
13
Figura 2.12:
Sistema de medição utilizando a técnica da diferença de fase. Adaptada de
GRATTAN (1988). ..........................................................................................................
14
Figura 2.13:
Gráfico do ângulo de fase versus constante de tempo para várias freqüências de
modulação. Adaptado de GRATTAN (1988) . ...............................................................
15
Figura 2.14:
Termômetro desenvolvido para medição de temperatura timpânica utilizando fibra de
vidro de calcogênio como guia da radiação infravermelha produzida pelo tímpano até
o sensor de infravermelho. Adaptada de SHIBASAKI (1998) ........................................
16
Figura 3.1: Estrutura física da fibra óptica. a) estrutura cilíndrica, b) seção transversal, c) corte
longitudinal e d) o perfil de índices de refração. Adaptada de GIOZZA (1991). ............
20
Figura 3.2: Raio de luz propagando-se do meio n
2
com índice de refração maior que n
1
. a) Raio de
luz com ângulo de incidência a
2
com a normal. b) ângulo de incidência igual ao
xi
ângulo crítico (
2
1
n
n
sen
c
=α ). c) raio de incidência maior ou igual ao ângulo crítico.
21
Figura 3.3: Propagação da luz em uma fibra óptica. Adaptada de WERNECK (1996). ....................
22
Figura 3.4: Emenda mecânica e conector simplex utilizados em POF ...............................................
23
Figura 3.5: Acoplador óptico 1x2 da DieMount para POF. ................................................................
23
Figura 3.6: Espectro eletromagnético. Adaptada de GIOZZA (1991). ..............................................
24
Figura 3.7: Representação do índice de reflexão e modo de propagação e sinais de entrada e saída
das fibras: a) fibra óptica multimodo índice degrau, b) fibra óptica multimodo índice
gradual, c) fibra óptica monomodo. Adaptada de GIOZZA (1991). ...............................
25
Figura 3.8: Inserção e extração de luz em uma POF. A abertura numérica é dada pela equação
)(
2
2
2
1
nnNA −= , onde n
1
é o índice de refração do núcleo e n
2
é o índice de
refração da casca. O ângulo de aceitação (A) é definido pela equação
)arcsin(NAA
=
e o cone de aceitação por )arcsin(2 NA . Adaptada de MARCOU
(1997). ..............................................................................................................................
26
Figura 3.9: Atenuação espectral das fibras ópticas plásticas PMMA. Adaptada de MARCOU
(1997). ..............................................................................................................................
27
Figura 3.10:
Resistência da POF com o tempo à temperatura com o tempo. Adaptada de MARCOU
(1997). ..............................................................................................................................
27
Figura 3.11:
Espectro de excitação e emissão da fibra óptica plástica fluorescente verde. Adaptada
de MARCOU (1997). ......................................................................................................
28
Figura 3.12:
Espectro de excitação e emissão da fibra óptica plástica fluorescente vermelha.
Adaptada de MARCOU (1997). ......................................................................................
28
Figura 3.13:
Espectros de transmissão e reflexão da rede de Bragg. Adaptada de KERSEY (1992). .
32
Figura 3.14:
Montagem para gravação da rede de difração. Adaptada de LIU (2002). .......................
33
Figura 3.15:
Método do tempo de meia vida da fluorescência. Para temperatura mais baixa o tempo
de decaimento é mais longo. Adaptada de GRATTAN (1995). ......................................
35
Figura 3.16:
Método do retardo de fase em relação ao sinal senoidal de excitação original. A troca
de fase dá indicação do tempo de decaimento da fluorescência. Adaptada de
GRATTAN (1995). ..........................................................................................................
35
Figura 3.17:
Espectro de absorção e excitação do rubi. Adaptada de AIZAWA (2003). .................... 36
Figura 3.18:
Tempo de decaimento da fluorescência conforme a concentração de Cr
3+
. Adaptada de
GRATTAN (1995). ..........................................................................................................
37
Figura 4.1: Montagem experimental para verificar o espectro da fluorescência da FPOF.................
39
Figura 4.2: Montagem do sensor com uma fibra óptica fluorescente de 2,24 cm. .............................
40
Figura 4.3: Fixação do LED polido COTCO no tubo de alumínio. ................................................... 40
Figura 4.4: Montagem experimental para verificar a dependência do pico espectral do sinal de
fluorescência da FPOF com a temperatura. .....................................................................
41
Figura 4.5: Montagem do experimental do primeiro protótipo utilizando uma fibra óptica plástica
fluorescente (FPOF) como sensor de temperatura. ..........................................................
42
xii
Figura 4.6: Montagem experimental para verificar o tempo de decaimento da fluorescência da
FPOF. ...............................................................................................................................
44
Figura 4.7: Circuito eletrônico com amplificador operacional TL071 CN, usado para amplificar o
sinal de fluorescência. ......................................................................................................
44
Figura 4.8: Arranjo óptico utilizado para verificar a fluorescência do cristal de rubi. .......................
45
Figura 4.9: Montagem do sensor de temperatura utilizando duas fibras ópticas plásticas e um
cristal de rubi sintético. ....................................................................................................
46
Figura 4.10:
Fixação e acoplamento óptico do cristal de rubi nas extremidades das fibras ópticas. ... 46
Figura 4.11:
Cristal de rubi bombeado opticamente com comprimento de onda de 465 nm. ..............
47
Figura 4.12:
Sensor óptico revestido com resina acrílica de polimetilmetacrilato. ........................... 47
Figura 4.13:
Diagrama esquemático do circuito eletrônico com amplificador operacional TL071
CN, usado para amplificar o sinal de fluorescência. ........................................................
48
Figura 4.14:
Face cobreada do circuito impresso do receptor usado para amplificar o sinal de
fluorescência. ...................................................................................................................
49
Figura 4.15:
Lado dos componentes dircuito impresso do receptor usado para amplificar o sinal de
fluorescência. ...................................................................................................................
49
Figura 4.16:
Circuito eletrônico com amplificador operacional TL071 CN, usado para amplificar o
sinal de fluorescência. ......................................................................................................
49
Figura 4.17:
Sensor óptico fixado a uma ponta sensora de temperatura do termômetro SalvTerm
120. ..................................................................................................................................
50
Figura 4.18:
Montagem experimental realizada para correlacionar o tempo de decaimento da
fluorescência do rubi com a temperatura. ........................................................................
50
Figura 4.19:
Arranjo óptico utilizando uma única fibra óptica como elemento sensor. ...................... 52
Figura 4.20:
Caracterização dos filtros ópticos plásticos utilizados nos experimentos. Na foto são
mostrados o monocromador Oriel, uma fonte de luz branca Oriel e um optometer. ......
53
Figura 4.21:
Montagem do Filtro óptico (vermelho) utilizado no experimento. A foto mostra a
conexão mecânica das fibras ópticas plásticas e o filtro óptico vermelho. ......................
54
Figura 4.22:
Conector simplex e POF. Fixação da POF no conector simplex. .....................................
54
Figura 4.23:
Fixação da POF no conector simplex. ..............................................................................
55
Figura 4.24:
Conectores simplex com a POF após o polimento. ..........................................................
55
Figura 4.25:
Filtro óptico para bloquear o sinal de excitação do LED azul e deixar passar somente o
sinal de fluorescência que retorna do sensor. O filtro óptico foi fixado entre as duas
fibras ópticas utilizando dois conectores. ........................................................................
56
Figura 4.26:
Ponta da sonda sensora de temperatura montada com um cristal de rubi semi-esférico
com 1mm de diâmetro e um conector para POF. ............................................................
56
Figura 4.27:
Sonda sensora após a fixação do conector simplex. .........................................................
57
Figura 4.28:
LED polido COTCO e conector para emenda mecânica. ................................................
57
Figura 4.29:
Fixação do LED na emenda mecânica e circuito de driver. ............................................ 58
Figura 4.30:
Conexão do dispositivo com o filtro óptico, LED adaptado ao conector de emenda
mecânica com o circuito de driver e o circuito fotoreceptor. ..........................................
58
xiii
Figura 4.31:
Arranjo do experimento montado na caixa metálica. ...................................................... 59
Figura 4.32:
Vista da parte frontal da caixa metálica. ..........................................................................
59
Figura 4.33:
Vista da parte traseira da caixa metálica com a montagem experimental. ...................... 60
Figura 4.34:
Parte frontal da caixa metálica com a sonda sensora conectada à emenda mecânica. .....
60
Figura 4.35:
Fixação do circuito de excitação, acoplador e filtro óptico. ............................................ 61
Figura 4.36:
Acondicionamento da fibra óptica plástica do fotodetector e emissor de luz (LED). .....
61
Figura 4.37:
Fixação do circuito de excitação, acoplador e filtro óptico. ............................................ 62
Figura 4.38:
Acondicionamento da fibra óptica plástica do fotodetector e emissor de luz (LED). .....
62
Figura 4.39:
Fixação de uma blindagem para evitar interferências no circuito do fotodetector. .........
63
Figura 4.40:
Arranjo experimental utilizado para calibrar o sensor óptico. .........................................
63
Figura 4.41:
O painel frontal do Instrumento Virtual desenvolvido para o sensor óptico de
temperatura. .....................................................................................................................
65
Figura 4.42:
Sinal recebido do sensor óptico, após o pulso de excitação, digitalizado com 500
pontos a uma taxa de 20000 Hz. ......................................................................................
65
Figura 4.43:
Exponencial obtida entre o tempo (t
o
) e (t). .....................................................................
66
Figura 4.44:
Indicador de temperatura do instrumento virtual. ............................................................
66
Figura 4.45:
Linearização da exponencial obtida entre o tempo (t
o
) e (t). ...........................................
67
Figura 4.46:
Curva de variação da temperatura para valor inicial T
1
e valor final T
2
. .........................
70
Figura 4.47:
Equivalente elétrico do sensor. ........................................................................................ 70
Figura 5.1: Espectro de fluorescência da fibra óptica plástica centrado em 495,85 nm para
temperatura de 26°C. .......................................................................................................
71
Figura 5.2: Intensidade da fluorescência da FPOF para 26°C, 42,5°C e 56,5°C. .............................. 72
Figura 5.3: Espectros de fluorescência da fibra óptica plástica para diversas medições
incrementando a temperatura de 26°C a 56,5°C. .............................................................
72
Figura 5.4: Variação da amplitude do sinal (CH1/CH2) em função da temperatura na fibra óptica
fluorescente. .....................................................................................................................
73
Figura 5.5: Sinal de resposta obtido após a excitação do sensor com um sinal de onda quadrada. É
mostrado na parte de acima da tela a forma de onda do sinal aplicado no sensor e
abaixo o sinal de fluorescência que retorna do sensor. ....................................................
74
Figura 5.6: Sinal obtido com a aplicação direta no amplificador. É mostrado na parte de acima da
tela a forma de onda do sinal aplicado diretamente no amplificador e abaixo o sinal de
saída do amplificador. ......................................................................................................
75
Figura 5.7: Reta de calibração do Termômetro Salvterm 120 comparado com uma
termoresistência PT-100O/0ºC. .......................................................................................
76
Figura 5.8:
Sinal de fluorescência do rubi variando a temperatura de 68°C até 30°C. ......................
77
Figura 5.9:
Decaimento da fluorescência do rubi variando a temperatura de 68°C até 30°C. ...........
77
Figura 5.10:
Decaimento da fluorescência do rubi versus temperatura aplicada. ................................
78
Figura 5.11:
Reta de calibração do sensor óptico utilizando o parâmetro (t). ..................................... 79
Figura 5.12:
Espectro da fonte de luz Oriel, LED azul COTCO e transmissão dos filtros ópticos
caracterizados. ..................................................................................................................
80
xiv
Figura 5.13:
Espectros normalizados da fonte de luz Oriel, LED azul COTCO e transmissão dos
filtros ópticos caracterizados. ..........................................................................................
80
Figura 5.14:
Espectros do LED azul COTCO e transmissão dos filtros ópticos caracterizados
amarelo combinado com o filtro vermelho. .....................................................................
81
Figura 5.15:
Espectros de absorção e emissão do cristal de rubi, LED azul COTCO e transmissão
do filtro óptico. ................................................................................................................
81
Figura 5.16:
Sinal de fluorescência obtido sem o filtro óptico. No detalhe circulado em vermelho é
mostrado o decaimento da fluorescência. ........................................................................
82
Figura 5.17:
Sinal de fluorescência obtido com filtro óptico. No detalhe circulado em vermelho é
mostrado o decaimento da fluorescência. ........................................................................
82
Figura 5.18:
Reta de calibração do sensor óptico utilizando o parâmetro (?). ......................................
83
Figura 5.19:
Reta de calibração utilizando o parâmetro (slope). ..........................................................
84
Figura 5.20:
Ajuste do sensor óptico para conversão do tempo de decaimento em indicação de
temperatura. .....................................................................................................................
85
Figura 5.21:
Ajuste do sensor óptico para conversão da inclinação da reta em indicação de
temperatura. .....................................................................................................................
85
Figura 5.22:
Indicação da temperatura do sensor após o ajuste nos parâmetros A e B na tela de
calibração (utilizando a técnica do tempo de decaimento da exponencial) e na tela
linearização utilizando a inclinação da reta. O símbolo (×) representa o termopar e as
indicações do sensor óptico os símbolos (?) e (?). ...........................................................
86
Figura 5.23:
Distribuição de valores medidos pelo sensor óptico para uma temperatura constante de
34,6ºC. ..............................................................................................................................
87
Figura 5.24:
Distribuição de valores medidos pelo sensor óptico para uma temperatura constante de
34,6ºC. ..............................................................................................................................
87
Figura 5.25:
Indicação de temperatura do sensor óptico e termopar no painel frontal do Instrumento
Virtual. .............................................................................................................................
88
Figura 5.26:
Tempo de resposta para um degrau de temperatura de 43ºC para 0ºC. A temperatura
registrada pelo termopar é apresentada no gráfico com os pontos (x) e a resposta do
sensor óptico com os pontos (?). ......................................................................................
89
Figura 5.27:
Tempo de resposta para um degrau de temperatura de 0ºC para 40ºC. A temperatura
registrada pelo termopar é apresentada no gráfico com os pontos (x) e a resposta do
sensor óptico com os pontos (?). ......................................................................................
89
Figura 5.28:
Tempo de resposta para um degrau de temperatura de 27ºC para 43ºC. A temperatura
registrada pelo termopar é apresentada no gráfico com os pontos (x) e a resposta do
sensor óptico com os pontos (?). ......................................................................................
90
Figura 5.29:
Tempo de resposta para um degrau de temperatura de 48,5ºC para 27ºC. A
temperatura registrada pelo termopar é apresentada no gráfico com os pontos (x) e a
resposta do sensor óptico com os pontos (?). ...................................................................
91
Figura 5.30:
Valores dos três conjuntos de medições, obtidos pelo termômetro óptico, para
temperatura constante de 34,0ºC. .....................................................................................
93
xv
Figura 5.31:
Distribuição dos valores das três medições. .................................................................... 93
Figura 5.32:
Valores dos três conjuntos de medições, obtidos pelo termômetro óptico, para
temperatura constante de 35,9ºC. .....................................................................................
94
Figura 5.33:
Distribuição dos valores das três medições. .................................................................... 94
Figura 5.34:
Valores dos três conjuntos de medições, obtidos pelo termômetro óptico, para
temperatura constante de 38,0ºC. .....................................................................................
95
Figura 5.35:
Distribuição dos valores das três medições. .................................................................... 95
Figura 5.36:
Valores dos três conjuntos de medições, obtidos pelo termômetro óptico, para
temperatura constante de 40,0ºC. .....................................................................................
96
Figura 5.37:
Distribuição dos valores das três medições. .................................................................... 96
Figura 5.38:
Valores dos três conjuntos de medições, obtidos pelo termômetro óptico, para
temperatura constante de 41,9ºC. .....................................................................................
97
Figura 5.39:
Distribuição dos valores das três medições. .................................................................... 97
Figura 5.40:
Valores dos três conjuntos de medições, obtidos pelo termômetro óptico, para
temperatura constante de 44,7ºC. .....................................................................................
98
Figura 5.41:
Distribuição dos valores das três medições. .................................................................... 98
Figura 5.42:
Comparação entre os valores registrados pelo sensor óptico e o SalvTerm 120. ............
101
xvi
Lista de Tabelas Páginas
Tabela 5.1: Regressão linear para os dados da Figura 5.4 (Y=A+B*X). .........................................
73
Tabela 5.2: Regressão linear para os dados da Figura 5.7 (Y=A+B*X). .........................................
76
Tabela 5.3: Regressão linear para os dados da Figura 5.10 (Y=A+B*X). .......................................
78
Tabela 5.4: Regressão linear para os dados da Figura 5.11 (Y=A+B*X). .......................................
79
Tabela 5.5: Regressão linear para os dados da Figura 5.18 (Y=A+B*X). .......................................
83
Tabela 5.6: Regressão linear para os dados da Figura 5.19 (Y=A+B*X). .......................................
84
Tabela 5.7: Primeiro ponto de medição de temperatura .................................................................. 99
Tabela 5.8: Segundo ponto de medição de temperatura .................................................................. 99
Tabela 5.9: Terceiro ponto de medição de temperatura ...................................................................
99
Tabela 5.10: Quarto ponto de medição de temperatura ..................................................................... 100
Tabela 5.11: Quinto ponto de medição de temperatura ..................................................................... 100
Tabela 5.12: Sexto ponto de medição de temperatura ....................................................................... 100
Tabela 5.13: Regressão linear para os dados da Figura 5.42 (Y=A+B*X). .......................................
101
Tabela 5.14: Resultado da calibração do sensor óptico tendo como padrão o termômetro Salvterm
120. ................................................................................................................................
102
Tabela 5.15: Tabela de ajuste do sensor óptico pela regressão linear. ...............................................
102
Tabela 5.16: Incertezas de medição do sensor óptico. .......................................................................
104
Tabela A.1: Resultados para uma fibra fluorescente verde de 2,24 cm bombeada opticamente por
um LED azul (470nm) com corrente de 27,0 mA. ........................................................
113
Tabela A.2: Propriedades selecionadas de fibras ópticas usadas em sensores. Adaptada de
Fernando (2002). ...........................................................................................................
113
1
CAPÍTULO I
1 Introdução
Os termômetros de mercúrio são muito utilizados para medição não invasiva de
temperatura corporal. Estes termômetros apresentam uma resposta de tempo da ordem
de três minutos, são frágeis e não servem para medições invasivas de temperatura
corporal. A alternativa para uma resposta de tempo menor é o sensor de infravermelho
que mede a temperatura dentro do pavilhão auditivo. Esse termômetro tem como
benefício não ser de contato, sendo usado para medição da temperatura na membrana
timpânica devido à proximidade com a artéria carótida por onde passa o sangue do
hipotálamo (FRADEN, 1993). A maioria dos termômetros timpânicos comercialmente
disponíveis tem um problema fundamental, além do custo ser relativamente alto, a
radiação emitida do canal da orelha é transmitida pelo guia até o detector infravermelho
e esta radiação depende muito do modo como o guia é posicionado dentro do canal
auditivo, dando origem a grandes erros (SADE,2001). Os termômetros eletrônicos
baseados em termopares e termistores apresentam a vantagem de resposta mais rápida
que os de mercúrios. Entretanto, para aplicações invasivas de medição de temperatura,
onde há risco de choque elétrico, como por exemplo, medição do débito cardíaco por
termodiluição, os termômetros baseados em termistores e termopares não são
aconselháveis, além disso, a posição do termistor no cateter pode causar erros na
medição da temperatura e conseqüentemente na determinação do débito cardíaco
(BANNER, 1988). Em aplicações terapêuticas de câncer usando hipertermia produzida
por radiofreqüência (13,56 MHz) ou microondas (2450 MHz), os sensores não devem
ser metálicos, pois os componentes metálicos perturbariam o campo magnético levando
a falsa medição (KALINOWSKI, 1997 e WEBB, 1998).
O débito cardíaco (CO) pode ser obtido facilmente através de técnica de
termodiluição usando um cateter na artéria pulmonar (PA). Neste método, uma
mudança de temperatura do sangue é criada em um ponto da circulação (Átrio direito)
com a introdução de um indicador com temperatura abaixo da temperatura do sangue
(Figura 1.1). A mudança resultante na temperatura do sangue é detectada por um
termistor em um ponto da artéria pulmonar (PA) (BANNER, 1988).
2
Figura 1.1: Princípios de termodiluição para medição de débito cardíaco. Adaptada de BANNER (1998).
O débito cardíaco pode ser calculado com a fórmula de Stewart-Hamilton
(BANNER, 1998).
dtT
KKTTV
CO
B
fB
∫
∆
−
=
211
)(
(1.1)
Onde: CO é o débito cardíaca representada em litros por minuto; V
1
é o volume do
injetado; T
B
é a temperatura do sangue na artéria pulmonar; T
f
é a temperatura do
injetado; ?T
B
dt é a mudança na temperatura do sangue em função do tempo; K
1
é o fator
de densidade (injetado/sangue); e K
2
constante computacional. Observando os
componentes desta fórmula, é possível entender os princípios fundamentais dos
aspectos técnicos da medição de CO por termodiluição e os potenciais erros da técnica.
Um termistor mede continuamente a temperatura do injetado (T
f
) que serve de
referência para o computador (CO) e representa um dos quatro resistores de um circuito
elétrico da ponte de Wheatstone. Outro termistor mede a mudança de temperatura na
artéria pulmonar. O decremento da temperatura do sangue com a injeção de um
indicador com temperatura abaixo da temperatura do sangue (T
B
- T
f
) resulta em um
desbalanceamento na ponte de Wheatstone causando uma diferença de tensão. A
diferença de tensão será uma curva no tempo. O computador integra a área abaixo da
curva ( dtT
B
∫
∆ ), e o resultado é dado no monitor de CO em litros por minutos. A
temperatura do injetado pode ser a do ambiente para volumes de 10 ml ou do gelo para
3
volumes de 1 ml. A vantagem de usar a temperatura ambiente é a redução de custo por
não necessitar de equipamentos para manter a temperatura do injetado, além disso, com
o uso da temperatura ambiente, reduz potenciais erros com o decorrer do tempo. A
temperatura de 10 mililitros de injetado pode variar de 0,6°C a 1,0°C em 30 segundos
após ser retirado do banho térmico a 0°C. A precisão da medição de CO também
depende da posição do cateter e do termistor determinado pela sonda. A posição do
termistor na artéria pulmonar pode ser determinada por verificação radiográfica
(BANNER, 1988).
Em um tratamento típico de hipertermia a temperatura do tumor é elevada para
(43 ± 0,5)°C por um período de 20-60 min. Porém, a efetividade depende da
estabilidade e uniformidade da temperatura no local. Um método usado para
aquecimento local do tumor é baseado na absorção de campo eletromagnético no tecido
biológico (KATZIR, 1989). Segundo CHONG (2001) o benefício clínico com
hipertermia depende da forma de induzir e medir a temperatura. O aquecimento local
pode ser com irradiação de RF ou ultra-som (JAROZ, 2003). Para controlar o parâmetro
de irradiação é necessário um sistema altamente seguro para medição da temperatura
induzida. O uso de termistores, no caso de tratamento com microondas, produz leituras
errôneas como resultados devido à indução de correntes, tensão nos elementos metálicos
e auto-aquecimento. TAKAHASHI (2000) desenvolveu um sistema para terapia, por
hipertermia, de câncer no cérebro. O sistema usado nos seus estudos foi construído com
um gerador de RF com freqüência de 13,56 MHz e eletrodos com formato de agulhas
(antenas de RF). Para limitar a temperatura de saída do sistema, TAKAHASHI utilizou
uma sonda com um termistor em um cateter.
1.1 Objetivo do trabalho
O objetivo foi projetar um sensor de temperatura, baseado em fluorescência,
utilizando fibra óptica plástica (POF), para aplicações em Biomédica. A proposta foi
desenvolver um sistema de medição de temperatura com baixo custo, boa velocidade de
resposta e exatidão. A pesquisa foi centrada no método de interrogação do sensor, ou
seja, da modulação do sinal aplicado e demodulação do sinal de retorno do sensor. O
sensor foi projetado para medir temperaturas na faixa de 35°C a 50°C com uma
resolução de 0,1°C.
WICKERSHEIM e colaboradores (1981) e (1987), demonstraram em seus estudos
a dependência do tempo de meia vida de materiais fluorescentes com a temperatura.
4
Esse efeito tem como vantagem uma variação linear da característica da fluorescência
com a temperatura (GRATTAN e colaboradores, 1985) e a independência da medição
com possíveis flutuações na intensidade da luz da fonte de excitação (ALCALA e
colaboradores, 1996). Além disso, utilizando esta técnica podem-se construir vários
sensores onde, em princípio, a característica intrínseca da fluorescência será mantida de
material para material. Isso tem implicações importantes para sensores com fibra ótica,
pois o sensor poderá ser substituído prontamente se danificado ou retirado após o uso
para esterilizar.
1.2 Justificativa
A motivação para o desenvolvimento do transdutor é, além do domínio da
tecnologia, suprimir as deficiências dos outros sensores de temperatura para aplicações
biomédicas, por exemplo, determinação do débito cardíaco, medição e controle de calor
induzido por RF durante hipertermia médica para terapia do câncer e medições durante
estudo do efeito biológico de RF e campo magnético.
As principais vantagens na utilização da fibra óptica para desenvolvimento de
sensores são isolamento elétrico e imunidade à interferência de radiofreqüência
(FRADEN,1996). Por ser dielétrica, é possível efetuar medições com segurança no
paciente (GRATTAN, 1988). Outra vantagem é a pequena massa térmica, o que
minimiza o fluxo de calor para fora do volume que será realizada a medição de
temperatura, aumentando a precisão e a confiança da medição. Além disso, é flexível e
de pequeno diâmetro e podem ser facilmente inseridos em locais de difíceis acessos,
com distanciamentos variados (SCHEGGI, 1984), e, com a fabricação de fibras ópticas
compostas de materiais não tóxicos (vidro e plástico), e diâmetros de fração de
milímetro foi um passo importante para desenvolvimento de sistemas intravasculares
baseados em cateter para medição de diversos parâmetros fisiológicos (WOLTHUIS,
1993) tornaram-se uma potencialidade no desenvolvimento de biosensores.
A escolha da fibra óptica plástica (POF) para realização deste trabalho deve-se,
além das vantagens citadas, ao custo e simplicidade de utilização. A POF não requer
equipamentos caros e de precisão para emenda, alinhamento e conexão com os
componentes transmissores, acopladores e receptores de sinal óptico. É de fácil
manuseio e devido ao tipo de material e diâmetro da fibra, não quebra com facilidade se
submetida à tração e pequeno raio de curvatura. Pode ser facilmente crivada e o tempo
de polimento e realização das emendas é muito pequeno.
5
CAPÍTULO II
2 Estado da Arte
Neste capítulo serão descritas algumas técnicas de sensoriamento de temperatura,
baseados em trabalhos desenvolvidos por autores que utilizaram fibras ópticas plásticas,
para aplicações biomédicas.
2.1 Sensores de fibra óptica com modulação por intensidade
Sensores utilizando a técnica de modulação com a variação da intensidade da luz
são os mais simples de serem construídos. A medição da intensidade da luz pode ser
processada utilizando circuitos analógicos ou digitais tendo sua instrumentação somente
limitada pelo desenvolvimento do sensor.
Um sensor de temperatura, utilizando fibra óptica de sílica para uso experimental
em tratamento de hipertermia com microondas, foi construído por PENNISI e
colaboradores (2002) usando um path-cord multimodo e conectores de ST
(Spring-Loaded Twist) em ambas as pontas. A fibra óptica utilizada foi de sílica de
62,5/125 µm. O path-cord foi dividido ao meio e 30 mm da sobrecapa foram
mecanicamente removidas em ambas as extremidades. Um tubo de vidro com 20 mm de
comprimento e 1,1 mm de diâmetro externo foi introduzido entre a proteção externa das
sobrecapas (Figura 2.1). As extremidades da fibra foram fundidas, o tubo de vidro ficou
situado na parte central da fibra e cheio de óleo vegetal puro com ambas as
extremidades lacradas com cola epóxi. O sensor foi imerso em banho termostático com
suas extremidades conectadas a uma fonte de luz com comprimento de onda de 850 nm
e um medidor de potência óptica. A precisão do termômetro ficou dentro de 0,2°C com
tempo de resposta de 1,9 s.
Figura 2.1: Sensor de temperatura desenvolvido utilizando a técnica da modulação com a variação
da intensidade luminosa. Adaptada de PENNISI (2002).
6
KALINOWSKI e colaboradores (1997) desenvolveram um sensor com uma única
fibra óptica monomodo de sílica. A sonda sensora foi moldada com um raio de 0,75 mm
e coberta com silicone. A fonte de luz utilizada foi um LED, com comprimento de onda
centrado em 1,3 µm, modulado com uma fonte de corrente com sinal de baixa
freqüência (247 Hz). A potência óptica transmitida do sensor foi captada por um
fotodetector InGaAsP ligado a um Lock-in controlado por um computador. Para uma
faixa de 20 - 60°C a precisão do equipamento foi de 0,25°C. O diagrama de bloco do
sensor é mostrado na Figura 2.2.
Figura 2.2: Sensor de temperatura desenvolvido utilizando a técnica da modulação com a variação da
intensidade luminosa. Adaptada de KALINOWSKI (1997).
2.2 Sensores baseados no deslocamento do comprimento de onda
TSAO e WU (1996) desenvolveram um sensor de temperatura para aplicação
biomédica, Figura 2.3. O sensor consiste de duas redes de Bragg com coeficiente
térmico diferente e um laser com freqüência estabilizada. A resolução e precisão obtida
com o transdutor foram acima de 0,01°C.
Figura 2.3: Montagem proposta para medir temperatura utilizando duas redes de Bragg com
coeficiente térmico diferente. Adaptada de TSAO (1996).
7
Um outro sensor de temperatura, usando quatro redes de Bragg em fibra óptica de
sílica para aplicações médicas, foi desenvolvido por RAO e colaboradores (1997). O
sensor consiste de quatro redes de Bragg em fibra óptica incorporados em uma sonda de
nylon. O comprimento das redes de Bragg foram de 4 mm com intervalos de 10 mm,
montada em um encapsulamento de nylon de 1 mm de diâmetro, mostrada na Figura
2.4. A ponta sensora com as redes de Bragg foi iluminada com uma fonte de luz
broadband obtida com a utilização de um diodo super luminescente (SLD) em um
pigtailed com temperatura estabilizada e largura de banda de 18,5 nm (818-836,5 nm).
Imediatamente após o SLD foi instalado um interferometric wavelenght scanner (IWS).
O elemento piezoelétrico do IWS foi excitado com um sinal dente-de-serra com
freqüência de 300 Hz. A luz retornada da rede de Bragg foi passada por um
monocromador com rede de difração de 1200 linhas / mm. A resolução do equipamento
foi de 0,1°C com precisão de ± 0,2°C sobre temperatura de 30 - 60°C.
Figura 2.4: Montagem experimental utilizando quatro redes de Bragg em uma sonda sensora. Adaptada
de RAO (1997).
8
2.3 Sensores baseados no decaimento da fluorescência
Um dos primeiros instrumentos comerciais para medição de temperatura com
imunidade a RF foi desenvolvido pela Luxtron Corporation. O sensor consiste de uma
fibra óptica (com núcleo de 400 µm) com um material fluorescente (composto de terra
rara) na extremidade da fibra. A medição da temperatura é realizada através da relação
entre dois picos do espectro de emissão do sensor (Figura 2.5).
Figura 2.5: Diagrama do equipamento Luxtron 1000. A medição de temperatura através da relação dos
picos F
2
e F
1
da emissão do sensor. Adaptada de (GRATTAN, 1995).
WICKERSHEIM e ALVES (1981) apresentaram um sensor utilizando o tempo de
meia vida de materiais fluorescente e sua sensibilidade e precisão foram de 0,1°C com
um tempo de integração do sinal de um segundo. WICKERSHEIM utilizou como
material fluorescente o európio ativado com oxisulfeto de gadolínio na ponta de uma
fibra com 0,4 mm de núcleo, a fonte de excitação usada foi radiação ultravioleta tendo
como resposta uma fluorescência na faixa do visível.
AUGOUSTI e colaboradores (1987 e 1988) desenvolveram e calibraram um
sensor de temperatura com fibra óptica bombeado por um LED verde ultrabrilhante. No
arranjo experimental foi utilizado um cristal de alexandrita como elemento sensor,
(Figura 2.6). A ponta sensor consiste de um pequeno cristal de alexandrita com
aproximadamente 8 mm
3
, com forma irregular, grudada (usando resina de epóxi
9
transparente EPOTEK 514ND) em duas fibras ópticas (uma para transmissão do sinal
de excitação e outra para recepção do sinal de fluorescência). O LED foi modulado com
um sinal senoidal de 1 kHz para excitar o cristal causando uma resposta senoidal com
mesma freqüência mas deslocada em fase. O sinal de excitação e a resposta de
fluorescência foram convertidos em uma onda quadrada e ambos aplicados na entrada
de uma porta XOR. A saída consiste de pulsos com duração dependente da temperatura.
O instrumento foi capaz de medir temperatura entre 20-150°C com precisão de ± 1°C e
tempo de resposta de 1 s.
Figura 2.6: Esquema do arranjo experimental proposto utilizando fibra óptica e
um cristal de alexandrita. Adaptada de AUGOUSTI (1987).
SUN e colaboradores (1990) utilizaram esta técnica e construíram um sensor
utilizando um material inorgânico (fluorogermanato de magnésio) fixado na
extremidade de uma fibra óptica (Figura 2.7). No sistema foi utilizada uma luz azul para
excitar o material e um fotodetector para captar a intensidade de emissão vermelha
proveniente do material fluorescente após o pulso azul. O tempo do decaimento da
emissão foi medido e correlacionado com a temperatura no sensor. Para a temperatura
de 27,5°C e 40°C o decaimento foi de aproximadamente 3,4 ms e 3,3 ms
respectivamente. Quando usado com o Luxtron modelo 3000 da Luxtron Corporation a
precisão da ponteira sensora foi de +/- 0,1°C e a exatidão de +/- 0,2°C.
10
Figura 2.7: Protótipo da sonda sensora com material fluorescente na extremidade da fibra óptica.
Adaptada de SUN (1990).
Uma grande quantidade de técnicas para medições de temperatura baseado no
tempo de meia vida da fluorescência é proposta por ZHANG (1992). Nos seus
experimentos, ZHANG utilizou uma variedade de materiais fluorescente (Nd:YAG,
Nd:glass, rubi e alexandrita) e o melhor resultado foi conseguido com o material
Cr:LiSAF. A Figura 2.8 representa o sensor de temperatura para aplicação biomédica
usando o tempo de decaimento do Cr:LiSAF proposto por ZHANG (1992). O módulo
de processamento de sinal converte o tempo de decaimento em pulsos de onda quadrada
para alimentação do LED de excitação, trabalhando em loop de realimentação. A
resposta da fluorescência regula a freqüência de modulação.
Figura 2.8: Esquema do sensor desenvolvido com cristal de Cr:LiSAF. Adaptada de ZHANG (1992).
11
O espectro de absorção do Cr:LiSAF para o UV é próximo a 750 nm com pico de
queda entre 600 e 700 nm. Usando um diodo laser de 670 nm e 1 mW de potência
óptica, foi bombeado o cristal de Cr:LiSAF com 0,5 x 0,6 x 0,5 mm
3
, usado como
elemento sensor, preso na ponta de uma fibra de sílica de 200 µm para induzir uma
resposta fluorescente suficiente para ser detectado. A faixa de temperatura utilizada no
experimento foi de 20°C a 100°C e o desvio padrão das medições registradas foi menor
que 0,01°C entre 20°C e 50°C com tempo de resposta de 0,7 s.
IMAI (1996) desenvolveu um sensor de temperatura à fibra óptica, dopada com
érbio, utilizando a dependência dos picos da fluorescência de 1,54 µm com a
temperatura. Na montagem experimental utilizou-se um diodo laser (LD) com largura
espectral de 1480 nm para bombear opticamente o sensor. A fluorescência do sensor
consiste de dois picos com comprimento de onda em torno de 1530 nm e 1552 nm. O
pico de 1530 nm e 1552 nm da fluorescência decrementa com o incremento da
temperatura. A Figura 2.9 mostra o espectro típico da fluorescência do érbio e a relação
dos dois picos com a temperatura. A relação é definida por R = P
1552
/P
1530
para
incremento de temperatura entre 12,2ºC e 79,5ºC. A sensibilidade encontrada foi de
0,0085/ºC.
Figura 2.9: Espectro da fluorescência da fibra dopada com érbio com a temperatura e a relação
dos picos do espectro de fluorescência em função da temperatura. Adaptada de IMAI
(1996).
Um sensor de temperatura, descrito por ALCALA e colaboradores (1996), usa o
tempo de meia vida da fluorescência do cristal de rubi, e o foi construído para aplicação
fisiológica (15°C a 45°C) com precisão e exatidão abaixo 1°C em tempo real. Precisão
que 0,1°C foi atingido com 3 minutos de integração. Usou-se um cubo de cristal de rubi
12
com 500 µm fixado na ponta de uma fibra. O cristal foi excitado com laser Ne-He (542
nm) com potência de 9 µW e freqüência fundamental de 24,41 Hz (~0,042s). No
circuito detector utilizou-se um foto multiplicador. O sistema proposto por ALCALA
apresentou um drift de 3% após 5h de operação e a taxa de aquisição do sinal ficou
limitada em 24 Hz devido ao tempo da meia vida do cristal de rubi.
Um outro sensor de temperatura foi proposto por FENICOLA e colaboradores
(1997). O sensor foi desenvolvido a partir da Cr-fluorescência usando dois cristais
[CrMg
2
SiO
4
e Cr:(Mg,Fe)SiO
4
], respectivamente. No trabalho foram investigadas as
performances dos dois cristais. O termômetro consiste de uma sonda sensora para medir
a temperatura, conectada no meio do corpo de um acoplador óptico 1x2, tendo uma das
extremidades conectada a uma unidade optrônica e a outra a uma unidade de
processamento de sinais. A unidade de processamento de sinais converte o tempo de
meia vida da fluorescência em leitura de temperatura. A representação esquemática do
arranjo experimental é representada na Figura 2.10.
Figura 2.10: Esquema do arranjo experimental e sistema óptico utilizando uma sonda sensora com
CrMg
2
SiO
4
e Cr:(Mg,Fe)SiO
4
como material fluorescente. Adaptada de FENICOLA
(1997).
Nos experimentos foram utilizadas duas pontas sensoras utilizando cristais
diferentes. As pontas sensoras foram construídas utilizando pequenos cubos de cristais
com aproximadamente 2,5 mm, presos na ponta de uma fibra óptica de sílica
multimodo, conforme Figura 2.11. Na primeira versão, o cristal foi fixado na ponta da
fibra óptica utilizando resina epóxi. Para temperatura abaixo de -73°C o epóxi utilizado
13
não provou ser confiável na fixação do cristal. A sonda final foi construída
empacotando o cristal e a fibra com uma fina camada de alumínio, para aumentar a
reflexibilidade, e protegido com uma sobrecapa plástica.
Figura 2.11: Esquema da ponta sensora construída com um cristal de 2,5 mm preso na ponta de
uma fibra óptica multimodo de sílica. Adaptada de FENICOLA (1997).
Utilizando um analisador óptico multicanal, FENICOLA mediu o espectro de
transmissão do cristal e encontrou o maior pico de densidade óptica em 660 nm. A fonte
utilizada no sistema do termômetro foi um diodo laser (LD) de 3 mW, emitindo um
comprimento de onda de 675 nm, para excitar a ponta sensora. O processamento do
sinal foi feito utilizando um sistema de detecção em fase. A técnica de detecção do
pulso modulado travado em fase usando duas referências foi empregada para determinar
o valor do decaimento do tempo do sinal de fluorescência. Um circuito optrônico com
pulsos de onda quadrada bombeia a sonda sensora, a ponta sensora gera um sinal de
decaimento de fluorescência dependente da temperatura que é captada por um
fotodiodo. A resposta gerada, quando o LD é desligado, é uma exponencial dada por:
baetv
t
+=
− τ/
)( (2.1)
Onde τ é a meia vida da fluorescência, a é a intensidade para τ = 0
+
, t é o tempo e b é a
tensão de offset DC do amplificador. Foram utilizados no sistema óptico do trabalho
dois tipos diferentes de fotodiodos, um fotodiodo pin, para um intervalo de
700 - 1000 nm, e um fotodiodo InGaAs, para uma região acima de 850 nm, ambos com
1 mm
2
de área. Os resultados obtidos para o tempo de vida em função da temperatura
14
foram: 15 µs para temperatura ambiente (aproximadamente 27°C), 20 µs para
temperatura do nitrogênio líquido (aproximadamente -196°C); e 10 µs para temperatura
de aproximadamente 52°C.
GRATTAN (1988) desenvolveu um sensor utilizando um cristal de rubi excitado
com LED verde (565 nm) cuja intensidade de luz foi modulada com uma onda senoidal.
A emissão do cristal teve um atraso em fase com a senóide de excitação, onde o ângulo
de fase é função da freqüência da onda senoidal e da constante de tempo de decaimento
(Figura 2.12).
Figura 2.12: Sistema de medição utilizando a técnica da diferença de fase. Adaptada de GRATTAN
(1988).
Embora a freqüência de 50 Hz seja ideal para a aplicação (Figura 2.12),
GRATTAN selecionou a freqüência de 125 Hz (superior a freqüência da rede de
alimentação), e, com freqüências baixas ocasiona um aumento do tempo de
processamento e conseqüentemente aumento do tempo de resposta do sistema. A
temperatura foi determinada através da média de 256 medições. O tempo de resposta
desse sistema para mudança instantânea de temperatura foi de 2 s.
15
Figura 2.13: Gráfico do ângulo de fase versus constante de tempo para várias freqüências de modulação.
Adaptada de GRATTAN (1988).
2.4 Sensores utilizando a técnicas de interferometria
CHARDON e HUARD (1996) desenvolveram um sensor de temperatura usando a
técnica de interferometria e polarimetria com resolução melhor que 0,01°C. O sensor é
baseado em uma fibra monomodo, enrolada em forma de espiral e com um pouco de
tensão, ao redor de um cilindro oco que tem um coeficiente de expansão termal alto.
Quando a temperatura é aumentada os dois índices principais da fibra mudam por causa
do efeito termo óptico e efeito elástico-óptico causado pela expansão térmica do
cilindro. Em conseqüência, o deslocamento de fase e os modos de polarização são
modificados sendo possível executar as duas medições.
2.5 Sensores de temperatura com infravermelho
SHIBASAKI e colaboradores (1998) apresentaram um método para medição de
temperatura timpânica com fibra óptica usando infravermelho. O sistema consiste de um
sensor capaz de detectar energia infravermelha independente do comprimento de onda e
da radiação emitida. Uma fibra óptica de calcogênio (NTEG, NOG) com 0,63 mm de
diâmetro e comprimento de 500 mm foi usada para transmitir a radiação de
infravermelho emitida pelo tímpano humano (~9,38-9,26 µm) (Figura 2.12). Para
posicionar a fibra óptica no canal auditivo externo e isolar o canal da temperatura
ambiente, foi utilizada uma esponja de polietileno grudada à fibra óptica.
16
Figura 2.14: Termômetro desenvolvido para medição de temperatura timpânica utilizando fibra de vidro
de calcogênio como guia da radiação infravermelha produzida pelo tímpano até o sensor de
infravermelho. Adaptada de SHIBASAKI (1998).
17
CAPÍTULO III
3 Fundamentos teóricos
Este capítulo apresenta uma breve descrição sobre temperatura corporal,
abrangendo regulação, valores de normalidades e limites. Em seguida serão
apresentados os princípios teóricos sobre fibras ópticas e sensores de temperatura à fibra
óptica utilizados em aplicações biológicas.
3.1 Regulação da temperatura corporal
A manutenção da temperatura corporal em limites normais envolve diversos
processos fisiológicos, transferências químicas e físicas de calor (OKUNO, 1982). A
temperatura do corpo é mantida pelo hipotálamo que regula a produção e perda do calor
por meio do sistema nervoso central. Experiências em animais comprovaram que nem o
córtex, nem o tálamo são necessários para a termorregulação. Porém, com a remoção do
hipotálamo, os animais são incapazes de manter uma temperatura corporal estável e
apresentam amplas oscilações em resposta da temperatura externa. Neste caso, a forma
de atuação do hipotálamo recebendo e transmitindo a informação necessária para
manter a temperatura corporal dentro de estreitos limites, permanece incerta. Estudos de
Benzinger e colaboradores mostraram que o corpo tem ajuste termostático em 37°C a
37,2°C (MACKBRYDE, 1975).
3.1.1 Temperatura corporal normal
A temperatura “central” do corpo é considerada como sendo a temperatura
do sangue, do coração e do cérebro. A medição poder ser realizada no esôfago, artéria
pulmonar ou membrana timpânica. Entretanto, as formas orais, retais ou axilares são
mais utilizadas (FRADEN, 1993).
O valor médio da temperatura oral em diversos estudos foi de 36,8°C e o
desvio padrão na ordem de 0,22°C a 0,28°C. A temperatura retal é geralmente mais
elevada que a da cavidade oral, sendo a diferença média de 0,39°C. A temperatura retal
tem sido considerada um índice bem mais acurado da temperatura interna ou
“sangüínea”, devido à pequena variação comparada com a temperatura oral que pode
estar alterada devido à ingestão de líquidos quentes ou gelados. A temperatura oral
flutua com maior exatidão em resposta as alterações do equilíbrio calorífico corporal do
18
que a temperatura retal. A “temperatura do sangue” ou “temperatura central” pode ser
enganadora uma vez que pode haver grandes diferenças no calor de diversos tecidos.
Em indivíduos em repouso o fígado e o cérebro parecem ser os órgãos mais quentes do
corpo. Os tecidos mais afastados do centro de massa do corpo (pele das mãos e dos pés)
são considerados mais frios com variações de 2,7°C a 6,6°C abaixo da temperatura oral.
A temperatura corporal tem mudança rítmica diária para as quais as explicações
habituais são as temperaturas mais elevadas como resultados dos efeitos das atividades
musculares e da digestão de alimentos e temperaturas mais baixas quando estas
atividades são mínimas. Os fatores fisiológicos que afetam a temperatura corporal são
exercícios físicos, digestão de alimentos, temperatura ambiental, ciclo menstrual e
gravidez (MACKBRYDE, 1975).
3.1.2 Limites da temperatura corporal
Estudos demonstraram que a administração adequada de sedativos pode
reduzir a temperatura corporal para 26,6°C, e permanecer durante dias sem mal evidente
(MACKBRYDE, 1975). Experiências em animais e observações em seres humanos
indicam que os tecidos vivos são irreversivelmente lesados em temperaturas acima de
46,1°C. A elevação da temperatura do corpo devido à enfermidade é chamada de febre e
pacientes com doenças febris apresentaram temperaturas, na maioria dos casos, entre
37,7°C e 41°C. A febre ocorre em grande variedades de patológias, sendo que as mais
importantes estão as infecções, os distúrbios do sistema nervoso central, os tumores e os
acidentes vasculares (MACKBRYDE, 1975).
3.1.3 Hipertermia
Hipertermia é uma modalidade para tratamento de câncer. O efeito
antitumor da hipertermia foi demonstrado em experiências in vitro e in vivo à
temperatura de 42°C e duração de 60 min a 43°C durante 30 min (RYAN, 1991).
3.1.4 Sistemas de instrumentação à fibra óptica em Engenharia
Biomédica
Os sistemas de instrumentação à fibra óptica representam uma área pioneira
de aplicação de fibra óptica em medicina (GIOZZA, 1991). Devido a sua flexibilidade e
diâmetro reduzido, foi utilizada para iluminação e observação do interior do corpo
humano. Recentemente, com fontes de laser, é utilizada como ferramenta cirúrgica de
19
precisão. Outras aplicações das fibras ópticas são os desenvolvimentos de biosensores.
Diversos parâmetros fisiológicos podem ser medidos empregando sensores com fibra
óptica, podendo multiplexar sinais de vários sensores sem degradar o sinal, sendo o
tamanho da fibra óptica, em princípio, independente do número de parâmetros medidos
(LIAO e colaboradores, 1997).
3.1.5 Sensores biomédicos
De acordo com a interação com o corpo humano, os sensores podem ser
não-invasivos ou invasivos (MIGNANI e colaboradores, 1997).
Sensores não-invasivos são simplesmente utilizados em contato com a pele.
Sensores com mínima invasão podem ser utilizados aproveitando cavidades naturais do
corpo.
Já os sensores invasivos são inseridos dentro de órgãos por meio de
pequenas incisões ou através de vasos sangüíneos. Em aplicações invasivas os sensores
devem satisfazer os requisitos de biocompatibilidade (MIGNANI e colaboradores,
1997). Neste caso as fibras ópticas são ideais, pois não são tóxicas, são inertes
quimicamente e intrinsecamente seguras para o paciente e também apropriadas para
implantes de longa duração (PETERSON e colaboradores, 1990).
3.2 Fibra óptica
A fibra óptica é um guia que conduz a luz de uma ponta a outra. Ela é formada por
um material que ocupa o centro da fibra denominado núcleo (core) e um material
envolvendo o núcleo, com um índice de refração menor que o núcleo em décimos de
unidade, denominado casca (cladding). Externamente, a casca recebe um revestimento
que faz a proteção mecânica. A Figura 3.1 mostra a estrutura física básica da fibra
óptica (GIOZZA, 1991). O confinamento da luz na fibra óptica é efetivado devido à
reflexão total na interface entre a casca e o núcleo (WERNECK, 1996).
20
Figura 3.1: Estrutura física da fibra óptica. a) estrutura cilíndrica, b) seção transversal, c) corte
longitudinal e d) o perfil de índices de refração. Adaptada de GIOZZA (1991).
3.2.1 Índice de refração
Índice de refração (n) é a relação entre a velocidade de propagação da luz no
vácuo e a velocidade de propagação da luz em um determinado material (HALLIDAY,
1978). Sendo determinado segundo a fórmula:
material
vácuo
c
c
n = (3.1)
Onde c
vácuo
é igual a 2,99 x 10
8
m/s.
3.2.2 Lei de Snell
A Lei de Snell define o deslocamento que a luz sofre ao atravessar um meio
transparente para outro com índice de refração diferente (HALLIDAY, 1978). É
representada pela equação:
2211
ϕϕ sennsenn = (3.2)
Onde n
1
é o índice de refração do primeiro meio, que o feixe de luz se
propaga; n
2
é o índice de refração do segundo meio, que o feixe vai se propagar; f
1
é o
ângulo de incidência e f
2
é o ângulo de refração.
21
3.2.3 Refração da luz
A Figura 3.2 representa um raio de luz propagando do meio n
2
com índice
de refração maior que n
1
. Ao incidir com ângulo a
1
, próximo a normal, refratará com
ângulo a
2
. Aumentando o ângulo a
3
em relação a normal, haverá um ângulo a
C
em que
o raio de luz sairá tangente a interface. Esse ângulo é chamado ângulo crítico e é dado
pela equação 3.3.
2
1
n
n
sen
c
=α (3.3)
Para ângulo de incidência a
4
maiores de a
C
haverá reflexão interna total
(WERNECK, 1996).
Figura 3.2: Raio de luz propagando-se do meio n
2
com índice de refração maior que n
1..
a) Raio de luz com ângulo de incidência a
1
com a normal. b) ângulo de
incidência igual ao ângulo crítico (
2
1
n
n
sen
c
=α ). c) raio de incidência
maior ou igual ao ângulo crítico. Adaptada de KROHN (1992).
3.2.4 Princípio geral de direcionamento de luz na fibra
Segundo WERNECK (1996), a propagação da luz numa fibra óptica é
baseada no princípio da reflexão interna total. No diagrama da Figura 3.3, que mostra a
estrutura interna de uma fibra óptica, seria representado pela seguinte formula:
n
0
senf
0
= n
1
senf
1
= n
2
senf
2
.
22
Figura 3.3: Propagação da luz numa fibra óptica. Adaptada de WERNECK (1996).
O raio de luz (1) do meio de índice de refração n
0
(ar) incide na interface do
meio n
1
com ângulo de f
0
. Esse raio gera um refletido (2) com ângulo f
0
e outro
refratado (3) com ângulo f
1
. Se o ângulo de incidência do raio (3) na interface do
núcleo com casca for menor que f
crítico
o raio (4) refletido perderá parte da energia
devido a refração do raio (7). Dessa forma, o raio (4) a cada reflexão perderá energia,
devido à refração, e nunca alcançará a outra ponta da fibra óptica. Por outro lado, se o
ângulo f
1
do raio (3) for maior ou igual a f
crítico
haverá reflexão interna total e a luz não
perderá energia devido a refração.
3.2.5 Fontes luminosas
Para sistemas ópticos, encontramos dois tipos de fontes ópticas que são
freqüentemente utilizadas: LED e laser. Ambos podem ser fabricados do mesmo
material, de acordo com o comprimento onda desejado: AlGaAs (arseneto de alumínio e
gálio) para 850 nm e InGaAsP (arseneto fosfeto de índio e gálio) para 1300 nm e
1550 nm. Cada um destes tipos de fontes oferece certas vantagens e desvantagens, e
diferenciam-se entre si sob diversos aspectos. O laser tem velocidade maior e apresenta
menos ruído, oferece maior potência óptica, feixe de luz concentrado e largura espectral
menor (<5 nm), permitindo uma eficiência de acoplamento maior, o que proporciona
menor dispersão. Porém, tem como desvantagem o custo, pois a dificuldade de
fabricação é maior. Necessita de circuitos complexos de controle da corrente e
temperatura para manter uma boa linearidade (WEINERT, 1999).
Já o LED é de baixo custo, de simples utilização e não necessita de circuitos
complexos, tem vida útil maior que o laser (aproximadamente 10 vezes mais) e uma
degradação bem definida. Tem como desvantagem a largura espectral (30 ~ 100 nm) e
uma linearidade pobre.
23
3.2.6 Acoplamento e conexões
Os acoplamentos da fibra óptica com os dispositivos emissores de luz ou
fotodetectores são realizados de modo permanente através de máquinas fusão ou
temporário utilizando emendas mecânicas. As junções multipontos utilizam acopladores
ópticos, e tanto as junções quanto as emendas exigem precisão mecânica a fim de evitar
as perdas de acoplamento. As Figuras 3.4 e 3.5 apresentam respectivamente os
conectores mecânicos e um acoplador óptico usados para emendas em fibra óptica
plástica.
Figura 3.4: Emenda mecânica e conector simplex utilizado
em POF.
Figura 3.5: Acoplador óptico 1x2 da DieMount para POF.
24
3.2.7 Espectro de transmissão
As freqüências ópticas são referenciadas em termos de comprimentos de
ondas a fim de diferenciá-las dos sistemas eletromagnéticos convencionais. As
freqüências ópticas começam na região do infravermelho (aproximadamente 100 µm),
passam pelo visível (390 a 770 nm) e terminam na região do ultravioleta
(aproximadamente 50 nm), Figura 3.6.
Os sistemas atuais de telecomunicações operam na região espectral de 0,6-
1,6 µm, com preferências para as janelas de transmissão em 0,85 µm, 1,3 µm e 1,55 µm
utilizando materiais semicondutores (Si, Ge, AlGaAs, InGaAsP) nas fontes luminosas e
fotodetectoras (GIOZZA, 1991).
Figura 3.6: Espectro eletromagnético. Adaptada de GIOZZA (1991).
3.2.8 Tipos de fibras ópticas
Os tipos básicos de fibras ópticas são: índice degrau, índice gradual e
monomodo. A fibra óptica multimodo de índice degrau foi o primeiro tipo a surgir e é o
tipo mais simples. Constitui-se basicamente de um núcleo com índice de refração
constante, feito com plástico ou vidro, e uma casca com índice de refração menor que o
do núcleo. A multimodo de índice gradual tem seu núcleo composto por materiais
especiais com diferentes valores de índice de refração, com o objetivo de diminuir as
diferenças de tempos de propagação da luz no núcleo da fibra, devido a vários caminhos
que a luz pode tomar na fibra. O núcleo é fabricado com sílica dopada e a casca com
25
sílica pura. A fibra monomodo é fabricada com sílica sendo constituída de tal forma que
apenas o modo fundamental de distribuição eletromagnética é guiado, evitando assim os
vários caminhos de propagação da luz no núcleo, conseqüentemente diminuindo a
dispersão do pulso luminoso. A Figura 3.7 mostra as seções transversais das fibras
multimodos e monomodos, o pulso de entrada, o modo de propagação e o pulso de
saída.
Figura 3.7: Representação do índice de reflexão e modo de propagação e sinais de entrada e saída das
fibras: a) fibra óptica multimodo índice degrau, b) fibra óptica multimodo índice gradual, c)
fibra óptica monomodo. Adaptada de GIOZZA (1991).
3.2.9 Propriedades das fibras ópticas plásticas
As fibras ópticas plásticas (POF) são fabricadas com materiais polímeros,
incluindo o polimetacrilato de metila (PMMA), poliestireno, policarbonetos e
fluorpolímeros (BARTLETT, 2000). As principais vantagens das fibras ópticas plásticas
são os custos de fabricação e a abertura numérica. Porém, possuem algumas
desvantagens, com relação às fibras ópticas de sílica, que são a grande atenuação na
janela do infravermelho (WERNECK, 1996) e a menor tolerância à temperatura alta
(inferior a 100°C) (GIOZZA, 1991).
26
3.2.10 Abertura numérica da POF
A abertura numérica (NA) de uma fibra óptica é um número que define a sua
capacidade de captação luminosa. A abertura numérica é dada pela equação:
)(
2
2
2
1
nnNA −= (3.4)
Onde n
1
é o índice de refração do núcleo e n
2
é o índice de refração da
casca. O ângulo de aceitação é o ângulo crítico de incidência de luz na fibra óptica,
acima deste ângulo a luz não se propaga na fibra óptica. O ângulo de aceitação (A) é
definido pela equação )arcsin(2 NAA
=
(Figura 3.8). As fibras ópticas PMMA com
núcleo de índice de refração de 1,49 e casca com índice de refração de 1,40 possuem
abertura numérica de 0,51 que corresponde a um ângulo de aceitação de com 61,32º
(MARCOU, 1997).
Figura 3.8: Inserção e extração de luz em uma POF. A abertura numérica é dada pela equação
)(
2
2
2
1
nnNA −= , onde n
1
é o índice de refração do núcleo e n
2
é o índice de refração da
casca. O ângulo de aceitação (A) é definido pela equação )arcsin(NAA
=
e o cone de
aceitação por )arcsin(2 NA . Adaptada de MARCOU (1997).
3.2.11 Curva de atenuação espectral das fibras ópticas plásticas PMMA
A fibra óptica plástica PMMA tem melhor janela situada em torno de 570
nm, com atenuação abaixo de 0,1 dB/m. Devido ao custo e a eficiência dos LED de
660 nm é usualmente utilizado a janela centrada em 650 nm das POFs (0,15 dB/m). A
Figura 3.9 mostra a atenuação espectral das fibras ópticas plásticas PMMA (MARCOU,
1997).
27
Figura 3.9: Atenuação espectral das fibras ópticas plásticas PMMA. Adaptada de MARCOU (1997).
3.2.12 Resistência à temperatura com o tempo
A Figura 3.10 mostra o resultado de testes em laboratório durante 4000
horas para temperatura de 80ºC com umidade relativa de 95%, 90ºC e 100ºC em
atmosfera seca. A fibra óptica resiste em atmosfera seca a temperatura de -40ºC a 85ºC
em uso contínuo e de -70ºC a 100ºC para uso eventual. Para temperatura de 100ºC a
fibra óptica plástica apresenta uma degradação da amplitude relativa do sinal de saída
(MARCOU, 1997).
Figura 3.10: Resistência da POF à temperatura com o tempo. Adaptada de MARCOU (1997).
28
3.2.13 Fibra óptica plástica fluorescente
A fibra óptica fluorescente (FPOF) é caracterizada por seu espectro de
excitação e emissão. O espectro de emissão depende do tipo de dopante usado na
fabricação da fibra e do comprimento de onda de seu espectro de absorção (MARCOU,
1997).
A FPOF verde tem como característica picos de absorção em torno de 400
nm e 450 nm respectivamente e emissão em torno de 495 nm. A FPOF vermelha possui
picos de absorção em torno de 450 nm e 550 nm respectivamente e emissão em torno de
612 nm. A Figura 3.11 e Figura 3.12 mostram, respectivamente, os espectros de
excitações e fluorescências das FPOF verde e vermelha.
Figura 3.11: Espectro de excitação e emissão da fibra óptica plástica fluorescente verde. Adaptada de
MARCOU (1997).
Figura 3.12: Espectro de excitação e emissão da fibra óptica plástica fluorescente vermelha. Adaptada de
MARCOU (1997).
29
3.3 Sensores à fibra óptica
O sensor é a parte sensitiva dos transdutores. Os transdutores transformam a
energia aplicada no sensor em outra energia através de uma relação conhecida
(WERNECK, 1996).
Existem basicamente três abordagens no projeto de sensores ópticos: intrínsecos,
extrínsecos e evanescente (WERNECK, 1996). Nos sensores intrínsecos a luz não deixa
a fibra óptica. É nela que o mensurando atua, ou seja, uma perturbação externa interage
diretamente com a fibra óptica e modula o sinal transmitido na fibra. Nos sensores
extrínsecos a fibra óptica age como um canal de transmissão e recepção, com
modulação que acontece fora da fibra. A luz deixa a fibra óptica, sofre a modificação
devido à atuação do mensurando e retorna a fibra com a informação. Já os sensores
evanescente, a transdução se faz por perda de luz através da casca da fibra óptica. A
atuação do mensurando aumenta ou diminui a perda de luz através da casca, e essa é
percebida pelo detector (WERNECK, 1996). Os sensores intrínsecos são verdadeiros
sensores de fibra óptica, pois não necessitam de energia externa para funcionar; a
energia necessária é proveniente do próprio mensurando.
Há vantagens e desvantagem em usar um ou outro sensor. Sensores extrínsecos
são menos sensíveis, porém são mais fáceis de multiplexar e usar. Por outro lado,
sensores intrínsecos são mais sensíveis e mais difíceis de proteger de perturbações
externas indesejáveis.
3.3.1 Vantagens dos sensores à fibra óptica
Os sensores à fibra óptica possuem diversas vantagens em relação aos
sensores convencionais. Apresentam completa imunidade a interferências
eletromagnéticas (EMI). São perfeitamente isolantes (dielétricos) podendo realizar
medições sem riso de choque elétrico. Permitem realizar sensoriamento remoto e
multiplexar diversos sensores discretos sem degradar o sinal (LIAO, 1997),
possibilitando o uso de dispositivos passivos (que não necessitam de energia elétrica
para seu funcionamento) e devido a seu baixo peso e pequena dimensão permite
sensoriamento em locais de difícil acesso com o mínimo de invasão.
3.3.2 Classificação dos sensores
De acordo com o princípio físico empregado, os sensores podem ser
baseados na intensidade, estado de polarização, comprimento de onda, interferometria e
30
fluorescência (RAO e colaboradores, 1997). Independente do tipo de sensor escolhido, a
luz transmitida é sensibilizada pelo sinal ou perturbação externa, variando um dos
parâmetros do campo eletromagnético dado pela equação 3.5.
(
)
[
]
ϕϖ +=Ε tAsent (3.5)
Onde: A é a amplitude do campo, ω (2πc/λ) é a freqüência e f é a variação
de fase do campo no tempo. Cada um destes parâmetros pode ser modulado
independentemente e os valores medidos são determinados comparando o sinal
modulado com o sinal original.
3.3.3 Tipos de modulação
O modo mais simples de modulação é através da intensidade ou amplitude
do sinal, pois não requer circuitos complexos para monitorar a freqüência ou fase do
campo óptico, interessando apenas a variação da amplitude do sinal. Alternativamente,
pode-se modular a freqüência ou o comprimento de onda da luz. Neste tipo de
modulação, o detector executa uma função arco seno no termo sen (x) deixando a
freqüência e a fase. Neste caso, a fase não é monitorada sendo ignorada. O sensor com
Rede de Bragg, que funciona como um filtro de cor, é um exemplo deste tipo de
modulação. O sinal medido é função do espaçamento da rede de difração. A modulação
em fase é uma opção mais complexa e envolve a variação da fase do campo óptico,
onde o parâmetro de interesse modula o termo fase. A descoberta deste parâmetro
envolve o cancelamento da amplitude e variação de freqüência no sinal. Um outro
método de modulação é a interferometria que combina o sinal atual do laser com o sinal
de retorno do sensor. Outro tipo de uso de modulação é alterar as características da
polarização da luz. A luz polarizada é enviada ao sensor que então gira o estado de
polarização da luz com a mudança da grandeza medida.
3.3.4 Sensores à fibra óptica com modulação baseada na intensidade do
sinal
Na modulação por intensidade a grandeza medida altera a intensidade da luz
que retorna ao detector. A modulação por intensidade pode ser encontrada em várias
configurações intrínsecas e extrínsecas de sensores a fibra óptica.
31
O sensor por interferometria é outro método de medição baseada na
modulação da intensidade. Um sinal de luz serve como referência, enquanto o outro
sinal é sensível à temperatura e sofre um atraso (em função da temperatura) em relação
ao sinal de referência (FRADEN, 1999).
3.3.5 Sensores à fibra óptica com modulação baseada no deslocamento
do comprimento de onda
A grande vantagem de sensores baseados no deslocamento do comprimento
de onda é que a informação medida está contida no espectro o que significa ser uma
medida absoluta. Com a descoberta da fotossensibilidade em fibra óptica, foram
desenvolvidos dispositivos em fibras ópticas chamadas redes de Bragg.
Fotossensibilidade em fibra óptica refere-se a uma mudança permanente no índice de
refração do núcleo da fibra quando exposto a luz de comprimento de onda característico
e intensidade que dependem do material do núcleo (OTHONOS e colaboradores, 1999).
Redes de Bragg são estruturas periódicas de modulação do índice de refração no núcleo.
As redes de Bragg têm a propriedade de refletir parte da luz que se propaga ao longo da
fibra, em um comprimento de onda próximo ao comprimento de onda de Bragg, dado
por:
λ
b
= 2ηΛ (3.6)
onde: η é o índice de refração efetivo do modo de propagação da luz e Λ é o período da
modulação do índice de refração (KERSEY e colaboradores, 1997).
A Figura 3.13 mostra o espectro de transmissão e reflexão da Rede de
Bragg. A condição de ressonância de uma rede de Bragg, o deslocamento do
comprimento de onda com a tração e a temperatura pode ser obtido pelas expressões:
( )
[ ]
∆
++
−
−Λ=∆ T
dT
d
PP
b
η
η
αεν
η
ηλ
1212
2
2
12 (3.7)
Onde: ε é a força aplicada, α = 0,54x10
-6
K
-1
é o coeficiente de expansão
térmica do material da fibra (sílica), η é o coeficiente termo óptico. Para fibra de sílica
32
com núcleo dopado com germânio, η = 8,6x10
-6
°C
-1
. ∆T é a variação de temperatura. O
fator
( )
[ ]
−
1212
2
2
PP ν
η
é o coeficiente efetivo para o efeito foto elástico (Pe), que é
um valor numérico de ≈ 0,22 (sílica).
Figura 3.13: Espectros de transmissão e reflexão da rede de Bragg. Adaptada de KERSEY (1992).
As fibras ópticas de polimetacrilato de metila (PMMA) possuem coeficiente
de expansão de 260x10
-6
K
-1
(FERNANDO, 2002) e η é de -1,0x10
-4
K
-1
à -4,0x10
-4
K
-1
(ELDADA, 2000). O coeficiente efetivo para o efeito foto elástico (Pe), foi deduzido
em um valor numérico de ≈ 0,04 (CHU e colaboradores, 1999).
Uma das vantagens em utilizar sensores com rede de Bragg é possuir
pequena dimensão, sendo perfeitamente instalável na fibra óptica. Pode atuar com
comprimento variado e em longas distâncias. Sua durabilidade e sensibilidade são altas,
além de possuir capacidade de multiplexacão.
3.3.6 Construção de Redes de Bragg em POF
Um método de gravação com interferência transversal foi usado para
construir rede de Bragg a um comprimento de onda de excitação direta de 325 nm
(LIU e colaboradores, 2000 e 2002). A fibra utilizada foi monomodo com janela de
1550 nm. O diâmetro da fibra foi de 133 µm, com núcleo de 6 µm e a diferença do
índice de refração entre o núcleo e a casca de 0,0086 (XIONG e colaboradores, 1999).
33
3.3.7 Caracterização da Rede de Bragg em POF
PENG e colaboradores (1995) e LIU e colaboradores (2000), criaram e
caracterizaram uma rede de Bragg em fibras de polímero PMMA.
a) Sensibilidade térmica da rede de Bragg em POF
O esquema óptico usado para caracterizar a rede de Bragg construída é
mostrado na Figura 3.14. LIU utilizou um laser Nd:YAG (355 nm), uma lâmpada de
tungstênio como fonte de luz, um analisador de espectro óptico e uma célula peltier,
controlada com uma corrente elétrica, como fonte de calor para caracterizar a rede de
Bragg. Com uma variação de temperatura na rede de Bragg, da temperatura ambiente
até 70°C, a variação do comprimento de onda da rede de Bragg foi de 1578 nm a 1564
nm, respectivamente. Para variação de temperatura de 50°C o deslocamento do
comprimento de onda encontrado foi de mais de 10 nm. A exatidão na medição da
temperatura foi de 0,1°C. O mais importante no resultado de Liu é a ausência de
histerese.
Figura 3.14: Montagem para gravação da rede de difração. Adaptada de LIU (2002).
b) Estiramento mecânico da rede de Bragg em POF
CHU e colaboradores (1999) usaram um pedaço de fibra óptica plástica de
25,3 mm com uma rede de Bragg de 3 mm de comprimento montada em uma peça
deslizante com ambos os extremos colados a esta. Usando dois micros-posicionadores,
foi aplicada uma tração na fibra óptica plástica. Os dois lados foram fixados em dois
blocos de aço e conectados a dois micro-positionadores. Um dos micro-positionadores
34
era fixo e outro foi preso a um dispositivo capaz de mostrar a extensão. O comprimento
de onda de Bragg correspondente a posição inicial foi de 1561,12 nm A tração foi
induzida com deslocamento longitudinal de 1 mm por volta. O espectro de reflexão da
rede de Bragg foi registrado de acordo com a tração aplicada. A fibra estando esticada
com 1,225 nm de seu tamanho o comprimento de onda de Bragg correspondente foi de
1634,22 nm. A tração foi calculada dividindo a extensão da fibra pelo comprimento de
fibra original. O comprimento mais longo alcançado, sem uma mudança significante no
espectro de reflexão, foi de 1634,22 nm. Estas redes de Bragg podem causar um
deslocamento do comprimento de onda acima de 74 nm quando tracionadas enquanto a
faixa em fibra óptica de sílica é de 2 nm.
3.3.10 Sensores a fibra óptica com modulação baseada no decaimento
da fluorescência
Recentemente materiais fluorescentes estão sendo empregados para medição
de temperatura tendo como guia de onda a fibra óptica (GRATTAN, 1995). A análise da
meia vida do sinal de fluorescência pode ser realizada no domínio do tempo ou no
domínio da freqüência (SUN, 1998, FENICOLA, 2000). A vantagem principal de tais
técnicas de medição de meia vida da fluorescência é que eles independem da
intensidade de luz da fonte (FENICOLA, 2000). Dessa forma, é possível fazer medições
precisas do sinal, uma consideração importante em sensor de fibra ótica. Há dois
métodos principais usados para a medição de meia vida de fluorescência, isto é, o
método de pulso e o método de modulação de fase (SUN, 1998). No primeiro método o
material fluorescente é excitado por um pulso curto de luz e a emissão resultante, no
comprimento de onda, é mais longo (Figura 3.15).
O decaimento da fluorescência é uma função exponencial cuja taxa de
declínio pode ser determinada (GRATTAN, 1998) dado por:
baetv
t
+=
− τ/
)( (3.8)
Onde τ é a meia vida da fluorescência, a é a intensidade para τ = 0
+
, t é o tempo e b é a
tensão de offset dc do amplificador.
35
Figura 3.15: Método do pulso para determinação do tempo de meia vida da fluorescência.
Para temperatura mais baixa o tempo de decaimento é mais longo. Adaptada
de GRATTAN (1995).
No segundo método, o sensor é excitado por uma fonte de luz com
modulação senoidal (GRATTAN, 1995). O sinal resultante é uma emissão fluorescente
senoidal com retardo de fase em relação ao sinal senoidal de excitação original (Figura
3.16). A troca de fase dá indicação do tempo de decaimento da fluorescência.
Figura 3.16: Método do retardo de fase em relação ao sinal senoidal de excitação
original. A troca de fase dá indicação do tempo de decaimento da
fluorescência. Adaptada de GRATTAN (1995).
36
A emissão modulada tem um retardo em fase da fonte de luz com excitação
senoidal dado por:
τ
π
ϕ
f2tan
=
(3.9)
Onde ϕ é a diferença de fase entre a excitação de entrada e o sinal óptico de
fluorescência, f é a freqüência de modulação, e τ é a constante de tempo do decaimento
da fluorescência.
3.3.11 Luminescência, fluorescência e fosforescência
Segundo POSCH (1967), o fenômeno que certos minerais apresentam de
transformarem radiações de menor comprimento de onda (invisíveis) em luz visível é
chamado de luminescência. A fluorescência e a fosforescência são duas de suas
variedades. Na fosforescência, a luz emitida tem maior duração, diferente da
fluorescência que possuem curta duração.
3.1.12 Espectro de absorção e fluorescência do rubi
A Figura 3.17 representa o espectro de absorção e fluorescência do rubi. O
rubi possui três picos de maior absorção: em torno de 250 nm, 400 nm e 530 nm,
respectivamente e fluorescência centrado em torno de 694,3 nm (AIZAWA, 2003 e
SEAT, 2004).
250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750
0
20
40
60
80
100
Amplitude (u. a.)
comprimento de onda (nm)
Espectro de absorção do rubi
Espectro de fluorescência do rubi
λ = 694,3 nm
Figura 3.17: Espectro excitação e fluorescência do rubi. Adaptada
de AIZAWA (2003).
37
3.3.13 Decaimento da fluorescência conforme a concentração de Cr
3+
As propriedades de fluorescência do rubi têm uma relação com a
concentração de Cr
3+
. Segundo GRATTAN (1995), o aumento na concentração sobre
certo valor crítico pode conduzir a uma redução da intensidade da fluorescência. Isto
também pode ser observada na redução do tempo de decaimento da fluorescência com o
aumento na concentração (Figura 3.21).
Figura 3.18: Tempo de Decaimento da fluorescência
conforme a concentração de Cr+. Adaptada
de GRATTAN (1995).
38
CAPÍTULO IV
4 Materiais e Métodos
Neste capítulo serão apresentados os materiais e métodos utilizados nas
montagens experimentais visando desenvolver o sensor óptico de temperatura.
Foram realizados três experimentos buscando-se obter a melhor técnica para
desenvolver o transdutor de temperatura. No primeiro experimento utilizou-se uma fibra
óptica plástica de poliestireno verde fluorescente (Apêndice B) como elemento sensor.
O objetivo foi desenvolver um sensor de temperatura empregando a variação da
intensidade da fluorescência emitida pela fibra óptica plástica fluorescente (FPOF) com
a temperatura. Nesse experimento foi observado que pequenas variações na intensidade
da fonte de excitação têm como conseqüência a alteração do sinal de retorno do
mensurando. Portanto, um segundo experimento foi proposto. A técnica adotada baseia-
se na medição do tempo de decaimento da FPOF com a temperatura. Após algumas
análises dos sinais medidos, verificou-se que o tempo de decaimento da fluorescência
da FPOF é muito rápido, não sendo possível captar com os fotodetectores disponíveis
no laboratório.
Dessa forma, foi proposto um terceiro experimento, sendo necessária à
substituição da fibra óptica plástica fluorescente por um material fluorescente que
tivesse maior tempo de emissão, com espectro de absorção e emissão dentro do visível e
também atender o critério de biocompatibilidade.
4.1 Desenvolvimento do primeiro experimento
O primeiro experimento foi realizado em três etapas. Na primeira etapa
empregou-se o método de transmissão direta do sinal de excitação através da fibra
óptica de poliestireno verde fluorescente (FPOF) para analisar o espectro de
fluorescência. A segunda etapa do experimento teve o objetivo de verificar a
dependência do pico espectral do sinal de fluorescência da FPOF com a temperatura. Na
terceira etapa foi verificada a dependência da potência óptica da fluorescência em
função da temperatura.
39
4.1.1 Montagem da primeira etapa do primeiro experimento
A Figura 4.1 apresenta o circuito usado na primeira etapa do primeiro
experimento. O arranjo óptico foi constituído por um monocromador Oriel com rede de
difração, um amplificador lock-in modelo SR10, um fotodiodo de Si número 247, um
microcomputador com um software de controle do monocromador e equipado com uma
placa de aquisição CIO DAS08 Jr. Um LED azul ultrabrilhante, modelo LQ 503 PBL1-
30Q fabricado pela COTCO – com comprimento de onda centrado em 465 nm – usado
como emissor de luz, um controlador de diodo laser THORLABS modelo LCD 500, um
gerador de funções Hewlett Packard modelo 3312A, fibra óptica plástica (POF)
PMMA, fibra óptica plástica de poliestireno verde fluorescente com 2,24 cm de
comprimento e duas lentes colimadoras.
Figura 4.1: Montagem experimental para verificar o espectro da fluorescência da FPOF.
4.1.2 Procedimentos experimentais da primeira etapa
Nesta primeira etapa verificou-se o espectro de fluorescência da fibra verde
fluorescente (FPOF). O sensor foi construído com uma FPOF com 2,24 cm de
comprimento e cujas especificações encontram-se no Apêndice B (Figura 4.2).
40
Figura 4.2: Montagem do sensor com uma fibra
óptica fluorescente de 2,24 cm.
O LED foi fixado em um tubo de alumínio com 41 mm de comprimento e
13 mm de diâmetro, com um furo axial de 2 mm de uma extremidade a outra. Uma das
extremidades foi preparada para encaixar o LED e a outra a POF (Figura 4.3).
Figura 4.3: Fixação do LED polido COTCO no tubo de alumínio.
A análise do espectro da fluorescência foi realizada utilizando um
monocromador. A abertura do slot do monocromador foi ajustada em 0,6 mm e com
duas lentes colimadoras focalizou-se o sinal óptico no slot do monocromador. O
software de controle do monocromador foi ajustado para aquisição de 300 pontos e 100
pontos de média, o gráfico do software foi configurado para uma faixa de 400 a 700 nm
com intensidade de luz em 500 (a. u.). A alimentação do LED foi obtida do controlador
de diodo laser com corrente limitada em 40,3 mA modulada com sinal quadrado de
1 kHz do gerador de funções. O amplificador lock-in foi ajustado para amplificar
somente sinais com freqüência de 1 kHz. O sinal de saída do amplificador lock-in foi
41
aplicado a entrada de uma placa de aquisição DAS08 Jr instalada em um
microcomputador.
4.1.3 Montagem experimental da segunda etapa
A segunda etapa do experimento foi realizada com o objetivo de verificar a
dependência do pico espectral do sinal de fluorescência da FPOF com a temperatura. O
arranjo óptico desta etapa é representado na Figura 4.4. A montagem foi realizada
utilizando um sensor com FPOF, um monocromador Oriel com um fotodiodo (número
247), um acoplador óptico, POF, LED azul COTCO, um controlador de diodo laser
THORLABS modelo LCD 500, um gerador de funções Hewlett Packard modelo 3312A,
um sistema de aquecimento com um resistor e um termômetro Minipa modelo ET 2042.
Figura 4.4: Montagem experimental para verificar a dependência do pico espectral do sinal de
fluorescência da FPOF com a temperatura.
4.1.4 Procedimentos experimentais da segunda etapa
As medições foram realizadas utilizando uma fibra verde fluorescente com
2,24 cm de comprimentos. O software de controle do monocromador foi ajustado para
aquisição de 1024 e 200 pontos de média, o gráfico foi configurado para uma faixa de
400 a 700 nm e a intensidade de luz em 600 (a. u.). A abertura do slot do
42
monocromador foi ajustada em 0,6 mm. A corrente na alimentação do LED azul foi de
40,3 mA. Os espectros de fluorescência foram traçados e analisados para temperatura no
sensor variando de 26ºC a 56ºC.
4.1.5 Montagem experimental da terceira etapa
Nesta etapa foi verificada a dependência da potência óptica da fluorescência
em função da temperatura. O arranjo óptico da terceira etapa é representado na Figura
4.5. A montagem foi realizada utilizando um sensor com FPOF de 2,24 cm, um
optometer modelo S380 da Graseby Optronics com dois fotodiodos (número 222 e
247), um acoplador óptico, POF, LED azul COTCO, um controlador de diodo laser
modelo LDC 500 da THORLABS, gerador de funções Hewlett Packard modelo 3312A,
um sistema de aquecimento constituído de um resistor e um termômetro Minipa modelo
ET 2042.
O acoplador óptico foi inserido no tubo de alumínio de fixação do LED.
Uma das extremidades do acoplador óptico foi fixada a fibra fluorescente e a outra ao
fotodiodo de Si (número 247) e esse ao canal CH1 do optometer. A saída da fibra
fluorescente foi conectada a um fotodiodo de Si número 222 e esse ao canal CH2 do
optometer S380 (Graseby Optronics).
Figura 4.5: Montagem do experimental do primeiro protótipo utilizando uma fibra óptica plástica
fluorescente (FPOF) como sensor de temperatura.
43
4.1.6 Procedimentos experimentais da terceira etapa
O LED azul de 465 nm conectado ao acoplador óptico foi alimentado com
um controlador de diodo laser LDC 500 THORLABS ajustado para uma corrente de
27,0 mA. Utilizaram-se dois fotodiodos de silício e um optometer. Um fotodiodo de
número 222 conectado ao canal CH1 do optometer S380 (Graseby Optronics) e ao
acoplador óptico através de uma fibra óptica plástica. O outro fotodiodo de número 247
conectado ao canal CH2 do optometer e à fibra óptica plástica fluorescente de 2,24 cm
de comprimento – utilizada como sensor de temperatura, e esta conectada ao acoplador
óptico. O experimento foi realizado com temperaturas variando entre 30,5°C a 60°C. A
medição foi realizada dividindo o sinal de referência (CH1) pelo sinal (CH2) com o
intuito de diminuir o efeito da variação da intensidade da fonte de excitação na medição
realizada pelo sensor.
4.2 Desenvolvimento do segundo experimento
A finalidade da montagem do segundo experimento foi verificar o tempo de
decaimento da fluorescência da FPOF e verificar a viabilidade na construção de um
sensor utilizando este método. Este experimento foi realizado em uma única etapa.
4.2.1 Montagem do segundo experimento
A montagem experimental é apresentada na Figura 4.6. O sistema óptico foi
composto por um LED azul ultrabrilhante, modelo LQ 503 PBL1-30Q fabricado pela
COTCO - com comprimento de 465 nm, um elemento sensor montado com fibra
fluorescente (FPOF) de 2,24 cm, fibra óptica plástica PMMA (POF), um gerador de
funções programável Hewlett Packard modelo 3312A, um controlador de diodo laser
THORLABS modelo LCD 500, um fotodetector Infineon modelo SFH 250V como
receptor de sinal óptico, um circuito com amplificador operacional TL071CN e um
osciloscópio Tektronix modelo TDS 3052B.
44
Figura 4.6: Montagem experimental para verificar o tempo de decaimento da fluorescência da FPOF.
4.2.2 Procedimentos do segundo experimento
Observou-se o sinal recebido da fibra óptica plástica fluorescente de 2,24
cm (FPOF) com um receptor óptico SHF 250V Infineon (Figura 4.7) e um osciloscópio
Tektronix TDS 3052B. Utilizou-se um LED azul COTCO, modulado com onda
quadrada do gerador de funções Hewlett Packard modelo 3312A, conectado a fibra
fluorescente e a outra extremidade conectada ao receptor óptico, cujo sinal de saída
introduzido ao canal CH1 do osciloscópio. O sinal recebido do sensor pelo fotodetector
foi amplificado com um Amp. Op. TL071 e o sinal elétrico da saída do operacional
aplicado ao osciloscópio.
Figura 4.7: Circuito eletrônico com amplificador operacional TL071 CN, usado para amplificar o sinal
de fluorescência.
45
4.3 Desenvolvimento do terceiro experimento
O terceiro experimento foi proposto tendo como finalidade substituir a FPOF por
um material com tempo de decaimento maior. Este experimento baseia-se no tempo de
decaimento da fluorescência do cristal de rubi com a temperatura e foi desenvolvido em
duas etapas. Na primeira etapa utilizou-se um sensor constituído de duas fibras ópticas,
uma para levar o sinal de excitação (fonte emissora de luz) e outra para retornar o sinal
do sensor. Na segunda etapa o sensor foi construído com uma única fibra óptica, para
transmitir e receber o sinal, com o objetivo de diminuir o tamanho do sensor e obter um
tempo menor de resposta.
4.3.1 Montagem da primeira etapa do terceiro experimento
Nesta etapa utilizaram-se duas fibras, uma para transmitir o pulso de
excitação e outra para receber a resposta da fluorescência. O objetivo do experimento
foi correlacionar o tempo de decaimento da fluorescência do rubi, utilizado como
elemento sensor, com a variação da temperatura do sensor.
O arranjo experimental consiste de uma sonda constituída de duas fibras
ópticas plásticas com um cristal de rubi na sua extremidade, um gerador de funções
Hewlett Packard modelo 3312A interligado com um controlador de diodo laser
THORLABS modelo LCD 500 para modular o LED azul, um fotodetector SFH 250V
Infineon para converter o sinal de fluorescência em sinal elétrico, um osciloscópio
Tektronix modelo TDS 410A, uma fonte de alimentação Tektronix PS283, um sistema
de aquecimento e um termômetro Minipa modelo ET2042 (Figura 4.8).
Figura 4.8: Arranjo óptico utilizado para verificar a fluorescência do cristal de rubi.
46
A seguir serão apresentadas as montagens do sensor, fonte de excitação e o
circuito fotodetector utilizado nesta etapa do experimento.
a. Montagem do sensor
O primeiro sensor foi construído com um cristal de rubi sintético de 2 mm x
2 mm x 1 mm, fixado na ponta de duas POF (Figura 4.9). O acoplamento óptico entre o
cristal e a POF foi obtido com óleo “olejek imersyjny” N
d
= 1,515 e com uma fita
adesiva protegeu-se o contato entre a POF e o cristal. (Figura 4.10).
Figura 4.9: Montagem do sensor de temperatura utilizando
duas fibras ópticas plásticas e um cristal de rubi
sintético.
Figura 4.10: Fixação e acoplamento óptico do cristal de rubi
nas extremidades das fibras ópticas.
47
Depois de realizado o acoplamento do rubi na POF, um sinal de onda
quadrada, com freqüência de 15 Hz e amplitude de 4,5 V, do gerador de função
programável Tektronix modelo AFG 5101, foi aplicado ao LED azul. A luz emitida pelo
LED foi transmitida por uma fibra óptica plástica ao rubi na extremidade da fibra
óptica. O rubi ao ser bombeado com o sinal com comprimento de onda de 465 nm
emitiu uma fluorescência com luz visível com uma cor próxima do vermelho (Figura
4.11).
Figura 4.11: Cristal de rubi bombeado opticamente com um
comprimento de onda de 465 nm.
Após a montagem do elemento sensor, o conjunto foi envolvido com resina
de acrílico auto polimerizante misturado com líquido acrílico de monômero de
metilmetacrilato usado em prótese dentária (Figura 4.12).
Figura 4.12: Sensor óptico revestido com resina acrílica de
polimetilmetacrilato.
48
Para obter maior emissão de luz do LED, e conseqüentemente a máxima
amplitude de fluorescência do rubi, houve a necessidade de desbastar a parte superior do
encapsulamento do LED, a fim de aproximar a fibra óptica ao silício do LED. Além de
cortar o encapsulamento utilizou-se uma lixa da Polish Film F1-0102-03 alum. Oxide
9X6,5 - 3 u e uma lixa Polish Film F1-0102-03 alum. Oxide 9X6,5 - 0,3 u para dar o
acabamento e polir o LED, obtendo, dessa forma, maior aproveitamento da luz emitida.
b. Montagem do fotodetector
O diagrama esquemático, circuito impresso e o receptor montado são
apresentados nas figuras 4.13, 4.14, 4.15 e 4.16 respectivamente. A resposta da
fluorescência emitida pela ponta sensora foi captada por um fotodetector SFH 250V
Infineon e convertido em um sinal elétrico com um tempo de decaimento proporcional à
temperatura no sensor.
Figura 4.13: Diagrama esquemático do circuito eletrônico com amplificador operacional TL071 CN,
usado para amplificar o sinal de fluorescência.
49
Figura 4.14: Face cobreada do circuito impresso do receptor usado
para amplificar o sinal de fluorescência.
Figura 4.15: Lado dos componentes dircuito impresso do receptor
usado para amplificar o sinal de fluorescência.
Figura 4.16: Circuito eletrônico com amplificador operacional
TL071 CN, usado para amplificar o sinal de
fluorescência.
50
c. Montagem do arranjo óptico
As Figuras 4.17 e 4.18 mostram o arranjo óptico utilizado nas medições
preliminares com sensor construído com duas fibras ópticas plásticas como guia de luz.
Figura 4.17: Sensor óptico fixado a uma ponta sensora de
temperatura do termômetro SalvTerm 120.
Figura 4.18: Montagem experimental realizada para
correlacionar o tempo de decaimento da
fluorescência do rubi com a temperatura.
51
4.3.2 Procedimentos da primeira etapa da terceira montagem
experimental
O sensor foi excitado com sinal de onda quadrada (freqüência de 15 Hz).
Após a excitação o sinal de fluorescência foi conduzido por uma fibra óptica até o
fotodetector na outra extremidade e convertido em um sinal elétrico. O sinal foi
digitalizado utilizando um osciloscópio Tektronix modelo TDS 410A, com 10000
amostras por segundo e 128 de média, e gravado em disco flexível para posterior análise
no computador.
Para comprovar se o sinal observado é a fluorescência emitida pelo rubi,
utilizou-se uma fibra óptica com uma das extremidades conectada ao LED e a outra
extremidade da fibra ao fotodetector. Sem o sensor, foi possível observar o sinal de
onda quadrada, usado na excitação do LED, diretamente no osciloscópio. Com esse
pequeno procedimento foi possível comprovar que o sinal do LED, sendo diretamente
captado pelo fotodetector e amplificado, não apresenta decaimento significativo
comparado com o sinal gerado para alimentar o LED.
Após essa verificação, a fibra foi substituída pelo sensor óptico fixado ao
termômetro eletrônico - fabricante Salvterm modelo 120 utilizado como padrão de
medição, e ambos inseridos no interior de um recipiente térmico cheio de água com
temperatura controlada. O Termômetro SalvTerm 120 foi anteriormente calibrado no
Laboratório Metrológico de Temperatura utilizando como padrão uma termoresistência
PT 100O/0ºC e um multímetro digital 6 ½ dígitos, classe de exatidão 0,003%, modelo
7562-02, marca Yokogawa (Apêndice C). A fixação dos dois sensores foi necessária
para garantir a medição realizada pelo sensor óptico (Figura 4.17) e comparar com a
temperatura do padrão de referência (ORLANDO, 2003). Realizaram-se medições para
diferentes temperaturas no elemento sensor.
4.3.3 Desenvolvimento da segunda etapa do terceiro experimento
A segunda etapa do terceiro experimento foi realizada utilizando uma única
fibra óptica para guiar o sinal de excitação e receber o sinal de fluorescência do sensor
óptico. Foi realizada a montagem do arranjo óptico em uma caixa metálica, visando
manter a estabilidade e melhorar o acoplamento das conexões ópticas da POF,
acoplador e LED com o objetivo de garantir a repetitividade das medições. Além disso,
houve a necessidade de montar um dispositivo com filtro óptico plástico para remover a
luz residual de 465 nm da fonte de excitação no sinal de resposta do sensor.
52
A seguir serão descritos o arranjo óptico, caracterização e montagem do
dispositivo com filtro óptico plástico, montagem do fotodetector, fonte de alimentação e
acondicionamento em uma caixa metálica.
a. Arranjo óptico utilizando um sensor com uma única fibra óptica
A figura 4.19 representa o arranjo óptico utilizando uma única fibra óptica
como elemento sensor.
Figura 4.19: Arranjo óptico utilizando uma única fibra óptica como elemento sensor.
b. Caracterização e montagem dos filtros ópticos plásticos
Os filtros ópticos foram caracterizados utilizando o arranjo experimental
mostrados na Figura 4.20. No experimento foi utilizado um monocromador Oriel com
rede de difração (modelo 77250), uma fonte de luz Oriel, (modelo 7340), um fotodiodo
de silício (modelo 247, 400 nm – 1100 nm), um optometer (modelo S380, Graseby
Optronics), filtro óptico plástico vermelho com 0,2 ± 0,05 mm de espessura.
53
Figura 4.20: Caracterização dos filtros ópticos plásticos
utilizados nos experimentos. Na foto são
mostrados o monocromador Oriel, uma fonte
de luz branca Oriel e um optometer.
Os espectros foram levantados utilizando a fonte de luz Oriel incidindo na
abertura do slot do monocromador Oriel - ajustada com 0,4 mm. A saída do
monocromador foi acoplada a um fotodiodo de silício modelo 247. O sinal elétrico do
fotodiodo de Si, acoplado à saída do monocromador, foi inserido à entrada do optometer
Oriel e este à caixa de automação do monocromador. O controle do sistema foi feito por
um software instalado em um computador composto de uma placa de aquisição de
dados modelo CIO DAS08 Jr.
Inicialmente, foi ajustado o software de controle do monocromador para
aquisição de 1024 pontos e média de 512 pontos. A apresentação gráfica do software foi
configurada para uma faixa de 400 a 750 nm e a intensidade de luz em 100 unidades
arbitrária (u. a.). Depois de configurado o software de controle da automação do
sistema, levantou-se os espectros de transmissão do sistema (luz branca, monocromador
e fotodiodo), do LED azul (fonte de excitação) e filtro óptico. O espectro de transmissão
do filtro óptico foi verificado colocando o filtro entre a fonte de luz Oriel e o
monocromador. Após verificar os espectros dos filtros ópticos plásticos foram
construídos os dispositivos ópticos com conectores simplex, emendas mecânicas e fibras
ópticas plásticas (Figura 4.21). Os filtros ópticos plásticos foram recortados em forma
de círculos com aproximadamente 2 mm de diâmetro e introduzidos na extremidade da
emenda mecânica onde é conectada a POF que leva o sinal ao fotodetector.
54
Figura 4.21: Montagem do Filtro óptico (vermelho) utilizado
no experimento. A foto mostra a conexão
mecânica das fibras ópticas plásticas e o filtro
óptico vermelho.
As conexões foram preparadas retirando-se 2 mm da capa plástica da POF
(do sensor óptico, de conexão com o acoplador óptico, de conexão do LED e do
fotodetector SFH 250V Infineon) e introduziu-se no conector simplex (Figura 4.22 e
4.23). A POF foi fixada no interior do conector com cola Super Bonder em torno da
sobrecapa da fibra. Finalizada a fixação das fibras nos conectores, a ponta de cada
conjunto (POF e conector) foi lixada com um kit de polimento utilizando a lixa Polish
Film-F1-0102-03 alum. Oxide 9X6,5 - 3u e depois, a lixa Polish Film-F1-0102-03 alum.
Oxide 9X6,5 - 0,3u.
Figura 4.22: Conector simplex e POF. Fixação da POF no
conector simplex.
55
Figura 4.23: Fixação da POF no conector simplex.
A Figura 4.24 mostra as conexões mecânicas após a fixação e polimento.
Figura 4.24: Conector simplex com a POF após o polimento.
A figura 4.25 ilustra o filtro óptico fixado em um das extremidades da
emenda mecânica deixando a outra extremidade livre para conectar a fibra que vai para
o acoplador óptico.
56
Figura 4.25: Filtro óptico para bloquear o sinal de excitação do
LED azul e deixar passar somente o sinal de
fluorescência que retorna do sensor. O filtro óptico
foi fixado entre as duas fibras ópticas utilizando
dois conectores.
c. Montagem do sensor em uma única fibra óptica
Nesta etapa utilizou-se uma única fibra óptica (com 1 m de comprimento)
para transmitir o sinal de excitação do LED e receber a resposta da fluorescência do
transdutor na extremidade da POF. O transdutor consiste de um cristal de rubi (formato
semi-esférico com raio de 1 mm) fixado na ponta da fibra óptica plástica utilizando um
pedaço de conector para POF com 7 mm de comprimento por 2 mm de diâmetro interno
(Figura 4.26).
Figura 4.26: Ponta da sonda sensora de temperatura montada com um
cristal de rubi semi-esférico com 1mm de diâmetro e um
conector para POF.
57
Na outra extremidade da sonda sensora, fixou-se um conector simplex para
facilitar a conexão nos demais componentes ópticos (Figura 4.27).
Figura 4.27: Sonda sensora após a fixação do
conector simplex.
d. Montagem do driver do LED e conexão do filtro óptico
A figura 4.28 apresenta o LED azul COTCO e o conector de emenda
mecânica para fibra óptica plástica usada na montagem da fonte de excitação do sensor
(Figura 4.28). O circuito de driver foi montado utilizando um transistor BC 548 para
chavear o LED com pulsos de 4 ms de largura, 30 ms de duração. O tempo de subida e
o tempo de descida dos pulsos foram de 1,7 µs. O transistor foi polarizado para fornecer
ao LED uma corrente máxima de 100 mA (Figura 4.29).
Figura 4.28: LED polido COTCO e conector para
emenda mecânica.
58
Figura 4.29: Fixação do LED na emenda
mecânica e circuito de driver.
A Figura 4.30 mostra a conexão do dispositivo com o filtro óptico, o LED
polido adaptado ao conector de emenda mecânica com o circuito de driver, e o circuito
fotodetector.
Figura 4.30: Conexão do dispositivo com o filtro óptico, LED
adaptado ao conector de emenda mecânica com o
circuito de driver e o circuito fotodetector.
e. Montagem do arranjo óptico e circuitos eletrônicos em uma caixa
metálica
O fotodetector, circuito emissor de luz (LED), fibra óptica plástica (POF),
filtro óptico e fonte de alimentação foram acondicionados em uma caixa metálica com
59
200 mm de comprimento com 180 mm de largura e 75 mm de altura (figura 4.31) com o
objetivo de garantir a estabilidade mecânica dos elementos ópticos e reduzir possíveis
diferenças de valores provocados nas medições.
Figura 4.31: Arranjo do experimento montado na caixa metálica.
Na parte frontal da caixa metálica foram instalados uma emenda mecânica -
para conectar a sonda sensora de temperatura - e um interruptor para ligar e desligar o
circuito (Figura 4.32).
Figura 4.32: Vista da parte frontal da caixa metálica.
60
Na parte traseira da caixa metálica foi adaptado um conector DB37 macho,
conforme Figura 4.33, para possibilitar a interligação do sistema ao computador e
facilitar a aquisição do sinal da saída do circuito do fotodetector. Além do DB37 foi
instalado um conector de entrada de energia elétrica para a fonte de alimentação dos
circuitos eletrônicos.
Figura 4.33: Vista da parte traseira da caixa metálica com a
montagem experimental.
A sonda sensora de temperatura foi conectada a emenda mecânica no painel
frontal e a outra extremidade da emenda mecânica conectada ao acoplador óptico 1x2,
DieMound número de série 000177, utilizando um pedaço de fibra óptica plástica
(Figura 4.34 e 4.35).
Figura 4.34: Parte frontal da caixa metálica com a sonda sensora
conectada à emenda mecânica.
61
Figura 4.35: Fixação do acoplador óptico à fibra óptica que recebe o
sinal do transdutor de temperatura e as conexões
mecânicas do filtro óptico e driver do LED na caixa
metálica.
O filtro óptico foi fixado em um suporte metálico tendo uma de suas
extremidades conectada ao fotorreceptor e a outra ao acoplador óptico (Figura 4.36 e
4.37).
Figura 4.36: Fixação do circuito de excitação, acoplador e filtro
óptico.
62
Figura 4.37: Fixação do circuito de excitação, acoplador e filtro óptico.
A fibra óptica foi acondicionada na caixa metálica de forma que a sua
curvatura fosse mínima possível visando evitar atenuação do sinal óptico (Figura 4.38).
Figura 4.38: Acondicionamento da fibra óptica plástica do
fotodetector e emissor de luz (LED).
f. Montagem da fonte de alimentação
A alimentação dos circuitos eletrônicos foi obtida de uma fonte com as
seguintes tensões: + 8V, - 8V, (para os amplificadores operacionais) e + 12V (para o
circuito de excitação). A Figura 4.39 apresenta a fixação de uma blindagem externa para
63
evitar interferência eletromagnética do transformador nos circuitos excitador e
fotorreceptor (figura 4.39).
Figura 4.39: Fixação de uma blindagem para evitar interferências no
circuito do fotodetector.
4.3.4 Procedimentos da segunda etapa do terceiro experimento
O arranjo experimental foi constituído do sensor óptico de temperatura,
circuito de excitação com um LED azul ultrabrilhante, fotodetector, dispositivo com
filtro óptico plástico, termômetro Salvterm 120, termopar Tipo K, banho termostático
modelo Q214S (Quimis) e microcomputador com placa de aquisição NI-6220 da
National Instrument (Figura 4.40).
Figura 4.40: Arranjo experimental utilizado para calibrar o sensor óptico.
64
Antes da execução do experimento, o termopar Tipo K foi calibrado pelo
método da comparação com o termômetro Salvterm 120, considerado como padrão de
referência do LIF (Laboratório de Instrumentação e Fotônica) e previamente calibrado
utilizando como referência uma termoresistência PT100O/ºC (Apêndice C), com a
finalidade de verificar qual a diferença de medição entre eles, tendo por objetivo a sua
utilização com a placa de aquisição de dados para calibração do sensor óptico e
determinação do tempo de resposta do sensor. A calibração foi realizada utilizando o
banho termostático modelo Q214S com temperatura conhecida na faixa desejada.
O software utilizado para programação do Instrumento Virtual, aquisição e
processamento do sinal foi o LabView 7.0 Express e é apresentado no apêndice D com o
nome de ProgTemp-Dissertação-01-v01.vi. A rotina GeraPulsos-Dissertação-01-v01.vi
foi utilizada para gerar pulsos com largura de 4 ms em intervalo de 30 ms e esses
disponibilizados no pino 2 da placa de aquisição (PFI 12) para excitação do LED. A
rotina AquisiçãoDados-Dissertação-01-v01.vi foi utilizada para aquisição do sinal
elétrico do amplificador operacional e do termopar. As conexões das saídas do
fotodetector e do termopar foram feitas no bloco de conexão CB-68LP e entre o bloco e
à placa de aquisição realizada com um cabo SHC68 de 68 vias. O sinal elétrico da saída
do amplificador operacional foi aplicado na entrada AI 0 da placa de aquisição (entradas
68 e 34) configurada como entrada diferencial para valores máximo de 10V e mínimo
de -10V. A entrada AI 1 (entrada 33 e 66) da placa de aquisição foi configurada para
receber o sinal elétrico de um termopar Tipo K para uma faixa de temperatura de 0 a
100ºC, e a entrada 11 (PFI 0) utilizada como referência de trigger para início da
aquisição do sinal recebido na entrada diferencial AI 0. O sinal de trigger foi obtido
usando uma amostra do sinal produzido na saída 2. O painel frontal do Instrumento
Virtual desenvolvido para o sensor óptico de temperatura é representado na figura 4.41.
Na tela principal foi possível selecionar as seguintes opções: arranjo experimental,
indicação de temperatura, tempo de resposta, visualização do sinal de fluorescência,
calibração e linearização.
A opção “sinal do sensor” foi utilizada para visualizar o sinal após a
aquisição. A aquisição foi iniciada com uma transição de nível alto para nível baixo do
pulso de excitação. O sinal recebido do sensor óptico foi digitalizado com 500 pontos a
uma taxa de 20000 Hz e o trigger realizado no segundo ponto após a transição do pulso
de excitação de nível alto para nível baixo (Figura 4.42).
65
Figura 4.41: O painel frontal do Instrumento Virtual desenvolvido para o sensor
óptico de temperatura.
Figura 4.42: Sinal recebido do sensor óptico, após o pulso de excitação, digitalizado
com 500 pontos a uma taxa de 20000 Hz.
A técnica utilizada na opção “calibração” consiste em relacionar o tempo de
decaimento da exponencial (t) entre dois intervalos de tempo com a temperatura (Figura
4.43). Do sinal recebido do sensor óptico foi obtido os pontos de mínima amplitude. A
rotina possui um bloco para criar uma sub matriz com 100 pontos da exponencial. De
66
cada ponto dessa exponencial foi subtraído ponto a ponto o valor mínimo do sinal
obtido inicialmente. O primeiro ponto da exponencial para efeito de cálculo do tempo
de decaimento (t) e indicação do tempo inicial (t
o
) foi o décimo primeiro ponto e o
último o centésimo décimo ponto com tempo (t).
Figura 4.43: Exponencial obtida entre o tempo (t
o
) e (t).
A opção “indicador” apresenta a temperatura registrada pelo sensor óptico (Figura
4.44).
Figura 4.44: Indicador de temperatura do instrumento virtual.
67
Para rápida resposta, uma média móvel com cinco amostras foi
implementada no algoritmo. Isso corresponde 20 atualizações por segundo no indicador
do Instrumento Virtual.
A opção “linearização” disponível no painel frontal foi uma outra técnica
implementada para determinação da temperatura. (Figura 4.45). A técnica consiste em
aplicar o logaritmo natural em cada ponto da exponencial e ajustar uma reta para os
novos valores, obter o coeficiente linear e coeficiente angular da reta e correlacionar a
inclinação da reta com a temperatura.
Figura 4.45: Linearização da exponencial obtida entre o tempo (t
o
) e (t).
As medições foram realizadas utilizando os mesmos instrumentos de medições,
nas mesmas condições, no mesmo local, com repetições em curtos intervalos de tempo e
temperatura ambiente de 23ºC. Foram realizadas consecutivas medições com o sensor
óptico, termopar Tipo K e o termômetro SalvTerm 120 inseridos no interior do banho
térmico, na mesma altura, com temperaturas variando de 50ºC a 35ºC, decrementando
de 0,5ºC em 0,5ºC. As medições do t, inclinação, temperatura do termopar e
temperatura do SalvTerm 120 foram feitas simultaneamente e os dados gravados em
arquivos digitais para posterior análise e calibração do sensor.
O Instrumento virtual foi calibração e utilizado no procedimento a seguir para
verificar o tempo de resposta do sensor óptico. O procedimento adotado para verificar o
tempo de resposta para um degrau de temperatura foi utilizar uma garrafa térmica com
capacidade para 250 ml, inicialmente vazia, com um pequeno recipiente de isopor no
68
fundo com capacidade de 1 a 5 ml de água em uma temperatura inicial T
1
, inserir o
sensor óptico e o termopar, iniciar a aquisição dos dados e em seguida adicionar 250 ml
de água com uma temperatura final desejada (T
2
). O sensor foi inserido junto com o
termopar Tipo K no recipiente de isopor com 1 ml de água com uma temperatura inicial
de 45ºC. A aquisição dos dados foi iniciada utilizando a opção tempo de resposta do
Instrumento Virtual desenvolvido em LabView Express 7.0. Em seguida, utilizando uma
segunda garrafa térmica com capacidade de 250 ml de água, uma misturada de água
com gelo picado a uma temperatura de 0ºC foi adicionada na primeira garrafa com o
sensor e o termopar. Os dados foram armazenados em arquivos para posterior análise. O
procedimento para o degrau positivo de temperatura foi o mesmo, apenas alterando a
temperatura inicial do líquido no recipiente dentro da primeira garrafa e a temperatura
final (conteúdo da segunda garrafa).
Considerando que no instante t = 0 o sensor está numa temperatura T
1
e é
resfriado com o líquido de temperatura T
2
, < T
1
, O sensor trocará calor com o meio até
atingir a temperatura final T
2
. O calor que o sensor perde é igual à variação de energia
interna do sensor (ARAÚJO, 1978), ou seja:
dt
dT
VcTThA
s
ρ=−− )(
21
(4.1)
Onde A
s
a superfície de contato e h é o coeficiente de condutância, ou seja, condutância
da camada formada entre o sensor e o fluido. Essa camada tem espessura variável e
depende da velocidade do fluido sobre a superfície.
sendo
2
TT −≡θ (4.2)
e considerando (d?/dt = dT/dt), segue-se
θ
θ
ρ
−=
dt
d
hA
Vc
s
(4.3)
69
Separando as variáveis e integrando desde as condições de contorno inicial, na
qual t = 0 e T(0) = T
1
, teremos:
∫∫
−=
t
s
dt
d
hA
Vc
0
1
θ
θ
θ
θ
ρ
(4.4)
onde
211
TT −≡θ (4.5)
Fazendo as integrações
θ
θ
ρ
1
ln
s
hA
Vc
t = (4.6)
ou
t
Vc
hA
s
e
TT
TT
−
=
−
−
=
ρ
θ
θ
21
2
1
(4.7)
O resultado indica que a diferença entre a temperatura do sensor e a temperatura
do líquido diminui exponencialmente. Sendo a temperatura do sensor uma evolução de
T
1
para T
2
, conforme a Figura 4.46, a grandeza
s
hA
Vcρ
pode ser interpretada como a
constante de tempo térmica (DE WITT, 1992). Esta constante pode ser representada
como
( )
tt
s
CRVc
hA
=
= ρτ
1
1
(4.8)
Onde R
t
é a resistência à transferência convectiva de calor e C
t
a capacitância
térmica. O modelo análogo é apresentado na Figura 4.47 quando um capacitor se
descarrega num circuito RC.
70
Figura 4.46: Curva de variação da temperatura para valor inicial T
1
e valor final T
2
.
Figura 4.47: Equivalente elétrico do sensor.
Terminada as medições para determinação do tempo de resposta, foram realizados
experimentos utilizando os mesmos equipamentos, no mesmo local, nas mesmas
condições e temperatura ambiente de 23ºC, com medições consecutivas em curtos
intervalos de tempo entre os conjuntos de medições. O procedimento foi adotado para
garantir as condições de repetitividade (DE OLIVEIRA, 2001).
Os experimentos foram realizados escolhendo seis pontos de temperatura entre
34ºC e 45ºC. Os pontos de temperatura foram estabelecidos utilizando um banho
termostático com bomba de circulação e controle de rampas e patamares, modelo
Q-214S2 (fabricante QUIMIS) tendo como referência para a indicação dos pontos de
medições o termômetro calibrado Salvterm 120. Em cada ponto de temperatura foram
realizados três conjuntos de medições consecutivas, com 120 repetições cada conjunto,
utilizando o software de aquisição de dados desenvolvido em LabView 7.0 Express. Os
dados foram armazenados em arquivos digitais para posterior análise.
71
CAPÍTULO V
5 Resultados e Discussão
Neste capítulo serão apresentados e discutidos os resultados obtidos nos
experimentos realizados.
5.1 Resultados da primeira montagem experimental
Os resultados da primeira montagem experimental, utilizando uma fibra óptica
plástica fluorescente como elemento sensor, com a potência óptica da fibra
luminescente versus a temperatura são apresentados a seguir. Os gráficos foram
traçados utilizando o software Microcalc ™ Origin Working Model 7.0.
O espectro de transmissão da fibra óptica plástica fluorescente (FPOF) apresentou
um pico de fluorescência em torno de 495,85 nm à temperatura de 26°C (Figura 5.1).
400 450 500 550 600
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
Intensidadde (u. a.)
λ=495,85 nm
L=2,24 cm
f=0,6 mm
Temperatura de 26°C
Comprimento de onda (nm)
Figura 5.1: Espectro de fluorescência da fibra óptica plástica centrado
em 495,85 nm para temperatura de 26°C.
A Figura 5.2 mostra o espectral da fluorescência variando a temperatura no
sensor. Pode-se observar que o sinal de fluorescência sofreu variação na intensidade
óptica em função da temperatura.
72
400 450 500 550 600
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Amplitude (u. a.)
Comprimento de onda (nm)
56,5ºC
42,5ºC
26,5ºC
Temperatura (ºC)
Figura 5.2: Intensidade da fluorescência da FPOF para 26°C, 42,5°C e 56,5°C.
Na segunda etapa da primeira montagem experimental observou-se uma variação
da potência óptica em função da temperatura, porém, não houve dependência espectral
do sinal de fluorescência com a temperatura. A Figura 5.3 apresenta os picos espectrais
em um gráfico normalizado mostrando que não há qualquer dependência espectral.
400 450 500 550 600
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Amplitude (u. a.)
Comprimento de onda (nm)
56,5ºC
48,0ºC
42,5ºC
35,0ºC
26,0ºC
Temperatura (ºC)
Figura 5.3: Espectros de fluorescência da fibra óptica plástica para diversas
medições incrementando a temperatura de 26°C a 56,5°C.
73
Na terceira etapa do experimento foi utilizado um optometer com dois canais. Os
resultados representados pela relação do canal de referência (CH1) dividido pelo canal
do mensurando (CH2) são representados na Figura 5.4, afinalidade foi diminuir a
dependência do sinal medido com a variação da fonte de excitação. O gráfico foi
traçado utilizando o programa Microcalc ™ Origin Working Model 7.0 a partir dos
dados experimentais da Tabela A1 (Apêndice A).
1,58 1,60 1,62 1,64 1,66 1,68 1,70
28
32
36
40
44
48
52
56
60
Temperatura (ºC)
Intensidade (u. a.)
medições
ajuste da reta
Figura 5.4: Variação da amplitude do sinal (CH1/CH2) em função da temperatura na fibra
óptica fluorescente.
Tabela 5.1: Regressão linear para os dados da Figura 5.4 (Y=A+B*X).
Parâmetro Valor Erro
A 501,46906 8,144
B -278,46295 4,95641
R SD N P
-0,99858 0,50429 11 <0,0001
Observou-se uma diminuição do sinal dado pela relação CH1 dividido por CH2
com o aumento da temperatura na fibra óptica plástica fluorescente (FPOF). Neste
método a potência óptica de saída do sensor sofre alteração se a fonte de excitação
sofrer uma variação na intensidade. Portanto um outro método foi proposto de forma
que o sinal de saída não dependa da intensidade da fonte de excitação.
74
5.2 Resultados da segunda montagem experimental
A segunda montagem experimental foi realizada para investigar o tempo de
decaimento da fluorescência da FPOF, contudo, devido ao rápido decaimento da
fluorescência e a baixa intensidade do sinal, não foi possível determinar o tempo de
decaimento, pois se acredita que o fotodetector utilizado não foi sensível e rápido
suficiente para captar o sinal. Conseqüentemente, a solução encontrada foi substituir a
FPOF por um material com tempo de decaimento maior e espectro de absorção e
fluorescência na faixa do visível. O material adotado para substituir a FPOF foi um
cristal de rubi, pois possui as características descritas acima e atende o critério de
biocompatibilidade.
5.3 Resultados da terceira montagem experimental
A terceira montagem experimental foi realizada utilizando um transdutor
construído com um cristal de rubi como sensor. A seguir são apresentados os resultados
da primeira etapa da terceira montagem experimental. O cristal ao ser bombeado
opticamente com uma fonte de luz com comprimento de onda de 465 nm produziu um
sinal de fluorescência, o sinal foi captado por um fotodetector, amplificado com um
Amp. Op. e digitalizado com um osciloscópio (Figura 5.5).
Figura 5.5: Sinal de resposta obtido após a excitação do sensor com um sinal
de onda quadrada. É mostrado na parte de acima da tela a forma
de onda do sinal aplicado no sensor e abaixo o sinal de
fluorescência que retorna do sensor.
75
As vantagens na utilização do cristal de rubi foram os espectros de absorção e
fluorescência coincidirem com as janelas de menores atenuações da fibra óptica plástica
PMMA (absorção de 400 a 550 nm e fluorescência em torno de 695,3 nm) e o tempo de
decaimento da fluorescência.
O sinal de excitação foi aplicado diretamente no fotodetector utilizando uma fibra
óptica com 30 cm de comprimento com o objetivo de verificar se o sistema causa
decaimento no sinal de entrada. Sem o sensor e empregando uma POF diretamente entre
o LED e fotodetector o sinal captado foi o da figura 5.6, mostrando que o circuito não
produz decaimento no sinal aplicado diretamente no fotodetector.
Figura 5.6: Sinal obtido com a aplicação direta no amplificador. É mostrado
na parte de acima da tela a forma de onda do sinal aplicado
diretamente no amplificador e abaixo o sinal de saída do
amplificador.
Antes de realizar os experimentos envolvendo medições de temperaturas foi
calibrado o termômetro utilizado como padrão (Salvterm 120) para servir de referência
na determinação do valor convencional de temperatura. A Figura 5.7 apresenta a reta de
calibração do termômetro Salvterm 120 comparado com o padrão usado no Laboratório
Metrológico de Temperatura conforme certificado de calibração constante do Apêndice
C. A incerteza expandida U(x
i
) de medição declarada para o termômetro Salvterm foi de
± 0,2ºC para a faixa de -30 a 180ºC baseada em incerteza padronizada µ(x
i
) multiplicada
pelo fator de abrangência k = 2, com um nível de confiança de aproximadamente 95 %.
76
O que significa que a incerteza padrão µ(x
i
) do termômetro é de 0,1ºC, ou seja, o valor
da incerteza expandida (0,2ºC) dividido pelo fator de abrangência (k = 2).
-40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
-40
-20
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Termoresistência PT-100Ω/0ºC
Salvterm 120
Medições
Reta de calibração
Figura 5.7: Reta de calibração do Termômetro Salvterm 120 comparado
com uma termoresistência PT-100O/0ºC.
Tabela 5.2: Regressão linear para os dados da Figura 5.7 (Y=A+B*X).
Parâmetro Valor Erro
A -0,382315 0,02046
B 1,000579 1,984067E-4
R SD N P
1 0,032279 5 <0,0001
Foram realizadas as medições e verificou-se a dependência do sinal de resposta do
cristal de rubi com a variação da temperatura. A Figura 5.8 mostra as formas de ondas
normalizadas, obtidas com o osciloscópio Tektronix modelo TDS 410A, do sinal da
fluorescência em função da temperatura no elemento sensor. A particular relevância é o
tempo de subida e o tempo de queda do sinal observado.
77
0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Sinal de Fluorescência
Amplitude Normalizada (u. a.)
Tempo (s)
Temperatura (ºC)
69.7ºC
61.2ºC
50.6ºC
41.1ºC
30.4ºC
Figura 5.8: Sinal de fluorescência do rubi variando a temperatura de 68°C até 30°C.
Utilizando o software Microcalc ™ Origin Working Model 7.0 foram analisados
os tempos de decaimento de cada sinal em função da temperatura e observou-se que o
tempo de decaimento diminui com o aumento da temperatura. A Figura 5.9 mostra o
decaimento da fluorescência, em um gráfico normalizado, em função da temperatura no
elemento sensor.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
Amplitude (u. a.)
Tempo (ms)
69,7ºC
64,4ºC
61,2ºC
55,6ºC
50,6ºC
45,8ºC
41,1ºC
34,1ºC
30,4ºC
Decaimento versus tempo
Figura 5.9: Decaimento da fluorescência do rubi variando a temperatura de 68°C até 30°C.
Tempos maiores correspondem a temperaturas menores.
78
A Figura 5.10 apresenta a relação do tempo de decaimento versus temperatura
obtida utilizando um sensor construído de um cristal de rubi com 2 mm x 2 mm x 1 mm,
fixado na ponta de duas POF.
32 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72
4,0
4,1
4,2
4,3
4,4
4,5
4,6
4,7
4,8
4,9
Decaimento versus Temperatura
Tempo (ms)
Temperatura (°C)
Figura 5.10: Decaimento da fluorescência do rubi versus temperatura aplicada.
Tabela 5.3: Regressão linear para os dados da Figura 5.10 (Y=A+B*X).
Parâmetro Valor Erro
A 5,55481 0,00579
B -0,02135 1,2291E-4
R SD N P
-0,99952 0,00781 31 <0,0001
Os resultados apresentados a seguir foram obtidos utilizando uma única fibra
óptica e um cristal de rubi como elemento sensor. A aquisição e processamento de
dados foram realizados utilizando um software LabView 7.0 Express instalado em um
microcomputador equipado com uma placa de aquisição NI-6220 da National
Instrument e a medição da temperatura utilizando um termômetro Salvterm 120 e um
termopar Tipo K.
79
A Figura 5.11 representa a comparação entre o termopar e o termômetro Salvterm
120, que foi realizada com a finalidade de verificar qual a diferença da medição do
termopar Tipo K em relação à temperatura registrada pelo termômetro Salvterm 120,
considerado como padrão de referência do LIF (Laboratório de Instrumentação e
Fotônica) tendo por objetivo a sua utilização com a placa de aquisição de dados para
calibração do sensor óptico e determinação do tempo de resposta do sensor óptico.
34 36 38 40 42 44 46 48 50 52
34
36
38
40
42
44
46
48
50
52
Salvterm 120
Termopar Tipo K
medições
Reta de calibração
Figura 5.11: Representa a comparação entre o termopar e o termômetro Salvterm 120.
Tabela 5.4: Regressão linear para os dados da Figura 5.11 (Y=A+B*X).
Parâmetro Valor Erro
A -0,516268 0,244679
B 0,985562 0,005576
R SD N P
0,999536 0,140807 31 <0,0001
Além do procedimento descrito, foi necessário caracterizar um filtro e construir
um dispositivo óptico para garantir que a resposta captada pelo fotodetector tivesse
mínimo sinal da fonte de excitação. Portanto, foi levantado o espectro de transmissão de
um filtro óptico plástico vermelho com 0,2 mm de espessura. O sistema óptico (fonte de
luz Oriel, monocromador e fotodiodo de Si), filtros ópticos e LED azul COTCO
apresentaram os espectros de transmissões mostrados na Figura 5.12.
80
400 450 500 550 600 650 700 750
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Transmissão (%)
Comprimento de onda (nm)
Fonte de luz Oriel
LED azul COTCO
Filtro vermelho
Espectro de transmissão
Figura 5.12: Espectro da fonte de luz Oriel, LED azul
COTCO e transmissão dos filtros ópticos
caracterizados.
Em conseqüência do sistema óptico (monocromador e fotodiodo de Si) não ser um
sistema ideal cada espectro encontrado foi normalizado. Os espectros normalizados do
sistema óptico (luz Oriel, monocromador e fotodiodo de Si), dos filtros ópticos e LED
azul COTCO são mostrados na Figura 5.13.
400 450 500 550 600 650 700 750
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Transmissão (%)
Comprimento de onda (nm)
Fonte de luz Oriel
LED azul COTCO
Filtro vermelho
Espectro de Transmissão
Figura 5.13: Espectros normalizados da fonte de luz Oriel, LED
azul COTCO e transmissão dos filtros ópticos
caracterizados.
A normalização de cada espectro foi realizada dividindo (ponto a ponto) o
espectro caracterizado com o espectro do sistema (fonte de luz Oriel, monocromador e
81
fotodiodo de Si). A Figura 5.14 mostra o espectro do LED azul COTCO e transmissão
do filtro óptico vermelho.
400 450 500 550 600 650 700 750
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Transmissão (%)
Comprimento de onda (nm)
LED azul COTCO
Filtro vermelho
Espectro de Transmissão
Figura 5.14: Espectros do LED azul COTCO e transmissão do
filtro vermelho.
A Figura 5.15 mostra os espectros de absorção e emissão do rubi, espectro do
LED azul COTCO e transmissão do filtro óptico vermelho.
400 450 500 550 600 650 700 750 800
0
20
40
60
80
100
Amplitude (u. a.)
Filtro óptico
LED azul
Espectro de Absorção do rubi
Espectro de Fluorescência do rubi
Comprimento de onda (nm)
Figura 5.15: Espectros de absorção e emissão do cristal de rubi, LED azul COTCO e
transmissão do filtro óptico.
As Figuras 5.16 e 5.17 mostram respectivamente o sinal elétrico da fluorescência
do sensor sem e com o dispositivo de filtragem óptica. No detalhe (círculo no pico do
82
sinal elétrico da fluorescência) pode-se verificar que o decaimento da fluorescência sem
o filtro é mais rápido que o sinal com o filtro óptico. Com o filtro óptico foi possível
melhorar o sinal recebido, ou seja, um sinal sem a presença do pulso azul de excitação.
Figura 5.16: Sinal de fluorescência obtido sem o filtro óptico vermelho. No
detalhe circulado em vermelho é mostrado o decaimento da
fluorescência.
Figura 5.17: Sinal de fluorescência obtido com filtro óptico vermelho. No
detalhe circulado em vermelho é mostrado o decaimento da
fluorescência.
83
Desta forma, o sinal captado pelo fotodetector foi um sinal elétrico proporcional à
fluorescência do sensor óptico com mínima presença do sinal de excitação azul
(465 nm). Além da vantagem de facilitar a conexão do sensor óptico, o dispositivo
garantiu um alinhamento das fibras ópticas mesmo após a introdução dos filtros ópticos
plásticos entre elas.
As Figuras 5.18 e 5.19 representam 312 medições dos parâmetros t e slope, para
temperatura variando de 50ºC a 35ºC, decrementando de 0,5ºC em 0,5ºC, utilizando
como referência o termômetro SalvTerm 120 e o termopar Tipo K (Ambos introduzidos
na mesma altura no interior do banho térmico).
0,00302 0,00304 0,00306 0,00308 0,00310 0,00312 0,00314 0,00316 0,00318
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
Temperatuara (ºC)
Tempo de decaimento (s)
B
Reta de calibração
Figura 5.18: Reta de calibração do sensor óptico utilizando o parâmetro (t).
Tabela 5.5: Regressão linear para os dados da Figura 5.18 (Y=A+B*X).
Parâmetro Valor Erro
A 366,54673154 1,10549234
B -104201,19799277 356,70447327
R SD N P
-0,99818857 0,27082629 312 <0,0001
Para cada ponto registrado pelo termômetro SalvTerm foram realizadas 10
medições com o termopar e o sensor óptico. Registrou-se o parâmetro (t) da
84
exponencial e o parâmetro (slope) da reta obtida. Com os dados e utilizando o software
Origin 7.0 traçaram-se dois gráficos, um com temperatura versus tempo de decaimento
(t) e outro temperatura versus inclinação da reta (slope). Ajustou-se a reta de calibração
para os valores obtidos, utilizando os respectivos parâmetros (t e slope) para
determinação dos parâmetros A e B da reta dada pela equação 5.1.
Y = A + Bx (5.1)
Onde: Y é a temperatura em Celsius e x o parâmetro (t) da exponencial para a Figura
5.18 ou o parâmetro (slope) para a Figura 5.19.
-0,0165 -0,0164 -0,0163 -0,0162 -0,0161 -0,0160 -0,0159 -0,0158 -0,0157
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
B
Reta de calibração
Temperatura (ºC)
Slope
Figura 5.19: Reta de calibração do sensor óptico utilizando o parâmetro (slope).
Tabela 5.6 : Regressão linear para os dados da Figura 5.19 (Y=A+B*X).
Parâmetro Valor Erro
A -279,14439182 1,12726587
B -20001,37709993 69,84461826
R SD N P
-0,99811527 0,27624609 312 <0,0001
85
O sensor óptico foi ajustado com os parâmetros A e B encontrados na Tabela 5.4 e
5.5 utilizando as duas técnicas (tempo de decaimento e linearização) para correção dos
valores de medição. As Figuras 5.20 e 5.21 apresentam os valores registrados utilizando
cada uma das técnicas.
Figura 5.20: Ajuste do sensor óptico para conversão do tempo de decaimento em indicação de
temperatura.
Figura 5.21: Ajuste do sensor óptico para conversão da inclinação da reta em indicação de temperatura.
86
A Figura 5.22 apresenta os valores registrados após ajustes dos parâmetros A e B
utilizando cada uma das técnicas.
Figura 5.22: Indicação da temperatura do sensor após o ajuste nos parâmetros A e B na tela de calibração
(utilizando a técnica do tempo de decaimento da exponencial) e na tela linearização
utilizando a inclinação da reta. O símbolo (×) representa o termopar e as indicações do
sensor óptico os símbolos (?) e (?).
Verificou-se que utilizando tanto uma técnica quanto a outra os valores de
temperatura registrados pelo termômetro óptico são distribuídos com uma diferença
constante e após a correção os valores são os mesmos.
A estabilidade das medições foi observada colocando o sensor em um banho com
temperatura homogênea de 26ºC (Figura 5.23).
87
Figura 5.23: Distribuição de valores medidos pelo sensor óptico para uma temperatura constante de
34,6ºC.
A Figura 5.24 representa a distribuição dos valores de temperatura registrada pelo
sensor óptico para consecutivas medições em uma temperatura constante de 34,6ºC
durante um intervalo de tempo de 11,01 s utilizando a técnica do tempo de decaimento.
Figura 5.24: Distribuição de valores medidos pelo sensor óptico para uma temperatura constante de
34,6ºC.
88
O resultado da medição foi uma indicação no painel frontal (Figura 5.25)
atualizada 20 vezes por segundo, ou seja, uma atualização a cada 0,05 s.
Figura 5.25: Indicação de temperatura do sensor óptico e termopar no painel frontal do Instrumento
Virtual.
A Figura 5.26 apresenta o tempo de resposta do sensor óptico, construído com o
cristal de rubi (formato semi-esférico com raio de 1 mm) fixado na ponta da fibra óptica
plástica utilizando um pedaço de conector para POF com 7 mm de comprimento por
2 mm de diâmetro interno, para um degrau negativo de temperatura e a Figura 5.27 o
tempo de resposta para um degrau positivo de temperatura. A constante de tempo da
resposta do sensor foi definida como o tempo que a temperatura no elemento sensor
leva para atingir 63,2% da diferença inicial de temperatura. O tempo de resposta obtido
foi menor que 3,5 s.
89
Figura 5.26: Tempo de resposta para um degrau de temperatura de 43ºC para 0ºC. A temperatura
registrada pelo termopar é apresentada no gráfico com os pontos (x) e a resposta do
sensor óptico com os pontos (?).
Figura 5.27: Tempo de resposta para um degrau de temperatura de 0ºC para 40ºC. A temperatura
registrada pelo termopar é apresentada no gráfico com os pontos (x) e a resposta do
sensor óptico com os pontos (?).
90
Para diminuir esse tempo de resposta foi necessário diminuir a massa térmica do
sensor. Portanto, um novo sensor foi construído com um cristal de massa menor. O
cristal de rubi foi fixado na ponta da fibra óptica utilizando um pequeno tubo de vidro
com diâmetro interno de 2 mm. O melhor tempo de resposta foi de 1,5 s, sendo obtido
com o sensor óptico construído, utilizando o cristal de rubi semi-esférico de 1,5 mm de
diâmetro fixado na ponta da POF com um tubo de vidro. O primeiro sensor utilizando
duas fibras ópticas foi desenvolvido para verificar a viabilidade da construção do
instrumento. A preocupação inicial era o domínio da técnica e verificar se o sensor
responde a variação de temperatura, não sendo determinado nos experimentos
preliminares o tempo de resposta.
A Figura 5.28 mostra a resposta do novo sensor para um degrau positivo de
temperatura e a Figura 5.29 para um degrau negativo de temperatura.
Figura 5.28: Tempo de resposta para um degrau de temperatura de 27ºC para 43ºC. A temperatura
registrada pelo termopar é apresentada no gráfico com os pontos (x) e a resposta do
sensor óptico com os pontos (?).
91
Figura 5.29: Tempo de resposta para um degrau de temperatura de 48,5ºC para 27ºC. A temperatura
registrada pelo termopar é apresentada no gráfico com os pontos (x) e a resposta do
sensor óptico com os pontos (?).
A montagem do segundo sensor foi realizada visando utilizar uma única fibra
óptica, diminuir o tamanho do sensor e verificar o tempo de resposta. A limitação na
diminuição do tamanho do sensor, além dos métodos artesanal usado para cortar o
cristal e montar o sensor, foi a dureza do cristal. O cristal foi cortado com um disco
adiamantado e lapidado. Outra limitação foi a fragilidade da fixação do cristal na POF.
O segundo sensor construído utilizando um conector para POF com 7 mm x 2 mm de
diâmetro interno ficou mais robusto, porém, o tempo de resposta obtido foi maior
(3,5 s). O terceiro sensor desenvolvido teve tempo de reposta de 1,5 s, porém,
verificou-se que era muito frágil. Em aplicações onde a temperatura sofre variações
rápidas, os método de construção deverá ser melhorado para não correr o risco de
quebrar o sensor.
Após a calibração do sensor óptico e a verificação do tempo de resposta, os dados
obtidos com os experimentos realizados utilizando o procedimento adotado para
garantir as condições de repetitividade (DE OLIVEIRA, 2001), ou seja, os mesmos
equipamentos, no mesmo local, nas mesmas condições, com medições consecutivas em
curtos intervalos de tempo entre os conjuntos de medições, foram analisados com o
software Origin 7.0.
Os conjuntos de medições foram obtidos utilizando um banho termostático com
bomba de circulação e controle de rampas e patamares, modelo Q-214S (fabricante
92
QUIMIS) com temperatura na faixa desejada, tendo como referência para a indicação
dos pontos de medições o termômetro calibrado Salvterm 120.
Em cada ponto de temperatura foram analisados os três conjuntos de medições
consecutivas com 120 repetições cada conjunto, utilizando o software Origin 7.0,
armazenados em arquivos digitais obtidos com a utilização do Instrumento Virtual
desenvolvido em LabView 7.0 Express.
De cada conjunto de medições foi calculada a média
( )
_
X usando a equação 5.1 e
o desvio padrão
(
)
S representado pela equação 5.2.
∑
=
=
N
k
k
X
N
X
1
_
1
(5.1)
( )
2
1
1
2
1
1
−
−
=
∑
=
N
k
k
XX
N
S (5.2)
Onde
( )
_
X é a média, X
k
são os valores individuais do conjunto e N a quantidade
de valores individuais.
Em seguida, foi calculado o resultado mais provável da temperatura
(
)
X
(BENEDICT, 1984), ou seja, a média dos três conjuntos usando a expressão 5.3 e o
desvio padrão da média da média
(
)
N
S (equação 5.4).
∑
∑
=
=
=
M
k
i
M
i
ii
N
XN
X
1
1
(5.3)
2
1
1
2
1
=
∑
=
M
i
i
N
S
M
S (5.4)
Onde
(
)
X é a média da média,
( )
_
i
X é a média de cada conjunto, M a quantidade
de conjuntos, N o número de repetições de cada conjunto,
(
)
N
S o desvio padrão da
média da média e
2
i
S a variância de cada conjunto.
93
A Figura 5.30 apresenta os valores de três conjuntos de medições consecutivas
com 120 pontos, obtidos pelo sensor óptico, para temperatura constante de 34,0ºC
registrado pelo termômetro Salvterm 120. A Figura 5.31 representa a distribuição desses
valores.
0 20 40 60 80 100 120
33,2
33,4
33,6
33,8
34,0
34,2
34,4
34,6
34,8
35,0
35,2
35,4
35,6
35,8
Temperatura (ºC)
Número de pontos
Banho termostático
1ª medição
2ª medição
3ª medição
Figura 5.30: Valores dos três conjuntos de medições, obtidos pelo termômetro óptico, para temperatura
constante de 34,0ºC.
33,2 33,4 33,6 33,8 34,0 34,2 34,4 34,6 34,8 35,0 35,2 35,4 35,6 35,8
0
4
8
12
16
20
24
28
32
Freqüência
Temperatura (ºC)
1ª medição
2ª medição
3ª medição
Curva da 1ª medição
Curva da 2ª medição
Curva da 3ª medição
Figura 5.31: Distribuição dos valores das três medições.
94
A Figura 5.32 apresenta os valores de três conjuntos de medições consecutivas
com 120 pontos, obtidos pelo sensor óptico, para temperatura constante de 35,9ºC
registrado pelo termômetro Salvterm 120. A Figura 5.33 representa a distribuição desses
valores.
0 20 40 60 80 100 120
35,4
35,6
35,8
36,0
36,2
36,4
36,6
36,8
37,0
37,2
37,4
37,6
37,8
38,0
38,2
Temperatura (ºC)
Número de pontos
Banho termostático
1ª medição
2ª medição
3ª medição
Figura 5.32: Valores dos três conjuntos de medições, obtidos pelo termômetro óptico, para temperatura
constante de 35,9ºC.
35,4 35,6 35,8 36,0 36,2 36,4 36,6 36,8 37,0 37,2 37,4 37,6 37,8 38,0 38,2
0
4
8
12
16
20
24
28
Freqüência
Temperatura (ºC)
1ª medição
2ª medição
3ª medição
Curva da 1ª medição
Curva da 2ª medição
Curva da 3ª medição
Figura 5.33: Distribuição dos valores das três medições.
95
A Figura 5.34 apresenta os valores de três conjuntos de medições consecutivas
com 120 pontos, obtidos pelo sensor óptico, para temperatura constante de 38,0ºC
registrado pelo termômetro Salvterm 120. A Figura 5.35 representa a distribuição desses
valores.
0 20 40 60 80 100 120
37,8
38,0
38,2
38,4
38,6
38,8
39,0
39,2
39,4
39,6
39,8
40,0
Temperatura (ºC)
Número de pontos
Temperatura no banho
1ª Medição
2ª Medição
3ª Medição
Figura 5.34: Valores dos três conjuntos de medições, obtidos pelo termômetro óptico, para temperatura
constante de 38,0ºC.
38,0 38,2 38,4 38,6 38,8 39,0 39,2 39,4 39,6 39,8 40,0 40,2
0
4
8
12
16
20
24
28
32
Freqüência
Temperatura (ºC)
1ª medição
2ª medição
3ª medição
Curva da 1ª medição
Curva da 2ª medição
Curva da 3ª mediçao
Figura 5.35: Distribuição dos valores das três medições.
96
A Figura 5.36 apresenta os valores de três conjuntos de medições consecutivas
com 120 pontos, obtidos pelo sensor óptico, para temperatura constante de 40,0ºC
registrado pelo termômetro Salvterm 120. A Figura 5.37 representa a distribuição desses
valores.
0 20 40 60 80 100 120
39,8
40,0
40,2
40,4
40,6
40,8
41,0
41,2
41,4
41,6
41,8
42,0
42,2
42,4
42,6
42,8
43,0
Temperatura (ºC)
Número de medições
Banho termostático
1ª medição
2ª medição
3ª medição
Figura 5.36: Valores dos três conjuntos de medições, obtidos pelo termômetro óptico, para temperatura
constante de 40,0ºC.
40,2 40,4 40,6 40,8 41,0 41,2 41,4 41,6 41,8 42,0 42,2 42,4 42,6 42,8 43,0
0
4
8
12
16
20
24
28
32
Freqüência
Temperatura (ºC)
1ª medição
2ª medição
3ª medição
Curva da 1ª medição
Curva da 2ª medição
Curva da 3ª medição
Figura 5.37: Distribuição dos valores das três medições.
97
A Figura 5.38 apresenta os valores de três conjuntos de medições consecutivas
com 120 pontos, obtidos pelo sensor óptico, para temperatura constante de 41,9ºC
registrado pelo termômetro Salvterm 120. A Figura 5.39 representa a distribuição desses
valores.
0 20 40 60 80 100 120
41,8
42,0
42,2
42,4
42,6
42,8
43,0
43,2
43,4
43,6
43,8
44,0
44,2
44,4
44,6
Temperatura (ºC)
Número de medições
banho termostático
1ª medição
2ª medição
3ª medição
Figura 5.38: Valores dos três conjuntos de medições, obtidos pelo termômetro óptico, para temperatura
constante de 41,9ºC.
42,2 42,4 42,6 42,8 43,0 43,2 43,4 43,6 43,8 44,0 44,2 44,4
0
4
8
12
16
20
24
28
Freqüência
Temperatura(ºC)
1ª medição
2ª medição
3ª medição
Curva da 1ª medição
Curva da 2ª medição
Curva da 3ª medição
Figura 5.39: Distribuição dos valores das três medições.
98
A Figura 5.40 apresenta os valores de três conjuntos de medições consecutivas
com 120 pontos, obtidos pelo sensor óptico, para temperatura constante de 44,7ºC
registrado pelo termômetro Salvterm 120. A Figura 5.41 representa a distribuição desses
valores.
0 20 40 60 80 100 120
44,6
44,8
45,0
45,2
45,4
45,6
45,8
46,0
46,2
46,4
46,6
46,8
47,0
47,2
47,4
47,6
47,8
Temperatura (ºC)
Número de medições
Banho termostático
1ª medição
2ª medição
3ª medição
Figura 5.40: Valores dos três conjuntos de medições, obtidos pelo termômetro óptico, para temperatura
constante de 44,7ºC.
45,2 45,4 45,6 45,8 46,0 46,2 46,4 46,6 46,8 47,0 47,2 47,4 47,6 47,8
0
4
8
12
16
20
24
28
32
36
40
44
1ª medição
2ª medição
3ª medição
Curva da 1ª medição
Curva da 2ª medição
Curva da 3ª medição
Freqüência
Temperatura (ºC)
Figura 5.41: Distribuição dos valores das três medições.
99
As tabelas 5.7, 5.8, 5.9 apresentam os pontos de temperatura (para os valores de
34,0ºC, 35,9ºC e 38,0ºC, respectivamente) registrados pelo Termômetro SalvTerm 120
e os respectivos valores de temperatura média do sensor óptico, desvio padrão,
variância.
Tabela 5.7: Primeiro ponto de medição de temperatura.
Temperatura constante de 34,0ºC
Conjunto de medições Temperatura média
(ºC)
Desvio Padrão Variância
1 34,44 0,384334 0,136350
2 34,53 0,391063 0,144844
3 34,45 0,404329 0,111892
Média da média
1
X
34,47
Desvio da média
1
X
S
0,361977
Variância da média
2
1
X
S
0,131029
Tabela 5.8: Segundo ponto de medição de temperatura.
Temperatura constante de 35,9ºC
Conjunto de medições Temperatura média
(ºC)
Desvio Padrão Variância
1 36,69 0,442554 0,195854
2 36,66 0,4296 0,184556
3 36,61 0,387534 0,150182
Média da média
2
X
36,65
Desvio da média
2
X
S
0,420552
Variância da média
2
2
X
S
0,176864
Tabela 5.9: Terceiro ponto de medição de temperatura.
Temperatura constante de 38,0ºC
Conjunto de medições Temperatura média
(ºC)
Desvio Padrão Variância
1 39,06 0,400885 0,160708
2 38,98 0,395884 0,156724
3 39,03 0,346421 0,120007
Média da média
3
X
39,02
Desvio da média
3
X
S
0,381855
Variância da média
2
3
X
S
0,145813
100
As tabelas 5.10, 5.11 e 5,12 apresentam os pontos de temperatura (para os valores
de 40,0ºC, 41,9ºC e 44,7ºC, respectivamente) registrados pelo Termômetro SalvTerm
120 e os respectivos valores de temperatura média do sensor óptico, desvio padrão,
variância.
Tabela 5.10: Quarto ponto de medição de temperatura.
Temperatura constante de 40,0ºC
Conjunto de medições Temperatura média
(ºC)
Desvio Padrão Variância
1 41,36 0,415813 0,172900
2 41,45 0,457405 0,209219
3 41,44 0,445593 0,198553
Média da média
4
X
41,41
Desvio da média
4
X
S
0,439951
Variância da média
2
4
X
S
0,193557
Tabela 5.11: Quinto ponto de medição de temperatura.
Temperatura constante de 41,9ºC
Conjunto de medições Temperatura média
(ºC)
Desvio Padrão Variância
1 43,28 0,395804 0,156660
2 43,32 0,395814 0,156668
3 43,25 0,425099 0,180709
Média da média
5
X
43,28
Desvio da média
5
X
S
0,405806
Variância da média
2
5
X
S
0,164679
Tabela 5.12: Sexto ponto de medição de temperatura.
Temperatura constante de 44,7ºC
Conjunto de medições Temperatura média
(ºC)
Desvio Padrão Variância
1 46,43 0,369257 0,136350
2 46,33 0,380585 0,144844
3 46,53 0,334503 0,111892
Média da média
6
X
46,43
Desvio da média
6
X
S
0,361979
Variância da média
2
6
X
S
0,131029
101
A tabela 5.13 apresenta os valores registrados pelo sensor óptico para a faixa de
temperatura de 34ºC a 44,7ºC, tendo com referência as temperaturas registradas pelo
Salvterm 120, e a diferença entre os dois instrumentos.
Tabela 5.13: Resultado da calibração do sensor óptico tendo como padrão o termômetro Salvterm 120.
Medições (i) Salvterm 120 (y
i
) Sensor óptico (x
i
) Diferença (y
i
-x
i
)
1 34,0 34,47 -0,47
2 35,9 36,65 -0,75
3 38,0 39,02 -1,02
4 40,0 41,41 -1,41
5 41,9 43,28 -1,38
6 44,7 46,43 -1,73
O gráfico apresentado na Figura 5.42 (Temperatura do Salvterm 120 versus
Temperatura do sensor óptico) foi traçado após a realização da comparação do
termômetro Salvterm 120 usado como referência com a medição do sensor óptico.
Ajustou-se uma curva de calibração visando estimar o valor convencional da
temperatura a partir da indicação do sensor óptico.
32 34 36 38 40 42 44 46 48
32
34
36
38
40
42
44
46
48
Sensor óptico (ºC)
Salvterm 120 (ºC)
Reta ideal
Salvterm 120 versus Sensor óptico
Salvterm 120 versus Sensor óptico
Figura 5.42: Comparação entre os valores registrados pelo sensor óptico e o SalvTerm 120.
102
Tabela 5.14: Regressão linear para os dados da Figura 5.42 (Y=A+B*X).
Parâmetro Valor Erro
A
-3,421298 0,467335
B
1,116366 0,011907
R SD N P
0,999773 0,104802
6 <0,0001
A tabela 5.15 apresenta a temperatura de referência, a indicação do sensor óptico,
os valores de temperaturas estimados utilizando a expressão matemática da tabela 5.14 e
o resíduo (que consiste da diferença entre o valor de referência menos o valor
calculado).
Tabela 5.15: Tabela de ajuste do sensor óptico pela regressão linear.
(y
i
)
Valor de referência (ºC)
Sensor óptico (x
i
)
Indicação (ºC)
F(xi) = a + b*x
i
Calculado (ºC)
y
i
-f(x
i
) resíduo
(ºC)
34,0 34,47 33.94412 0.05588
35,9 36,65 35.896 0.004
38,0 39,02 38.01801 -0.01801
40,0 41,41 40.15792 -0.15792
41,9 43,28 41.83224 0.06776
44,7 46,43 44.65262 0.04738
Observou-se uma diminuição da exatidão com o aumento da temperatura, esse
resultado aponta que a relação entre a temperatura e o tempo de decaimento da
fluorescência do cristal de rubi, conforme foi proposto anteriormente, não é uma função
linear. Dessa forma, torna-se necessário propor uma nova equação para utilização na
conversão do tempo de decaimento em indicação de temperatura com o objetivo de
mostrar uma indicação de temperatura com mesma exatidão na faixa desejada. Foi
verificado a repetitividade das medições do instrumento desenvolvido utilizando os
conjuntos de medições realizados e verificou-se que a concordância os resultados
obtidos de indicações de temperatura são satisfatórios. Para fins de comparação com
outros resultados, a expressão completa do resultado atribuído para a medição da
temperatura do sensor óptico será a sua indicação, incluindo as informações das
incertezas de medição. A incerteza de medição é um parâmetro associado ao resultado
de uma medição que caracteriza a dispersão. A incerteza compreende vários
componentes, alguns destes componentes podem ser estimados com base na distribuição
estatística dos resultados de medições, incluindo aqueles resultantes de efeitos
sistemáticos e os componentes da incerteza de padrões de referência (ABNT, 2003 e
INMETRO, 1995).
103
Os valores referentes aos desvios padrão dos conjuntos de medições realizados
anteriormente serviram de parâmetros para uma estimativa da incerteza do sensor
óptico, avaliar quantitativamente a qualidade dos resultados da medição e comparar com
outros resultados (AIBE, 2004). A incerteza padrão u
s
(x
i
) do sensor óptico foi estimada
dividindo o maior desvio padrão pela raiz quadrada do número de observações
(SCHOELER, 1998 e INMETRO, 1995).
n
xs
x
i
i
)(
)( =µ (5.14)
Segundo SCHOELER (1998) essa incerteza é dita do Tipo A, ou seja, uma
incerteza obtida de análises estatísticas. Já incerteza padrão u
t
(x
i
) do termômetro
Salvterm 120 foi definida como incerteza do Tipo B, ou seja, uma incerteza baseada em
dados obtidos de certificados de calibração, sendo essa incerteza determinada utilizando
a declaração da incerteza expandida U
t
(x
i
) das medições apresentadas no certificado de
calibração (Apêndice C). A incerteza expandida foi atribuída pelo laboratório de
calibração levando em consideração que o termômetro apresenta uma distribuição
normal e a incerteza padrão associada à estimativa de saída (valor de medição) tenha
suficiente confiabilidade, utilizando um fator de abrangência k = 2, correspondendo a
uma probabilidade de 95 por cento. A incerteza padrão estimada para o termômetro foi
de 0,1ºC, sendo determinado dividindo o valor da incerteza expandida U
t
(x
i
) pelo fator
de abrangência (k) para um intervalo com nível de confiança de 95 por cento (ABNT,
INMETRO, 2003).
A fórmula matemática utilizada para estimar a incerteza padrão, a partir da
incerteza expandida, é apresentada na equação (5.15).
k
xU
x
i
i
)(
)( =µ (5.15)
Onde u(x
i
) é a incerteza padronizada, U
t
(x
i
) é a incerteza expandida e k o fator de
abrangência.
Conhecendo esses valores, estimou-se a incerteza combinada do sensor óptico, ou
seja, a incerteza padronizada de um resultado de medições obtido por meio de valores
de vários outros resultados (SCHOELER, 1996).
104
A estimativa da incerteza padrão combinada é apresentada na equação (5.16).
22
STc
µµµ += (5.16)
Onde u
c
é a incerteza combinada do sensor óptico, u
t
(x
i
) é a incerteza padrão do
termômetro Salvterm 120 e u
s
(x
i
) é a incerteza padrão do sensor óptico.
Após determinar a incerteza padrão combinada do sensor óptico, estimou-se a
incerteza expandida multiplicado o valor da incerteza padronizada pelo fator de
abrangência (k = 2) para um intervalo de nível de confiança estimado para 95 por cento.
A tabela 5.17 apresenta os valores de incertezas do sensor.
Tabela 5.16: Incertezas de medição do sensor óptico.
Incerteza padrão
do Salvterm 120
Desvio padrão
s(x
i
) (Pior Caso)
Estimativa da incerteza
padrão do sensor óptico
6
)(
)(
i
i
xs
xµ
Estimativa da
incerteza
combinada (µ
s
)
Estimativa da
incerteza
expandida U(x
i
)
0,1 0,439951 0,179609 0,205570 0,411141
Para o quarto ponto de referência (40ºC), por exemplo, o resultado da medição do
sensor óptico foi uma temperatura de 40,41ºC com incerteza padrão combinada de
0,2ºC, ou uma temperatura de (40,41 ± 0,4)ºC, onde o número após o símbolo ± é a
incerteza expandida.
De posse desses dados, os resultados foram comparados com os obtidos em
experimentos realizados por outros autores. Verificou-se a potencialidade do
instrumento desenvolvido levando em consideração a técnica utilizada, o custo do
instrumento, o tempo de resposta e a incerteza das medições. GRATTAN (1988)
apresentou um arranjo experimental, utilizando a técnica do pulso, com sensor
construído com rubi e fibra óptica de sílica. O tempo de resposta do arranjo
experimental foi de 10 segundos, para uma faixa de temperatura de 20ºC a 160ºC, e a
incerteza da medição foi de 0,04ºC. ZHANG (1991) obteve tempo de resposta de 2
segundos com incerteza de 1ºC, a técnica utilizada foi a detecção de fase com referência
simples modulando o pulso de excitação (PLD-PMSR). Recentemente, foram
desenvolvidos sensores com fibra óptica utilizando técnicas diferentes das apresentadas
neste trabalho. Porém, o método de construção do sensor, o tipo de fonte de excitação, a
técnica de modulação e demodulação do sinal, a complexidade dos circuitos ópticos e
eletrônicos e o custo final do instrumento são superiores ao apresentado neste trabalho.
105
CAPÍTULO VI
6 Conclusão
No primeiro experimento realizado utilizando uma fibra óptica plástica verde
fluorescente buscando-se construir um transdutor de temperatura com materiais de fácil
aquisição, baixo custo, utilizando LED como fonte de luz e com circuito de
demodulação do sinal o mais simples possível. Observou-se uma diminuição da
potência óptica (relação CH1/CH2) com o aumento da temperatura na fibra óptica
plástica fluorescente. Nesse experimento, foi verificado que a amplitude do sinal da
fluorescência variou com a temperatura da fibra sensora. Porém, qualquer flutuação que
ocorresse na fonte de excitação poderia alterar o sinal de medição. Com isso, foi
proposta a utilização da técnica de meia vida da fluorescência para eliminar esse
problema.
O segundo experimento foi realizado utilizando essa técnica. Foram realizados
alguns testes para verificar a viabilidade da montagem do transdutor. Contudo,
observou-se que o tempo de decaimento da fluorescência foi muito rápido não sendo
possível medir com os equipamentos utilizados.
No terceiro experimento foi utilizado um cristal de rubi como elemento sensor,
pois, o cristal tem maior tempo de emissão e os espectros de absorção e fluorescência
estão dentro do espectro visível. Sendo possível utilizar LED e fotodetetor de baixo
custo e fácil aquisição. Nesse experimento, verificou-se que o tempo de decaimento do
sinal de fluorescência gerado pelo cristal teve uma diminuição suave e monotônica com
o aumento da temperatura. Nos experimentos realizados foi obtido tempo de resposta
menor que 3,5 s utilizando o sensor em uma única fibra óptica. Com a diminuição da
massa térmica do rubi foi verificado tempo de resposta menor que 1,5 s; porém, o
sensor tornou-se muito frágil. A incerteza expandida do instrumento foi estimada em
± 0,4ºC para um nível de confiança de 95 por cento. Para aplicações onde variações de
temperaturas são baixas, pode-se obter menor resultado nas medições implementando
maior número de interações no algoritmo de processamento.
Dessa forma, o transdutor foi desenvolvido e proposto para aplicações de
medições de temperatura sob campo eletromagnético ou aplicações invasivas sem expor
o paciente a risco de choque elétrico, utilizando material de baixo custo e de fácil
aquisição, tendo como fonte de excitação LED. Uma das sugestões para prosseguimento
106
deste trabalho é desenvolver um circuito utilizando microprocessadores para aquisição e
processamento do sinal, com maior velocidade de resposta e precisão. Projetar filtros
eletrônicos e ópticos para aumentar a relação sinal ruído e melhor o sinal de resposta do
sensor e, conseqüentemente, obter melhor precisão.
Portanto, ficou demonstrado que utilizando fibra óptica plástica e um material
fluorescente foi possível construir um transdutor de temperatura, compacto, flexível e
até com múltiplas funções para aplicação em biomédica. Provendo biocompatibilidade e
miniaturização para registrar temperatura fisiológica (35°C a 50°C) utilizando uma
técnica relativamente simples e podendo ser adaptado para utilização em outras
aplicações, observando o limite de temperatura suportado pela fibra óptica plástica
(-40ºC a 80ºC) - embora existam no mercado fibras ópticas plásticas que suportam
faixas de temperaturas maiores.
107
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th
, pp. 93-96. 29-31, City
University, England, January.
113
Apêndice A
TABELAS
Tabela A.1: Resultados do sensor óptico com fibra verde fluorescente de 2,24 cm.
Temperatura (°C) Potência óptica (CH1/CH2)
60 1,5840 +/- 0,0009
54 1,6065
51 1,6192
48,5 1,6286
46 1,6363
43,5 1,6445
41 1,6531
39 1,6629
37 1,6641
33,5 1,6798
30,5 1,6922
Tabela A.2: Propriedades selecionadas de fibras ópticas usadas em sensores. Adaptada de Fernando
(2002).
Property Chalcogenide Fluoride Saffire AgBr/Cl Silica PMMA
Wavelength
range
attenuation
3-10 µm
3300-1000 cm
-1
0.5 dB/m at 6
µm
0.5-4.3 µm
20000-2325 cm
-
1
0.02 dB/m at 2.6
µm
0.2-4 µm
50000-2500 cm
-
1
20 dB/m at 3
µm
3.3-15 µm
3000-667 cm
-1
0.7 dB/m at 10.6
µm
0.2-4 µm
50000-2500 cm
-
1
0.2 dB/m at 1.5
µm
0.4-0.8 µm
1 dB/m at 800
nm
0.1 dB/m at 600
nm
Refractive index
2.9 1.51 1.7 2.0 1.458 1.492
Max. use
temperature
300°C 250°C >1500°C 400°C 800°C 80°C
Approx. price
(USD, Oct
1998)
$102/m --- $1020/m $340/m ~1$m
(depending on
wavelength)
<$1/m
Density 4400 Kg m
-3
4610 Kg m
-3
3970 Kg m
-3
--- 2200 Kg m
-3
1190 Kg m
-3
Young’s
modulos
21 GPa 56 GPa 414 GPa --- 73 GPa 3.3 GPa
Coefficient of
thermal
expansion
14 X 10
-6
K
-1
18.7 X 10
-6
K
-1
8.8 X 10
-6
K
-1
--- 0.54 X 10
-6
K
-1
260 X 10
-6
K
-1
114
Apêndice B
Fibra óptica plástica fluorescente de 1 mm de diâmetro (cor verde)
115
116
Apêndice C
Certificado de calibração do instrumento usado como padrão
nas medições de temperatura
117
118
119
120
121
Apêndice D
Programação em LabView 7.0 Express desenvolvida para o Instrumento Virtual
122
GeraPulsos-Dissertação-01-v01.vi
123
Aquisição-Dissertação-01-v01.vi
124
ProgTemp-Dissertação-01-v01.vi
125
Apêndice E
Trabalhos apresentados em congressos
12
th
International Conference on Polymer Optical Fiber, pp. 282-285, Seattle, WA, USA,
September 2003.
14
th
International Conference on Polymer Optical Fiber, pp. 291-294, Hong Kong,
Tsimshatsui, China, September 2005.
126
The 12th International Conference on Polymer Optical Fiber
Fluorescent plastic optical fibers for temperature monitoring
R. M. Ribeiro,
*
L. A. Marques-Filho and M. M. Werneck
Laboratório de Instrumentação e Fotônica/COPPE
Universidade Federal do Rio de Janeiro
21.945-970 Rio de Janeiro/RJ Brasil
Monitoring of temperature is useful for the
electrical power industry and physiological
applications. We report preliminary results on
the characterization measurements of
commercial blue-green fluorescent plastic optical
fibers (FPOFs) when pumped with a blue (465
nm) ultra-bright light-emitting diode (LED) for
temperature sensing. Intensity, wavelength shift
and fluorescence decay-time as modulation
techniques are investigated. Temperature
measurement resolution of ± 0.3
0
C was achieved
but with an intensity-based sensor. A
fluorescence decay-time faster than 100 ns was
measured. High-temperature plastic optical fibers
(POFs) issue is also briefly addressed because of
the imposed limitations.
* Also with the Departamento de Engenharia
Eletrônica & Telecomunicações of Universidade
Católica de Petrópolis (UCP) and Universidade
do Estado do Rio de Janeiro (UERJ).
e-mail: [email protected]
1) Introduction
Fluorescent plastic optical fibers
(FPOFs) are made up of a cladding and of a
higher refractive index polystyrene core doped
during manufacturing with fluorescent dyes
where light may be guided. Provided it has
correctly pumped with high energy photons, the
fiber produces the excitation of the dyes. The de-
excitation of the dopants induces accordingly an
emission of photon with a longer wavelength. A
fraction of this fluorescence light remains
trapped in the fiber and is guided toward each
end. The fluorescent fibers are sensitive to the
visible light (for instance blue) and emit light of
higher wavelength than the incident light. They
are also called wavelength shifter fibers.
FPOFs and scintillating fibers have
been used as radiation detectors in high-energy
physics [1], ambient lightning determination,
partial discharge detection, optical potentiometer
(position measurement), gauge determination or
position of an object, intrusion detection, high
energy X-ray detection [2], water quality
monitoring [3] and much more.
For the power industry, optical fiber
sensor offers a large number of advantages over
conventional sensor. Most important is the high
immunity to electromagnetic interference, a
strong requirement for sensing in electromagnetic
contaminated environments, e.g. RF-field and in
power lines. Since these sensors are inherently
electrically insulated system and external power
is not required for their operation, they can work
at high electrical potentials and in potentially
explosive environments. Fiber optic sensor can
be made as small and compact devices.
D. Persegol and co-workers [4] describe
a POF-based temperature extrinsic sensor in the
range –20
0
C to +120
0
C with an accuracy of ± 2
0
C for early detection of faults in medium-
voltage (36 kV) substations. However they used
heavily-doped ruby powder packaged in the high-
T POF end as fluorescent material pumped with a
green LED. The fluorescence peaking at 694 nm
wavelength features a long-decay time of 2-4 ms.
Grattam and Kalyminios describe [5] a
number of possible applications of FPOFs
including mean ambient lighting, detection of
partial discharges providing a mechanism for
monitoring faults in electrical circuits and
switches and temperature sensing. However they
describe difficulties in the use of FPOFs for
temperature sensing because of its fast relaxation
time (< 100 ns) of fluorescence.
Despite of such non-encouraging
prescription, we decided to investigate FPOFs as
temperature sensors because of the following
reasons:
1 - The fluorescence based sensor offer the
advantage of a near-zero background, because
the wavelength of the emitted light is always
larger than that of the excitation light, which
makes then in principle much more sensitive and
error immune than those that change only the
absorption when the temperature varies [6].
2 – Large numerical aperture (> 0.50).
127
3 – Commercially available at low cost – can
be used as disposable probes.
4 – Geometrically compatible with standard
POFs that can be used as light guide – FPOFs are
also robust, flexible, easily cut, finished and
connected with other plastic fibers.
5 – Require low cost passive and active
components as couplers, connectors, adapters,
LEDs, etc that in some cases may be home
manufactured.
In this paper we describe preliminary results on
characterization measurements of commercial
blue-green fluorescent FPOFs when pumped
with a commercial blue (465 nm) ultra-bright
light-emitting diode (LED) for temperature
quasi-intrinsic sensing. Some high-temperature
POFs that had been disclosed in the literature
are also briefly discussed because of its
imposed limitations for temperature sensing.
2) Results and discussions
Figure 1(a) and (b) shows measured
spectra of blue LED and the blue-green FPOF
fluorescence respectively.
Figure 1. Spectra of the blue LED (a) and blue-green FPOF
fluorescence (b).
It can be seen an overlap between the
blue excitation peaking at 465.0 nm and the blue-
green emission spectra peaking at 495.8 nm.
Comparison of both spectra shows a Stokes shift
of 30.8 nm. A sharp cut for FPOF at shorter
wavelengths is observed from (b). The overlap
effect induces further fluorescence attenuation in
the fiber due to self-absorption.
Figure 2 shows the wavelength peak
λ
fluor
shift of the fluorescence spectra as function
of the FPOF length (L
FPOF
)
using the cut-back
method. The end coupling method was used to
launch the pumping light into the FPOF from a
light-guiding PMMA POF. Similar result is
achieved when the light is laterally launched into
the FPOF from the PMMA POF.
After a linear regression it can be calculated a
sensitivity of 1.095 nm/cm and extrapolates λ
fluor
= 493.3 nm as wavelength peak for a null length
FPOF. Because the FPOF operates as a cut-edge
spectral filter [2] one can tune its fluorescence
wavelength peak (around 500 nm) by changing
its length with the calculated 1.095 nm/cm
sensitivity. The λ
flour
shifts to longer wavelengths
as L
FPOF
increases. This happens because lower
wavelengths of the propagating spectrum are
highly attenuated due to self-absorption [7].
Figure 3 shows the fluorescence spectra
of FPOF as function its temperature T for L
FPOF
= 2.24 cm. Measurements were done for six
different temperatures from ambient to 65
0
C.
Figure 2. Wavelength peak λ
fluor
shift of the blue-green
fluorescence as function of the FPOF length L
FPOF
.
128
Figure 3. Fluorescence spectra of FPOF as function of its
temperature T with L = 2.24 cm.
Measurements shown at Figure 3 were
made by scanning the fluorescence spectra with a
diffraction-grating based monochromator with ~
1nm resolution. It clearly shows that none
spectral dependence with temperature can be
observed, except the intensity level.
Figure 4 shows the fluorescence power P
fluor
as
function of FPOF temperature T for L
FPOF
= 2.24
cm.
From the slope of the straight line
shown at Figure 4 (sensitivity) and taking into
account the used instrumentation resolution
(vertical axis) one could deduce a temperature
resolution of ± 0.3
0
C. None drift was observed
at least for short-time measurements. The
sensitivity and resolution was reproducible but
the precision was very poor. The later was
mainly due to the non-linear dependence
between the FPOF fluorescence P
fluor
and the
pump power P
pump
.
Optical pulses of 50 ns duration from
the LED were generated thus pumping the FPOF
with L
FPOF
= 2.24 cm at room temperature.
Oscilloscope trace (not shown here) of the
Figure 4. Fluorescence power P
fluor
as function of FPOF
temperature T for L
FPOF
= 2.24 cm.
convolved fluorescence and pump
pulses is observed simultaneously. An
exponential-like fluorescence signal is with a
typical relaxation time of 100 ns. Because the
weakness of the fluorescence signal, the FPOF
end was directly coupled to the fast photodiode.
The electric signal from such photodiode was
amplified by using a fast amplifier. Due to
practical reasons it was not possible to change
the FPOF temperature. No attempt was made to
de-convolve the fluorescent signal but we can
conclude that its decay time is < 100 ns.
3) High-temperature POFs
Plastic materials cannot withstand high
temperatures as much as glasses. POFs and
FPOFs usually can operate up to 70-85
0
C.
However, some specials POFs have been
developed mainly for harsh environment as in
car networks applications. Table 1 shows some
high-T POF data presented in previous
International POF Conferences. Some of these
POFs can be used for measurement of higher
temperatures.
4) Concluding remarks
Some preliminary experimental results
of a single-point temperature sensor based on
the fluorescence of a commercial blue-green
FPOF pumped with blue ultra-bright LED are
presented. Wavelength-modulated sensor is not
temperature sensitive. Intensity-modulated
sensor has shown a reproducible temperature
resolution of ± 0.3
0
C but with an unreliable
precision. Tested FPOFs has shown weak
fluorescence signal with a typical relaxation
time of < 100 ns at room temperature.
However, FPOFs could have potential as
sensor based on the fluorescence emission
decay-time temperature dependence. Tailoring
the FPOF parameters as the dye doping
concentration can affect its fluorescence
intensity/lifetime and temperature sensitivity.
Furthermore, although still expensive,
commercially available powerful blue-violet
diode lasers can efficiently pump the FPOFs.
Other commercial FPOFs and pump LEDs also
would have to be tested.
The major drawbacks of polymer
optical fibers are their restricted temperature
range. However many applications do not exceed
a temperature of more than 100
0
C. The
relatively high losses in POFs, are usually not a
limiting factor. Problem like cross sensitivity
and long-term stability also have to be taken into
129
account. However, these limitations must be
handled by every type of sensing technology,
and they are not specific property of POF-based
sensors.
Table 1. Some high-T POF data presented in previous International POF Conferences
POF material Maximum
T (
0
C)
T
g
(
0
C)
Loss (dB/m) Manufacturer
PMMA 85 100 0.14-0.18 (660 nm) Mitsubishi
Rayon Co.
[8]
Silicone resin 150 - - -
[9]
- 115 - - -
[6]
- 145 - 0.38-0.42 (660 nm) Furukawa
Electric
[9]
ARTON
TM
150 171 The same of PMMA at
525 nm
Fujitsu and
Japan Synthetic
Rubber
[10]
Co-polymer of
MMA and iso-
propylmaleimide
125 135 0.25
(650 nm)
Toray Industries
[11]
Polycarbonate > 125 - 0.6-1.0
(660-820 nm)
Asahi Chemical
Ind.
[12]
FH4001 Eska
TM
> 120 - - Mitsubishi
Rayon
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st
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(1992).
130
The 14th International Conference on Polymer Optical Fiber
Simple and low cost temperature sensor using the ruby fluorescence and
plastic optical fibres
R. M. Ribeiro,
*
L. A. Marques-Filho and M. M. Werneck
Laboratório de Instrumentação e Fotônica/COPPE
Universidade Federal do Rio de Janeiro
21.945-970 Rio de Janeiro/RJ Brasil
Temperature sensing is useful for the electrical power industry and physiological applications. We report
the development of a temperature sensor prototype using the ruby fluorescence when pumped by an ultra-
bright blue or green light-emitting diode (LED). Only one fibre-probe made from standard or high-
temperature plastic optical fibre (POF) is used for propagating the pump and fluorescent signals.
Reproducible temperature measurement in the range 30-70
o
C was achieved with ~1
o
C resolution.
* Also with the Departamento de Engenharia Eletrônica & Telecomunicações of Universidade do Estado
do Rio de Janeiro (UERJ). e-mail: [email protected]
1) Introduction
Optical fibre sensors offer a large number of advantages over conventional sensors such as high
immunity to electromagnetic interference, electrical isolation and the absence of metallic parts, a strong
requirement for sensing in electromagnetic contaminated environments, e.g. RF/microwave. The sensor
probes are inherently electrically insulated system and external power is not required for their operation,
they can work at high electrical potentials and in potentially explosive environments. It can be made as
lightweight, compact, disposable of low cost and is highly chemically inert even against corrosion.
The fluorescence based sensors offer the advantage of a near-zero background, because the
wavelength of the emitted light is always larger than that of the excitation light, which makes then in
principle much more sensitive and error immune than those that change only the absorption when the
temperature varies [1]. Previously, experiments with commercial polystyrene fluorescent fibres as
temperature sensor were done [2]. Although it features some advantages as compatibility with standards
POFs, a weak fluorescence signal with time-decay < 100 ns was measured, thus requiring a much
complex electronics. Furthermore, the polystyrene can withstand only up to ~70
o
C thus limiting it
usefulness for the electrical energy industry. Ruby has been used for fluorescence thermometry. It is of
low cost, easily available, POF compatible, requires low cost source (blue or green ultra-bright LEDs), Si-
based photodetection and simple electronics because of strong intensity and long lifetime of fluorescence
signal. The fluorescence peaking at 694 nm wavelength features a long-decay time of 2-4 ms. D. Persegol
and co-workers [3] describe a POF-based temperature sensor in the range –20
0
C to +120
0
C with an
accuracy of ± 2
0
C for early detection of faults in medium-voltage (36 kV) substations. They used
heavily-doped ruby powder packaged in the high-T POF end as fluorescent material pumped with a green
LED. Two POFs-probe were used, one for pumping the ruby and the other for bring the fluorescence back
to the photodetector.
In this paper we describe the temperature sensor prototype development based on the ruby
crystal and a one-probe-POF for “low” and “high” temperatures. Low cost passive and active components
as couplers, connectors, adapters, LEDs, etc were used. Ruby crystals are geometrically compatible with
standard POFs and even after cutting and polishing it remains at low cost.
2) The prototype
Figure 1 show the top view picture of the temperature sensor prototype (conditioning equipment)
where the key components are assigned. The LED package was polished almost reaching the
semiconductor chip thus maximizing the light caption. Light launching was made through butt-coupling
the polished LED and a carefully terminated POF. Optical pulses of 32 ms time-width from the LED were
generated thus pumping the ruby crystal at 15.6 Hz. A miniature 1x2 POF-coupler is used to send pump
pulses toward the ruby crystal glued at the end of the POF-probe and to collect the fluorescence toward
the Si-photodetector.
131
Figure 1. Top view picture of the temperature sensor prototype (conditioning equipment).
Figure 2 show the picture of the one-POF-probe with ~4 mm diameter. The POF was terminated
at the other end with a standard HP plastic connector. With this configuration, it can be detached from the
conditioning equipment box. The fluorescence response from the crystal, passing through the same POF,
was conveyed into the other port of the coupler. Due to the back reflections at the many optical interfaces,
the fluorescent signal could have been buried under the intense excitation signal. Thus, in order to avoid a
saturation of the detection stage and to enable the fluorescence response to be detected exclusively, a red
long-pass filter was placed before the Si photodiode. The electrical signal generated from the photodiode
is amplified and processed.
Figure 2. Picture of the miniaturised POF-probe with hemi-spherical ruby crystal.
3) Results and discussions
Figure 3 show in the top the oscilloscope trace of the square shape pump pulses. Bottom traces
show the fluorescence signal at room temperature clearly exhibiting an exponential time-decay.
photodetectord
driver circuit and
LED
filter
optical input/output
receiver electronics
electrical output connector
4mm diameter
POF-ruby probe
HP plastic connector
132
Figure 3. Oscilloscope traces of pump (top) and fluorescent (bottom) light signals at room temperature (23
o
C).
A simple model suggested in Figure 3 of one-channel decay may be assumed as I(t) = I
0
exp[-
t/t(T)]. Figure 4 show the measurements of fluorescence time-decay t against the temperature T with a
typical relaxation time of 4.0-5.0 ms.
Figure 4. Fluorescence time-decay against the temperature T.
From the straight line slope shown at Figure 4 the sensitivity is calculated to be 22.5 µs/
o
C
corresponding to an estimated temperature resolution of ~1
0
C. A sensitivity of 9 µs/
o
C has been reported
in the literature. However, our sample presented a larger sensitivity probably due to the reabsorption
phenomena [3].
Plastic materials cannot withstand high temperatures as much as glasses. Standard POFs usually can
operate up to 70-85
0
C. However, some specials POFs have been developed mainly for harsh environment
as in car networks applications. Some of those “high-temperature” POFs had been disclosed in the
literature but still impose severe limitations for temperature sensing [2].
Table 1 show the attenuation given by the manufacturer for three POFs [4] corresponding to
centre wavelengths of blue/green LEDs and ruby R-line (694 nm).
470 nm 525 nm 694 nm
EH4001 (datacom-grade)
~ 0.10 dB/m ~ 0.10 dB/m > 0.40 dB/m
DH4001 (heat-resistant, 115
o
C)
0.95 dB/m 0.48 dB/m 0.40 dB/m
FH4001 (heat-resistant, PC core, 125
o
C)
4.00 dB/m 2.70 dB/m 1.30 dB/m
Table 1. Attenuation of three POFs at some key wavelengths. PC = polycarbonate.
From Table 1 one can see that the EH4001 POF-probe attenuation is the same despite the use of
blue or green LED regarding a maximum temperature of 85
o
C for which this POF can withstand.
Table 2 comparatively shows the attenuations for 10m of POF-probe length when a maximum
temperature of 110
o
C is allow to be reached.
470 nm (pump) and 694nm (fluorescence) 525 nm (pump) and 694nm
(fluorescence)
EH 4001
1.0 + 4.0 = 5.0 dB 1.0 + 4.0 = 5.0 dB
DH4001
9.5 + 4.0 = 13.5 dB 4.8 + 4.0 = 8.8 dB
FH4001
40.0 + 13.0 = 53.0 dB 27.0 + 13.0 = 40.0 dB
Table 2. Attenuation for 10 m of POF-probe for each of the pump wavelength.
133
DH4001 and FH4001 can withstand up to 115
o
C and 125
o
C, respectively. However, our choice
as “high temperature” POF-probe was the heat resistant-grade DH4001 (1 mm core with black XPE
jacket) because it features total attenuation of 8.8 dB that is much smaller than 40.0 dB presented by
FH4001 regarding the green LED as the excitation light source.
4) Concluding remarks
Some preliminary experimental results of a simple and low cost single-point one-probe-POF
temperature sensor prototype based on time-decay of the ruby fluorescence pumped with blue (or green)
ultra-bright LED is presented. The major drawbacks of polymer optical fibres are their restricted
temperature range and relatively high losses. However many applications do not exceed a temperature of
more than 100
0
C and requires < 10m sensing distance. The best choice for temperatures up to 115
o
C was
the DH4001 as the POF-probe pumped with green LED. The developed prototype is quite compatible
with a 1mm-core silica fibre or a hybrid POF + silica fibre-probe where the later may be put in contact
with the hot surface to be sensed.
Acknowledgements: We would like to thank the Furnas Centrais Elétricas for the financial support of this research.
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[1] K. Asada and H. Yuuki, “Fiber optic temperature sensor”, 3
rd
POF’94, p. 49-51, Yokohama, Japan (1994).
[2] R.M.Ribeiro, L.A. Marques-Filho and M.M. Werneck, “Fluorescent plastic optical fibers for temperature monitoring”, 12
th
POF’03, p. 282-285, Seattle, USA (2003).
[3] D. Persegol, J.L. Lovato and V. Minier, “Thermal diagnosis of medium voltage switchboards: a cost-effective multi-point POF
sensor”, 8
th
POF’99, p. 256-259, Chiba, Japan (1999).
[4] Mitsubishi Rayon Company, www.mrc.co.jp.
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