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INSTRUMENTO PARA MEDICAO DE INDICE DE REFRACAO
A FIBRA OPTICA PLASTICA BASEADO EM TECNOLOGIA
DE SMARTPHONE
Louise Martins Nogueira Landi
Projeto de Graduacao apresentado ao Curso
de Engenharia Eletronica e de Computacao
da Escola Politecnica, Universidade Federal
do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos
necessarios a obtencao do tıtulo de Enge-
nheira.
Orientador: Marcelo Martins Werneck
Rio de Janeiro
Setembro de 2017
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
Escola Politecnica - Departamento de Eletronica e de Computacao
Centro de Tecnologia, bloco H, sala H-217, Cidade Universitaria
Rio de Janeiro - RJ CEP 21949-900
Este exemplar e de propriedade da Universidade Federal do Rio de Janeiro, que
podera incluı-lo em base de dados, armazenar em computador, microfilmar ou adotar
qualquer forma de arquivamento.
E permitida a mencao, reproducao parcial ou integral e a transmissao entre bibli-
otecas deste trabalho, sem modificacao de seu texto, em qualquer meio que esteja
ou venha a ser fixado, para pesquisa academica, comentarios e citacoes, desde que
sem finalidade comercial e que seja feita a referencia bibliografica completa.
Os conceitos expressos neste trabalho sao de responsabilidade do(s) autor(es).
iv
Aos meus pais, Ricardo e Irenice,
que sempre me apoiaram em todos
os momentos da minha vida.
v
AGRADECIMENTO
Primeiramente, gostaria de agradecer a toda minha famılia, em especial aos meus
pais. Nao ha como descrever tudo que eles fizeram e tem feito por mim ao longo da
minha vida. Todas as minhas conquistas so foram possıveis gracas ao apoio deles.
Ao meu namorado, Raphael, pela compreensao e apoio durante o projeto. Obri-
gada por transformar os dias difıceis em dias mais leves e felizes ao seu lado.
Um agradecimento especial aos meus amigos conquistados ao longo da faculdade.
Obrigada Tharsus e Gabriel pelo prazer de conhece-los e dividir um pouco com voces
as grandes dificuldades do caminho que escolhemos. Agradeco tambem as minhas
amigas Lethicia e Patricia, principalmente por toda a amizade e apoio nos momentos
que mais precisei, tanto aqui como na Irlanda.
Aos meus amigos de Teresopolis Roberta, Juliana, Isis, Thiago, Emilia, Camila,
Pedro e Carol. Obrigada por voces serem exatamente do jeito que sao e pela com-
preensao da minha ausencia nos momentos onde ela foi necessaria.
Ao meu orientador, Marcelo Werneck, pela orientacao ao longo do projeto, per-
mitindo que eu concluısse mais esta etapa em minha vida. A toda equipe do LIF,
em especial Cesar e Alex pelo apoio e suporte durante o projeto. O apoio de todos
voces foi fundamental.
Deixo tambem minha gratidao a todos os professores e funcionarios que de alguma
forma me ajudaram ao longo de toda essa trajetoria.
vi
RESUMO
Sensores sao amplamente utilizados na monitoracao de mudancas em ambientes
de diversas areas para garantir o correto funcionamento de muitos processos fun-
damentais. Nos ultimos tempos, a demanda pelo desenvolvimento de dispositivos
de medicao mais simples, rapidos e de baixo custo aumentou, principalmente para
aplicacoes relacionadas a saude e ao monitoramento ambiental. Este fato aliado
ao crescente numero de dispositivos moveis portateis com conectividade com a in-
ternet, cameras de alta resolucao, CPUs de alto desempenho tem impulsionado o
desenvolvimento de dispositivos de sensoriamento adequados para aplicacoes fora do
laboratorio, sem instrumentos dedicados e condicoes especıficas.
A integracao de equipamentos biossensores nestes dispositivos inteligentes com o
fim de torna-los aptos para o sensoriamento de bacterias e uma abordagem promis-
sora para a saude publica e protecao ambiental. Desta forma, se faz necessario o
estudo de solucoes alternativas aos metodos convencionais de deteccao. Neste sen-
tido, o objetivo deste projeto e a criacao de um instrumento de medicao a fibra
optica baseado em tecnologia de Smartphone, cuja finalidade e a medicao de ındices
de refracao de lıquidos.
Palavras-Chave: Indice de Refracao, Fibras opticas, Smartphone, Suporte, Medicao,
Instrumento.
vii
ABSTRACT
Sensors are widely used for monitoring changes in environments from many areas
in order to ensure the operation of many fundamental processes. In recent times,
the demand for the development of simpler, faster and low-cost measuring devices
has increased, especially for health-related applications and environmental monito-
ring. This allied to the increasing number of portable mobile devices with internet
connectivity, high resolution cameras, high performance CPUs have driven the deve-
lopment of sensing devices suitable for applications outside the laboratory, without
dedicated instruments and specific conditions.
The integration of biosensors equipment into these intelligent devices in order to
make them suitable for the sensing of bacterias is a promising approach to public
health and environmental protection. Thus, it is necessary to study alternative
solutions to conventional methods of detection. In this sense, the objective of this
project is the creation of an optical fiber measuring instrument based on Smartphone
technology, whose purpose is the measurement of refractive indexes in liquids.
Key-words: Refractive Index, Optical fibers, Smartphone, Support, Measurement,
Instrument.
viii
SIGLAS
ABS - Acrilonitrila Butadieno Estireno
ACID - Atomicidade, Consistencia, Isolamento e Durabilidade
BD - Banco de Dados
CSV - Comma-Separated Values
IP - Internet Protocol
LED - Light Emitting Diode
LIF - Laboratorio de Instrumentacao e Fotonica
OpenCV - Open Source Computer Vision Library
POF - Plastic Optical Fiber
RI - Refractive Index
SGBD - Sistema Gerenciador de Banco de Dados
SQL - Structured Query Language
TCP - Transmission Control Protocol
UFRJ - Universidade Federal do Rio de Janeiro
UI - User Interface
VO - Value Object
XML - Extensible Markup Language
ix
Sumario
1 Introducao 1
1.1 Tema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Delimitacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Justificativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.4 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.5 Revisao Bibliografica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.6 Metodologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.7 Organizacao do Documento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2 Fundamentos Teoricos 8
2.1 Fibras Opticas Plasticas (POF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.1 Estrutura das Fibras Opticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.2 Fibras Opticas Monomodo e Multimodo . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Princıpio de Funcionamento das Fibras Opticas . . . . . . . . . . . . 11
2.2.1 Indice de Refracao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.2 Fenomeno da Refracao da Luz . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.3 Fenomeno da Reflexao Total da Luz . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.4 Abertura Numerica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3 Princıpio de Funcionamento do Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3 Materiais e Metodos 18
3.1 Dispositivo Movel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.2 Fabricacao do Suporte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2.1 Primeira Versao - 1.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2.2 Segunda Versao - 2.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
x
3.2.3 Versao Final - 3.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.3 Fabricacao da Regiao Sensora da Fibra em Formato de U . . . . . . . 26
3.4 Sistema de Medicao Proposto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.4.1 Filtro de Potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.5 Calibracao do Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4 Desenvolvimento do Aplicativo 35
4.1 Tecnologias Utilizadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.1.1 Banco de Dados (SQLite) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.1.2 Biblioteca OpenCV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.2 Funcionalidades do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.3 Modelagem do Banco de Dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.4 Estrutura de Classes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.4.1 Pacote Activity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.4.2 Pacote Service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.4.3 Pacote Database . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.4.4 Pacote Vo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.4.5 Pacote Util . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.4.6 Pacote Exception . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.5 Processo de Medicao de Indices de Refracao . . . . . . . . . . . . . . 44
4.5.1 Processamento das Imagens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.6 Interface com o Usuario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.6.1 Medicao de Indices de Refracao . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.6.2 Configuracao do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.6.3 Exportacao das Medicoes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5 Resultados e Discussoes 58
5.1 Experimentos para Calibracao do Instrumento . . . . . . . . . . . . . 58
5.1.1 Calibracao Utilizando a Segunda Versao do Suporte . . . . . . 58
5.1.2 Calibracao Utilizando a Versao Final do Suporte . . . . . . . . 60
5.2 Verificacao da Repetibilidade do Instrumento . . . . . . . . . . . . . . 63
5.3 Verificacao de Histerese do Instrumento . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.4 Medicao de Indices de Refracao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
xi
5.5 Verificacao da Estabilidade da Luz Emitida pelo LED do Flash . . . . 68
6 Conclusao 71
Bibliografia 74
xii
Lista de Figuras
2.1 Estrutura de uma fibra optica [7]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Fibra monomodo [8]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3 Fibra multimodo [8]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.4 Fenomeno da refracao. Adaptado de [10]. . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.5 Fenomeno da reflexao total. Adaptado de [10]. . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.6 Representacao da luz guiada utilizando a lei de snell [10]. . . . . . . . . . 14
2.7 Representacao do angulo de aceitacao [10]. . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.1 Dispositivo movel: ASUS Zenfone Selfie (modelo Z00UD). . . . . . . . . . 18
3.2 Vistas isometricas da primeira versao do suporte. . . . . . . . . . . . . . 19
3.3 Vistas frontal e traseira da primeira versao do suporte. . . . . . . . . . . 20
3.4 Vistas isometricas da segunda versao do suporte. . . . . . . . . . . . . . 21
3.5 Vistas frontal e traseira da segunda versao do suporte. . . . . . . . . . . 22
3.6 Modelo da ultima versao do suporte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.7 (a) Modelo da peca tampa. (b) Modelo da peca base. (c) Modelo da peca
encaixe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.8 Dimensoes da peca base do suporte (Versao Final). . . . . . . . . . . . . 24
3.9 Dimensoes da peca tampa do suporte (Versao Final). . . . . . . . . . . . 25
3.10 Dimensoes da peca encaixe do suporte (Versao Final). . . . . . . . . . . . 25
3.11 Pecas da ultima versao do suporte apos impressao 3D. . . . . . . . . . . . 26
3.12 (a) Ferramenta utilizada para produzir fibras curvadas. (b) Destaque da
area referente ao molde da ferramenta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.13 (a) Lamina de corte. (b) Fibra apos clivagem. . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.14 Equipamento utilizado para polir fibras opticas. . . . . . . . . . . . . . . 28
3.15 Fibras opticas fixadas na peca encaixe do suporte. . . . . . . . . . . . . . 29
3.16 Sistema de medicao proposto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
xiii
3.17 (a) Sistema de medicao. (b) Aproximacao da regiao de sensoriamento do
sistema de medicao. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.18 (a) Vista frontal do suporte com as fibras fixadas. (b) Vista traseira do
suporte com as fibras fixadas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.19 Esquema do suporte com filtro de potencia. . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.20 (a) Balanca de precisao utilizada para medir a sacarose. (b) Agitador
utilizado para misturar a sacarose na agua. . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.21 Refratometro utilizado para medir ındices de refracao. . . . . . . . . . . . 34
4.1 Diagrama de casos de uso do sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.2 Modelo do banco de dados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.3 Diagrama de sequencia da medicao de ındices de refracao. . . . . . . . . . 45
4.4 Etapas da deteccao das fontes de luz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.5 Tela inicial do aplicativo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.6 (a) Configuracao do foco manual. (b) Configuracao da velocidade do ob-
turador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.7 Tela de medicao com passos destacados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.8 (a) Passo para medir correcao destacado. (b) Aba com resultado da correcao. 52
4.9 (a) Passo para medir ındice de refracao destacado. (b) Aba com resultado
da medicao. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.10 (a) Passo para tela de configuracao destacado. (b) Tela de configuracao. . 55
4.11 (a) Passo para tela de exportacao destacado. (b) Tela de exportacao. . . . 56
4.12 Arquivos exportados na pasta do Dropbox. . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.13 Arquivo exportado aberto no excel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.1 Comparacao entre duas calibracoes utilizando a segunda versao do suporte. 59
5.2 Calibracao utilizada no projeto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.3 Calibracao utilizando outra abordagem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.4 Comparacao entre curvas de calibracao de diferentes dias. . . . . . . . . . 64
5.5 Histerese do instrumento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.6 Variacao da intensidade nas medicoes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.7 Esquema montado para verificacao da estabilidade da luz do flash. . . . . 69
5.8 Tensao da luz emitida pelo LED do flash ao longo do tempo. . . . . . . . 69
xiv
5.9 Aproximacao da regiao de transicao. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
xv
Lista de Tabelas
3.1 Valores de referencia das concentracoes de sacarose. . . . . . . . . . . 32
4.1 Organizacao das classes nos pacotes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
5.1 Valores de referencia para os ındices de refracao medidos pelo re-
fratometro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.2 Valores dos fatores entre as intensidades medidos pelo aplicativo. . . . 61
5.3 Valores dos fatores entre as intensidades medidos pelo aplicativo uti-
lizando outra abordagem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.4 Valores dos ındices de refracao medidos pelo refratometro e pelo apli-
cativo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
xvi
Capıtulo 1
Introducao
Neste capıtulo e feita a apresentacao do projeto, que foi realizado no Laboratorio
de Instrumentacao e Fotonica (LIF) da Poli-Coppe/UFRJ. Primeiramente, a secao
1.1 define o assunto deste trabalho. Na secao 1.2, sao especificados os limites de
atuacao e escopo. Em seguida, a secao 1.3 apresenta a justificativa e motivacao. Em
1.4 os objetivos gerais e especıficos sao descritos. Uma breve revisao bibliografica
e apresentada na secao 1.5. Posteriormente, na secao 1.6 e descrita a estrategia
adotada para atender ao objetivo deste trabalho. Finalmente, toda a estrutura
deste documento e detalhada na secao 1.7.
1.1 Tema
O tema deste trabalho e a utilizacao de fibras opticas acopladas a um Smartphone
atraves de um suporte tendo em vista a medicao de ındices de refracao de lıquidos.
Neste sentido, o problema a ser resolvido e analisar a viabilidade do projeto atraves
da criacao de um aplicativo para Android e de um suporte para o Smartphone onde
fibras opticas possam ser encaixadas. O suporte devera ser fixado a parte posterior
do Smartphone e posicionado na direcao da camera e do flash. Dessa forma, o
aplicativo devera iluminar as fibras opticas com o flash e registrar imagens com o
objetivo de medir o ındice de refracao atraves do calculo da intensidade de luz nas
imagens.
1
1.2 Delimitacao
O projeto abrange a medicao de ındices de refracao de lıquidos em geral. A
substancia envolvida nas analises a serem realizadas neste projeto e a sacarose, mas
o processo para a realizacao dos experimentos com outras substancias e semelhante.
Dessa forma, surgem como extensao do projeto aplicacoes, tais como biossensores e
nanobiossensores que operam atraves da medicao de ındices de refracao.
A solucao implementada foi realizada para um Smartphone especıfico: ASUS
Zenfone Selfie (modelo Z00UD). Dessa forma, o suporte foi criado considerando as
dimensoes deste modelo e o funcionamento do aplicativo foi testado apenas para ele.
Alem disso, outras limitacoes no projeto decorrem da escolha deste modelo, como
o controle limitado da camera. Sendo assim, o projeto contem algumas particula-
ridades do modelo de Smartphone envolvido que nao necessariamente poderiam ser
aplicadas ou representariam a melhor escolha para outros dispositivos.
1.3 Justificativa
A utilizacao de sensores para a monitoracao de mudancas nos ambientes das mais
diversas areas e de extrema importancia para garantir o correto funcionamento de
muitos processos fundamentais. Nos ultimos tempos, a demanda pelo desenvolvi-
mento de dispositivos de medicao mais simples aumentou nao apenas para pesquisas
cientıficas, mas tambem para a solucao de problemas diarios. Dispositivos mais sim-
ples, de baixo custo e de rapida deteccao tem se tornado cada vez mais importantes
para aplicacoes relacionadas a saude e ao monitoramento ambiental [1].
No que diz respeito a saude, o combate as bacterias esta se tornando uma questao
cada vez mais importante, que ja deve contar com alguns ensaios de diagnostico dis-
ponıveis. Muitas vezes esses ensaios precisam ser de facil operacao e rapida resposta,
pois e fundamental para diversos ambientes que a deteccao de contaminantes seja
imediata, como para a qualidade da agua, diagnosticos clınicos e seguranca alimen-
tar. Alem disso, os metodos convencionais para a deteccao de patogenos dependem
de tecnicas classicas que requerem muito tempo pessoal e laboratorios especializados.
2
O crescente numero de dispositivos moveis portateis com conectividade com a in-
ternet, cameras de alta resolucao, telas sensıveis ao toque, memorias RAMs maiores
e CPUs de alto desempenho tem impulsionado o desenvolvimento de dispositivos
de sensoriamento adequados para aplicacoes fora do laboratorio, sem instrumentos
dedicados e condicoes de laboratorio para medicao, deteccao e analise.
Alem disso, a tecnologia optica surgiu recentemente no mercado permitindo o
desenvolvimento de novas tecnicas de deteccao biologica [2]. Como os dispositivos
moveis inteligentes podem ser considerados onipresentes, a integracao de equipa-
mentos biossensores nesses dispositivos com o fim de torna-los aptos para o sensori-
amento de bacterias e uma abordagem promissora para a saude publica e protecao
ambiental.
Desta forma, se faz necessario o estudo de solucoes alternativas aos metodos con-
vencionais de deteccao para que este problema possa ser solucionado de maneira
mais simples, rapida e de baixo custo. Apesar das motivacoes que fundamentam o
projeto, como a deteccao de patogenos, deve ser ressaltado que o escopo do projeto
leva em consideracao apenas a medicao de ındices de refracao de solucoes aquo-
sas em geral, especialmente com diferentes concentracoes de sacarose. Entretanto,
uma vez realizado para solucoes aquosas com sacarose, o conceito a ser utilizado
para solucoes aquosas com bacterias e o mesmo, mas com uma preparacao da fibra
especıfica para tal.
1.4 Objetivos
Considerando a necessidade de sensores mais praticos e portateis, o objetivo geral
e desenvolver uma solucao que atenda a essas demandas atraves da criacao de um
aplicativo para Android e de um suporte para celular com o fim de realizar medicoes,
em especial, de ındices de refracao de agua pura com diferentes concentracoes de
sacarose.
Desta forma, o sistema deve ter os seguintes objetivos especıficos:
3
• Criar um suporte para o dispositivo movel onde fibras opticas possam ser
encaixadas;
• Desenvolver um aplicativo capaz de iluminar as fibras e registrar e processar
imagens;
• Calcular e informar o ındice de refracao no aplicativo.
1.5 Revisao Bibliografica
Ao longo dos anos, as fibras opticas tem sido estudadas e aplicadas nas mais
diversas areas. Alem da sua importante aplicacao nos sistemas de comunicacoes, um
grande numero de aspectos fundamentais tambem as torna atrativas para pesquisas
teoricas [3]. Durante anos, os estudos estiveram mais concentrados nas fibras de sılica
devido as melhores propriedades para transmissao. Entretanto, o custo e a facilidade
no manuseio das fibras opticas plasticas tem impulsionado o avanco de pesquisas
relacionadas. Em especial, elas tem sido exploradas na area de sensoriamento.
Uma das areas estudadas para aplicacoes com fibras opticas consiste na deter-
minacao do ındice de refracao de lıquidos. O interesse nas medicoes de ındices de
refracao tem sido motivado por uma variedade de aplicacoes, tanto na area industrial
quanto cientıfica. Especificamente, uma variacao no ındice de refracao pode estar
associada a determinacao da concentracao de bacterias em agua, pois a presenca da
bacteria altera o valor do ındice de refracao na agua entre 1,33 e 1,39 [4]. Dentro
deste contexto, um imunossensor foi desenvolvido visando a deteccao da bacteria
Escherichia coli em um curto tempo, menos de 60 minutos. Os estudos realizados
comprovaram que sensores com as fibras dobradas sao muito mais sensıveis do que
sensores com as fibras esticadas [4].
Em particular, a melhoria na precisao das medidas dos ındices de refracao tambem
tem sido objetivo de pesquisas desenvolvidas [5]. Como a variacao no ındice de
refracao causada pela bacteria e pequena, a importancia na incerteza da medida
do sensor aumenta. Torna-se necessario que a incerteza seja tal que possam ser
identificadas pequenas mudancas na agua pela presenca das bacterias. Dessa forma,
4
trabalhos foram desenvolvidos com o objetivo de medir ındices de refracao da ordem
de grandeza de 10−4, valor ja informado por um refratometro [5].
Alem disso, nos ultimos anos, o aumento na demanda por dispositivos de deteccao
simples, leves, rapidos e de baixo custo aliado a evolucao dos dispositivos moveis
portateis, tem impulsionado pesquisas que visam aplicacoes fora do laboratorio. Um
dos estudos realizados apresenta um biossensor a fibra optica que utiliza a tecnica de
ressonancia de plasmons superficiais (SPR) baseado em tecnologia de Smartphone
como instrumento de deteccao [1].
A ressonancia de plasmons superficiais e um fenomeno fısico definido como a
ressonancia gerada pela interacao da luz com filmes finos metalicos [6]. A ressonancia
ocorre em determinados comprimentos de onda, onde parte do sinal e absorvida pelo
metal. O comprimento de onda para o qual a absorcao acontece e alterado de acordo
com a mudanca do ındice de refracao do ambiente onde o filme metalico esta inserido.
No estudo apresentado, foram utilizados tres canais (medicao, controle e re-
ferencia), cujas fibras foram iluminadas pelo flash em uma extremidade e detectadas
pela camera na outra. Os elementos sensores tiveram a casca removida e foram re-
vestidos com filme de ouro de 50 nm. Quando a amostra interagia com a regiao
sensıvel, a luz era absorvida devido a ressonancia de SPR.
Este trabalho tem como proposta a realizacao de um estudo similar a este, mas
que considera uma tecnica diferente da SPR, baseada na curvatura das fibras em
formato de U.
1.6 Metodologia
O sistema de medicao desenvolvido neste trabalho consiste em um suporte aco-
plado a um dispositivo movel com o fim de mensurar ındices de refracao em diferentes
concentracoes de sacarose. Inicialmente, foi criado um suporte com dimensoes ade-
quadas para alinhamento das extremidades das fibras conectadas a ele com o flash
e a camera na parte posterior do dispositivo movel. As fibras foram posicionadas de
5
forma que uma extremidade fosse iluminada pelo flash e a outra estivesse na direcao
da camera e pudesse ser capturada em imagens. Devido as dificuldades encontradas
no acoplamento do suporte ao dispositivo movel, o processo de criacao do suporte
foi iterativo envolvendo diversos prototipos ate a obtencao do resultado desejado.
O aplicativo foi desenvolvido na plataforma Android Studio e utilizou bibliotecas
nativas do Android para manipular a camera e bibliotecas de codigo aberto para o
processamento das imagens, como a OpenCV. As imagens obtidas registraram duas
fontes de luz, pois havia duas fibras opticas fixadas no suporte. Uma foi considerada
a referencia e, portanto, nao deveria ter perda na intensidade de luz. A outra foi a
responsavel pela medicao, devendo entrar em contato com a solucao de sacarose e
consequentemente ter perda na intensidade de luz. Por esse motivo, o aplicativo teve
que ser capaz de distinguir as diferentes fontes de luz e suas intensidades atraves do
processamento das imagens.
Alguns passos foram necessarios para a caracterizacao do elemento sensor antes
que as medicoes de ındices de refracao pudessem ser realizadas. Os prıncipios fun-
damentais nos quais o funcionamento do sensor e baseado tratam-se da interacao do
meio a ser medido com o campo evanescente do guia de onda e das mudancas provo-
cadas no guia quando a fibra optica e dobrada. Estudos realizados no Laboratorio
de Instrumentacao e Fotonica (LIF) comprovaram que os sensores com as fibras
dobradas sao mais sensıveis do que os sensores com as fibras esticadas [4]. Dessa
forma, as fibras passaram por um processo de preparacao onde foram dobradas em
forma de U com um equipamento de molde, clivadas com laminas de corte e polidas
com lixas d’agua.
Outra etapa importante foi a preparacao das concentracoes de sacarose para 15%,
25%, 30%, 45% e 52% de sacarose em agua. Em seguida, os ındices de refracao
foram medidos utilizando o refratometro para cada uma das concentracoes.
Apos a preparacao das fibras opticas, das concentracoes de sacarose e de posse
dos respectivos ındices de refracao conhecidos, foram realizados experimentos para
a calibracao do sensor, de forma a encontrar uma curva de calibracao que melhor
6
o caracterizasse. A partir disso, a curva de calibracao encontrada foi utilizada para
calcular o ındice de refracao de solucoes aquosas em geral.
E importante que sejam levados em consideracao possıveis problemas com o foco
da camera, a fonte de luz (flash) e eventuais dificuldades no calculo do ındice de
refracao devido a fatores externos. Dessa forma, o processo de medicao utilizando o
aplicativo tambem foi iterativo, envolvendo diversas versoes e testes.
1.7 Organizacao do Documento
No Capıtulo 2 sao discutidos fundamentos teoricos necessarios para a compre-
ensao do projeto. Sao apresentadas as fibras opticas plasticas e seu princıpio de
funcionamento, assim como o princıpio de funcionamento do sensor utilizado no
projeto.
O Capıtulo 3 descreve os materiais e metodos utilizados no projeto, como as etapas
envolvidas na fabricacao do suporte e na fabricacao da regiao sensora das fibras, o
sistema de medicao proposto e a metodologia utilizada na calibracao do sensor.
No Capıtulo 4 esta contido o desenvolvimento do aplicativo. Sao apresentadas
suas funcionalidades, modelagem do banco de dados, estrutura de classes, processo
de medicao e interface com o usuario.
Em seguida, o Capıtulo 5 apresenta uma sıntese dos resultados obtidos atraves de
testes do sistema.
Finalmente, o Capıtulo 6 sintetiza as conclusoes deste projeto, onde os resultados
obtidos sao comparados com os objetivos planejados.
7
Capıtulo 2
Fundamentos Teoricos
Este Capıtulo apresenta fundamentos teoricos relacionados as fibras opticas ne-
cessarios para a compreensao do projeto. A secao 2.1 define as fibras opticas plasticas
e a secao 2.2 descreve o seu princıpio de funcionamento. Em 2.3 e descrito o princıpio
de funcionamento no qual o sensor desenvolvido neste projeto se baseia.
2.1 Fibras Opticas Plasticas (POF)
A utilizacao e demanda por fibras opticas tem aumentado consideravelmente desde
a sua descoberta como meio de transmissao na decada de 1960 [3]. Apesar da
importante aplicacao das fibras aos meios de comunicacao, elas tambem tem sido
muito utilizadas em pesquisas teoricas e na area de sensores, como e o caso deste
trabalho.
As fibras opticas sao fabricadas a partir de vidro de sılica ou plastico transparente.
Durante muitos anos os estudos se concentraram mais nas fibras opticas de sılica,
embora as fibras opticas plasticas ja estivessem disponıveis. As perdas devido a
dispersao e absorcao limitam a distancia que a luz pode ser transmitida. Como as
propriedades de transmissao das fibras de sılica sao melhores que as das POFs, elas
normalmente sao escolhidas para longas distancias. Entretanto, as fibras de sılica
sao custosas, quebradicas e possuem diametros muito pequenos que dificultam as
conexoes [3]. Algumas vezes o tamanho do nucleo de uma POF e cerca de 100 vezes
maior do que de uma fibra de vidro. Por outro lado, as POFs sao mais baratas
8
e mais faceis de manusear, o que as torna adequadas para a utilizacao em curtas
distancias [3].
2.1.1 Estrutura das Fibras Opticas
As fibras opticas plasticas sao altamente flexıveis compostas por materiais dieletricos
praticamente transparentes. O material tradicionalmente utilizado no nucleo da fi-
bra e o polimetilmetacrilato ou PMMA, e o utilizado na casca e o polımero fluoretado
[7].
A seccao transversal destas fibras e circular e, em geral, dividida em tres cama-
das concentricas, como mostrado na Figura 2.1. As tres camadas sao chamadas
de nucleo, casca e revestimento, uma capa protetora. Esta ultima camada de re-
vestimento possui diferentes funcoes de protecao: manuseio, resistencia mecanica e
quımica.
Figura 2.1: Estrutura de uma fibra optica [7].
Fibras opticas sao utilizadas para transmitir luz e se baseiam no princıpio da
reflexao interna total na interface entre o nucleo e a casca com ındice de refracao in-
ferior para confinar a luz que se propaga dentro do nucleo. Este princıpio e explicado
em outra secao deste capıtulo.
2.1.2 Fibras Opticas Monomodo e Multimodo
Os raios de luz se propagam atraves de caminhos discretos em uma fibra optica.
Cada caminho distinto e chamado de modo e corresponde a um determinado angulo
9
de incidencia. Neste sentido, as fibras opticas podem ser classificadas em dois grupos:
Monomodo e Multimodo.
As fibras Monomodo possuem um nucleo de pequenas dimensoes, que induz a
propagacao da luz por um unico caminho ou “modo” de propagacao. Elas possuem
uma maior capacidade de transmissao e menores perdas por atenuacao, por isso
costumam ser a melhor opcao para longas distancias [8]. A Figura 2.2 ilustra um
exemplo de fibra monomodo.
Figura 2.2: Fibra monomodo [8].
As fibras multimodo, que sao as utilizadas neste trabalho, possuem um nucleo
de maiores dimensoes, que conduz a propagacao da luz por diversos caminhos ou
“modos” de propagacao simultaneamente. Sao mais utilizadas para distancias curtas
devido a limitacao na velocidade de cada pulso para que nao haja sobreposicao [8].
A Figura 2.3 ilustra um exemplo de fibra multimodo.
Figura 2.3: Fibra multimodo [8].
O parametro V, descrito na equacao 2.1, determina a fronteira entre os dois grupos
[7].
10
V =2πρ
λ
√n21 − n2
2 (2.1)
Onde λ e o comprimento de onda da luz guiada, ρ o raio do nucleo, n1 o ındice
de refracao do nucleo e n2 o ındice de refracao da casca. Quando o parametro V,
chamado de frequencia normalizada e superior a 2.405, a fibra e classificada como
multimodo [7].
2.2 Princıpio de Funcionamento das Fibras Opticas
2.2.1 Indice de Refracao
O conceito de ındice de refracao e importante para o entendimento do fenomeno
fısico chamado refracao que e descrito a seguir. O ındice de refracao pode ser definido
como o quociente entre a velocidade de propagacao de um raio de luz no vacuo e
sua velocidade de propagacao no meio onde esta sendo estudado. Dessa forma, o
ındice de refracao absoluto e definido matematicamente como:
n =c
v(2.2)
Onde n e o ındice de refracao absoluto, c e a velocidade da luz no vacuo e v e a
velocidade da luz no meio considerado.
De acordo com a teoria eletromagnetica [9], e possıvel derivar equacoes para as
velocidades de propagacao da luz em funcao da permissividade (ε) e permeabilidade
(µ) do meio. Assim, a velocidade de propagacao da luz em um meio pode ser definida
como:
v =1√µε
(2.3)
E para o caso onde o meio e o vacuo, temos:
c =1
√µ0ε0
(2.4)
11
Onde ε0 e µ0 seriam a permissividade e permeabilidade do vacuo.
Utilizando as expressoes para v e c, o ındice de refracao do material tambem pode
ser expresso em funcao da permissividade e permeabilidade do meio:
n =
√µε
√µ0ε0
(2.5)
2.2.2 Fenomeno da Refracao da Luz
Um raio de luz ao atravessar uma interface entre dois meios de ındices de refracao
diferentes, provoca um fenomeno conhecido como refracao. Como os ındices de
refracao dos meios sao distintos, quando a luz passa de um meio para o outro, sofre
uma variacao rapida em sua velocidade de propagacao. A Figura 2.4 abaixo ilustra
essa situacao.
Figura 2.4: Fenomeno da refracao. Adaptado de [10].
A Equacao 2.6 e a lei da refracao, conhecida como lei de Snell [10], onde n1 e
n2 sao os ındices dos meios de incidencia e refracao, respectivamente, e θi e θt os
angulos de incidencia e refracao.
n1senθi = n2senθt (2.6)
ou
12
senθisenθt
=n2
n1
(2.7)
Alem do raio refratado existe uma pequena parcela de luz refletida no meio com
ındice de refracao n1.
2.2.3 Fenomeno da Reflexao Total da Luz
Um fenomeno importante ocorre quando a luz atravessa de um meio mais refrin-
gente para um meio menos refringente. A refracao deixa de ocorrer dependendo do
angulo θi de incidencia. Este fenomeno e conhecido como reflexao total da luz. A
medida que o angulo do raio incidente aumenta pode ser encontrado um angulo no
qual o raio refratado emerge paralelo a interface entre os dois dieletricos, conforme
a Figura 2.5.
Figura 2.5: Fenomeno da reflexao total. Adaptado de [10].
Este e o angulo a partir do qual a reflexao total acontece e e referido como
angulo crıtico (θc). Ele pode ser determinado utilizando a equacao 2.6 considerando
o angulo do raio transmitido (θt) como 90o [10]. Assim, o angulo crıtico e dado por:
θi = θc = arcsenn2
n1
(2.8)
Se o angulo do raio incidente for maior do que o angulo crıtico, o raio sera total-
mente refletido para o meio com ındice de refracao n1. Esta ideia basica pode ser
13
utilizada para propagar um raio de luz em uma estrutura onde n1 > n2, a Figura
2.6 ilustra isso.
Figura 2.6: Representacao da luz guiada utilizando a lei de snell [10].
O raio de luz incidente se propaga pelo guia de onda atraves de uma serie de
reflexoes totais na interface entre os dieletricos. O raio presente na Figura 2.6 e
chamado Raio Meridional porque passa pelo eixo da estrutura. E assumida uma
situacao ideal, sem imperfeicoes, descontinuidades ou perdas. O princıpio de funci-
onamento da fibra optica se baseia neste fenomeno da reflexao total. O nucleo e a
casca da fibra possuem ındices de refracao distintos, de forma a permitir que a luz
seja guiada no nucleo.
2.2.4 Abertura Numerica
O raio que chega na interface entre a fibra e o meio externo deve incidir com
um angulo menor do que θac para satisfazer a condicao necessaria do angulo in-
terno de reflexao total, caso contrario a energia do raio nao satisfaria a condicao de
propagacao e seria perdida para a casca da fibra.
14
Figura 2.7: Representacao do angulo de aceitacao [10].
A Figura 2.7 ilustra um raio de luz incidindo com angulo θ1 menor do que θac na
interface do nucleo (n1) com o meio externo, ar por exemplo (n0), e sendo guiado
pela fibra. De acordo com a lei de Snell, representada pela Equacao 2.6, obtem-se:
n0senθ1 = n1senθ2 (2.9)
Da Figura 2.7, geometricamente φ e dado por:
φ =π
2− θ2 (2.10)
Onde φ e maior do que o angulo crıtico. Substituindo a Equacao 2.10 na Equacao
2.9:
n0senθ1 = n1cosφ (2.11)
No limite, conforme o angulo incidente θ1 se aproxima de θac, o angulo interno
φ se aproxima do angulo crıtico θc para reflexao total. Assim, utilizando relacoes
trigonometricas para desenvolver a Equacao 2.11 encontra-se a definicao matematica
de Abertura Numerica (NA) [10]:
NA = n0senθac =√n21–n
22 (2.12)
15
A Abertura Numerica refere-se ao angulo formado (Angulo de Aceitacao) entre um
eixo imaginario, localizado no centro de uma fibra optica e um raio de luz incidente,
de forma que este consiga sofrer as reflexoes necessarias para que a luz se propague
ao longo da fibra.
2.3 Princıpio de Funcionamento do Sensor
As deteccoes realizadas atraves de medicoes de ındices de refracao utilizando sen-
sores a fibra optica podem ser implementadas com diversas tecnicas. Um desses
metodos consiste na ressonancia de plasmons superficiais (SPR), que e amplamente
utilizado e muito atrativo por atingir altas resolucoes em termos de unidades de
ındices de refracao [2]. Outra tecnologia tambem muito utilizada e com altas pre-
cisoes como as obtidas com SPR, baseia-se no fenomeno de interferencia da luz e
pode ser implementada em fibras opticas ou em guias de onda planares [2].
A rede de Bragg e outro metodo preciso capaz de medir ındices de refracao [11],
mas existe a necessidade de expor a interface entre o nucleo e a casca no local onde a
grade sera gravada, o que aumenta a fragilidade da fibra. Esta exposicao e realizada
por corrosao ou polimento da regiao.
Tecnicas baseadas em campo evanescente tambem costumam ser utilizadas para a
medicao de RI. Consiste na exposicao da interface entre o nucleo e a casca de um guia
visando a interacao da onda evanescente com o meio ao redor. Para atingir o campo
evanescente tambem e necessaria a corrosao ou o polimento da fibra [2]. Outra forma
de alcancar o campo evanescente e atraves da producao de tapers, visando a reducao
do diametro da fibra na regiao a ser utilizada como sensor [12]. Esse procedimento
pode ser realizado atraves de um processo controlado de corrosao ou pela tecnica
denominada “flame-brush”, onde uma regiao e aquecida e depois tracionada ate
atingir o diametro desejado.
Todas estas tecnicas de medicoes de RI apresentadas demandam alguma pre-
paracao da fibra. Dessa forma, ou elas sao difıceis de serem realizadas (SPR, Tapers,
Interferometria), ou possuem custos elevados de fabricacao (FBG) [2]. Entretanto,
16
um sensor deve ser simples e facil de fabricar para que sua fabricacao para uso
comercial e sua producao em larga escala sejam viaveis. Existe uma inovadora al-
ternativa a essas tecnicas, utilizada neste trabalho, baseada na medicao de ındices
de refracao em fibras opticas plasticas em formato de U [2].
Conforme visto, o processo de producao dos tapers consiste na exposicao da onda
evanescente atraves da diminuicao do diametro da fibra. Dessa forma, se a fibra
exposta fosse imersa em uma solucao, o ındice de refracao da solucao dominaria a
quantidade de luz guiada pela fibra, pois seu angulo crıtico controlaria o numero
de modos que permaneceriam na fibra. Caso toda a casca da fibra tivesse sido
removida pelo processo, o meio que a estava envolvendo (solucao) passaria a se
comportar como a casca. Por isso, a energia que permaneceria na fibra seria uma
funcao inversa do ındice de refracao da solucao. Quanto menor o RI, mais modos
a fibra suportaria e quanto maior o RI, menos modos a fibra suportaria ate atingir
o RI do nucleo. Nesse momento, com os ındices de refracao iguais, o angulo crıtico
seria 90o, o que significaria que a fibra nao seria capaz de guiar nenhuma luz.
Considerando uma fibra com a casca, uma forma de controlar o numero de modos
que se propagariam nela atraves do ındice de refracao do meio que a estava envol-
vendo poderia ser curvando a fibra. Nas curvas, as condicoes de propagacao seriam
alteradas de forma que raios de luz que se propagariam em uma fibra reta seriam
perdidos para a casca em uma fibra com curva, pois os modos mais altos incidiriam
na interface com um angulo menor do que o angulo crıtico θc. Nesse momento, os
modos de propagacao que foram perdidos para a casca se propagariam na casca
dependendo de um novo angulo crıtico. Novamente, alguns modos atingiriam a in-
terface com um angulo inferior ao crıtico, que depende da solucao, e seriam perdidos
para a solucao. Dessa forma, o ındice de refracao dominaria a energia que a fibra
conseguiria guiar.
Com base no funcionamento descrito, uma fibra POF convencional em formato
de U pode ser utilizada como sensor de ındice de refracao sem a necessidade de
exposicao da onda evanescente. Esta ultima tecnica, utilizada neste projeto, e muito
mais simples e barata do que as outras apresentadas no inıcio desta secao.
17
Capıtulo 3
Materiais e Metodos
Neste Capıtulo sao apresentados os materiais e metodos utilizados no projeto,
com excecao do desenvolvimento do aplicativo que foi segregado no Capıtulo 4. A
secao 3.1 define o dispositivo movel utilizado. Todo o processo de fabricacao do
suporte e descrito na secao 3.2. A secao 3.3 descreve o processo de fabricacao da
regiao sensora da fibra. Posteriormente, a secao 3.4 apresenta o sistema de medicao
proposto. Finalmente, a secao 3.5 explica os passos relativos a calibracao do sensor.
3.1 Dispositivo Movel
O projeto foi desenvolvido para um dispositivo movel especıfico: ASUS Zenfone
Selfie (modelo Z00UD). O dispositivo esta apresentado na Figura 3.1.
Figura 3.1: Dispositivo movel: ASUS Zenfone Selfie (modelo Z00UD).
18
3.2 Fabricacao do Suporte
Inicialmente, foi necessaria a criacao de um suporte para acoplamento no Smartphone,
onde as fibras opticas pudessem ser encaixadas. Devido as dificuldades encontradas
no posicionamento das fibras em relacao ao flash e a camera, o processo de criacao
do suporte foi iterativo envolvendo diversos prototipos ate a obtencao do resultado
desejado.
3.2.1 Primeira Versao - 1.0
A primeira versao do suporte foi desenvolvida com o auxılio do programa Sket-
chUp. As vistas isometricas da primeira versao criada estao representadas na Figura
3.2.
Figura 3.2: Vistas isometricas da primeira versao do suporte.
Esta versao considerou que seriam utilizadas tres fibras opticas e que todas seriam
iluminadas pelo flash atraves de um mesmo orifıcio com um raio calculado para
suportar as tres. Este orifıcio pode ser observado na parte a esquerda da peca. Na
parte central existe um orifıcio maior com diametro calculado para ser equivalente
ao da camera do celular e com uma determinada profundidade para que os orifıcios
menores das tres fibras estivessem no campo de visao da camera e pudessem ser
capturados nas imagens. A Figura 3.3 mostra as vistas frontal e traseira da primeira
peca.
19
Figura 3.3: Vistas frontal e traseira da primeira versao do suporte.
Nesta versao as fibras ficaram muito proximas umas das outras nas imagens cap-
turadas, de forma que era difıcil identifica-las sem que uma influenciasse a outra.
Alem disso, tambem estavam muito proximas da camera e foi decidido que apenas
duas fibras seriam necessarias.
3.2.2 Segunda Versao - 2.0
A segunda versao do suporte tambem foi desenvolvida com o auxılio do programa
SketchUp. Nessa versao, foi considerado que apenas duas fibras opticas seriam
encaixadas, ao inves de tres. Foram projetados dois orifıcios muito proximos um
do outro na parte esquerda da peca onde o flash deveria iluminar as fibras, no
lugar do orifıcio que comportava as tres fibras juntas. A Figura 3.4 ilustra as vistas
isometricas do suporte projetado.
20
Figura 3.4: Vistas isometricas da segunda versao do suporte.
Nesta versao, o orifıcio central que na peca anterior possuıa uma profundidade de
8,0 mm teve a profundidade aumentada para 10,0 mm, para que dessa forma as fibras
capturadas em imagens fossem afastadas da camera visando uma melhora no foco.
Alem disso, como as fibras estavam muito proximas umas das outras nas imagens
capturadas, tambem foram afastadas entre si. Na peca anterior (Figura 3.3), os
tres orifıcios menores que ficavam posicionados na direcao da camera tinham seus
centros afastados 2,4 mm uns dos outros, enquanto na segunda versao a distancia
entre os centros foi aumentada para 5,0 mm e eles foram posicionados no eixo central
do orifıcio maior, na metade do raio mais precisamente. A Figura 3.5 apresenta as
vistas frontal e traseira da segunda peca.
21
Figura 3.5: Vistas frontal e traseira da segunda versao do suporte.
Os dois orifıcios a esquerda, que deveriam ser posicionados na direcao do flash,
foram projetados muito proximos um do outro, de forma que a furadeira utilizada
nao teve a precisao necessaria para que os furos ficassem separados. Dessa forma,
os furos se transformaram no mesmo e a broca se moveu durante o procedimento
fazendo com que o furo nao ficasse perfeitamente reto e tivesse uma extremidade
maior do que a outra.
Apesar deste problema, esta segunda versao do suporte representou um avanco
em relacao a primeira, pois as fibras opticas ficaram, de fato, mais afastadas uma da
outra nas imagens capturadas e tambem mais distantes da camera. Entretanto, um
fator importante que dificultou a utilizacao das duas versoes apresentadas ate entao
foi o acoplamento. Os suportes criados foram projetados para ficarem posicionados
na direcao do flash e da camera, mas nao havia uma forma de fixa-los no Smartphone.
Uma solucao temporaria utilizada ate a criacao de outro suporte foi a fixacao desta
peca em uma capa de Smartphone.
22
3.2.3 Versao Final - 3.0
A ultima versao foi desenvolvida com o auxılio do programa SolidWorks e impressa
em uma impressora 3D utilizando o ABS como tipo de material. Dessa forma, a
maioria dos problemas anteriores relacionados a precisao na fabricacao dos suportes
foram resolvidos, mas alguns ajustes ainda tiveram que ser realizados. A Figura 3.6
apresenta o modelo da ultima versao do suporte desenvolvido.
Figura 3.6: Modelo da ultima versao do suporte.
A Figura 3.7 apresenta separadamente as tres pecas que compoem o suporte: Peca
Tampa, Peca Base e Peca Encaixe.
Figura 3.7: (a) Modelo da peca tampa. (b) Modelo da peca base. (c) Modelo da peca encaixe.
23
O material ABS utilizado e robusto, resistente, mas nao tao dimensionalmente
preciso [13]. Os furos da peca encaixe que tinham dimensoes muito pequenas ficaram
imperceptıveis apos a impressao e tiveram que ser realizados manualmente. Alem
disso, as tres pecas tiveram que ser levemente lixadas em algumas regioes.
A peca encaixe teve como base a segunda versao de suporte projetada, pois esta e
a peca que fica posicionada na direcao do flash e da camera, assim como as pecas das
versoes anteriores. A dificuldade no acoplamento foi resolvida com as pecas base e
tampa, que servem para fixar a peca encaixe na posicao correta no Smartphone. Uma
modificacao foi realizada na peca encaixe no que diz respeito aos orifıcios a esquerda
na peca, onde ficam as fibras opticas a serem iluminadas pelo flash. Os orifıcios
foram modificados para um alinhamento vertical ao inves de horizontal e foram
afastados o maximo possıvel um do outro, cerca de 1,0 mm. Esse afastamento foi
realizado na intencao de diminuir a forte intensidade de luz que atingia diretamente
as fibras.
A Figura 3.8 apresenta as dimensoes, em milımetros, da peca base do suporte.
Figura 3.8: Dimensoes da peca base do suporte (Versao Final).
24
A Figura 3.9 exibe as dimensoes, em milımetros, da peca tampa do suporte.
Figura 3.9: Dimensoes da peca tampa do suporte (Versao Final).
A Figura 3.10 mostra as dimensoes, em milımetros, da peca encaixe do suporte.
Figura 3.10: Dimensoes da peca encaixe do suporte (Versao Final).
Apos a impressao 3D, as pecas que compoem o suporte ficaram como na Figura
3.11.
25
Figura 3.11: Pecas da ultima versao do suporte apos impressao 3D.
3.3 Fabricacao da Regiao Sensora da Fibra em
Formato de U
Na fabricacao do sensor foram utilizadas fibras opticas plasticas com diametro de
1,0 mm. Como estudos comprovaram que sensores com as fibras curvadas sao mais
sensıveis do que sensores com as fibras esticadas [4], foi utilizada uma ferramenta
de molde para dobrar as fibras em formato de U. A ferramenta e a placa de molde
destacada podem ser visualizados na Figura 3.12.
26
Figura 3.12: (a) Ferramenta utilizada para produzir fibras curvadas. (b) Destaque da
area referente ao molde da ferramenta.
O processo consistiu em colocar o soprador termico na posicao low e posiciona-lo
9 cm acima do molde. Apos, um pedaco de fibra foi posicionado na parte metalica
e o braco metalico movel foi empurrado de forma que a fibra ficasse no formato
de U do molde. A seguir, o soprador termico foi acionado por aproximadamente
30 segundos. Apos este tempo, como a regiao ficou superaquecida, foi ligado um
“Cooler” por alguns segundos ate que o braco metalico pudesse ser afastado e a fibra
retirada do molde.
Em seguida, a fibra foi clivada manualmente com uma lamina de corte represen-
tada na Figura 3.13 (a).
Figura 3.13: (a) Lamina de corte. (b) Fibra apos clivagem.
27
Uma consideracao importante e que as extremidades das fibras nao foram clivadas
no mesmo tamanho, como pode ser visto na Figura 3.13 (b). Deve ser observado que
as fibras acompanharam as dimensoes da peca encaixe do suporte onde foram encai-
xadas, de forma que a extremidade que ficou posicionada na direcao da camera teve
que ser aproximadamente 10,0 mm menor do que a extremidade que foi posicionada
na direcao do flash.
Por fim, as extremidades da fibra foram polidas com lixas d’agua utilizando o
equipamento da Figura 3.14, chamado Politriz. Inicialmente, foi acionada uma tor-
neira para que um pouco de agua fosse despejada na lixa e, em seguida, a Politriz foi
ligada para que comecasse a girar. Nesse momento, as extremidades da fibra foram
posicionadas na lixa em movimento ate que o polimento desejado fosse atingido.
Figura 3.14: Equipamento utilizado para polir fibras opticas.
Todas as fibras utilizadas neste trabalho foram confeccionadas desta forma. Este
processo foi realizado pelo menos duas vezes, uma para a fibra de referencia e ou-
tra para a responsavel pela medicao. A Figura 3.15 mostra as fibras opticas, cujas
regioes sensoras foram preparadas conforme os procedimentos descritos anterior-
mente, fixadas na peca encaixe do suporte.
28
Figura 3.15: Fibras opticas fixadas na peca encaixe do suporte.
3.4 Sistema de Medicao Proposto
Um esquema do sistema proposto para medicao e apresentado na Figura 3.16. O
sistema de medicao e formado por um suporte com fibras opticas acopladas a um
dispositivo movel, que possui um aplicativo capaz de medir as intensidades da luz
quando as fibras sao mergulhadas em agua pura e em determinadas concentracoes
de sacarose. O desenvolvimento do aplicativo e explicado no Capıtulo 4, mas sua
funcao e capturar imagens das fibras opticas e atraves delas calcular e comparar as
respectivas intensidades.
Figura 3.16: Sistema de medicao proposto.
29
O suporte possui duas fibras opticas fixadas, uma para a referencia e outra para a
medicao. A fibra de referencia deve ser mergulhada no recipiente com agua pura, que
sera considerado o meio de referencia, ou seja, o meio em relacao ao qual as perdas de
intensidade serao percebidas. A fibra de medicao deve ser mergulhada no recipiente
com uma determinada concentracao de sacarose, de forma a ter proporcional perda
na intensidade em relacao a agua pura devido a presenca da sacarose.
As fibras devem ter a mesma altura submersa e nao podem ter suas posicoes
modificadas. Como as fibras localizadas na parte do suporte que e iluminada pelo
flash precisaram ficar muito proximas uma da outra, elas foram afastadas utilizando
um separador para que pudessem ser mergulhadas nos respectivos recipientes sem
que suas posicoes mudassem. A Figura 3.17 (a) ilustra o sistema de medicao e a
Figura 3.17 (b) mostra a regiao de sensoriamento com uma proximidade maior, onde
pode ser visto o separador afastando as fibras.
Figura 3.17: (a) Sistema de medicao. (b) Aproximacao da regiao de sensoriamento do
sistema de medicao.
A Figura 3.18 mostra com mais detalhes o suporte com as fibras fixadas. A Figura
3.18 (a) exibe a vista frontal do suporte, onde as fibras podem ser vistas tal como
o flash e a camera veem. A Figura 3.18 (b) exibe a vista traseira do suporte, onde
podem ser vistas as regioes de sensoriamento das fibras que sao mergulhadas nos
lıquidos.
30
Figura 3.18: (a) Vista frontal do suporte com as fibras fixadas. (b) Vista traseira do
suporte com as fibras fixadas.
3.4.1 Filtro de Potencia
Foi observado que a intensidade do flash do dispositivo movel era muito forte, de
forma que as imagens capturadas nao conseguiam perceber diferenca praticamente
nenhuma quando uma fibra era mergulhada na referencia e a outra em uma de-
terminada concentracao de sacarose. Embora a diferenca existisse, a maioria dos
valores era correspondente a intensidades muito altas que nao estavam conseguindo
ser representadas e, portanto, saturavam no maximo valor possıvel.
Algumas solucoes foram pensadas para resolver este problema: afastamento das
fibras em relacao ao flash; utilizacao de um filtro que atenuasse a potencia do flash.
A segunda solucao foi escolhida. Dessa forma, um material translucido foi colocado
entre as fibras e o flash para que funcionasse como filtro. Quanto mais camadas do
material, menor a potencia do flash. O material utilizado foi papel de seda branco
e a quantidade foi escolhida experimentalmente. A Figura 3.19 ilustra um esquema
do suporte com camadas do papel de seda funcionando como filtro de potencia.
31
Figura 3.19: Esquema do suporte com filtro de potencia.
3.5 Calibracao do Sensor
Antes que o sensor pudesse ser utilizado para medir ındices de refracao, foi preciso
calibrar o sensor de forma a encontrar uma curva adequada que o caracterizasse.
Para isso foram necessarios alguns passos. Uma fase importante foi a preparacao
das concentracoes de sacarose. Foram utilizados valores de concentracao de sacarose
para 15%, 25%, 30%, 45% e 52% de sacarose em 10 ml de agua, conforme Tabela
3.1. Estes valores foram escolhidos por resultarem em ındices de refracao na faixa
de 1,33 a 1,39, que e a faixa de interesse afetada pela presenca de bacterias [4].
Tabela 3.1: Valores de referencia das concentracoes de sacarose.
Concentracao de Sacarose (%) Valor de Referencia (g/10 ml)
15 1,5
25 2,5
30 3,0
45 4,5
52 5,2
32
As medidas de sacarose para cada concentracao foram realizadas com uma balanca
de precisao, conforme Figura 3.20 (a). Foi preciso verificar se a balanca de precisao
estava calibrada e zerar sua referencia antes de realizar qualquer medicao. Em
seguida, cada porcao de sacarose foi adicionada a 10 ml de agua, medidos em uma
proveta de 10 ml. Depois, a agua e as porcoes de sacarose foram misturadas em um
agitador para que a solucao ficasse homogenea. A Figura 3.20 (b) mostra o agitador
utilizado.
Figura 3.20: (a) Balanca de precisao utilizada para medir a sacarose. (b) Agitador
utilizado para misturar a sacarose na agua.
Apos a solucao ficar homogenea, os ındices de refracao de cada concentracao foram
medidos utilizando um refratometro para que pudessem servir de referencia poste-
riormente. A Figura 3.21 ilustra o refratometro utilizado. Esta etapa consistiu em
colocar uma gota de cada concentracao no prisma e regular a dispersao e graduacao
girando as valvulas adequadas, alem de afastar e aproximar a lente. O ındice de
refracao poderia ser medido quando o visor ocular mostrasse um ’X’ onde a parte
superior estivesse clara e a inferior escura de forma que o limite entre a regiao clara e
escura estivesse bem definido (mınima dispersao) e posicionado exatamente no meio
do ’X’. Entre uma medicao e outra no refratometro os prismas foram limpos com
alcool para que uma amostra nao interferisse na outra.
33
Figura 3.21: Refratometro utilizado para medir ındices de refracao.
Alem das concentracoes de sacarose produzidas, foi utilizada tambem uma amos-
tra de agua pura. Durante o experimento as fibras nao sofreram perturbacoes ex-
ternas para evitar que seus posicionamentos fossem alterados, variando o valor de
saıda. Os recipientes com as amostras foram levados ate o sensor sem toca-lo e
procurou-se manter a mesma area submersa em todas as medidas. Os recipientes
eram todos iguais e de 5 ml.
As medidas foram realizadas em sequencia utilizando o aplicativo desenvolvido,
descrito no Capıtulo 4. A regiao sensıvel de uma das fibras foi inserida na agua
pura e a regiao sensıvel da outra nas concentracoes de 15%, 25%, 30%, 45% e
52%, sucessivamente. Considerando uma distribuicao gaussiana, a medida de cada
concentracao consistiu em uma media de 10 medicoes, durante as quais o sensor
nao foi retirado da agua. Entre as medicoes das concentracoes de sacarose, o sensor
foi mergulhado em um recipiente com agua para limpeza. Durante as medicoes, o
recipiente com a agua para limpeza nao foi trocado.
A partir dos valores de intensidade obtidos para cada concentracao, foi estabele-
cida uma relacao entre as perdas de intensidades e os respectivos ındices de refracao
medidos anteriormente com o refratometro. Dessa forma, uma curva de caracte-
rizacao que relaciona estas grandezas pode ser encontrada para o sensor, permitindo
posteriores medicoes de ındices de refracao utilizando a curva. Note que qualquer
reposicionamento no sensor implica a necessidade de uma nova calibracao.
34
Capıtulo 4
Desenvolvimento do Aplicativo
Este Capıtulo e destinado a apresentacao do aplicativo desenvolvido. Inicialmente,
algumas tecnologias utilizadas no desenvolvimento sao explicadas na secao 4.1. A
secao 4.2 apresenta as funcionalidades do sistema. O modelo de banco de dados
esta especificado na secao 4.3. As classes do projeto foram estruturadas de acordo
com a secao 4.4. Em seguida, a secao 4.5 descreve o processo de medicao de ındices
de refracao adotado. Por fim, a secao 4.6 apresenta a interface com o usuario do
sistema.
4.1 Tecnologias Utilizadas
O aplicativo desenvolvido utilizou algumas tecnologias para implementar as fun-
cionalidades do sistema descritas no item 4.2. O principal aspecto que motivou a
escolha das tecnologias foi o desempenho na realizacao das tarefas. Estas tecnologias
sao descritas a seguir.
4.1.1 Banco de Dados (SQLite)
A necessidade de um banco de dados esta presente em qualquer sistema que
necessite armazenar informacoes. Ate aplicacoes mais simples costumam precisar
persistir dados para recupera-los posteriormente. Um banco de dados organiza in-
formacoes relacionadas em um conjunto de tabelas. Uma vez que as informacoes
estejam organizadas, podem ser acessadas e analisadas de forma rapida e flexıvel,
mesmo tratando-se de uma grande quantidade de registros.
35
O projeto em questao utilizou o banco de dados SQLite. SQLite e uma biblioteca
de codigo aberto gratuita para qualquer finalidade, desenvolvida na linguagem C,
que permite a disponibilizacao de um pequeno banco de dados na propria aplicacao,
sem a necessidade de acesso a um SGBD (Sistema Gerenciador de Banco de Dados)
separadamente [14].
O SQLite e um banco de dados auto-contido, independente de uma estrutura
cliente-servidor, que dispensa configuracoes e que possui uma estrutura transacional
[15]. E auto-contido no sentido de que possui poucas dependencias, toda a biblioteca
SQLite esta encapsulada em um unico arquivo de codigo. Outro ponto e que a
maioria dos bancos de dados e implementada como um processo de servidor separado
de forma que os programas que desejam acessar o banco precisam se comunicar
atraves de um protocolo TCP/IP para fazer requisicoes e receber os resultados. O
SQLite nao funciona desta forma, nele o processo que deseja acessar o banco de
dados escreve e le diretamente dos arquivos de banco de dados no disco. Um banco
de dados SQL completo com varias tabelas, ındices, triggers e views esta contido
em um unico arquivo de disco.
Alem disso, a principal vantagem de nao depender de uma estrutura cliente-
servidor e que nao existe um processo servidor separado que deva ser instalado,
configurado, inicializado e gerido. Este e um motivo pelo qual o SQLite tambem
e conhecido por dispensar configuracoes. Por fim, o SQLite e um banco de dados
transacional, onde as consultas e alteracoes sao atomicas, consistentes, isoladas e
duraveis (ACID). O ACID e um conjunto de propriedades de transacoes de banco de
dados destinadas a garantir a validade das informacoes mesmo em casos de eventuais
erros e falhas. Neste contexto, uma sequencia de operacoes no banco de dados pode
ser percebida como uma unica transacao. Dentro da transacao, todas as operacoes
sao executadas com sucesso ou nenhuma e executada caso alguma falhe.
Como a biblioteca gerencia os dados diretamente do seu sistema de arquivos,
este banco e mais leve do que os gerenciadores de bancos de dados convencionais
(MySQL, SQL Server, PostgreSQL, entre outros), mas nem por isso menos robusto.
E altamente eficiente, podendo ser muito mais rapido do que qualquer gerenciador
36
de banco de dados.
O SQLite utiliza a linguagem SQL (Structured Query Language) para acessar e
gerenciar os dados do banco. E uma linguagem de programacao que consiste em
comandos para criacao, modificacao e acesso aos dados.
Esta estrutura de banco de dados junto com a aplicacao tambem e conhecida
como “Banco de Dados Embutido” e e indicada para aplicacoes de pequeno porte,
que utilizam poucos dados. Por ser um banco de dados pequeno, pode ser facilmente
embarcado em celulares. O sistema operacional Android possui suporte nativo para
o SQLite, de forma a trazer para o mundo mobile a experiencia de bancos de dados
relacionais tao comuns nos ambientes web e desktop.
4.1.2 Biblioteca OpenCV
OpenCV (Open Source Computer Vision Library) e uma biblioteca de codigo
aberto de visao computacional e aprendizagem de maquina [16]. A Biblioteca esta
sob uma licenca livre para uso academico e comercial. E organizada na forma
de modulos, cada um agregando um conjunto de funcoes. Alguns dos modulos
oferecidos sao: Processamento de Imagens e Vıdeo, Estrutura de dados e Algebra
Linear. Estes modulos fornecem uma infraestrutura para o desenvolvimento de
aplicacoes de forma mais simples e rapida.
A biblioteca possui diversos algoritmos que envolvem processamento de imagens
e aprendizado de maquina, este ultimo geralmente voltado para o reconhecimento
de padroes. Sao mais de 2.500 algoritmos otimizados, que incluem um conjunto
abrangente de algoritmos classicos e de ultima geracao. Estes algoritmos podem
ser usados para detectar e reconhecer rostos, identificar objetos, classificar acoes
humanas em vıdeos, rastrear movimentos de camera, rastrear objetos em movimento,
extrair modelos de objetos 3D, encontrar imagens semelhantes de um banco de dados
de imagens, remover os olhos vermelhos de imagens tiradas usando o flash, entre
muitas outras.
37
A biblioteca e disponibilizada para as linguagens C++, C , Python, Java e Matlab
e suporta os sistemas operacionais Windows, Linux, Android e Mac OS.
Adotada por todo o mundo, a biblioteca e amplamente utilizada em empresas,
grupos de pesquisa e orgaos governamentais. Alem de muitas startups que fazem
uso extensivo da biblioteca OpenCV, empresas bem estabelecidas como Google,
Yahoo, Microsoft, Intel, IBM, Sony, Honda, Toyota tambem utilizam a biblioteca
[16].
Neste projeto, a biblioteca OpenCV e utilizada no processamento das imagens,
em particular no que diz respeito a deteccao das fontes de luz e ao calculo das suas
intensidades.
4.2 Funcionalidades do Sistema
Uma das fases iniciais do projeto consistiu no levantamento dos requisitos do
sistema visando a determinacao de quais funcionalidades deveriam ser oferecidas.
As funcionalidades do sistema e suas interacoes com os usuarios podem ser descritas
utilizando diagramas de casos de uso. Estes diagramas documentam o que o sistema
faz do ponto de vista do usuario, mas nao sao aprofundados detalhes tecnicos de
como devem ser desenvolvidas as funcionalidades.
Os diagramas de casos de uso sao representados por atores e casos de uso. Cada
caso de uso descreve uma funcionalidade do sistema e e representado por uma elipse.
Os atores, por sua vez, sao representados por bonecos. A Figura 4.1 apresenta o
diagrama de casos de uso do sistema desenvolvido. Neste caso, so existe um ator,
que e o usuario do sistema. O esquema mostra quatro casos de uso, tres deles
representam as funcionalidades do sistema: Medir Indice de Refracao, Configurar
Sistema e Exportar Medicoes. O caso de uso Medir Correcao esta representado de
forma diferente porque e na realidade parte no caso de uso Medir Indice de Refracao.
38
Figura 4.1: Diagrama de casos de uso do sistema.
O caso de uso Medir Indice de Refracao permite que o usuario meca ındices de
refracao de lıquidos, mas necessita que primeiramente o caso de uso Medir Correcao
seja executado. Como o aplicativo trabalha com o fator entre as intensidades das
fibras de medicao e referencia, a necessidade de uma correcao baseia-se na con-
sideracao de que mesmo sob as mesmas condicoes e possıvel que suas intensidades
nao sejam iguais. Dessa forma, a medicao da correcao serve para verificar a diferenca
existente entre as fibras e ajustar a medicao de RI de acordo.
O caso de uso Configurar Sistema permite que o usuario configure parametros
relacionados as medicoes/correcoes. O caso de uso Exportar Medicoes permite que
o usuario exporte os dados das medicoes em arquivos com formato CSV para uma
conta do Dropbox.
As funcionalidades do sistema sao detalhadas na secao 4.6 que apresenta a inter-
face com o usuario.
4.3 Modelagem do Banco de Dados
Na maioria dos projetos, a utilizacao de um banco de dados relacional e funda-
mental para a estruturacao dos dados. A modelagem de dados consiste na criacao
de um modelo que demonstra como os dados estao organizados e quais os rela-
cionamentos estabelecidos entre eles. Esta etapa de modelagem e uma das mais
39
importantes do projeto, pois permite que qualquer informacao sobre os dados que
esteja representada no modelo possa ser acessada e processada posteriormente.
Toda informacao de um banco de dados relacional e armazenada em tabelas,
que na linguagem do modelo, tambem podem ser chamadas de entidades. Cada
entidade possui atributos, tambem chamados de campos da tabela. As tabelas
devem possuir um campo chamado chave primaria, que identifica de maneira unica
cada registro daquela tabela. No mundo real, estas entidades estao relacionadas e
o modelo precisa representar estes relacionamentos em termos de tabelas. Existem
tres tipos de relacionamentos, mas este projeto utiliza apenas o mais comum deles:
um para muitos. Em um relacionamento um para muitos, um registro em uma tabela
esta associado a um ou mais registros em outra tabela. A tabela que pode conter um
ou mais registros associados deve possuir um campo chamado chave estrangeira, que
e a chave primaria da outra tabela utilizada para identificar unicamente o registro
ao qual o campo esta associado.
O modelo de banco de dados utilizado neste projeto pode ser visto na Figura 4.2.
Uma breve analise do modelo mostra que existem cinco entidades ou tabelas que
estao relacionadas entre si.
Figura 4.2: Modelo do banco de dados.
40
Cada medicao possui um identificador unico denominado id, e pode estar relacio-
nada a uma configuracao, uma correcao e diversos itens de medicao. A configuracao
trata-se da configuracao daquela medicao, numero de medias que serao utilizadas
para compor uma medicao, threshold usado na deteccao das fontes de luz e a ca-
libracao utilizada. A correcao e utilizada para corrigir aquela medicao devido a
necessidade de ajustar a diferenca natural existente entre as intensidades das duas
fontes de luz. Os itens de medicao sao todos os itens que compoem uma medicao.
Caso o numero de medias configurado para ser utilizado na medicao seja dez, exis-
tirao dez itens de medicao, por exemplo.
No sentido oposto, cada configuracao pode ser utilizada em varias medicoes, cada
correcao pode ser utilizada em varias medicoes, mas cada item de medicao pode
pertencer a apenas uma medicao. Estas relacoes sao estabelecidas associando chaves
estrangeiras a chaves primarias. Nas tabelas, as chaves primarias estao identificadas
como PK e as estrangeiras como FK. Dessa forma, como uma medicao e composta
por varios itens de medicao, o id da medicao (chave primaria) e colocado na tabela
de item de medicao como chave estrangeira para identificar a qual medicao aquele
item pertence. As outras relacoes sao estabelecidas do mesmo modo.
Alem disso, cada correcao pode ser utilizada para corrigir diversas medicoes e
cada medicao deve ser corrigida por uma correcao. Note que apesar da correcao
estar relacionada a uma configuracao, o campo numeroMediasMedicao da tabela de
configuracao e referente apenas a utilizacao de medias nas medicoes, por simplicidade
as correcoes nao utilizam o conceito de medias.
A calibracao foi modelada de forma a tambem fazer parte da configuracao. As-
sim, cada configuracao possui uma calibracao associada e cada calibracao pode ser
utilizada em varias configuracoes.
A definicao dos campos de cada tabela foi feita com base nas necessidades do
projeto de forma a evitar redundancias e o armazenamento de informacoes que
possam ser derivadas de dados primarios armazenados.
41
4.4 Estrutura de Classes
O aplicativo foi desenvolvido na plataforma Android Studio utilizando a lingua-
gem java. Inicialmente, o projeto foi estruturado utilizando o conceito de pacotes
da linguagem. Os pacotes sao usados para organizar classes de funcionalidades se-
melhantes. Um pacote nada mais e do que um conjunto de classes localizadas na
mesma estrutura hierarquica de diretorios.
No que diz respeito as classes desenvolvidas no projeto, foram criados cinco pacotes
para organiza-las:
• Activity
• Service
• Database
• Vo
• Util
• Exception
A Tabela 4.1 mostra a organizacao das classes do projeto nos respectivos
pacotes.
Tabela 4.1: Organizacao das classes nos pacotes.
Activity Service Database Vo Util Exception
ConfigurationActivity CameraService CalibrationDAO Calibration Util CameraException
ExportActivity ImageProcessingService ConfigurationDAO Configuration ImageProcessingException
MeasurementActivity CorrectionDAO Correction
MeasurementDAO Measurement
ItemMeasurementDAO ItemMeasurement
DataBaseHelper ProcessResult
4.4.1 Pacote Activity
Neste pacote ficam localizadas as classes que herdam as caracterısticas da classe
Activity do Android. Activity e uma das mais importantes classes de uma aplicacao
Android. E basicamente uma classe gerenciadora de UI (User Interface), que recebe
as requisicoes, as trata e processa. A cada Activity e atribuıda uma janela para
ser exibida e gerenciada. A Janela e preenchida de acordo com um arquivo XML
42
de leioute onde e especificado o conteudo grafico daquela tela. Dessa forma, se o
arquivo XML define a criacao de um botao na tela, a respectiva Activity gerencia o
que deve acontecer em resposta a acao do usuario de clique no botao.
Alem disso, as Activities possuem varios estados internos, podem ser criadas, ini-
ciadas, pausadas, reiniciadas e destruıdas. Estes estados e os eventos que geram
transicoes entre eles sao conhecidos como ciclo de vida. Este ciclo e muito impor-
tante, pois apos cada mudanca de estado e possıvel realizar uma determinada acao
em resposta.
4.4.2 Pacote Service
Este pacote contem duas classes criadas para concentrar os codigos relaciona-
dos a manipulacao da camera e ao processamento das imagens: CameraService e
ImageProcessingService. A classe CameraService utiliza metodos da biblioteca na-
tiva do Android referente a camera para realizar as manipulacoes necessarias. A
classe ImageProcessingService utiliza metodos da biblioteca OpenCV para realizar
o processamento das imagens. Estas classes criadas funcionam como wrappers, que
encapsulam funcionalidades de outras bibliotecas, e sao utilizadas pelas Activities.
4.4.3 Pacote Database
Neste pacote ficam todas as classes relacionadas a manipulacao do banco de da-
dos, classes que realizam insercoes, alteracoes, consultas e remocoes. As classes estao
segregadas por entidade do modelo de BD, onde cada uma e responsavel pela ma-
nipulacao dos dados da sua respectiva entidade. Alem disso, existe uma classe que
herda as caracterısticas da classe SQLiteOpenHelper do Android destinada a criacao
do banco de dados e utilizada pelas outras para a comunicacao com o SQLite.
4.4.4 Pacote Vo
Neste pacote ficam as classes VO (Value Object), que foram criadas para arma-
zenar os dados das aplicacoes em objetos, de forma a transporta-los facilmente.
Normalmente sao identicas as entidades do modelo de banco de dados, mas tambem
podem ser outras entidades que forem necessarias ao projeto.
43
4.4.5 Pacote Util
Este pacote foi criado para conter classes com metodos uteis ao projeto como um
todo, e que por esse motivo sao utilizadas por diversas outras classes.
4.4.6 Pacote Exception
Excecoes sao eventos inesperados que ocorrem no sistema em tempo de execucao.
Quando algum erro inesperado ocorre, o sistema lanca automaticamente uma excecao,
que interrompe a execucao do sistema caso nao tenha sido tratada. Excecoes po-
dem ser lancadas tambem propositalmente quando algum erro de negocio ocorrer
como forma de interromper o prosseguimento da acao solicitada e avisar o usuario
do problema. Uma forma de fazer isso e criar classes de excecoes especializadas de
acordo com o negocio e lanca-las no codigo quando necessario. Este pacote contem
as classes de excecao especializadas utilizas no projeto.
4.5 Processo de Medicao de Indices de Refracao
Esta secao descreve as etapas envolvidas no processo de medicao de ındices de
refracao, que e a finalidade do aplicativo desenvolvido. Este processo e referente ao
caso de uso Medir Indice de Refracao descrito na secao 4.2. O detalhamento deste
caso de uso pode ser feito atraves de um diagrama de sequencia. O diagrama de
sequencia ilustra a sequencia de mensagens trocadas entre objetos no decorrer do
tempo para realizar uma determinada operacao [17]. Neste diagrama, alguns dos
elementos que podem ser encontrados sao:
• Linhas verticais representando o tempo de vida dos objetos;
• Preenchimento das linhas verticais por barras verticais que indicam quando o
objeto comecou e deixou de existir;
• Linhas horizontais que representam as mensagens trocadas;
• Condicoes envolvidas por colchetes;
• Mensagens de retorno em linhas tracejadas.
A Figura 4.3 apresenta o diagrama de sequencia para o caso de uso Medir Indice
de Refracao deste projeto. Por simplicidade, o caso de uso Medir Correcao, que faz
44
parte do caso de uso em questao e deve ser executado primeiramente, nao esta repre-
sentado neste diagrama. Outro diagrama poderia ser construıdo para representa-lo,
mas a maioria dos passos seria semelhante.
Figura 4.3: Diagrama de sequencia da medicao de ındices de refracao.
Como o codigo foi desenvolvido na lıngua inglesa, o diagrama esta representado de
acordo. Os objetos podem ser vistos no topo do diagrama como retangulos amarelos
e sao referentes as classes do projeto envolvidas na medicao, apresentadas na secao
4.4. As mensagens transmitidas entre os objetos sao os metodos invocados, seus
retornos ou acoes do usuario.
45
Considerando que a medicao da correcao ja tenha sido realizada, o diagrama tem
inıcio quando o usuario pressiona o botao na tela principal para medir o ındice de
refracao. Neste momento, o primeiro passo realizado e a busca pela correcao atual no
banco de dados, que e normalmente a ultima realizada. Caso nao seja encontrada, e
solicitado que o usuario a faca. Caso contrario, uma nova medicao e adicionada no
banco de dados. Mas note que esta medicao e referente a entidade de medicao do
modelo, que contem apenas a configuracao do sistema, a correcao, a data e hora e a
identificacao da medicao. Ate este momento, nenhum valor de medicao foi obtido.
As medicoes sao obtidas a partir de imagens capturadas pela camera. Cada
medicao pode utilizar uma imagem ou a media de diversas imagens. A seguir,
os passos realizados sao repetidos diversas vezes de acordo com o numero de medias
configuradas para a medicao na tela de configuracao do sistema. Inicialmente, a
classe CameraService e utilizada para capturar a imagem. Em seguida, a imagem
capturada e processada utilizando a classe ImageProcessingService.
Durante o processamento, a imagem sofre algumas conversoes em seu formato ate
que possa ser representada no formato de imagem utilizado pela biblioteca OpenCV,
que e na realidade um array n-dimensional. Em seguida, a imagem e convertida para
tons de cinza para que as fontes de luz presentes nela possam ser detectadas. Por
fim, as intensidades das duas fontes de luz detectadas sao calculadas e o resultado e
adicionado no banco de dados como um item da medicao. Quando todos os itens da
medicao tiverem sido calculados e salvos no banco de dados, o processo de iteracao
(loop) e finalizado.
O resultado da medicao consiste na media de todos os itens de medicao e e uti-
lizado para calcular o ındice de refracao de acordo com a calibracao salva na con-
figuracao do sistema. Finalmente, o resultado da medicao e exibido na tela para o
usuario.
E importante observar que alguns metodos menos importantes para a compreensao
foram abstraıdos do diagrama, por simplicidade. Alem disso, alguns comportamen-
tos de metodos assıncronos foram difıceis de serem representados, principalmente
46
os callbacks muito utilizados na linguagem java. Um callback e um metodo pas-
sado como parametro para outro que devera ter seu codigo executado quando algum
evento ocorrer.
4.5.1 Processamento das Imagens
A etapa mais importante na medicao consiste no processamento da imagem, mais
especificamente na deteccao das fontes de luz de referencia e de medicao. A Figura
4.4 ilustra a sequencia de passos realizados na deteccao.
Figura 4.4: Etapas da deteccao das fontes de luz.
A primeira imagem e referente a imagem original capturada. A segunda e a ima-
gem apos uma conversao para tons de cinza. A conversao para tons de cinza e
necessaria principalmente porque imagens em tons de cinza sao imagens nas quais
o valor de cada pixel e uma unica amostra de um espaco de cores, que representa a
intensidade do pixel correspondente [18]. No caso, cada pixel pode ser representado
por 8 bits e seu valor pode variar de 0, que indica a cor preta (ausencia de intensi-
dade) a 255, que indica a cor branca (intensidade maxima), totalizando 256 tons de
cinza diferentes.
Em seguida, a imagem em tons de cinza e convertida para uma imagem binaria, em
preto e branco. As imagens binarias, diferente das imagens em tons de cinza, podem
conter apenas duas cores. A conversao para a imagem binaria ocorre de acordo com
um threshold, um limiar em nıvel de cinza. Caso o valor do pixel seja superior ao
limiar, e atribuıdo o valor 255 (branco), caso contrario e atribuıdo o valor 0 (preto).
47
Dessa forma, a imagem e representada em preto e branco. A variacao no threshold
permite que a regiao circular da fonte de luz detectada possa ser controlada. Caso
o threshold aumente, a regiao circular detectada sera menor, ou seja, a regiao tera
pixels com tons de cinza mais proximos do branco. Caso o threshold diminua, a
regiao circular detectada sera maior, ou seja, a regiao tera mais pixels, pois tambem
incluira pixels com tons de cinza mais distantes do branco.
A transformacao da imagem em uma imagem binaria e necessaria para a realizacao
do contorno no passo seguinte. Os contornos sao tracados de forma a unir os pontos
contınuos que possuem a mesma cor ou intensidade. Dessa forma, os contornos sao
tracados ao redor das regioes circulares definidas como brancas na imagem binaria,
detectando assim as fontes de luz. A quarta imagem na Figura 4.4 permite verificar
as fontes de luz detectadas na imagem em tons de cinza, cujos contornos estao
destacados com a cor preta. E importante observar na imagem que o threshold foi
ajustado de forma a desconsiderar a regiao de borda, onde normalmente existe mais
ruıdo.
As ultimas imagens ilustram separadamente as fontes de luz detectadas cujos
contornos foram recortados da imagem em tons de cinza, um referente a fibra de
referencia e outro a de medicao. Finalmente, para obter as respectivas intensidades
e necessario somar os valores dos pixels de cada uma das imagens recortadas. Como
o valor calculado costuma ser muito grande, e utilizado o valor medio, entao as duas
intensidades calculadas sao divididas pelo numero total de pixels na imagem em
tons de cinza original.
4.6 Interface com o Usuario
Nesta secao sao apresentadas as telas de interface com o usuario que promovem a
interacao dele com as funcionalidades do sistema. A Figura 4.5 mostra a tela inicial
do aplicativo.
48
Figura 4.5: Tela inicial do aplicativo.
Na Figura 4.5 podem ser vistas duas fontes de luz, uma superior e outra inferior.
A superior e a luz vinda da fibra optica responsavel pela referencia e a inferior e a
luz vinda da fibra optica responsavel pela medicao.
O aplicativo possui basicamente tres funcionalidades, apresentadas na secao 4.2,
diretamente ligadas ao usuario: Medicao de ındices de refracao, Configuracao do
sistema e Exportacao das medicoes realizadas.
4.6.1 Medicao de Indices de Refracao
Algumas vezes, antes da utilizacao do aplicativo criado, foi necessario que uma
configuracao fosse realizada no aplicativo nativo da camera. Devido a limitacoes
do dispositivo, o controle manual da camera nao pode ser feito no aplicativo de-
senvolvido. Este controle depende da implementacao completa da biblioteca do
Android relacionada a camera por parte do fabricante do Smartphone, ASUS neste
caso. Como o dispositivo utilizado e limitado neste sentido, foram realizadas con-
49
figuracoes no aplicativo nativo da camera em relacao ao foco e a velocidade do
obturador. Estas configuracoes alteram o comportamento da camera no aplicativo
desenvolvido. A Figura 4.6 apresenta as configuracoes utilizadas.
Figura 4.6: (a) Configuracao do foco manual. (b) Configuracao da velocidade do obtu-
rador.
Uma vez realizado, este passo de configuracao da camera nao precisa ser repetido
toda vez que o aplicativo desenvolvido for utilizado, mas sempre que o Smartphone
for reinicializado ou quando a configuracao da camera no aplicativo nativo for mo-
dificada.
No que diz respeito ao aplicativo desenvolvido, a medicao de ındices de refracao
e realizada na tela principal. Antes da medicao de ındice de refracao propriamente
dita, e aconselhavel medir o fator de correcao. Dessa forma as medicoes sao nor-
malmente compostas por dois passos: Medir Correcao e Medir Indice de Refracao.
A Figura 4.7 destaca os botoes, circundados de vermelho, que compoem estes dois
50
passos para realizar as medicoes.
Figura 4.7: Tela de medicao com passos destacados.
O aplicativo trabalha com o fator entre as intensidades das duas fibras, sendo
o fator a intensidade da fibra de medicao dividida pela intensidade da fibra de
referencia. Assim, se as intensidades fossem iguais, o fator entre elas seria um.
Entretanto, mesmo que as fibras de referencia e medicao estejam submetidas as
mesmas condicoes, suas intensidades podem ser diferentes. Uma das fibras pode ter
naturalmente mais perdas do que a outra ou o flash pode nao estar iluminando as
duas exatamente da mesma forma. Por esse motivo, utilizamos um fator de correcao
para corrigir o fator entre as intensidades. Dessa forma, o fator que nos interessa e
o fator corrigido, ou seja, o fator dividido pelo fator de correcao.
O primeiro passo para realizar a medicao e pressionar o botao Medir Correcao
destacado na Figura 4.8 (a) com as fibras mergulhadas no meio de referencia, como
a agua pura. O objetivo nesse momento e obter o fator que representa a diferenca
entre as intensidades das fibras que sera utilizado posteriormente para corrigir a
51
medicao.
Figura 4.8: (a) Passo para medir correcao destacado. (b) Aba com resultado
da correcao.
A Figura 4.8 (b) mostra a aba que e exibida com o resultado do calculo do fator
de correcao. A aba da correcao mostra o valor da intensidade da fibra de referencia
(Intensidade da Ref.), o valor da intensidade da fibra de medicao (Intensidade) e
o fator de correcao (Fator) que e equivalente a razao entre as duas intensidades
calculadas (Intensidade/Intensidade da Ref.).
O proximo passo e pressionar o botao Medir Indice de Refracao destacado na
Figura 4.9 (a) com a fibra de referencia mergulhada no meio de referencia (agua
pura) e com a fibra de medicao mergulhada no meio onde se deseja medir o ındice
de refracao (concentracao de sacarose). A Figura 4.9 (b) ilustra a aba que e exibida
com o resultado do calculo da medicao.
52
Figura 4.9: (a) Passo para medir ındice de refracao destacado. (b) Aba com
resultado da medicao.
A aba da medicao exibe o valor da intensidade da fibra de referencia (Intensidade
da Ref.), o valor da intensidade da fibra de medicao (Intensidade), o fator entre as
intensidades (Fator) que e equivalente a razao entre as duas intensidades calcula-
das (Intensidade/Intensidade da Ref.) e o fator corrigido (Fator Corrigido) que e
equivalente a razao entre o fator calculado e o fator de correcao calculado no passo
anterior (ou o ultimo calculado, que fica salvo no banco de dados).
Neste momento, o esperado e que a intensidade da fibra de referencia nao tenha
tido perdas, sendo aproximadamente a mesma, enquanto a intensidade da fibra de
medicao mergulhada na concentracao de sacarose deve ter sofrido perdas, tendo
seu valor reduzido em relacao a fibra de referencia. Alem disso, tambem deve ser
possıvel observar isto notando que a fonte de luz inferior referente a medicao estara
ligeiramente menor na camera do que a da referencia devido as perdas por causa da
sacarose.
53
Finalmente, a Figura 4.9 (b) mostra tambem o ındice de refracao, circundado de
vermelho, calculado utilizando o fator corrigido e a curva de caracterizacao do sensor
salva no banco de dados, encontrada na etapa de calibracao do mesmo.
Como as correcoes nao utilizam medias, sendo sempre o resultado do processa-
mento de apenas uma imagem, e recomendavel realizar as medicoes de correcao
algumas vezes para verificar a confiabilidade, assegurando assim que o fator de
correcao nao esta tendo variacoes significativas. Caso ocorra uma variacao no fator
de correcao entre o momento em que ele e medido e o momento em que a medicao
do RI e realizada, significa que a diferenca entre as intensidades das fibras nao e
mais a representada por aquele fator de correcao. Dessa forma, o ındice de refracao
seria calculado com base em um fator corrigido erroneamente.
Note que embora seja aconselhavel realizar sempre a medicao do fator de correcao
anteriormente a medicao do ındice de refracao, caso ela nao seja realizada, o aplica-
tivo utilizara o ultimo fator de correcao medido, que fica salvo no banco de dados.
4.6.2 Configuracao do Sistema
Uma funcionalidade importante do aplicativo e a configuracao de como serao
realizadas as medicoes. A partir da tela principal pode-se ser direcionado para a
tela de configuracao ao pressionar o ıcone destacado na Figura 4.10 (a).
54
Figura 4.10: (a) Passo para tela de configuracao destacado. (b) Tela de
configuracao.
A tela de configuracao pode ser vista na Figura 4.10 (b). No que diz respeito
as medicoes, o numero de medias utilizado para compor uma medicao pode ser
configurado. Dessa forma, cada medicao pode ser obtida a partir de uma imagem
ou da media de diversas imagens. As intensidades variam levemente de uma imagem
para outra de forma que a utilizacao de medias e muito importante.
Deve ser observado que esta configuracao de medias nao e valida para as medicoes
de correcoes, por simplicidade elas utilizam apenas uma imagem para calcular a
intensidade.
Outra configuracao possıvel e o threshold, que e o limiar de intensidade acima do
qual cada pixel deve estar para que seja considerado no momento que as fontes de
luz forem detectadas nas imagens.
55
A curva obtida atraves da calibracao tambem pode ser configurada no aplicativo.
Dessa forma, caso seja necessario, uma nova calibracao pode ser facilmente cadas-
trada nesta tela. Mas deve ser observado que o aplicativo esta preparado apenas
para que curvas lineares sejam cadastradas e utilizadas.
4.6.3 Exportacao das Medicoes
O aplicativo permite exportar um arquivo no formato CSV com as medicoes rea-
lizadas em uma determinada data para uma conta do Dropbox. A Figura 4.11 (a)
mostra o ıcone que deve ser pressionado na tela principal para que o usuario seja
direcionado para a tela de exportacao.
Figura 4.11: (a) Passo para tela de exportacao destacado. (b) Tela de
exportacao.
A tela da exportacao pode ser vista na Figura 4.11 (b). Apos informar uma data
inicial e final e selecionar a opcao para exportar os dados, sera gerado um arquivo .csv
para cada data do intervalo com todas as medicoes da respectiva data. Em seguida,
56
todos serao enviados para uma pasta chamada SmartBioSensor no Dropbox. A
Figura 4.12 mostra alguns arquivos exportados na pasta do Dropbox.
Figura 4.12: Arquivos exportados na pasta do Dropbox.
A funcionalidade de exportacao dos arquivos pode ser muito importante na analise
do sensor, permitindo verificar os valores de todas as medicoes, incluindo os valores
que compoem uma determinada medicao no caso de medias serem utilizadas. Na
etapa de calibracao do sensor, a analise destes arquivos e fundamental.
A Figura 4.13 ilustra um trecho de um arquivo gerado.
Figura 4.13: Arquivo exportado aberto no excel.
Note que na primeira tentativa de exportacao dos arquivos sera necessaria uma
autenticacao no Dropbox, onde uma conta devera ser informada. Pode ser que esta
autenticacao seja necessaria novamente outras vezes.
57
Capıtulo 5
Resultados e Discussoes
Este Capıtulo apresenta os resultados obtidos ao longo projeto. A secao 5.1 mostra
os resultados dos experimentos utilizados para calibrar o instrumento. Em 5.2 e
feita uma comparacao entre diferentes curvas de calibracao obtidas para verificacao
da repetibilidade do instrumento. Uma verificacao de histerese do instrumento e
realizada em 5.3. Em seguida, o resultado das medicoes de ındices de refracao e
apresentado na secao 5.4. Por fim, e realizada uma verificacao da estabilidade da
luz emitida pelo flash na secao 5.5.
5.1 Experimentos para Calibracao do Instrumento
Antes da utilizacao do sensor para medir ındices de refracao, foi necessario encon-
trar uma curva que o caracterizasse atraves do processo denominado calibracao. A
calibracao foi realizada utilizando concentracoes de sacarose de referencia conforme
procedimento descrito no Capıtulo 3, secao 3.5. As concentracoes utilizadas foram
de 15%, 25%, 30%, 45% e 52% de sacarose em agua.
5.1.1 Calibracao Utilizando a Segunda Versao do Suporte
Inicialmente, a segunda versao do suporte foi utilizada para realizar as medicoes,
inserindo-se o sensor na agua pura e nas concentracoes de sacarose. Considerando
uma distribuicao gaussiana dos pontos, para cada concentracao foi realizada a media
de 10 medicoes, durante as quais o sensor nao foi retirado da agua. A Figura 5.1
apresenta uma comparacao do resultado de duas calibracoes realizadas, com suas
58
incertezas associadas.
Figura 5.1: Comparacao entre duas calibracoes utilizando a segunda versao do
suporte.
E possıvel observar na Figura 5.1 um comportamento aproximadamente linear
para as duas calibracoes, como esperado. Por outro lado, a sensibilidade do sensor
para a Calibracao 1 mostrou-se baixa em relacao a Calibracao 2. E provavel que
isso tenha ocorrido devido a forte intensidade da luz do flash, que variava conside-
ravelmente de acordo com a posicao do flash em relacao as fibras opticas que eram
iluminadas. Dependendo da posicao, a luz atingia as fibras com uma intensidade
muito alta, de forma que os valores saturavam no maximo possıvel e as perdas nao
eram percebidas. Neste momento, nenhum filtro de potencia estava sendo utilizado
ainda como forma de auxiliar na diminuicao da intensidade do flash.
A calibracao 2 foi resultado de uma nova tentativa de calibracao, onde a posicao
das fibras em relacao ao flash foi levemente modificada. Nota-se que a sensibilidade
aumentou, confirmando as suspeitas de saturacao anteriores. Mas o coeficiente de
regressao (0,9935) foi inferior e um dos pontos ficou um pouco distante da reta
tracada.
59
Como a posicao das fibras foi modificada, o sensor e diferente para a calibracao 1
e a calibracao 2. Da mesma forma, na maioria dos testes realizados utilizando essa
versao do suporte nao era possıvel garantir que o sensor fosse o mesmo devido as
dificuldades encontradas no acoplamento do suporte ao Smartphone.
5.1.2 Calibracao Utilizando a Versao Final do Suporte
A curva de calibracao escolhida para caracterizar o sensor foi obtida com a versao
final do suporte, pois nesta o problema de acoplamento do suporte ao Smartphone
foi significativamente melhorado. Apos a preparacao das concentracoes de sacarose,
seus ındices de refracao de referencia foram medidos no refratometro e estao apresen-
tados na Tabela 5.1. As incertezas dos ındices de refracao apresentadas na Tabela
5.1 tratam-se da incerteza do refratometro utilizado, informada pelo fabricante como
0,0002.
Tabela 5.1: Valores de referencia para os ındices de refracao medidos pelo re-
fratometro.
Concentracao de Sacarose (%) Indice de Refracao de Referencia
0 1,3321 ± 0,0002
15 1,3518 ± 0,0002
25 1,3647 ± 0,0002
30 1,3672 ± 0,0002
45 1,3828 ± 0,0002
52 1,3855 ± 0,0002
O resultado da medicao de cada concentracao tambem foi obtido utilizando a
media de 10 medicoes, considerando uma distribuicao gaussiana. A incerteza na
medicao da intensidade de cada concentracao foi calculada como sendo o desvio
padrao da media definido pela Equacao 5.1 que, por sua vez, foi calculado utilizando-
se o desvio padrao corrigido da amostra, definido pela Equacao 5.2.
σmedia =σ√n
(5.1)
60
σ =
√√√√ 1
n− 1
n∑i=1
(xi − x)2 (5.2)
Nos calculos foram utilizados dois desvios padroes (µ ± 2σmedia), com o objetivo
de alcancar um intervalo de confianca de 95%. Os valores medios obtidos pelo
instrumento desenvolvido para os fatores intensidade (Intensidade/Intensidade da
Ref.) corrigidos e as incertezas calculadas estao apresentados na Tabela 5.2.
Tabela 5.2: Valores dos fatores entre as intensidades medidos pelo aplicativo.
Concentracao de Sacarose (%) Fator Intensidade
0 0,999 ± 0,002
15 0,887 ± 0,002
25 0,823 ± 0,002
30 0,800 ± 0,002
45 0,696 ± 0,002
52 0,667 ± 0,002
A curva de calibracao tracada para o resultado da medicao de cada concentracao
e os respectivos ındices de refracao de referencia conhecidos esta representada na
Figura 5.2. Esta foi a curva final utilizada nas medicoes de RI deste projeto.
Figura 5.2: Calibracao utilizada no projeto.
61
E possıvel observar um comportamento linear, apesar de alguns pontos estarem
mais distantes da curva tracada. A ordem de grandeza das incertezas calculadas
para a intensidade esta na terceira casa decimal, de forma que somente a partir
desta os valores obtidos perdem confiabilidade.
Observe que, por simplicidade, as incertezas dos ındices de refracao medidos no
refratometro nao foram representadas na curva, mas foram consideradas nos calculos
necessarios.
5.1.2.1 Calibracao Utilizando Outra Abordagem
Uma outra abordagem na calibracao foi a realizacao da sequencia de medicoes
10 vezes seguidas, mas sem a utilizacao de medias pelo aplicativo. Neste caso,
o resultado de uma medicao foi obtido a partir de apenas uma imagem. As in-
certezas nas medicoes das intensidades foram calculadas da mesma maneira des-
crita anteriormente. Os valores medios obtidos para os fatores intensidade (Intensi-
dade/Intensidade da Ref.) corrigidos e as incertezas estao apresentados na Tabela
5.3.
Tabela 5.3: Valores dos fatores entre as intensidades medidos pelo aplicativo utili-
zando outra abordagem.
Concentracao de Sacarose (%) Fator Intensidade
0 1,00 ± 0,02
15 0,91 ± 0,01
25 0,832 ± 0,009
30 0,80 ± 0,01
45 0,72 ± 0,02
52 0,67 ± 0,02
A curva de calibracao tracada neste caso pode ser vista na Figura 5.3.
62
Figura 5.3: Calibracao utilizando outra abordagem.
O comportamento e linear e o coeficiente de regressao e similar ao encontrado
utilizando o outro metodo (0,9928 e 0,9932), mas a ordem de grandeza da maioria
das incertezas calculadas para a intensidade esta na segunda casa decimal. No
metodo anterior as incertezas foram menores, pois os valores medidos observados
estavam mais proximos uns dos outros. Isto comprova a importancia da utilizacao
das medias no aplicativo.
Desta forma, uma outra solucao para a aplicacao desta metodologia poderia ser a
combinacao das duas, de forma a realizar uma sequencia de medicoes 10 vezes, onde
cada medicao utilizasse a media de outras 10 medicoes. Alem disso, o numero de
medias poderia ser maior no intuito de aprimorar a curva. Entretanto, este projeto
nao avaliou esta abordagem combinada e a calibracao utilizada foi a apresentada na
primeira abordagem, cujo desempenho foi mais satisfatorio.
5.2 Verificacao da Repetibilidade do Instrumento
A calibracao de um instrumento pode ser realizada utilizando o mesmo procedi-
mento e mesmas condicoes de medicao diversas vezes e, mesmo assim, o resultado
de cada uma delas provavelmente sera ligeiramente diferente um do outro. A capa-
63
cidade de um instrumento obter o mesmo valor em diversas medidas, sob as mesmas
condicoes, e chamada de repetibilidade [19]. A repetibilidade e de fundamental im-
portancia e pode ser dada pelo desvio padrao das medidas efetuadas de um mesmo
valor. Desta forma, a repetibilidade do instrumento consiste na faixa englobada pe-
las incertezas calculadas, de forma que todas as curvas medidas da mesma maneira
devem estar inseridas nesta faixa.
Com o objetivo de observar melhor a repetibilidade, a Figura 5.4 mostra uma
comparacao entre curvas de calibracao medidas em diferentes dias, sob as mesmas
condicoes.
Figura 5.4: Comparacao entre curvas de calibracao de diferentes dias.
Como pode ser visto, as curvas nao sao exatamente as mesmas, mas estao proximas
entre si, o que configura um grau de repetibilidade razoavel. Os desvios padroes da
media calculados para os fatores intensidade e apresentados na secao 5.1.2 foram
±0, 002, de forma que a repetibilidade e dada por esta faixa. E importante observar
que apesar da melhoria no acoplamento do suporte ao Smartphone, restou ainda
alguma dificuldade relacionada a estabilizacao do sistema de medicao como um
todo, que provavelmente influenciou a repetibilidade do instrumento.
64
5.3 Verificacao de Histerese do Instrumento
Foram realizados procedimentos para verificar a histerese do instrumento. Em
um instrumento de medicao, a histerese ocorre se houver diferenca entre a medida,
quando atingida por valores crescentes do mensurando, e a medida quando atingida
por valores decrescentes do mensurando [19]. E esperado que nao haja histerese
para o instrumento em questao, pois entre as medicoes das concentracoes a regiao
sensora e mergulhada em agua para limpeza. Desta forma, as condicoes de medicao
sao sempre as mesmas, nao devendo fazer diferenca se as medicoes das concentracoes
de sacarose vao no sentido crescente ou decrescente. A Figura 5.5 apresenta quatro
medicoes, duas no sentido crescente e duas no decrescente.
Figura 5.5: Histerese do instrumento.
Como pode ser observado, existe uma pequena diferenca entre as curvas, mas
que nao representa uma histerese. Nao existe uma relacao valida para as curvas
crescentes e outra para as decrescentes. A diferenca provavelmente ocorre devido
ao erro do instrumento em fornecer indicacoes proximas, em repetidas aplicacoes do
mesmo mensurando.
65
5.4 Medicao de Indices de Refracao
Concentracoes de sacarose foram preparadas aleatoriamente para que seus ındices
de refracao fossem medidos utilizando o aplicativo desenvolvido, calibrado conforme
a curva de calibracao encontrada na secao 5.1.2 deste Capıtulo. Os ındices de re-
fracao das concentracoes tambem foram medidos pelo refratometro para que os
valores medidos pelo aplicativo pudessem ser comparados.
Assim como na calibracao, cada medicao foi o resultado da media de 10 medidas.
A incerteza do instrumento foi calculada como sendo a incerteza padrao combinada
de fontes de entrada nao correlacionadas. As incertezas das fontes consideradas
foram as do refratometro e do fator intensidade da curva de calibracao utilizada.
A Tabela 5.4 apresenta os ındices de refracao medidos pelo refratometro e pelo
instrumento desenvolvido, assim como as incertezas absolutas associadas. Alem
disso, as incertezas do instrumento criado tambem estao expressas em termos de
porcentagens entre parenteses.
Tabela 5.4: Valores dos ındices de refracao medidos pelo refratometro e pelo aplica-
tivo.
Medicao # RI Refratometro RI Instrumento
Medicao 1 1,3879 ± 0,0002 1,388 ± 0,005 (0,360%)
Medicao 2 1,3681 ± 0,0002 1,367 ± 0,005 (0,366%)
Medicao 3 1,3973 ± 0,0002 1,397 ± 0,005 (0,358%)
Medicao 4 1,3712 ± 0,0002 1,369 ± 0,005 (0,365%)
Medicao 5 1,3876 ± 0,0002 1,389 ± 0,005 (0,360%)
Assumindo-se os valores medidos pelo refratometro como verdadeiros, todos os
valores medidos pelo instrumento criado, considerando suas incertezas, encontram-
se dentro do esperado. Dessa forma, a teoria de que existe uma relacao linear entre
a perda da intensidade de luz em uma fibra optica e o ındice de refracao do meio
externo pode ser comprovada.
66
Pode ser observado que a incerteza da medida do ındice de refracao feita pelo ins-
trumento desenvolvido e uma ordem de grandeza maior do que a ordem de grandeza
da medida feita pelo refratometro, de forma que o instrumento e menos eficiente
do que o refratometro em termos de precisao. Por outro lado, deve ser levado em
consideracao o custo elevado de aquisicao do refratometro de bancada utilizado, em
torno de R$ 15.000,00 [20], em relacao ao instrumento desenvolvido, em torno de
R$ 1.500,00 (R$ 1.300,00 referente ao Smartphone, R$ 150,00 referente ao suporte
e R$ 50,00 referente aos demais gastos).
Alem disso, o custo inferior do instrumento apresentado neste trabalho aliado a
fabricacao e utilizacao mais simples, torna a sua producao em larga escala mais
viavel. Outra vantagem e a portabilidade oferecida, de forma a possibilitar a uti-
lizacao do instrumento em aplicacoes externas ao laboratorio, sem necessidade de
condicoes de laboratorio especıficas.
No que diz respeito a precisao do instrumento desenvolvido, um ponto que cer-
tamente influenciou foi uma variacao que ocorre na medicao das intensidades, na
maioria das vezes na terceira casa decimal. Esta variacao foi observada mesmo com
todas as condicoes iguais. As medicoes das intensidades com as duas fibras no ar na
mesma posicao, permite verificar facilmente esta variacao. A Figura 5.6 ilustra um
grafico de intensidade por numero de medicoes, obtido realizando uma medicao cujo
resultado e composto pela media de 10 medicoes, com as duas fibras sob as mesmas
condicoes.
67
Figura 5.6: Variacao da intensidade nas medicoes.
No grafico, o fator entre as intensidades deveria ter sido sempre o mesmo para
as 10 medicoes, pois as condicoes nao variaram. Entretanto, pode ser visto que a
variacao ocorreu e algumas justificativas poderiam ser uma possıvel instabilidade
na luz do flash, algum comportamento da parte mecanica do dispositivo movel ou
a influencia da luz do meio externo ao suporte. A primeira hipotese relacionada a
instabilidade do flash foi verificada como improvavel e o resultado encontra-se na
proxima secao deste capıtulo.
5.5 Verificacao da Estabilidade da Luz Emitida
pelo LED do Flash
Um esquema foi montado para verificar a estabilidade da luz emitida pelo LED
do flash. O esquema esta apresentado na Figura 5.7.
68
Figura 5.7: Esquema montado para verificacao da estabilidade da luz do flash.
Um fotodiodo foi posicionado de forma relativamente fixa no LED do flash como
tentativa de verificar a luz emitida em um sistema de aquisicao de medidas (Sensor
POF v1.8) desenvolvido por um membro da equipe do LIF. A Figura 5.8 mostra a
amplitude de saıda ao longo do tempo. Um total de 4189 amostras foram obtidas
em 297,8 segundos, durante os quais o LED foi ligado e desligado algumas vezes.
Quando o led era desligado, a amplitude era 0 mV e quando era ligado, a amplitude
era aproximadamente 320 mV.
Figura 5.8: Tensao da luz emitida pelo LED do flash ao longo do tempo.
A Figura 5.9 exibe uma regiao aproximada, de forma a ser possıvel observar
69
a existencia de um overshoot na transicao. Entretanto, o overshoot e baixo, de
aproximadamente 0,5 mV com uma duracao de aproximadamente 1s.
Figura 5.9: Aproximacao da regiao de transicao.
Uma consideracao importante e que o LED do flash era ligado ao iniciar o apli-
cativo desenvolvido e permanecia ligado todo o tempo ate que o aplicativo fosse
encerrado ou pausado. Dessa forma, nao ocorriam transicoes durante as medicoes.
A transicao ocorria apenas no momento em que o aplicativo era iniciado, mas o
overshoot durava apenas 1s e as medicoes nao eram realizadas neste segundo imedi-
atamente posterior a inicializacao do aplicativo. O tempo de duracao das medicoes
variava de acordo com o numero de medias utilizado. Quando o numero de medias
era 10, a medicao durava aproximadamente 8s.
Observe que nesta analise foram obtidas amostras apenas em 297,8s, mas nao
foi verificado se ocorre alguma variacao no comportamento do flash apos um longo
perıodo acionado, em funcao da bateria do Smartphone ou de outros fatores. Desta
forma, embora a hipotese da instabilidade na luz do flash seja improvavel, ela nao
pode ser descartada, pois ainda e possıvel que haja alguma variacao associada a esse
fator.
70
Capıtulo 6
Conclusao
Neste projeto foi implementada uma solucao mais simples, rapida e de baixo custo,
como alternativa aos metodos convencionais de deteccao que se baseiam na medicao
de ındices de refracao. A solucao apresentada consistiu em um sistema de medicao
composto por fibras opticas plasticas acopladas a um Smartphone atraves de um
suporte com o objetivo de medir ındices de refracao de lıquidos, utilizando como
princıpio de funcionamento a curvatura das fibras opticas em formato de U.
O projeto envolveu o desenvolvimento de um aplicativo, a criacao de um suporte
para celular onde as POFs pudessem ser encaixadas e diversos testes experimentais.
O suporte foi fixado a parte posterior do Smartphone e posicionado na direcao da
camera e do flash. O aplicativo foi responsavel por iluminar as POFs com o flash e
registrar imagens para medir o ındice de refracao atraves do calculo da intensidade
de luz nas imagens.
Ao longo do projeto, foram encontradas diversas dificuldades. A primeira delas foi
referente ao acoplamento do suporte no Smartphone. Algumas versoes do suporte
tiveram que ser construıdas ate a obtencao do resultado desejado. Outro fator
que representou problema foi relacionado ao controle manual da camera devido as
limitacoes do dispositvo movel utilizado. Este ponto foi contornado atraves da
utilizacao do aplicativo nativo da camera, implementado pelo proprio fabricante.
Alem disso, tambem nao foi implementada pelo fabricante a parte referente a
obtencao de imagens em formato RAW, que contem a totalidade dos dados da
71
imagem tal como captada pelo sensor da camera fotografica. Este formato permite
uma qualidade maior na imagem, incluindo a utilizacao de mais do que 8 bits para
representar um pixel.
Outra dificuldade enfrentada diz respeito a estabilizacao do sistema de medicao
como um todo. Foi difıcil garantir que o Smartphone, ja com o suporte acoplado,
permanecesse imovel na mesma posicao durante todas as medicoes.
De maneira geral, como o Capıtulo anterior mostrou, o sistema proposto atendeu
as expectativas. Os resultados dos ındices de refracao obtidos atraves do instru-
mento desenvolvido encontraram-se dentro do esperado, considerando suas incerte-
zas, quando comparados com os obtidos pelo refratometro. Embora o refratometro
seja mais eficiente em termos de precisao, por possuir uma incerteza menor asso-
ciada as suas medicoes, o instrumento apresentado possui um custo inferior, uma
fabricacao mais simples e uma maior praticidade devido a portabilidade oferecida e
facilidade na utilizacao.
Conforme visto, um fator que provavelmente influenciou a precisao das medicoes
realizadas foi a variacao observada na terceira casa decimal das intensidades me-
didas. Alguns pontos levantados como possıveis causadores da variacao foram o
comportamento da parte mecanica do dispositivo movel ou a influencia da luz do
meio externo ao suporte. A hipotese da instabilidade do flash foi considerada im-
provavel, mas nao foi descartada. Outro fator que pode ter influenciado as medicoes
diz respeito a aproximacao linear utilizada para caracterizar o instrumento, pois e
possıvel que uma aproximacao polinomial fosse mais adequada.
Por fim, o trabalho apresentou um instrumento para medicao de ındice de re-
fracao alternativo, contribuindo de forma significativa para a minha formacao como
engenheira, na medida em que foram unificados e colocados em pratica conheci-
mentos adquiridos ao longo da graduacao sobre diversas areas, ligadas a software e
hardware.
Alem disso, a grande motivacao que fundamentou o projeto esta relacionada a
deteccao de patogenos, embora nao fizesse parte do escopo. Desta forma, surgem
72
como extensao do projeto aplicacoes tais como biossensores e nanobiossensores que
fazem uso da medicao de ındices de refracao. Mas deve ser observado que a pre-
cisao do instrumento criado precisa ser aprimorada para que estas aplicacoes sejam
possıveis.
73
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