o campo eletromagnético e a medição - ipq c… · onda plana . pedro silva girão ... o....
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Pedro Silva Girão
O Campo Eletromagnético
e a Medição
Caso: 400-700 mm
Pedro Silva Girão, GIM/IT/IST Lisboa
As Medições e a Luz
IPQ
20 de Maio de 2015
Pedro Silva Girão
A Luz
Luz e Imagem
Luz e Comunicação Ótica
Luz e Medição
Exemplos
Gerais
Fibras óticas
Pessoais
Conclusão
Resumo
20/5/2015
Pedro Silva Girão
Luz: introdução
Onda/corpúsculo
Radiação eletromagnética
20/5/2015
Pedro Silva Girão
Onda/corpúsculo
Fotões
E = hf ; p = h/l (lf = v)
Visível: comprimento de onda se inclui num determinado
intervalo dentro do qual o olho humano é sensível /
fotões com energia capaz de sensibilizar o olho humano
Grandezas físicas básicas da luz:
Brilho intensidade (ou amplitude); número de fotões
Cor comprimento de onda (ou frequência); energia de cada
fotão
Polarização campo elétrico; spin dos fotões
Luz: introdução
20/5/2015
Pedro Silva Girão
Coerência • Temporal – monocromaticidade (direção propagação) • Espacial – onda plana (fase uniforme plano perpendicular à
direção de propagação)
Luz: introdução
20/5/2015
Onda plana
Pedro Silva Girão http://slideplayer.com.br/slide/368419/
Luz: introdução
20/5/2015
Pedro Silva Girão
Onda:
Reflexão
Refração
Difração
Interferência
Polarização
Partícula
Emissão
Absorção
Luz: introdução
20/5/2015
Pedro Silva Girão
Luz: introdução
20/5/2015
http://electrical-engineering-portal.com/basic-parameters-used-in-lighting-you-should-know
Fotometria
Pedro Silva Girão
Alberto Peruzzo, Peter Shadbolt, Nicolas Brunner, Jamie Simmonds
Waterfall: M.Escher
Luz: imagem
20/5/2015
Pedro Silva Girão
Luz: comunicação ótica
20/5/2015
files.sistele7.webnode.com/.../comunicacoes%20opticas%20I.PDF
Pedro Silva Girão
Princípios
Intensidade/energia
Absorção
Reflexão
Difração
Variação do índice de refração
Fase luz monocromática
Polarização
Variação do índice de refração (birrefringência)
Espetro - espectroscopia
Velocidade
Variação do índice de refração
Luz: medição
20/5/2015
Pedro Silva Girão
Laser He-Ne: l = 638 nm
Alcance: dezena de m: resolução: 1 nm; exatidão: 1 mm
Luz: medição. Interferómetro de Michelson
20/5/2015
Pedro Silva Girão 20/5/2015
Luz: medição. LIDAR
http://cdn.intechopen.com/pdfs-wm/9524.pdf#page=2&zoom=auto,-206,123
Pedro Silva Girão
Sensores de fibra ótica
temperatura
pressão
deformação
deslocamento
aceleração
caudal
vibração
concentrações químicas
campos elétricos e magnéticos
…………………………
Luz: medição
20/5/2015
Pedro Silva Girão 20/5/2015
β = B×d×V
V – constante de Verdet
Faraday
Luz: medição. Efeitos eletro/magneto-óticos
Cortesia de Prof. José Brandão Faria
Pedro Silva Girão 20/5/2015
∆n = λ×P×E
P – constante de Pockels
∆n = λ×K×E2
K – constante de Kerr
Luz: medição. Efeitos eletro/magneto-óticos
Pockels/Kerr
Cortesia de Prof. José Brandão Faria
Pedro Silva Girão
Detector
Divisor de feixes
Fonte Laser
N espiras de fibra óptica
2Lrn
c
=
l
Fibra roda à velocidade angular, . Um feixe LASER, l, é forçado a percorrer a fibra de comprimento, L, e raio exterior ,r, nos dois sentidos. O número de riscas resultante da interferência dos dois feixes à saída é
Luz: medição. Giroscópio de fibra ótica
20/5/2015
Pedro Silva Girão
Luz: medição. Redes (gratings) de Bragg
20/5/2015
Fibra com rede: índice de refração do núcleo varia periodicamente ao longo da distância, “espalhando” a luz de uma modo semelhante a uma rede de difração e transmitindo ou reflectindo selectivamente determinados comprimentos de onda.
Rede de Bragg: Variação longitudinal e periódica do índice de refração. O espaçamento depende do comprimento de onda da luz que se pretende reflectir.
lBragg
llBragg
Extensómetro de poliamida
Pedro Silva Girão
Luz: medição. Redes (gratings) de Bragg
20/5/2015
Condição de Bragg:
lB = 2L neff
lB – comprimento de onda reflectida
L - período da rede
Neff - valor eficaz do índice de refracção
Valores típicos; lB= 1,5 mm, L = 0,5 mm
Resulta da verificação de duas condições:
1. Conservação da energia: ftotal =
ftransmitida+ freflectida
2. Conservação do momento linear: K
+ ki = kf
Pedro Silva Girão
Luz: medição. Redes (gratings) de Bragg
20/5/2015
Fonte de luz FBG e
Medidor de l ou Dl
e processamento
Acoplador óptico FBG T
Compensação da temperatura
Pedro Silva Girão
O. Postolache, P.S. Girão, J.M. Dias Pereira, Helena Ramos, “Multi-Beam Optical System and Neural Processing for Turbidity Measurement”, IEEE
Sensors Journal, Vol. 7, No. 5, pp. 679-684, May 2007.
Luz: medição. Turvação
20/5/2015
Pedro Silva Girão
x
LD2 d0
p1d+d0
LD1
1
N p2
d+d0
d
L
y
1
2 P.M.B. Silva Girão, O.A. Postolache, J.A.Brandão Faria, J.M.C. Dias Pereira, “An Overview and a Contribution to the Optical Measurement of Linear Displacement”, IEEE Sensors Journal, Vol. 1, Issue 4, pp. 322-331, December 2001.
Luz: medição. Deslocamento/posição linear
20/5/2015
Pedro Silva Girão
P.M.B. Silva Girão, O.A. Postolache, J.A.Brandão Faria, J.M.C. Dias Pereira, “An Overview and a Contribution to the Optical Measurement of Linear Displacement”,
IEEE Sensors Journal, Vol. 1, Issue 4, pp. 322-331, December 2001.
Luz: medição. Deslocamento/posição linear
20/5/2015
LD
d0
S2
S1
0
Tilted detector Detector
normal setting
x
1.3
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
10.0-10.0 -5.0 0.0 5.0
U1n, U2n
U1n
U2n
()
(a) (b)
Pedro Silva Girão
J.M. Dias Pereira, O. Postolache, P. Silva Girão, “Colored Light-to-Voltage Converters Based Absorbance Meter”, International Scientific
Journal of Computing, Vol. 2, Issue 1, pp. 58-64, July 2003.
Luz: medição. Absorção
20/5/2015
l
V
l1 l2 l3
g(l)
f1 f3f2
V3
V1
V2
White light source
Display
Colored light-to-voltage
converter
PIC
B
G R
optical diffuser and focusing lenses
MUX
parabolic reflector
Motor
PGA ?
Reference medium
Sample
Gnd FS
Gnd – ground FS – full-scale
UP-DOWN
Pedro Silva Girão
DAQ CC-RTD
gas sample IN gas sample OUT
CC-RTD
LD
PD2 PD1
Power supply
BFB
RTD2
RTD1
Peltier heat pump
Beam splitter
OFE
d
O. Postolache, J.M. Dias Pereira, P. Silva Girão, C. Banha, H. Ramos, Dew Point and Relative Humidity Smart Measuring System”, IEEE Transactions on
Instrumentation and Measurement, Vol. 55, n. 6, pp. 2259-2264, December 2006.
Luz: medição. Humidade
20/5/2015
Pedro Silva Girão
bracelet
=20
LED1 LED2
Light to voltage
converter
Luz: medição. Oxigénio no sangue
Projeto HomeTelecare (PT Inovação), 2010.
20/5/2015
Pedro Silva Girão
Importância da luz (visível e não visível) em muitos
domínios e aplicações
Imagem
Comunicações
Aplicações da luz na medição
Intermináveis !
Mais tradicionais/comerciais – ex: deslocamento (posição)
Mais “recentes” – giroscópios, fibras óticas
Mais atuais – aplicações biomédicas
Vantagem: não contato
Desvantagem: custo
20/5/2015
Conclusão
