ruido e fibras opticas - moodle · 9.2 fontes de ruído ... a variação do campo eléctrico na...
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Índice dos Capítulos IX e X: Ruído e Fibras Ópticas
9. Ruído......................................................................................................................2
9.1 Introdução ao Ruído .............................................................................................2
9.2 Fontes de ruído....................................................................................................2
9.3 Medição do ruído .................................................................................................3
9.4 Técnicas de redução de ruído.................................................................................5
9.5 Fonte de ruído de banda larga ...............................................................................7
9.6 Potência Equivalente de ruído (NEP) .......................................................................8
10. Fibras Ópticas em instrumentação.............................................................................9
10.1 Introdução ........................................................................................................9
10.2 Constituição e classificação de fibras ópticas ........................................................ 10
10.3 Modos de funcionamento de uma fibra óptica ....................................................... 12
a) Cabo de modo singular ...................................................................................... 14
b) Cabo multimodo e cabo POF............................................................................... 14
c) Fibras multimodo de índice gradual...................................................................... 15
10.4 Desenho básico de um cabo de Fibras Ópticas e terminais de ligação....................... 15
10.5 Utilização de fibras ópticas como sensores. .......................................................... 19
10.5.1 Fibra óptica utilizada como sensor de temperatura .......................................... 20
10.5.2 Fibra óptica com transdutor de pressão.......................................................... 21
10.5.3 Fibra óptica como sensor de som .................................................................. 22
10.5.4 Fibra óptica como sensor de nível de fluidos ................................................... 23
10.5.4 Fibra óptica como nariz óptico ...................................................................... 24
10.5.5 Fibras Ópticas Transdutoras de Nível de Deslocamento (FOLDT). ....................... 25
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9. RUÍDO
9.1 Introdução ao Ruído
Por ruído de um sinal eléctrico entende-se qualquer sinal de corrente ou tensão esporádico ou
estranho que apareça em qualquer circuito eléctrico ou electrónico, sobrepondo-se ao valor de
sinal de interesse. À razão entre o sinal desejado e o sinal não desejado (ruído), designa-se
por razão sinal ruído (s/n=(energia do sinal/energia associada ao ruído).
O ruído pode ser de origem externa ou interna ao próprio circuito. Se o ruído provém do
interior do circuito, designa-se por ruído gerado, caso contrário, designa-se por ruído
conduzido (pelos cabos de ligação) ou radiado (por perturbações electromagnéticas).
9.2 Fontes de ruído
Fontes de ruído típicas são: temperatura dos componentes eléctricos; frequência da linha;
sinais de r.f.; descargas eléctricas; etc.
Em termos de relação s/n, deve-se ter em conta que as energias em jogo sobre a mesma
carga, são proporcionais ao quadrado da tensão e por isso, a relação s/ pode ser expressa sob
a forma:
2n
2
VVns =/ 9.1
As fontes de ruído estão divididas em dois grandes grupos: as internas (ao dispositivo sob
teste) e as externas (acopladas ao dispositivo física ou electromagneticamente). As fontes de
ruído internas recebem o nome de ruído gerado. O ruído Em termos de fontes de ruído
externo, se este é levado para o dispositivo, através dos cabos de ligação, diz-se ruído
condutivo se é acoplado a este devido à irradiação electromagnética de uma fonte
(normalmente associado a sinais de elevada frequência ou turbulência ambiental), o ruído diz-
se radiado.
Problema 9.1- Um dado sinal eléctrico de 10 µV é amplificado por um amplificador
transistorizado de modo a que a saída seja de 100 mV. Sabendo que sobreposto ao sinal de
saída existe um sinal de ruído de 15 µV, gerado pelo amplificador, determine qual a relação
sinal ruído.
Resolução
726
23
1045,4)1015()10100(
×=××
= −
−
ns
O ter-se uma fonte de ruído padrão é importante para o teste de equipamento electrónico,
nomeadamente de circuitos com amplificadores. O método de medida do ruído é o de medir o
ruído à saída do dispositivo (amplificador) sob teste, com e sem introduzir no dispositivo sob
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teste de um sinal de ruído conhecido. Uma das fontes de ruído normalmente utilizada é a de
um díodo limitado por temperatura. Isto é, a corrente do díodo é função da temperatura deste,
como por exemplo acontece com as válvulas a díodos onde o processo de condução é do tipo
termo-iónico. Uma outra fonte de ruído utilizada para este efeito é a descarga numa ampola de
gás (lâmpada de neon, por exemplo). Nestes casos, o ruído gerado é aleatório e cobre uma
vasta faixa de frequências.
9.3 Medição do ruído
O ruído mais comum é o ruído térmico gerado em condutores ou resistências eléctricas,
designado por ruído Johnson. Neste caso, a potência de ruído gerado num condutor, Pn é
directamente proporcional ao produto da temperatura absoluta a que este se encontra pela
largura de banda:
Pn=KBT∆B, 9.2
onde KB é a constante de Boltzman.
A densidade de potência espectral (potência de ruído por unidade de largura de banda de
frequência), é dada por:
Sn=Pn/∆B= KBT 9.3
Deste modo, o sistema de geração de ruído pode ser descrito em termos de uma fonte de
tensão, Vn com em série com uma resistência interna de valor Rn. Assim, se esta “fonte” for
ligada a uma carga de valor RL tem-se que:
Lnn RIP 2= , 9.4
em que In=Vn/(Rn+RL).
Nestas condições, a condição de transferência de potência máxima dá-se quando Rn=RL,
obtendo-se:
Vn=(4 KBTRn∆B)1/2. 9.5
Figura 9.1: Representação de uma resistência e da correspondente fonte de ruído (Vn) térmico associado
e efeito de disparo (condensador). Se tivermos diferentes resistências ligadas em série tem-se:
)(....)1( 222 nVVV nnn += , 9.6
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onde a correspondente razão sinal ruído é dada por:
s/n=(Vs/Vn)2. 9.7
Problema 9.2- Um dado voltímetro possui uma resistência de entrada de 15 MΩ. Que tensão
gerará por cada ciclo ou largura de banda?
Resolução
214623
2 1024)1)(11015)(
1º290)(
.º1038,1(44 VHzKHzK
JBKTRE pn−
−
×=Ω××
=∆=
En=0,49 µV.
Define-se factor de ruído, F à razão entre as relações s/n à entrada e saída de um dado
circuito eléctrico:
output
input
nsns
F)/()/(
= . 9.8
Por figura de ruído, nf, entende-se o valor de F expresso em decibeis:
Fnf 10log10= 9.9a)
Isto é, a figura de ruído representa o valor logarítmico da razão entre a tensão de ruído à
saída com ruído à entrada, pela tensão de ruído à saída sem ruído à entrada:
0
n
VV
10nf log= 9.9b)
Problema 9.3- Um amplificador tem um sinal de entrada de 3 µV acoplado a um sinal de
ruído de 1 µV. Se o factor de amplificação for de 20, determine a relação s/n à entrada e saída
do amplificador. Se o amplificador adicionar ao sinal 5 µV de ruído, qual a nova relação s/n à
saída. Neste caso, qual o valor do factor de ruído e da figura de ruído
Resolução (s/n)i =(Vi/Vn)2=9. Para a saída, a relação será a mesma, pois o factor de amplificação aplica-
se quer a Vi quer a Vn.
Quando o amplificador adiciona 5 µV de ruído, passamos a ter: s/n=[(20×3)/(20×1+5)]2=5,76.
Para o calculo do factor de ruído, devemos ter em conta que : output
input
nsns
F)/()/(
= , pelo que se
obtém F=9/5,76=1,54.
A figura de ruído (f) é dada por: Ff 10log10= , pelo que se tem f=1,87 db.
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9.4 Técnicas de redução de ruído
Para podermos eliminar ou reduzir o nível de ruído para valores aceitáveis num dado sistema,
devemos primeiro determinar o modo como o ruído entra no sistema, se é gerado, conduzido
ou radiado.
O ruído internamente gerado pode provir de diferentes factores, incluindo da composição dos
componentes utilizados. Uma dessas fontes é, por exemplo o Carbono utilizado em
resistências. Neste caso, a porção condutora da resistência consiste em agregados de átomos
perfeitamente alinhados, que mantêm as suas posições entre si no condutor., mas, o excesso
de temperatura pode provocar a sua vibração. Essa vibração pode ser transmitida aos
electrões de condução, provocando a modulação do fluxo de cargas por uma componente não
desejada. Neste caso, como o ruído depende da temperatura, este aumenta com a potência
interna de aquecimento da resistência (P=RI2). Este tipo de ruído designa-se de ruído de
Johnson. A vibração dos átomos da resistência cobre uma faixa de frequências bastante larga,
pelo que o ruído gerado consiste num sinal que cobre uma vasta faixa de frequências, pelo que
também se designa de ruído branco. Nesta categoria de ruídos são também englobados o
ruído provocado pela turbina de um motor a jacto, ou o ruído de não sintonia, num rádio.
Para se evitar ou controlar este tipo de ruído, deve-se reduzir a temperatura das resistências,
utilizando dissipadores ou sistemas de convecção apropriados, que permitam controlar a
temperatura a níveis aceitáveis. Outra forma, é a de recorrer a resistências de filme fino
depositados em substratos isolantes.
Nestes casos, qualquer tipo de blindagem ou filtro que se queira utilizar não resolve o
problema de redução de ruído, pois este é interno e cobre uma vasta faixa de frequências.
Um segundo tipo de ruído gerado internamente está associado a eventos eléctricos de curta
direcção (transientes), que ocorrem em dispositivos activos, tais como transístores. Neste
caso, a transição de cargas eléctricas nas junções do dispositivo semicondutor são sujeitas a
uma aceleração , que por sua vez vão dar origem a perturbações electromagnéticas, fontes de
geração de ruído. Uma vez que o período de tempo em que as cargas são aceleradas é curto, a
banda de frequências coberta por ruído é também bastante vasta. Neste caso, pouco ou nada
se pode fazer para se eliminar este ruído esporádico.
Um ruído similar é gerado em “válvulas”, quando os electrões passam através dos vários
eléctrodos. Neste caso o ruído designa-se de “ruído de disparo”. Neste caso, o uso de filtros
selectivos pode ajudar a controlar o nível de ruído. Este tipo de ruído é próprio de dispositivos
activos e de uma forma geral podemos dizer que corresponde (ou está associado) ao processo
de recombinação de electrões e buracos. Por este facto, o ruído de disparo não é importante
ou praticamente não existente em elementos passivos resistivos. O ruído nas resistências é de
origem termodinâmica, como já se disse anteriormente (resultante do processo de
condução/agitação de cargas, num meio condutor).
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A variação do campo eléctrico na região entre as placas de um condensador e a variação do
campo magnético na região que rodeia uma bobina, causam o aparecimento de sinais
esporádicos. Uma vez que a variação desses campos se faz a frequências bem definidas, a
utilização de um filtro sintonizado para essa frequência específica, permiti eliminá-lo.
Uma das componentes de ruído que mais aparece em equipamento electrónico é a devida à
frequência da rede (50 Hz). Este tipo de ruído pode ser conduzido para diferentes tipos de
sistemas, pelo circuito de alimentação. A sua eliminação é possível, mas bastante difícil de ser
conseguida, necessitando-se de recorrer a filtros passa baixo, ligados aos condutores, e
circuitos de blindagem protegendo todo o sistema, que deve estar convenientemente aterrado.
Em termos gerais, podemos dizer que a tensão equivalente de ruído se mantém praticamente
constante para frequências elevadas e varia com 1/f, para baixas frequências. Isto é, o ruído
como que tende a aumentar de um modo quase que exponencial, a medida que nos
aproximamos da condição de corrente continua (ver figura).
Ao comportamento do ruído a elevadas frequências, designamos por ruído branco ou Johnson.
Este tipo de ruído
Figura 9.2: Variação da tensão de ruído com a frequência.
Na tabela que se segue apresentamos as técnicas utilizadas para a supressão de alguns tipos
de ruído.
Tabela 9.1 TÉCNICAS DE SUPRESSÃO DE RUÍDO
Fonte de ruído Técnica para supressão do ruído
Motores eléctricos e
geradores
Utilização de blindagem ligada á massa; uso de condensadores de
desacoplamento ligado às escovas do motor; uso de condensadores de
realimentação nos terminais das armaduras do motor ou gerador.
Geradores de rf Terminais e cabos de interligação blindados; utilização de
condensadores de desacoplamento e filtros em todas as linhas que
entrem ou saiam da região blindada
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Fonte de ruído Técnica para supressão do ruído
Controladores,
relés e
comutadores
Curto circuitar o relé ou comutador por um condensador, ligado em
série com uma resistência limitadora de corrente, de modo a evitar a
degradação dos contactos do comutador.
Conversores Dc-dc Blindar a unidade; utilizar filtros passa baixo em todos os cabos que
passem a blindagem.
Vibradores
electromecânicos
Blindar o vibrador; utilizar condensadores de passagem; todos os
filtros devem de estar contidos dentro da blindagem e a sua ligação ao
exterior efectuada a através de condensadores de passagem
Reguladores de
tensão dc à base de
vibradores
Blindar o vibrador; localizar o vibrador o mais próximo possível do
gerador; blindar os cabos de ligação entre o regulador e o gerador;
curto-circuitar os cabos de entrada de corrente continua no interior da
blindagem por condensadores do tipo de passagem.
Ruído
mecanicamente
induzido
Suporte com amortecedores próprios os cabos de ligação, para evitar a
propagação de movimentos mecânicos; utilizar cabos de baixo ruído;
utilizar amortecedores de ruído na instalação; utilizar filtros passa
baixo.
Dispositivos de
descarga e arco em
gases
Instalar condensadores de desacoplamento nas linhas; utilizar
blindagem em todos os componentes em contacto com a descarga;
utilizar boas terras; substituir lâmpadas incandescentes por lâmpadas
fluorescentes.
Ruído de ignição Ligar uma resistência de cerca de 10 kΩ em série com o cabo de alta
tensão, nas proximidades de uma bobina; blindar a bobina e a
resistência; Utilizar condensadores de desacoplamento à massa nas
linhas de ligação da bobina ao distribuidor.
9.5 Fonte de ruído de banda larga
Como já se mencionou, uma fonte de ruído de banda larga é um díodo termo-iónico ou díodo de ruído. Neste caso, o ruído do díodo, expresso em dB é dado por:
)log( 1ZI2010n 0ddB += 9.10
onde Id é a corrente de saturação (cerca de 35 mA, para o díodo de ruído 5722); Z0 é a
impedância característica do cabo (50Ω, para o cabo coaxial).
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Figura 9.3: Fontes de ruído de banda larga (díodo de ruído) e distribuidas ao londo de diferentes troços
de cabo coaxial.
9.6 Potência Equivalente de ruído (NEP)
Em dispositivos optoelectrónicos é necessário saber-se o valor mínimo de luz (energia)
detectável. Assim, à potência luminosa incidente mínima necessária para gerar uma
fotocorrente igual à corrente total de ruído do dispositivo optoelectrónico, designa-se por
potência equivalente de ruído e designa-se por NEP:
NEP=[corrente de ruído (A)/(Responsividade (A/W)] 9.10
O NEP é depende da largura de banda do sistema de medida. De forma a remover esta
dependência divide-se as unidades NEP pela raiz quadrada da largura de banda. Tal faz com
que as unidades do NEP passem a ser de Watts/Hertz-1/2.
Uma vez que a conversão da potência da luz incidente em corrente depende do comprimento
de onda da radiação incidente, o valor do NEP refere-se a um valor particular de comprimento
de onda. Isto é, o NEP, tal como a responsividade, é uma função não linear com o
comprimento de onda.
O ruído gerado por um fotodíodo de silício cristalino, a funcionar sob polarização inversa,
resulta da combinação do ruído de disparo (“shot noise”), devida à corrente de fuga no escuro
e, o ruído Johnson, devido à resistência shunt do dispositivo e da temperatura ambiente.
A corrente de disparo produzida pela corrente de fuga inversa do dispositivo é dada por:
)( BqI2I dS = 9.11
onde IS é a corrente de disparo, q a carga do electrão (C), Id a corrente de fuga no escuro (A),
B a largura de banda (Hz).
A contribuição do ruído Johnson provém do ruído térmico associado às resistências shunt, série
e de carga do dispositivo. Isto é:
RTBK4I B
j = 9.12
onde Ij é a corrente de ruído de Johnson, KB é a constante de Boltzman, T é a temperatura
absoluta (ºK), R a resistência em ohms, associada ao ruído, B a largura de banda (Hz).
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A corrente total de ruído é dada por:
2j
2ST III += ( 9.13
O ruído de disparo é o componente dominante da corrente de ruído de um fotodíodo polarizado
inversamente. Tal é particularmente verdadeiro para tensões elevadas.
Se os dispositivos funcionam no modo fotovoltaico, com polarização nula, o ruído Johnson
domina, à medida que a corrente no escuro se aproxima de zero.
Se os dispositivos funcionarem no modo de polarização nula (ver capítulo 8.8) a corrente de
ruído é reduzida, o mesmo acontecendo ao NEP. Deste modo, o sinal mínimo detectável é
reduzido, e há perda de sensibilidade do dispositivo, neste modo de funcionamento.
Problema 9.4- Suponha que tem um fotodíodo em que a corrente no escuro é de 2 nA e a
resistência shunt vale 5×108 Ω. A responsividade do fotodíodo é de 0,5 A/W e a largura de
banda do sistema é de 1 Hz. Nestas condições, determine os ruídos de disparo, Johnson e total
do fotodíodo bem como o respectivo NEP.
Resolução
Por aplicação directa das equações anteriores tem:
IS= 2,5×10-14 A; Ij= 5,6×10-15 A; IT= 2,6×10-14 A; NEP= 5,1×10-14 W.
10. FIBRAS ÓPTICAS EM INSTRUMENTAÇÃO
10.1 Introdução
A fibra óptica não é mais do que uma fibra de vidro ou de plástico capaz de guiar a luz de um
extremo ao outro, com o mínimo de perdas. Isto é, as fibras ópticas servem de suporte à
propagação de sinais eléctricos de muitíssima eleva frequência, que são convertidos em luz (ou
energia óptica), que são depois transportados através da fibra óptica para um outro local e
finalmente convertidos de novo em sinais eléctricos.
As fibras ópticas só começam a ser utilizadas como meio de transmissão de radiação/sinais
electromagnéticos a partir dos anos 70 do século vinte, quando a firma Corning conseguiu pela
primeira vez produzir uma fibra com perdas de 20 dB/Km. Isto é, ainda permaneceria 1% da
luz inicial, após esta ter viajado 1 km. Desde então, reconheceu-se a sua importância,
essencialmente como forma de transmissão de sinais e informação, a muito altas frequências,
na área das telecomunicações. Actualmente, existem fibras ópticas com factores de atenuação
que vão desde os 0,5 dB/km a 103 dB/km, função do tipo de aplicação desejada.
Hoje em dia a fibra óptica é também utilizada na transmissão de sinais de TV por cabo,
transmissão de informação em redes computacionais, para além da sua aplicação como
sensores, iniciada durante os anos 80 do século vinte. A enorme vantagem das fibras ópticas
quando comparadas com os cabos metálicos ou coaxiais para transmissão de sinais é:
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• Elevada largura de banda, completamente independente do tamanho do cabo;
• Baixa atenuação. Isto é, perdas ópticas reduzidas ao mínimo;
• Indução electromagnética, ruído e comunicações cruzadas extremamente baixos;
• Disponibilidade de se ter cabos capazes de cobrirem grandes distâncias e muito leves;
• Baixos custo de instalação e manutenção.
Apesar dos avanços tecnológicos, deve-se realçar que presentemente o memso comprimento
de cabo em cobre custa menos de uma fibra óptica. Para além disso, os sistemas de ligação
(conectores) e o equipamento necessário para instalar os cabos de cobre é ainda muito mais
barato do que o necessário para instalar os cabos de fibras ópticas.
Como exemplo das potencialidades da fibra óptica, evidenciamos o facto de poderem ser
transmitidos cerca de 109-1010 bits por segundo ao longo de uma fibra óptica, mais que
suficiente para “transportar” entre dezenas a centenas de milhares de chamadas telefónicas.
A luz mantém-se confinada ao núcleo pelo facto do material da bainha ter um índice de
refracção menor (a capacidade que o material tem de desviar/encurvar um feixe de luz) ) do
que o núcleo.
Como sensores, as fibras ópticas são essencialmente utilizadas em instrumentação como
sensores ópticos.
10.2 Constituição e classificação de fibras ópticas
Fibras ópticas são condutores
flexíveis, constituídos de
material vítreo ou plástico, em
que no seu interior existem
duas camadas concêntricas,
designadas de núcleo e
bainha, rodeadas ou não de
uma blindagem.
Figura 10.1a: Constituintes de um cabo de fibra óptica
Figura 10.1 b: Corte transversal de uma fibra óptica mostrando a distribuição dos seus constituintes
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A bainha é a camada concêntrica que rodeia o núcleo e possui um índice de refracção inferior
ao do núcleo. Por núcleo entende-se a parte central da fibra óptica, que transporta a luz e que
possui um índice de refracção superior ao do seu invólucro.
Em termos de materiais existem os seguintes tipos de fibras: núcleo e bainha de vidros;
núcleo e bainha de plástico; núcleo de vidro e bainha de plástico, com ou sem escudo
metálico.
a)
b)
Figura 10.2: Exemplos de cabos de fibras ópticas sem (a) e com escudo metálico (b).
O invólucro da fibra é muitas vezes de poliuretano, de forma a garantir a flexibilidade e rigidez
mecânica necessárias. No caso de se pretender melhorar o isolamento eléctrico e a tensão
mecânica do cabo, pode-se colocar entre o núcleo e a bainha uma camada de Kevlar, sob a
forma de filamentos enrolados sobre a camada de protecção. Finalmente, para protecção do
cabo contra o meio ambiente existe uma camada de protecção de PVC ou poliuretano,
precedida de um escudo metálico, para protecção do cabo contra o ruído radiado.
Na figura 10.2b) apresentamos um exemplo em que o invólucro é constituído por duas
camadas: uma de silicone e a outra de Hyterel extrudido sobre o silicone. Para além disso,
entre as 2 camadas de filamentos de Kevlar, insere-se uma barreira, normalmente constituída
por um material plástico, metal (normalmente alumínio) ou ambos. Finalmente a camada de
PVC assegura a protecção do cabo para ser utilizado ao ar livre.
Por índice de refracção entende-se a razão entre a velocidade de propagação em espaço
livre e a velocidade de propagação da luz num dado material e é simbolizada por nr. Por
exemplo, a velocidade da luz no vácuo é da ordem de 3×108 m/s, enquanto que na água é de
2,25×108 m/s. Nestas condições, o índice de refracção da água é de 1,33.
Se em vez de água tivéssemos um vidro, em que a velocidade de propagação da luz é de
2×108 m/s. Neste caso o índice de refracção vale 1,50.
12
No caso de fibras ópticas, o núcleo normalmente tem índices de refracção entre 1,55 e 1,60.
Para além dos materiais que as constituem, as fibras ópticas são também classificadas com
base no valor do índice de refracção do núcleo e o número de modos de propagação da
luz.
Figura 10.3: Esquemático da propagação da luz pelo interior de uma fibra óptica, onde se nota o “efeito
espelho” a que a luz, em determinadas condições, está sujeoita.
Em termos de índice de refracção, as fibras classificam-se em: índice de degrau, graduais ou
de modo singular. Para os dois primeiros casos o índice de refracção da bainha é superior ao
núcleo e o núcleo transmite ondas luminosas não lineares. Para além disso, as fibras poderão
também funcionar em modo múltiplo, onde o parâmetro mais importante é o ângulo de
aceitação pela fibra de luz. Este ângulo é designado de ângulo de aceitação ou crítico.
Por ângulo crítico, entende-se o ângulo de
incidência do feixe luminoso, acima do qual o
feixe é de novo reflectido para o núcleo
(angulo a partir do qual ocorrem reflexões
internas totais). Isto é, por ângulo crítico
entende-se o ângulo de incidência que a luz
faz com a interface, entre um meio mais
denso e outro menos denso, a partir do qual toda a luz é reflectida através da interface.
Por ângulo de aceitação θ entende-se metade do ângulo do cone dentro do qual a luz incidente
é totalmente reflectida internamente pelo núcleo da fibra. É igual a arcsinNA.
Por abertura numérica de uma fibra (NA) entende-se o valor do seno do ângulo de aceitação:
NA=sin θ. 10.1
Problema 10.1- Determine o ângulo de aceitação para o modo singular de uma fibra óptica
com uma abertura numérica de 0,096.
Resolução
θ=arcsin(NA)=5,5º.
10.3 Modos de funcionamento de uma fibra óptica
Como já se disse, o principio de funcionamento consiste na propagação de um feixe de luz pelo
núcleo da fibra óptica, onde o feixe sofre um conjunto de reflexões internas, que confinam a
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luz no seu interior (similarmente ao que acontece com um espelho, mas agora na forma
tubular e espelhado na sua parte interior). Este confinamento deve-se ao facto da bainha da
fibra possuir um índice de refracção menor, o que “obriga” os raios de luz a “voltarem” para o
interior do núcleo, quando estes atingem a bainha, na interface núcleo/bainha (linhas a
vermelho), com um ângulo entre o ângulo de aceitação e o ângulo crítico da fibra. Por outro
lado, um raio de luz que exceda o ângulo crítico, “escapa-se” da fibra (linha a amarelo)
Figura 10.4: Propagação de feixes de luz numa fibra óptica. A vermelho representa-se a propagação de raios de luz com um ângulo inferior ao anulo crítico e a amarelo o caso da perda de propagação de um
raio de luz com um angulo superior ao ângulo crítico.
A fibra óptica funciona como um guia de onda da luz, que é introduzida num extremo e
“guiada” até ao outro extremo, com o mínimo de perdas. A fonte de luz podem ser LED ou
lasers. Normalmente a fonte de luz é pulsada e o receptor converte esses impulsos em sinais
digitais [combinações de uns (estado alto) e zeros (estado baixo)].
As perdas de luz na fibra são essencialmente devidas à dispersão e difusão da luz no interior
do cabo. Assim, quanto mais rápidas forem as flutuações na fonte de luz, maior será o risco de
dispersão do feixe. Neste caso, é necessário colocar ao longo da fibra componentes capazes de
reporem a intensidade do feixe luminoso, designados de repetidores.
a)
b)
Figura 10.5: exemplificação da propagação de um feixe de luz ao longo de uma fibra óptica, utilizando como fonte um LED (a) ou um laser pulsado (b)
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Em termos de modo de funcionamento, existem basicamente 3 modos fundamentais: modo
singular, multimodo e fibras ópticas plásticas (POF). Ao modo estão associadas as diferentes
trajectórias que a luz pode ter no núcleo, satisfazendo as equações de Maxwell e as condições
fronteiras, no que concerne á distribuição de energia.
a) Cabo de modo singular
Um cabo de modo consiste numa fibra óptica de vidro com um diâmetro típico entre 8,3 e
10 µm, que só tem um modo de transmissão. Estas fibras propagam luz tipicamente nos
comprimentos de onda de 1310 ou 1550 nm. Neste modo, a banda a largura de banda
admissível é superior à de uma fibra multimodo, mas requer que a fonte luminosa tenha uma
largura de faixa espectral muito estreita (inferior a 20/10 nm). Este modo é também conhecido
como sendo fibra óptica de mono-modo, guia de onda óptico de modo singular ou fibra uni-
modo. Nestas fibras, a variação do índice de refracção entre o núcleo e a bainha varia menos
do que no caso da fibra multimodo.
A fibra de óptica de modo singular proporciona uma razão de transmissão superior, cobrindo
distâncias cerca de 50 vezes superior à devida às fibras multimodo. Tal está associado ao facto
do núcleo das fibras singulares ser muito menor do que o das fibras multimodo e de se utilizar
luz de um único comprimento de onda, que virtualmente elimina qualquer distorção devida à
sobreposição de impulsos de luz e proporcionando uma muito baixa atenuação e uma elevada
velocidade de transmissão de dados. Contudo, estas fibras são mais dispendiosas do que as
fibras multimodo.
a)
b)
Figura 10.6:Fibra óptica de modo singular (a) e Percurso da luz numa fibra óptica de modo singular (b).
As fibras de modo singular são preferencialmente utilizadas em sistemas de comunicação
telefónicos e em televisão por cabo.
b) Cabo multimodo e cabo POF
O cabo multimodo é feito de fibras de vidro com diâmetros na faixa dos 50 a 100 µm. Os
diâmetros típicos são de 50, 62,5 e 100 µm. Devido a este elevado diâmetro, à raios de luz
que têm um percurso linear e outros fazem um percurso em zig-zag, sofrendo múltiplas
reflexões. Estes percursos alternativos promovem o agrupamento de diferentes raios de luz,
designados de modos, que chegam separadamente ao receptor. O impulso, definido como
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agregador de diferentes modos, começa por se “espraiar/dispersar” ao longo da sua
trajectória, perdendo a sua forma bem definida inicial. A necessidade de deixar espaços entre
impulsos, de forma a impedir a sua sobreposição, limita a largura de banda a largura de banda
e a quantidade de informação que o cabo pode transportar. Tal acontece para cabos com
comprimentos superiores a 914,4 metros (3000 pés), onde os percursos múltiplos da luz
podem ocasionar distorção do sinal no receptor, resultando numa transmissão deficiente e
incompleta de dados. Para curtas distâncias, as fibras multimodo proporcionam larguras de
banda e velocidades de transmissão elevadas, contudo, inferiores a menor às conseguidas com
os cabos de modo singular. Estes cabos normalmente funcionam com comprimentos de luz à
volta dos 850 ou 1300 nm.
Em termos de aplicação, são muito
utilizadas em endoscopia médica (muito
curtas distâncias).
O cabo baseado em fibras ópticas de
plástico (POF) pretende apresentar um
desempenho similar ao cabo multimodo,
mas com custos de cabo muito inferiores.
Figura 10.6: Percurso da luz numa fibra óptica de multimodo, onde se nota o percurso em zig-zag.
c) Fibras multimodo de índice gradual
Existem também fibras multimodo de índice gradual. Estas fibras contém um núcleo em que o
índice de refracção diminui do centro em direcção à bainha. O elevado índice de refracção no
centro do núcleo faz com que os raios de luz próximos do centro do eixo da fibra se desloquem
mais lentamente do que aqueles próximos da interface com a bainha. Para além disso, em vez
de fazerem um percurso em zig-zag , o feixe próximo do eixo, curva-se de forma elíptica,
devido ao índice de refracção gradual, reduzindo assim a distancia que o raio se pode
propagar. A redução de percurso e a elevada velocidade dos raios na periferia do núcleo,
fazem com que a luz das diferentes trajectórias chegue praticamente ao mesmo tempo ao
receptor. Como resultado, tal faz com que os impulsos de luz sejam menos dispersos e
portanto, permite a utilização de cabos mais longos do que no caso do cabo multimodo.
Figura 10.7: Percurso da luz numa fibra óptica de multimodo, onde se nota o percurso encurvado elíptico.
10.4 Desenho básico de um cabo de Fibras Ópticas e terminais de ligação
Os dois tipos de desenho básico das fibras ópticas são: cabos de tubos folgados e cabos de
tubos apertados. Os primeiros são cabos contendo normalmente até 12 fibras por tubo buffer,
16
com um máximo de fibras por cabo de 200 fibras. Os cabos de tubos folgados pode conter
fibras todas revestidas a dieléctrico ou com blindagem. O desenho do tubo modular do buffer
(cabo intermédio) permite a interrupção fácil de grupos de fibras em pontos intermédios do
cabo, sem interferir com outros tubos buffer. O seu desenho também permite uma fácil
identificação e gestão das fibras no sistema.
Figura 10.8a: Cabo de buffer folgado
Figura 10. 8b: Cabo de buffer apertado
As fibras singulares de cabo intermédio apertado são usadas na forma de rabo de cavalo,
“remendos” e para estabelecer ou interromper a ligação de um circuito optoelectrónico
transmissor ou receptor ou outro tipo de dispositivo activo. Neste caso, o material do cabo
intermédio está em contacto directo com a fibra. Este tipo de cabo é utilizado em “jumpers”,
em terminais de equipamento e para ligação de vários dispositivos a uma dada rede.
Nas fibras ópticas de cabo folgado normalmente as fibras são coloridas (código), de forma a
poder destrinçar as diferentes fibras e existe um gel que impede a penetração de humidade. O
tubo intermédio (buffer) está encalhada de um dieléctrico ou uma membrana central de aço,
que serve como elemento anti-torção.
O núcleo do cabo tipicamente usa fio aramado como membro primário para lhe dar a rigidez
necessária. O invólucro de poliuretano ou polietileno é extrudido sobre o núcleo ou sobre uma
armadura, nos casos do cabo possuir uma blindagem.
Figura 10. 9a) Secção transversal de um cabo
folgado
Figura 10.9b: Secção transversal de um cabo com tubo intermédio apertado e com fio aramado, para
lhe dar rigidez. Em termos de conectores/ligadores das fibras ópticas, estes são de diferente tipo, função da
aplicação do cabo.
17
Figura 10.10: Componentes utilizados na ligação de terminais a cabos de fibras ópticas.
No processo de ligação deve-se ter em contas: a abertura lateral no tubo para se chegar às
fibras e se promover a ligação das fibras aos terminais pretendidos, usando-se para isso um
cilindro fino por onde a fibra passa (ferrule), e que também serve para promover o
alinhamento mecânico da fibra. A ferrula é normalmente de material metálico, cerâmico ou
plástico, e possui um diâmetro ligeiramente superior ao da fibra ( nos terminais FC a ferrula é
flutuante, de forma a proporcionar um bom isolamento mecânico). O corpo do terminal de
ligação (connector body) contém a ferrula. È normalmente feito de material metálico ou
plástico e inclui um ou mais conjunto de peças, necessárias para prender e manter a fibra
numa posição fixa. O cabo é então prezo ao corpo do terminal, tornando todo esta parte numa
estrutura mecânica rígida. Finalmente, tem-se o tipo de acoplamento (macho ou fêmea, ou
simplesmente ligação mecânica fixa, sem possibilidade de ligar ou desligar o terminal do
sistema em questão (transmissor, receptor ou outro dispositivo activo qualquer). Para as
ligações entre fibras a forma mais normal é utilizar terminais de ligação movível.
Os terminais iniciais das fibras ópticas eram do tipo epoxy polida. Este tipo de terminal ainda
representa um grande segmento das aplicações conhecidas e existe em várias formas,
incluindo: ST, SC, FC, LC, D4, SMA, MU, and MTRJ. Este tipo de terminal tem como vantagens
este tipo de terminal tem:
1. É muito robusto, podendo suportar ambientes bastante agressivos e tensões
mecânicas, quando comparado com outros tipos de terminais.
2. Tempo de instalação é de cerca de 25 minutos (o tempo que demora a fazer a cura da
epoxy). Em termos de séries industriais, é possível terem-se tempos de cerca de 5-6
minutos por terminal. O recurso a epoxy com curas mais rápidas, como por exemplo,
epoxy anaeróbia, podem reduzir os tempos de instalação, contudo este tipo de cura
nem sempre é o mais adequado para alguns tipos de terminais.
3. Fáceis de instalar. Estes terminais de ligação embora sejam fáceis de instalar, requerem
que o mesmo seja efectuado por alguém devidamente treinado.
4. Custos. Este tipo de terminal é normalmente cerca de 30 a 50% maqis barato que
outros tipos de terminais conhecidos.
Outros terminais são de uma epoxy pré-carregada ou de uma epoxy não polida. No primeiro
caso reduz-se o nível de exigência do técnico que os irá instalar, mas não do tempo e
18
equipamento necessário à sua instalação, enquanto que para o segundo caso reduz-se quer o
nível de formação técnica do instalador, quer o tempo de instalação. Neste tipo de
configuração existem os terminais ST, SC e FC. As vantagens deste tipo de terminais são:
1. Não necessita da INJECÇÃO DA EPOXY;
2. Não existem terminais esfoliados, devido a um sobre enchimento da epoxy;
3. Baixos tempos de instalação.
4. Custo de instalação moderados.
Finalmente, poderão ser de um outro material que não epoxy polida. Este tipo de terminais
são fáceis de montar (normalmente faz-se uma ligação mecânica do terminal ao cabo, usando
para o efeito equipamento de cravagem apropriado) e demoram muito pouco tempo a montar.
Tal faz com que os instaladores não tenham de ter uma formação específica e os custos de
consumíveis associados é muito diminuta. Este tipo de terminais existe nas versões ST, SC,
FC, LC e MTRJ.
Na tabela que se segue mostramos os diferentes terminais de ligação de fibras ópticas
existentes.
Tabela 10.1 Diferentes tipos de ligações de terminais de fibras ópticas
Para a instalação de um terminal de uma fibra óptica deve-se proceder do modo que a seguir
se indica: (a) cortar o cabo com mais cerca de 2,5 cm do que o comprimento desejado; (b)
com cuidado, desnude o cabo do seu invólucro sem atingir as fibras; (c) Corte as partes
19
desnudadas e remova o revestimento das
fibras. Esta remoção poderá ser efectuada
ensopando a fibra em diluente por cerca de
dois minutos, seguido de limpeza com um
pano de algodão ou por descarnamento
mecânico; (d) limpar com álcool isopropilico
a ponta, com ajuda de um pano de algodão;
(e) colocar o tipo de terminal pretendido e
com a ferramenta apropriada, promover a
sua ligação/ancoragem mecânica (ver os
diferentes processos que se descreveram
anteriormente, com ou sem recurso a
epoxy); (f) preparar a face da fibra de forma
a que este tem um bom acabamento. Tal
consegue-se por clivagem, seguida de
polimento, de forma a eliminar eventuais
defeitos que possam aí existir.
A clivagem envolve o corte da fibra e a sua
adequação ao alvéolo (ferrula) onde a fibra
entra. Tal consegue-se usando uma lâmina
de barbear. O polimento faz-se usando
materiais abrasivos apropriados como pó de
sílica.
Terminal de um fibra óptica com defeitos e depois de
clivada
polimento do terminal de uma fibra óptica
Tomam-se todos estes cuidados devido ao baixo valor dos sinais que se propagam no fibra e
portando, deve-se reduzir ao máximo as perdas de sinal, essencialmente devidas ao
acoplamento.
Como precaução, nunca se deve limpar um terminal de uma fibra óptica que esteja a
transportar luz. Níveis de potência tão baixos quanto 15 dBm ou 32 mW, podem provocar uma
explosão do material limpo, pelo simples “contacto” desta energia” com o terminal, provocada
quer por que o material de limpeza usado é comburente (combustão instantânea com álcool)
ou por que existe absorção de excesso de energia concentrada pelo terminal.
10.5 Utilização de fibras ópticas como sensores.
As fibras ópticas podem ser utilizadas como sensores locais ou remotos. Em sensores ópticos
remotos, as fibras ópticas são utilizadas para transportar a luz para um dado dispositivo que
responde a um estímulo luminoso. Quando se utiliza a própria fibra óptica como sensor, o sinal
luminoso que se propaga nesta é influenciado pelo meio, que pode provocar variações
20
mensuráveis do próprio sinal. Neste caso, o sinal a propagar-se pode ser sensível a diferentes
grandezas físicas, como a seguir se dão alguns exemplos
10.5.1 Fibra óptica utilizada como sensor de temperatura
Neste caso, o sensor é constituído por duas superfícies reflectoras, correctamente espaçadas
(sensor Fabry-Perot), em que a separação entre elas é determinada por um tubo ao qual as
placas e as fibras ópticas (duas) se encontram ligadas. Quando a temperatura varia o tubo
expande se ou contrai-se, fazendo com que o espaçamento entre as placas varie. Esta
variação faz com que as franjas do sinal óptico (o resultado das múltiplas reflexões no seu
interior) se desloque, de uma quantidade proporcional à variação de temperatura.
Figura 10.11: Esquema de medida da temperatura por fibra óptica, mostrando o transdutor e sistema de recepção e tratamento de sinal.
Figura 10.12a: Percentagem de luz reflexa em função do comprimento de onda da luz reflectida pela cavidade de Fabry-Perot.
21
Figura 10.12b: Variação do deslocamento das franjas obtidas pela cavidade de Fabry-Perot com a temperatura, onde se constata que a mesma varia de forma linear.
10.5.2 Fibra óptica com transdutor de pressão
Neste caso o recurso a fibras ópticas faz-se quando as pressões a ler correspondem a
ambientes altamente agressivos (altas temperaturas e/ou de difícil acesso, como no núcleo das
turbinas dos aviões). Neste caso, utiliza-se um par de fibras como transdutores (twin-column
transducers, TCT), de forma a ler-se uma pressão diferencial. Neste caso tem-se dois tubos
(T1 e T2) de igual comprimento, selados nas suas extremidades e ligados nas suas bases às
fontes cuja pressão diferencial se pretenda medir. Após pressurização, cada um dos tubos fica
ligeiramente alongado (de uma quantidade proporcional entre a pressão interior e a pressão
ambiente). Similarmente, se um tubo é parcialmente ou totalmente evacuado este ´´e
encurtado. Assim, a elongação ou encurtamento diferencial dos dois tubos é proporcional à
diferença de pressão no seu interior. Por outro lado, o desenho do TCT é já feito de modo a
compensar problemas resultantes da variação da temperatura.
As extremidades dos tubos são preparadas para se ligarem a fibras ópticas, que são dispostas
de forma a medirem a elongação diferencial dos tubos. Assim, a luz de um LED, guiada por
uma outra fibra, é acoplada ao tubo T1 e através de um certo hiato (que vai variar!) ao tubo
T2, onde se encontram montadas as fibras receptoras. A posição das fibras é ajustada de
modo a que quando a elongação diferencial de ambos os tubos for nula (pressão diferencial
nula) igual quantidade de luz é acoplada em ambas as fibras receptoras. Qualquer elongação
dos tubos dará lugar a um não balanceamento entre as quantidades de luz acopladas ás fibras
receptoras, permanecendo constante a soma da luz que vai para ambos os receptores. Como
resultado, a razão entre a diferença e a soma das quantidades de luz à saída das fibras
receptoras é proporcional à pressão diferencial.
22
Para além da fibra transmissora da luz, pode-se instalar do lado de T1 uma fibra adicional,
para proporcionar a realimentação da luz do LED e assim permitir regular a intensidade da
luz emitida.
a)
b)
Figura 10.13 : (a)TCT utilizado para ler pressões diferenciais, com compensação de temperatura incorporado; (b) Esquemático da cavidade de Fabry –Perot, mostrando a ligação com a fibra óptica.
10.5.3 Fibra óptica como sensor de som
Neste caso o sensor pode ser do tipo intensidade, em que a grandeza a medir provoca uma
mudança na intensidade da luz que se propaga ou interferometro, em que a grandeza a medir
provoca uma variação de fase da luz que se propaga na fibra. Aqui as fibras podem ser
utilizadas para converter o som em sinal eléctrico (exemplo: hidrofones) ou converter um sinal
eléctrico em som (exemplo: projectores de som).
Uma outra aplicação é em medicina, em que as fibras ópticas servem para transporta os sinais
sonoros associados ao ritmo cardíaco, por exemplo. Neste caso, os sons cardiovasculares do
corpo são monitorados no local apropriado do paciente para sentir os sons. No terminal da
fibra coloca-se um receptor apropriado, que pode ser uma simples cavidade com uma
23
membrana, que vibra e deste modo altera o percurso/intensidade de um feixe laser, que é
depois monitorado por um circuito acondicionador/leitor apropriado.
a)
b)
Figura 10.14a: Esquema do sistema de detecção de sinais sonoros associados à vibração de um diafragma (PD); (b) vista do modo de funcionamento do diafragma e o modo como este inter-actua com
o sinal da fibra óptica.
10.5.4 Fibra óptica como sensor de nível de fluidos
Neste caso pretende-se determinar níveis de fluido (em aviões), tirando proveito da forma
diversa como a luz se propaga na fibra ou no fluido (diferente do ar), provocando reflexões
bem diferenciadas. Assim, se um dos extremos da fibra for cortado e polido de modo a formar
um prisma e que este prisma se encontre em ar, a luz transmitida pelo outro extremo será
praticamente totalmente reflectida. Nestas condições, a luz reflectida aparece como uma
mancha circular totalmente clara. Caso o prisma seja colocado no interior de um liquido, parte
da luz transmitida através da fibra será absorvida pelo liquido e pouco reflectida, se o índice de
reflexão do líquido for superior ao do da fibra. Nestas condições a luz reflectida aparece como
24
uma mancha escura. Em aplicações sensoriais os modos de propagação são normalmente
singulares. O modo de funcionamento deste sensor é similar ao descrito para o transdutor de
pressão ou do nível de deslocamento.
10.5.4 Fibra óptica como nariz óptico
Neste caso, é possível medir-se rapidamente misturas de gases (por exemplo, compostos
voláteis no ar), em diferentes pontos localizados ao longo de uma fibra, que pode ter
comprimentos da ordem dos quilómetros! Este nariz óptico substitui o chamado nariz
electrónico (variação da impedância eléctrica em função de um gás com o qual se ponha em
contacto, onde o poder de discriminação depende da temperatura utilizada) em situações em
que a interferência electromagnética de sinais de rf tornam-nos inoperacionais. Para além
disso, é mais fácil fabricar um nariz óptico do que um nariz electrónico. Um nariz óptico inclui
no seu sistema um reflectómetro óptico portátil a funcionar no domínio do tempo (OTR) e um
transdutor de fibra óptica preparado da seguinte maneira: a fibra óptica é revestida por um
polímero que incha quando absorve um composto volátil. A superfície exterior do polímero é
por sua vez revestida por uma película fina impermeável ao gás. Em locais designados ao
longo da fibra a película impermeável é removida segundo um padrão de meio circulo (área do
sensor), com um diâmetro da ordem dos milímetros, através dos quais o gás penetra no
polímero.
A absorção de um ou mais compostos voláteis através das abertura efectuada num dado local
da fibra conhecido, dá lugar a um inchaço assimétrico do polímero. Por sua vez, este inchaço
assimétrico produz uma deformação mecânica, que provocará variações locais no índice de
refracção da fibra óptica (nota, se em vez de meios círculos se utilizarem círculos completos,
as tensões mecânicas resultantes serão simétricas.
Figura 10.15a: apresentação de um esquemático de um nariz óptico equipado com OTR
(Reflectometria Óptica no domínio de Tempo)
Figura 10.15b: forma de revestimento da fibra óptica com material polimérico para
aplicações como sensor de gases
25
Contudo a estrutura assimétrica é preferível à simétrica, uma vez que estas produzirão
maiores deformações mecânicas e maiores variações no índice de refracção).
O OTR por sua vez aplica impulsos lasers da ordem dos pico-segundos num dos extremos da
fibra. As variações do índice de refracção associadas com a presença de compostos voláteis
nos pontos “descarnados” da fibra óptica, fará com que parte da luz incidente seja reflectida. O
OTR fará então medidas no domínio do tempo da intensidade da luz do laser reflectida. Assim,
para um dado impulso reflectido, a localização do corresponde ponto sensorial poderá ser
inferida através do tempo de atraso do impulso laser reflectido, quando comparado com o sinal
transmitido.
Deste modo é possível construir conjuntos de narizes ópticos para discriminação de diferentes
compostos voláteis. Cada fibra óptica deste conjunto será um detector diferente, pelo que cada
fibra deverá ser revestida por polímeros diferentes, seleccionados de modo a que os índices de
refracção associados aos diferentes compostos voláteis sejam diferentes e tenham também
comportamentos e respostas diferentes na presença de compostos voláteis diferentes. Para
funcionamento automático ou semi-automático, os leitores de todas as fibras do conjunto
devem ser digitais. Deste modo, o sinal é processado através da análise do componente
principal e por reconhecimento de padrões através de algoritmos, de forma a se discriminarem
os compostos voláteis de interesse.
10.5.5 Fibras Ópticas Transdutoras de Nível de Deslocamento (FOLDT).
O principio básico de funcionamento consiste no uso de pares adjacentes de fibras ópticas.
Um para transportar a luz de uma fonte remota
para um objecto ou alvo cujos deslocamentos
ou movimentos se pretendem medir e a outra
para receber a luz reflectida pelo objecto e
transportá-la para um detector remoto
fotossensível. Para esta aplicação, as fibras
normalmente utilizadas são as de índice de
degrau.
Figura 10.16: Ponta de prova de uma fibra óptica, com dois terminais: transmissor e
receptor.
Para que haja reflexões, o índice de refracção no núcleo (Nn) deve ser maior do que o da
bainha (Nb). Isto é, a abertura numérica é dada por:
2b
2n NNNA −== θsin 10.2
Deste modo é possível determinar-se o angulo máximo que um raio de luz incidente na
face da fibra óptica pode fazer, de forma a ser armadilhado dentro do núcleo desta e ter
reflexões múltiplas ao longo do seu comprimento. Por outro lado, a eficiência de
transmissão depende da composição e pureza do vidro usado no núcleo e bainha e na
qualidade do acabamento óptico nas superfícies terminais das fibras.
26
A figura 10.12 mostra a interacção
entre duas fibras adjacentes (receptora
e transmissora) devido ao raio de luz
que é reflectido por um alvo. Pode-se
ver que quando o hiato entre eles é
nulo a luz na fibra de transmissão será
reflectida directamente sobre ela
própria e praticamente nenhuma ou
pouca luz é recebida pela fibra
receptora. À medida que o hiato
aumenta, alguma da luz reflectida é
capturada pela fibra receptora, e
transportada para o detector
fotossensível. Continuando a aumentar
o hiato, a luz reflectida e colectada pela
fibra receptora passará por um máximo
e depois diminuirá tal como se mostra
na figura 10.13. O valor do máximo é
primeira mente determinado por NA e
pela intensidade da luz no interior da
fibra. Deste modo, é possível
determinar-se qual o deslocamento e
posicionamento lateral de um objecto,
relativamente a uma referência.
O ponto de declive nulo ou pico óptico
também nos permite medir a
reflectância do alvo,
independentemente deste se variar ao
longo de um certo valor, função do tipo
de equipamento utilizado para tratar o
sinal recebido. Uma variante do FOLDT
consiste na utilização lentes de focagem
próximas da ponta de prova da fibra
óptica.
Figura 10.17: Movimento do alvo em relação à ponta
de prova
Figura 10.18: Curva de calibração típica de um sensor
de fibra óptica
Figura 10.19: Medida posicional e deslocamento de um
objecto
O resultado dessa combinação encontra-se na figura 10.20. Como se pode ver, agora tem-se
dois picos ópticos com um hiato abrupto entre eles. Deste modo, cada um dos picos +pode ser
utilizado para medir pequenos deslocamentos, com elevada resolução, para além de poder
operar com hiatos cerca de duas ordens de grandeza superiores ao do caso anterior.
27
Figura 10.20: Picos de resposta óptica devido a focagem com lentes do sinal óptico no
receptor Figura 10.21: resposta de um FODLT a diferentes fluidos
Uma outra variante do FOLDT utiliza fibras ópticas de elevado diâmetro em que os eixos estão
inclinados relativamente um ao outro. Este tipo de FOLDT funciona com líquidos , ar ou gases,
permitindo deste modo, sem contacto e com excelentes tempos de resposta, determinar a
posição de fluidos ou fugas deste, ao longo de um canal qualquer.
Outras aplicações envolvem: (1) análise modal de pequenos componentes ultra leves ou
mecanismos de componentes; (2) investigação do desempenho de rolamentos; (3) medição de
frequências muito elevadas e de pequena amplitude de vibrações ultra-sónicas, em medicina
ou equipamento de soldadura;(4) desenvolvimento de transdutores de pressão ultra rápidos
para uso em ambientes de descarga eléctrica ou êmbolos de forte impacto; (5) monitorar o
tempo de vida de esferas de rolamentos em ambiente agressivo, tal como oxigénio líquido;
(6) controlo do posicionamento em equipamento de alta precisão, microposicionadores,...
Problema 10.2- Considere uma fibra óptica em que o índice de refracção do núcleo vale 1.55
e o da bainha vale 1.35. Nestas condições, diga qual o valor do ângulo crítico que um raio de
luz pode fazer com o eixo da fibra.
Resolução
De acordo com a equação 10.2 tem-se θ=49,6º.
Problema 10.3- Suponha que utiliza uma fibra óptica para detectar compostos voláteis em
diferentes locais de uma refinaria. Suponha que relativamente à referência, os atrasos
observados no impulso laser aplicado são respectivamente de 50ns, 100 ns e 10 µs. Nestas
condições, determine o posicionamento na fibra óptica, em termos de referência, dos
diferentes sensores na fibra óptica.
Resolução
Conhecendo a velocidade de propagação da luz no vidro (2×108 m/s) e tendo em conta que a
luz se propaga de forma linear tem-se: 10 m; 100 m; 20 km.