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Neste trabalho foi apresentado o desenvolvimento de um sistema de interrogação de múltiplos sensores ópticos a rede de Bragg em fibra óptica, implementado em FPGA do kit de desenvolvimento de Nexys 3 (Spartan 6). O sistema de interrogação óptica foi calibrado e testado nos experimentos de medição de temperatura e índice de refração.

No Capítulo 2, realizou-se uma pesquisa bibliográfica dos fundamentos teóricos, técnicas e métodos que foram utilizados no desenvolvimento do projeto proposto. Inicialmente, foi tratada a definição das ferramentas para o desenvolvimento de circuitos digitais, como FPGA e VHDL. Em seguida, técnicas e métodos utilizados neste trabalho, como fluxo de desenvolvimento de circuito digital em FPGA, metodologia de transferência de registros e máquina de estados foram apresentados. Após isto, foram investigadas as características das FBGs e o princípio de funcionamento dos sensores a FBG. Logo, foi escrito o método de filtro sintonizável (por meio do filtro Fabry-Perot) para a interrogação de sensores ópticos a FBGs. No final, foram demonstrados algoritmos a ser implementados em FPGA para a detecção de pico por meio do cálculo do centroide ou por filtragem digital. Assim, os circuitos digitais do sistema de instrumentação optoeletrônico são atribuídos ao FPGA, que realiza três principais funções: gerar sinal de sintonia do filtro Fabry-Perot; realizar a leitura do sinal resultante do processo de fotodetecção e processar os dados adquiridos para executar a detecção de pico do espectro refletido pelas FBGs, processo realizado para possibilitar a leitura de propriedades físicas por meio dos sensores.

No Capítulo 3, foi apresentada uma descrição detalhada do desenvolvimento dos circuitos digitais em FPGA e dos circuitos de conversão DA e AD, juntamente com os circuitos de condicionamento de sinal desenvolvidos. Na Seção 3.1, foi apresentada uma visão geral da construção do sistema de interrogação, onde a funcionalidade de cada componente também é apresentada. O sistema foi inicialmente desenvolvido para obter um sinal espectral de 8 bits com

5.1 Resumo dos trabalhos realizados 91 o uso de conversor DA paralelo de 8 bits, o qual foi substituído por um circuito com 12 bits de resolução. Na Seção 3.2, foi mostrado o circuito que gera um sinal triangular periódico para sintonizar o filtro Fabry-Perot. Este circuito de geração de sinal de sintonia é dividido em três passos: escolher frequência de amostragem; gerar o sinal de pulso para sincronizar a geração de sinal, e por último gerar um sinal triangular. A escolha de frequência de amostragem para cada nível do sinal digital de sintonia é feita através do pressionamento de um botão da placa de desenvolvimento do FPGA. Com a alta frequência de amostragem, circuitos de estabilização são necessários para os dispositivos mecânicos como botões e chaves. Um circuito de conversão digital para analógico foi projetado para converter o sinal digital em sinal analógico com ajuste de ganho e nível médio, via implementação em hardware. Na Seção 3.3 foi apresentada a aquisição dos sinais refletidos pelos sensores interrogados com o uso de um fotodetector. Um circuito de sincronização da leitura foi projetado em FPGA, com o uso de conversor analógico para digital ADC0820. Na Seção 3.4, descreveu-se métodos de detecção de pico do sinal espectral, baseados no cálculo do centroide e pela filtragem do sinal por filtros digitais. Como todos circuitos digitais em FPGA são concorrentes, sincronizados pelo único relógio cristal da placa de Spartan 6, é possível associar cada nível do sinal de sintonia com um comprimento de onda do espectro refletido. Portanto, o sistema de interrogação tem uma resolução dependente do sinal de sintonia. Os algoritmos de detecção de pico conseguiram detectar deslocamentos relativos de pico referente à FBG de referência escolhida, sendo que várias FBGs podem ser multiplexados na fibra. Na Seção 3.5, foi apresentado o circuito de conversão de número binário para BCD e o circuito de controle de iluminação para a visualização dos visores de 7 segmentos da placa de Spartan 6. Na Seção 3.6, foi apresentado o circuito do sistema de comunicação serial. Este trabalho secundário tem o objetivo de transmitir espectros inteiros para o monitoramento da variação dinâmica das pertubações sensoreadas pelas FBGs. Utilizou-se a técnica de sobre amostragem na implementação dos subsistemas de receptor e transmissor. Na Seção 3.7, foi apresentado as modificações do primeiro sistema para 12 bits. Sendo que o conversor DA paralelo foi substituído pelo conversor DA serial de 12 bits, sendo que foi implementado um circuito de sincronização da conversão. O novo conversor resulta em 16 vezes o número de amostras do que o antigo, provendo mais informação aos circuitos de detecção de pico. Também, com o uso do controle de ganho, com o novo conversor tornou-se possível ler uma faixa maior de comprimentos de onda, o que permite a leitura de mais sensores multiplexados.

No Capítulo 4, foram descritos os quatro experimentos realizados para validar o sistema. No primeiro experimento, descrito na Seção 4.1, o sistema desenvolvido foi utilizado

para monitorar a corrosão de uma FBG para a fabricação de um sensor de índice de refração. O sistema foi então utilizado na interrogação do sensor fabricado no teste do índice de refração de amostras de água e sacarose. Neste experimento verificou-se a utilidade do sistema ao permitir o monitoramento automático do mesmo. A sensibilidade do sistema de interrogação e do sensor fabricado foi calculada em 0,001735 unidades de índice de refração por cada um dos 256 níveis da rampa de sintonia. Com a troca do conversor DA utilizado no projeto percebeu-se um problema causado por sua não linearidade, o que incentivou a realização do segundo experimento, descrito na Seção 4.2, que tratou da calibração do sistema de geração de sinais. Foi realizado a calibração do sistema desenvolvido onde percebeu-se a redução do erro absoluto médio, calculado pela diferença entre o sinal desejado e o obtido, de 12,43 LSBs para 1,82 LSBs. O método proposto se mostrou útil, sendo que este pode ser aplicado em outros trabalhos que envolvem o uso de conversores DA. Na Seção 4.3 é descrito o experimento onde o sistema desenvolvido é utilizado com FBGs para medir a temperatura de um volume de água. Neste experimento foi realizada também a comparação entre a detecção de pico baseada no centroide e na detecção de pico baseada no filtro FIR. O sistema mediu a diferença entre os picos de uma FBG deixada em temperatura ambiente e de uma FBG mergulhada no volume de água cuja temperatura foi medida. Como a relação entre deslocamento do pico e variação de temperatura é linear, foi realizada uma regressão linear e montado um estimador de temperatura. Quando os dados foram processados pelo algoritmo do centroide, o erro absoluto médio das leituras foi aproximadamente igual a 0,58

◦

C, enquanto que o erro foi aproximadamente igual a 2,39◦

C ao utilizar o método com o filtro FIR. O pior desempenho do método com o filtro FIR é devido às distorções que ocorreram no sinal, que fizeram o espetro refletido ter múltiplos picos locais. Neste experimento foi calculada a resolução do sistema (independente da FBG utilizada, mas dependente do Fabry-Perot), cujo valor não é maior do que 4pm por LSB quando o sistema opera com ganho unitário. Neste experimento, a sensibilidade do sistema (dependente das FBGs) foi de aproximadamente 0,334

◦

C por LSB, em termos de temperatura. O quarto experimento foi descrito na Seção 4.4, repetindo o mesmo procedimento do experimento da Seção 4.1, com a diferença do uso do conversor de 12 bits, onde resultados similares foram encontrados no processo de fabricação do sensor.

O sistema final foi montado dentro de uma maleta para facilitar o seu transporte. O projeto em VHDL foi publicado como código aberto, possibilitando que os componentes do sistema sejam utilizados em outros projetos.