O TRABALHO DE GRADUAÇÃO
Por: Alexsson Santos • 18/7/2021 • Trabalho acadêmico • 2.243 Palavras (9 Páginas) • 90 Visualizações
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TRABALHO DE GRADUAÇÃO
Plano de Trabalho
Título: Aplicações da plataforma myRIO em interferômetro de Michelson em malha fechada dedicado à caracterização de atuador piezoelétrico flextensional
Palavras chave: Interferometria laser, myRIO, Controle não linear, Demodulação de fase óptica, Medição de nano-deslocamentos, Atuadores piezoelétricos flextensionais.
Discente: Stephany de Souza Lyra R.A.: 121051791
Orientador: Prof. Dr. Cláudio Kitano
Período: Agosto/2016 a Dezembro/2017.
Ilha Solteira – SP
Dezembro de 2016
1. Introdução
Essencialmente, um interferômetro a laser é um instrumento extremamente sensível que converte uma variação de fase óptica induzida entre seus braços numa variação de intensidade óptica que pode ser mensurada eletronicamente. Valores extraordinariamente pequenos de grandezas físicas, das mais diversas naturezas, podem ser detectados pelas várias versões de interferômetros descritas na literatura [1]. Aplicações de interferometria nas áreas de nanotecnologia [2], auxiliando no posicionamento de amostras, em microeletrônica [3], para o alinhamento de máscaras, e em vários setores da mecânica fina, onde existe a necessidade do posicionamento microscópico e preciso de peças, são essenciais.
O diagrama de blocos de um interferômetro de Michelson em óptica volumétrica encontra-se esquematizado na Fig. 1, onde está sendo usado para caracterizar um atuador piezoelétrico flextensional (APF). Um divisor de feixes neutro, com razão 50/50, divide o feixe de laser em duas componentes, que constituem os dois braços do interferômetro. O feixe de referência e o feixe sensor são dirigidos para os espelhos fixo e móvel, respectivamente. O feixe sensor é refletido pelo espelho colado ao atuador e retorna ao divisor de feixes, sendo daí dirigido a um fotodetector. O feixe de referência é refletido pelo espelho fixo, retorna ao divisor de feixes e também é focalizado sobre o fotodetector. Sobre esse fotodetector os dois feixes são, portanto, superpostos. À medida que a amostra a ser caracterizada vibra longitudinalmente, a fase óptica do feixe sensor varia em relação à do feixe de referência, causando movimento de franjas de interferência o qual é captado pelo fotodiodo.
Figura 1 – Diagrama de blocos de um interferômetro de Michelson realimentado.
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A tensão elétrica detectada pelo fotodiodo, , exibe a seguinte forma geral [1]:[pic 4]
(1)[pic 5]
sendo A uma constante de proporcionalidade que depende da intensidade da fonte laser, da responsividade do fotodetector e do ganho do circuito de condicionamento de sinal. O fator está relacionado à visibilidade de franjas e é um deslocamento fase estático (em princípio) devido à diferença de caminho óptico entre os braços do interferômetro na ausência de sinal . Se for possível mensurar a diferença de fase a partir do sinal elétrico (1), a variação da amplitude de vibração do APF é dada por:[pic 6][pic 7][pic 8][pic 9]
, (2)[pic 10]
sendo o comprimento de onda da luz laser. Como na faixa óptica é muito pequeno (), percebe se que uma variação de fase de apenas (a qual pode ser mensurada sem dificuldades usando instrumentos eletrônicos) corresponde a um deslocamento de , evidenciando a sensibilidade do interferômetro. No entanto, a extrema sensibilidade do sistema às grandezas físicas que se desejam medir traz como consequência uma concomitante vulnerabilidade a perturbações ambientais espúrias. Aliada a natureza não linear da curva característica de entrada (variação de fase óptica) e saída (intensidade óptica fotodetectada) do interferômetro, tais efeitos podem gerar problemas de desvanecimento de sinal de saída [4], ambiguidade de resultados e de sentido de direção, e, necessidade de se usar algoritmos de desdobramento de fase (phase unwrapping) [5], dificultando-se o processo de medição.[pic 11][pic 12][pic 13][pic 14][pic 15]
Quando o sinal for inserido em (2) [para senoidal e com amplitude como esquematizado na Fig. 2(a)], é conveniente manter a condição constante, igual à aproximadamente , quando (1) opera em torno de sua região mais linear e de maior sensibilidade (maior inclinação). Neste caso, o sinal de saída, [ mostrado no canto superior direito da Fig. 2(a)] é uma réplica proporcional ao sinal de entrada, (a menos de um fator de fase de 180°). Na prática, contudo, devido às perturbações ambientais espúrias, a diferença de fase varia no tempo, dando origem ao desvanecimento do sinal de saída . Por exemplo, se o sinal for mantido como antes mas variar para , a forma de onda na saída apresenta amplitude muito pequena (além de grande distorção), como mostrado na Fig. 2(b). A operação neste valor de em princípio seria inviável, tornando conveniente o emprego de sistema de estabilização automática de .[pic 16][pic 17][pic 18][pic 19][pic 20][pic 21][pic 22][pic 23][pic 24][pic 25][pic 26][pic 27][pic 28][pic 29]
Figura 2 – Efeito de desvanecimento. (a) Para e ; (b) Para e .[pic 30][pic 31][pic 32][pic 33]
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Ao longo dos anos, sistemas inovadores altamente estabilizados têm sido usados por diversos grupos de pesquisas para medição de vibrações/deslocamentos, recorrendo-se a interferômetros em malha fechada. No entanto, a maioria ainda segue o conceito de controle linear clássico estabelecido nos anos 1980, empregando-se os expedientes: (i) operar em torno de um ponto de quadratura de fases extremamente estável, em modo de baixo ganho [1]; ou, (ii) linearizar a curva característica de entrada e saída (feedback interferometry), em modo de alto ganho [6]. Contudo, o uso de técnicas lineares limita o desempenho devido à pequena faixa dinâmica (intervalo entre o menor e o maior valor de fase óptica que podem ser mensurados) gerada pela detecção direta de fase óptica (através do método de detecção de sinais com baixa profundidade de modulação), e daí, a necessidade de utilização de técnicas adicionais de phase-unwrapping para se aumentar essa faixa. Assim, frente a restrições impostas pela teoria clássica, surge o interesse de se recorrer a técnicas de controle não linear, a qual pode constituir a abordagem mais adequada em vista do interferômetro consistir de uma planta igualmente não linear quando atua ao longo de ampla faixa de excursão de sinal. Propõe-se, nesta pesquisa, a utilização de técnicas de controle não linear com a intensão de estabilizar o interferômetro e potencializar sua capacidade de medição. Aplicações da pesquisa envolvendo a caracterização de famílias inéditas de transdutores piezoelétricos flextensionais multi-atuados [7] serão priorizadas no LOE – Laboratório de Optoeletrônica da FEIS (http://www.feis.unesp.br/#!/loe).
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