https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/18165
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felipeoliveirabarino.pdf | 4.1 MB | Adobe PDF | ![]() View/Open |
Type: | Tese |
Title: | Machine learning-based long-period fiber grating demodulation: a promising tool for cost-effective in-field implementation |
Author: | Barino, Felipe Oliveira |
First Advisor: | Santos, Alexandre Bessa dos |
Referee Member: | Barbero, Andrés Pablo López |
Referee Member: | Leal Júnior, Arnaldo Gomes |
Referee Member: | Marcato, André Luis Marques |
Referee Member: | Soares, Guilherme Márcio |
Resumo: | Grades de longo período em fibra (LPGs) são dispositivos versáteis e fabricados dentro de fibras ópticas, e um dos seus usos é a fabricação de sensores ópticos. Tais sensores têm ganhado atenção significativa nos últimos anos devido às suas capacidades únicas de detecção e facilidade de fabricação. No entanto, sua adoção generalizada tem sido dificultada pela complexidade e custo dos métodos tradicionais de interpretação (interrogação) dos seus dados, que muitas vezes dependem de equipamentos volumosos e caros. Nesta tese, uma nova abordagem para a interrogação de LPGs é apresentada. Ela usa um banco de filtros ópticos esparsos e algoritmos de aprendizado de máquina para alcançar medições econômicas e confiáveis. A abordagem proposta é investigada através de três métodos distintos, cada um construído sobre o anterior, culminando em uma rede neural totalmente conectada baseada em autoatenção. Essa abordagem permite o uso de FBGs com posições arbitrárias em uma configuração multissensor, melhorando a relação custo-benefício do sistema e incorporando recursos de detecção multiponto. Os resultados demonstram a eficácia da abordagem proposta, mostrando sua alta precisão, robustez ao ruído e capacidade de generalização para uma ampla gama de sensores LPG e configurações de sensores FBG. Foi possível obter resoluções na ordem de nanometros com a abordagem proposta. Com o uso de sistemas fuzzy e FBGs estáticas, foi possível estimar a posição do sensor LPG com incerteza de 0.481 nm com baixa sensibilidade ao ruído com relação sinal-ruído de 20 a 12 dB, sem impacto na resolução do sistema. Em topologias mais complexas, em que as FBGs atuam como sensores, a incerteza foi de 0.687 nm usando um modelo de auto-atenção treinado com dados sintéticos. O uso de dados sintéticos para treinamento supera as limitações de aquisição de grandes conjuntos de dados, permitindo o desenvolvimento de modelos mais robustos e complexos. Para avaliar a efetividade da técnica proposta, um sensor de índice de refração foi construído e interrogado pelo sistema proposto com erro menor que 0.2%. Esta tese deve contribuir significativamente para o campo da interrogação de sensores LPG, oferecendo uma solução promissora para várias aplicações, principalmente no monitoramento de saúde estrutural, sensoriamento ambiental e controle de processos industriais. A abordagem proposta abre caminho para avanços adicionais na tecnologia de sensoriamento LPG e sua ampla adoção em campo. |
Abstract: | Long-period fiber gratings (LPGs) are versatile optical fiber devices, and one of their uses is the manufacture of optical sensors. These sensors have gained significant attention in recent years due to their unique detection capabilities and ease of manufacturing. However, their widespread adoption has been hindered by the complexity and cost of traditional interrogation methods, which often rely on bulky and expensive equipment. This thesis presents a novel approach to LPG interrogation that leverages a sparse optical filter bank and machine learning algorithms to achieve cost-effective and reliable measurements. The proposed approach is investigated through three distinct methods, each building upon the previous one, culminating in a fully connected neural network based on self-attention. This approach enables the use of FBGs with arbitrary positions in a multi-sensor configuration, enhancing system cost-effectiveness by sensor multiplexing and incorporating multi-point sensing capabilities. The results demonstrate the effectiveness of the proposed approach by demonstrating its high accuracy, robustness to noise, and ability to generalize to a wide range of LPG sensors and FBG array configurations. The use of synthetic data for training overcomes the limitations of acquiring large datasets, allowing for the development of more robust and complex models. To assess the effectiveness of the proposed technique, a refractive index sensor was built and interrogated by the proposed system with an error less than 0.2%. This thesis should contribute significantly to the field of LPG sensor interrogation, offering a promising solution for various applications, mainly in structural health monitoring, environmental sensing, and industrial process control. The proposed approach paves the way for further advances in LPG sensing technology and its widespread adoption in the field. |
Keywords: | Sensores a fibra óptica Demodulação de comprimento de onda Aprendizado de máquinas Sensoriamento quasi-distribuído Optical fiber sensors Wavelength demodulation Machine learning Guasidistributed sensing |
CNPq: | CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA |
Language: | eng |
Country: | Brasil |
Publisher: | Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF) |
Institution Initials: | UFJF |
Department: | Faculdade de Engenharia |
Program: | Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica |
Access Type: | Acesso Aberto |
Creative Commons License: | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/ |
URI: | https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/18165 |
Issue Date: | 21-Jan-2025 |
Appears in Collections: | Doutorado em Engenharia Elétrica (Teses) |
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