INSTRUMENTO PARA MEDIC¸˜AO DEÍNDICE DE REFRAC¸˜AO A FIBRA´OPTICA PL´ASTICA ...

92 Pages·2017·5.07 MB·Portuguese

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INSTRUMENTO PARA MEDIC¸AO DE INDICE DE REFRAC¸AO
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A FIBRA OPTICA PLASTICA BASEADO EM TECNOLOGIA
DE SMARTPHONE
Louise Martins Nogueira Landi
Projeto de Gradua¸ca˜o apresentado ao Curso
de Engenharia Eletroˆnica e de Computa¸c˜ao
da Escola Polit´ecnica, Universidade Federal
do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos
necessa´rios a` obten¸ca˜o do t´ıtulo de Enge-
nheira.
Orientador: Marcelo Martins Werneck
Rio de Janeiro
Setembro de 2017

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
Escola Polit´ecnica - Departamento de Eletrˆonica e de Computa¸c˜ao
Centro de Tecnologia, bloco H, sala H-217, Cidade Universit´aria
Rio de Janeiro - RJ CEP 21949-900
Este exemplar ´e de propriedade da Universidade Federal do Rio de Janeiro, que
poder´ainclu´ı-loembasededados, armazenaremcomputador, microfilmarouadotar
qualquer forma de arquivamento.
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E permitida a men¸ca˜o, reproduc¸˜ao parcial ou integral e a transmiss˜ao entre bibli-
otecas deste trabalho, sem modifica¸c˜ao de seu texto, em qualquer meio que esteja
ou venha a ser fixado, para pesquisa acadˆemica, coment´arios e cita¸co˜es, desde que
sem finalidade comercial e que seja feita a referˆencia bibliogra´fica completa.
Os conceitos expressos neste trabalho s˜ao de responsabilidade do(s) autor(es).
iv
Aos meus pais, Ricardo e Irenice,
que sempre me apoiaram em todos
os momentos da minha vida.
v
AGRADECIMENTO
Primeiramente, gostaria de agradecer `a toda minha fam´ılia, em especial aos meus
pais. Na˜o ha´ como descrever tudo que eles fizeram e tˆem feito por mim ao longo da
minha vida. Todas as minhas conquistas s´o foram poss´ıveis gra¸cas ao apoio deles.
Ao meu namorado, Raphael, pela compreens˜ao e apoio durante o projeto. Obri-
gada por transformar os dias dif´ıceis em dias mais leves e felizes ao seu lado.
Um agradecimento especial aos meus amigos conquistados ao longo da faculdade.
ObrigadaTharsuseGabrielpeloprazerdeconhecˆe-losedividirumpoucocomvocˆes
as grandes dificuldades do caminho que escolhemos. Agrade¸co tamb´em as minhas
amigasLethiciaePatricia, principalmenteportodaaamizadeeapoionosmomentos
que mais precisei, tanto aqui como na Irlanda.
Aos meus amigos de Teres´opolis Roberta, Juliana, Isis, Thiago, Emilia, Camila,
Pedro e Carol. Obrigada por vocˆes serem exatamente do jeito que sa˜o e pela com-
preensa˜o da minha ausˆencia nos momentos onde ela foi necess´aria.
Ao meu orientador, Marcelo Werneck, pela orienta¸c˜ao ao longo do projeto, per-
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mitindo que eu conclu´ısse mais esta etapa em minha vida. A toda equipe do LIF,
em especial Cesar e Alex pelo apoio e suporte durante o projeto. O apoio de todos
vocˆes foi fundamental.
Deixo tamb´em minha gratida˜o a todos os professores e funciona´rios que de alguma
forma me ajudaram ao longo de toda essa trajet´oria.
vi
RESUMO
Sensores sa˜o amplamente utilizados na monitora¸c˜ao de mudan¸cas em ambientes
de diversas a´reas para garantir o correto funcionamento de muitos processos fun-
damentais. Nos u´ltimos tempos, a demanda pelo desenvolvimento de dispositivos
de medi¸c˜ao mais simples, r´apidos e de baixo custo aumentou, principalmente para
aplica¸co˜es relacionadas a` sau´de e ao monitoramento ambiental. Este fato aliado
ao crescente nu´mero de dispositivos mo´veis porta´teis com conectividade com a in-
ternet, cˆameras de alta resolu¸c˜ao, CPUs de alto desempenho tˆem impulsionado o
desenvolvimento de dispositivos de sensoriamento adequados para aplica¸co˜es fora do
laborato´rio, sem instrumentos dedicados e condic¸˜oes espec´ıficas.
A integra¸c˜ao de equipamentos biossensores nestes dispositivos inteligentes com o
fim de torn´a-los aptos para o sensoriamento de bact´erias ´e uma abordagem promis-
sora para a sau´de pu´blica e prote¸ca˜o ambiental. Desta forma, se faz necess´ario o
estudo de solu¸co˜es alternativas aos m´etodos convencionais de detec¸ca˜o. Neste sen-
tido, o objetivo deste projeto ´e a cria¸ca˜o de um instrumento de medi¸ca˜o a fibra
o´ptica baseado em tecnologia de Smartphone, cuja finalidade ´e a medi¸ca˜o de´ındices
de refra¸ca˜o de l´ıquidos.
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Palavras-Chave: IndicedeRefra¸ca˜o,Fibraso´pticas,Smartphone,Suporte,Medi¸ca˜o,
Instrumento.
vii
ABSTRACT
Sensors are widely used for monitoring changes in environments from many areas
in order to ensure the operation of many fundamental processes. In recent times,
the demand for the development of simpler, faster and low-cost measuring devices
has increased, especially for health-related applications and environmental monito-
ring. This allied to the increasing number of portable mobile devices with internet
connectivity, high resolution cameras, high performance CPUs have driven the deve-
lopment of sensing devices suitable for applications outside the laboratory, without
dedicated instruments and specific conditions.
The integration of biosensors equipment into these intelligent devices in order to
make them suitable for the sensing of bacterias is a promising approach to public
health and environmental protection. Thus, it is necessary to study alternative
solutions to conventional methods of detection. In this sense, the objective of this
projectisthecreationofanopticalfibermeasuringinstrumentbasedonSmartphone
technology, whose purpose is the measurement of refractive indexes in liquids.
Key-words: RefractiveIndex, Opticalfibers, Smartphone, Support, Measurement,
Instrument.
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SIGLAS
ABS - Acrilonitrila Butadieno Estireno
ACID - Atomicidade, Consistˆencia, Isolamento e Durabilidade
BD - Banco de Dados
CSV - Comma-Separated Values
IP - Internet Protocol
LED - Light Emitting Diode
LIF - Laborato´rio de Instrumentac¸˜ao e Fotoˆnica
OpenCV - Open Source Computer Vision Library
POF - Plastic Optical Fiber
RI - Refractive Index
SGBD - Sistema Gerenciador de Banco de Dados
SQL - Structured Query Language
TCP - Transmission Control Protocol
UFRJ - Universidade Federal do Rio de Janeiro
UI - User Interface
VO - Value Object
XML - Extensible Markup Language
ix
Sum´ario
1 Introdu¸c˜ao 1
1.1 Tema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Delimitac¸˜ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Justificativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.4 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.5 Revisa˜o Bibliogr´afica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.6 Metodologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.7 Organizac¸˜ao do Documento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2 Fundamentos Te´oricos 8
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2.1 Fibras Opticas Pl´asticas (POF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
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2.1.1 Estrutura das Fibras Opticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
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2.1.2 Fibras Opticas Monomodo e Multimodo . . . . . . . . . . . . 9
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2.2 Princ´ıpio de Funcionamento das Fibras Opticas . . . . . . . . . . . . 11
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2.2.1 Indice de Refrac¸˜ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.2 Fenoˆmeno da Refra¸ca˜o da Luz . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.3 Fenoˆmeno da Reflexa˜o Total da Luz . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.4 Abertura Num´erica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3 Princ´ıpio de Funcionamento do Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3 Materiais e M´etodos 18
3.1 Dispositivo Mo´vel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.2 Fabrica¸ca˜o do Suporte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2.1 Primeira Vers˜ao - 1.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2.2 Segunda Vers˜ao - 2.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
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