Caracterização metrológica do sistema de medição de deslocamento por interferometria de um espectrômetro FTIR
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Dissertação de mestrado
Título alternativo
Primeiro orientador
Membros da banca
Carlos Andrey Maia
Hilton de Oliveira Mota
Welington Ferreira Magalhães
Hilton de Oliveira Mota
Welington Ferreira Magalhães
Resumo
Sistemas de medição de deslocamento por interferometria são amplamente utilizados em
diversas áreas da ciência e podem fornecer com precisão informações sobre diversas grandezas de
interesse. Por se constituírem de elementos ópticos e dispositivos mecânicos, os interferômetros
são afetados por diversos tipos de erros.
Na espectroscopia analítica o uso dos espectrômetros de infravermelho auxiliados pelos
interferômetros permitem a introdução de consideráveis melhorias e vantagens em comparação
aos espectrômetros dispersivos, tanto para caracterização qualitativa quanto quantitativa de
substâncias químicas. No entanto, esta melhor qualidade da instrumentação, torna de grande
importância elaborar modelos matemáticos e estatísticos que representem não apenas as leis
físicas, mas um processo de medição, incluindo todas aquelas grandezas relevantes para a
determinação da incerteza do resultado da medição.
Este trabalho apresenta a metodologia empregada na construção do modelo de medição
e avaliação do resultado da medição do interferômetro de Michelson utilizado no sistema de
referência do espectrômetro de infravermelho por transformada de Fourier considerando as
variações do comprimento de onda do laser, índice de refração do ar, erros do caminho óptico,
desalinhamento dos espelhos e sistemas eletrônicos.
O sistema de medição de deslocamento por interferometria ou DMI, relaciona o comprimento
do caminho óptico do interferômetro ou retardação com a intensidade da radiação
no espectro do infravermelho. O valor da retardação é medido em função da diferença de
fase dos sinais gerados por dois detectores ópticos posicionados em quadratura e alinhados em
direção ao feixe do laser de referência em um arranjo denominado QPSI (Quadrature Phase
Shift Interferometer).
O resultado da medição foi determinado a partir do método de Monte Carlo no qual é
fundamentado em simulações computacionais e algoritmos iterativos, os valores mais prováveis
que afetam o valor da retardação foram sorteados das distribuições de probabilidades das
grandezas e avaliados por meio do modelo de medição proposto. Além de permitir obter
diretamente a distribuição de probabilidades do mensurando quando um grande número de
iterações é realizado, o método pode ser aplicado a modelos lineares e a modelos não-lineares,
tal como o proposto nesta dissertação.
Abstract
Displacement measuring interferometry systems are widely used in many fields of science
and can accurately provide information about several different quantities of interest.
Because they are composed by optical elements and mechanical devices, the interferometers are
affected by several types of errors.
In analytical spectroscopy, the use of infrared spectrometers aided by interferometers
brings considerable improvements and offer many advantages in comparison to the dispersive
spectrometers, for qualitative and quantitative characterization of chemical susbstances. However,
this better quality instrumentation requires mathematical and statistical models that represent not
only the physical laws, but also the measurement process, including all those quantities relevant
to the determination of the uncertainty of the measurement result.
This work presents a methodology employed to develop the measurement model and
to evaluate the measurement result for the Michelson interferometer. The device used as the
reference system of the Fourier transform infrared spectrometer taking into account the variations
of the laser wavelength, refractive index of the air, optical path errors, misalignment of mirrors
and electronic systems.
The displacement measuring interferometry system or DMI is responsible for the correct
relationship between the infrared radiation intensity and the optical displacement or retardation.
The value of the retardation is measured as a function of the phase-shiffting of the signals
generated by two optical sensors positioned in quadrature and aligned towards the reference laser
beam in an arrangement called QPSI (Quadrature Phase Shift Interferometer)
The measurement result are figured-out with a computer program that implements the
Monte Carlo method. The MCM is based on computer simulations, iterative algorithms and the
model evaluation by drawing the most likely values that can affect a quantity of interest and
evaluated by the measurement model proposed. The MCM also allow to find-out directly the
probability distribution of the measurand when a large number of iterations is performed. This
method can be applied to linear models as well as to nonlinear models, such as the one proposed
in this dissertation.
Assunto
Engenharia elétrica, Interferometria, Análise espectral, Medição
Palavras-chave
Interferometria, Espectroscopia, Metrologia óptica