Un sensor de fibra óptica es un sensor que utiliza fibra óptica como elemento sensor ("sensores intrínsecos") o como medio para transmitir señales desde un sensor remoto a la electrónica que procesa las señales ("sensores extrínsecos"). Las fibras tienen muchos usos en la teledetección. Dependiendo de la aplicación, la fibra se puede usar debido a su pequeño tamaño, o porque no se necesita energía eléctrica en la ubicación remota, o porque muchos sensores se pueden multiplexar a lo largo de una fibra usando un cambio de longitud de onda de luz para cada sensor, o detectando el retardo de tiempo a medida que la luz pasa a lo largo de la fibra a través de cada sensor. El retardo de tiempo se puede determinar utilizando un dispositivo como un reflectómetro óptico en el dominio del tiempo.y el desplazamiento de la longitud de onda se puede calcular usando un instrumento que implemente una reflectometría en el dominio de la frecuencia óptica.
Los sensores de fibra óptica también son inmunes a las interferencias electromagnéticas y no conducen la electricidad, por lo que pueden usarse en lugares donde hay electricidad de alto voltaje o material inflamable como el combustible para aviones . Los sensores de fibra óptica también se pueden diseñar para soportar altas temperaturas.
Sensores intrínsecos
Las fibras ópticas se pueden utilizar como sensores para medir tensión , [1] temperatura , presión y otras cantidades modificando una fibra de modo que la cantidad a medir module la intensidad , fase , polarización , longitud de onda o tiempo de tránsito de la luz en la fibra. Los sensores que varían la intensidad de la luz son los más simples, ya que solo se requieren una fuente y un detector simples. Una característica particularmente útil de los sensores de fibra óptica intrínsecos es que pueden, si es necesario, proporcionar detección distribuida en distancias muy grandes. [2]
La temperatura se puede medir utilizando una fibra que tiene una pérdida evanescente que varía con la temperatura, o analizando la dispersión de Rayleigh , la dispersión de Raman o la dispersión de Brillouin en la fibra óptica. El voltaje eléctrico puede detectarse mediante efectos ópticos no lineales en fibras especialmente dopadas, que alteran la polarización de la luz en función del voltaje o del campo eléctrico. Los sensores de medición de ángulos pueden basarse en el efecto Sagnac .
Se pueden utilizar fibras especiales como las fibras ópticas de red de fibra de larga duración (LPG) para el reconocimiento de dirección [3] . Photonics Research Group de la Universidad de Aston en el Reino Unido tiene algunas publicaciones sobre aplicaciones de sensores de curvatura vectorial. [4] [5]
Las fibras ópticas se utilizan como hidrófonos para aplicaciones sísmicas y de sonar . Se han desarrollado sistemas de hidrófonos con más de cien sensores por cable de fibra. Los sistemas de sensores de hidrófonos son utilizados por la industria petrolera, así como por las armadas de algunos países. Tanto los sistemas de hidrófonos montados en la parte inferior como los sistemas de transmisión por cable remolcados están en uso. La empresa alemana Sennheiser desarrolló un micrófono láser para su uso con fibras ópticas. [6]
Un micrófono de fibra óptica y unos auriculares basados en fibra óptica son útiles en áreas con fuertes campos eléctricos o magnéticos, como la comunicación entre el equipo de personas que trabajan en un paciente dentro de una máquina de imágenes por resonancia magnética (MRI) durante una cirugía guiada por MRI. [7]
Se han desarrollado sensores de fibra óptica para temperatura y presión para la medición de fondo de pozo en pozos de petróleo. [8] [9] El sensor de fibra óptica es muy adecuado para este entorno, ya que funciona a temperaturas demasiado altas para los sensores semiconductores ( detección de temperatura distribuida ).
Las fibras ópticas se pueden convertir en sensores interferométricos , como los giroscopios de fibra óptica , que se utilizan en el Boeing 767 y en algunos modelos de automóviles (con fines de navegación). También se utilizan para fabricar sensores de hidrógeno .
Los sensores de fibra óptica se han desarrollado para medir la temperatura y la tensión de ubicación conjunta simultáneamente con una precisión muy alta utilizando rejillas de fibra de Bragg . [10] Esto es particularmente útil cuando se adquiere información de estructuras pequeñas o complejas. [11] Los sensores de fibra óptica también son especialmente adecuados para la monitorización remota y pueden interrogarse a 290 km de la estación de monitorización mediante un cable de fibra óptica. [12] Los efectos de dispersión de Brillouin también se pueden utilizar para detectar tensión y temperatura a grandes distancias (20-120 kilómetros). [13] [14]
Otros ejemplos
Se puede crear un sensor de voltaje CA / CC de fibra óptica en el rango de voltaje medio y alto (100-2000 V) induciendo cantidades medibles de no linealidad de Kerr en fibra óptica monomodo al exponer una longitud calculada de fibra al campo eléctrico externo. [15] La técnica de medición se basa en la detección polarimétrica y se logra una alta precisión en un entorno industrial hostil.
Los campos electromagnéticos de alta frecuencia (5 MHz – 1 GHz) pueden detectarse mediante efectos no lineales inducidos en fibra con una estructura adecuada. La fibra utilizada está diseñada de manera que los efectos de Faraday y Kerr provoquen un cambio de fase considerable en presencia del campo externo. [16] Con un diseño de sensor apropiado, este tipo de fibra se puede utilizar para medir diferentes cantidades eléctricas y magnéticas y diferentes parámetros internos del material de la fibra.
La potencia eléctrica se puede medir en una fibra mediante el uso de un sensor de amperios de fibra a granel estructurado junto con un procesamiento de señal adecuado en un esquema de detección polarimétrica. Se han realizado experimentos en apoyo de la técnica. [17]
Los sensores de fibra óptica se utilizan en aparamenta eléctrica para transmitir luz desde un arco eléctrico a un relé de protección digital para permitir el disparo rápido de un interruptor para reducir la energía en la explosión del arco. [18]
Los sensores de fibra óptica basados en rejillas de fibra de Bragg mejoran significativamente el rendimiento, la eficiencia y la seguridad en varias industrias. Con la tecnología integrada FBG, los sensores pueden proporcionar análisis detallados e informes completos sobre conocimientos con muy alta resolución. Este tipo de sensores se utilizan ampliamente en varias industrias como telecomunicaciones, automotriz, aeroespacial, energía, etc. [ cita requerida ] Las rejillas de fibra de Bragg son sensibles a la presión estática, la tensión mecánica y la compresión y los cambios de temperatura de la fibra. La eficiencia de los sensores de fibra óptica basados en redes de Bragg de fibra se puede proporcionar mediante el ajuste de la longitud de onda central de la fuente emisora de luz de acuerdo con los espectros de reflexión de las redes de Bragg actuales. [19]
Sensores extrínsecos
Los sensores de fibra óptica extrínseca utilizan un cable de fibra óptica , normalmente uno multimodo , para transmitir luz modulada desde un sensor óptico sin fibra o un sensor electrónico conectado a un transmisor óptico. Una de las principales ventajas de los sensores extrínsecos es su capacidad para llegar a lugares que de otro modo serían inaccesibles. Un ejemplo es la medición de la temperatura dentro de los motores a reacción de los aviones mediante el uso de una fibra para transmitir la radiación a un pirómetro de radiación ubicado fuera del motor. Los sensores extrínsecos también se pueden utilizar de la misma forma para medir la temperatura interna de transformadores eléctricos , donde los campos electromagnéticos extremos presentes imposibilitan otras técnicas de medición.
Los sensores de fibra óptica extrínseca brindan una excelente protección de las señales de medición contra la corrupción del ruido. Desafortunadamente, muchos sensores convencionales producen una salida eléctrica que debe convertirse en una señal óptica para su uso con fibra. Por ejemplo, en el caso de un termómetro de resistencia de platino , los cambios de temperatura se traducen en cambios de resistencia. Por tanto, el PRT debe tener una fuente de alimentación eléctrica. El nivel de voltaje modulado en la salida del PRT se puede inyectar en la fibra óptica a través del tipo habitual de transmisor. Esto complica el proceso de medición y significa que los cables de alimentación de bajo voltaje deben enrutarse hasta el transductor.
Los sensores extrínsecos se utilizan para medir la vibración, la rotación, el desplazamiento, la velocidad, la aceleración, el par y la temperatura. [20]
Sensores y biosensores químicos
Es bien sabido que la propagación de la luz en la fibra óptica está confinada en el núcleo de la fibra según el principio de reflexión interna total (TIR) y la pérdida de propagación casi nula dentro del revestimiento, lo cual es muy importante para la comunicación óptica pero limita sus aplicaciones de detección debido a la no interacción de la luz con el entorno. Por tanto, es fundamental explotar nuevas estructuras de fibra óptica para perturbar la propagación de la luz, permitiendo así la interacción de la luz con el entorno y construyendo sensores de fibra óptica. Hasta ahora, se han propuesto varios métodos, incluido el pulido, el grabado químico, el ahusamiento, el doblado, así como la inscripción en rejilla de femtosegundos, para adaptar la propagación de la luz y estimular la interacción de la luz con los materiales de detección. En las estructuras de fibra óptica mencionadas anteriormente, los campos evanescentes mejorados pueden excitarse eficazmente para inducir a la luz a exponerse e interactuar con el medio circundante. Sin embargo, las propias fibras solo pueden detectar muy pocos tipos de analitos con baja sensibilidad y selectividad cero, lo que limita en gran medida su desarrollo y aplicaciones, especialmente para biosensores que requieren alta sensibilidad y alta selectividad. Para superar el problema, una forma eficiente es recurrir a materiales sensibles, que poseen la capacidad de cambiar sus propiedades, como IR, absorción, conductividad, etc., una vez que cambian los entornos circundantes. Debido al rápido progreso de los materiales funcionales en los últimos años, se encuentran disponibles varios materiales de detección para la fabricación de biosensores y sensores químicos de fibra óptica, incluidos grafeno, metales y óxidos metálicos, nanotubos de carbono, nanocables, nanopartículas, polímeros, puntos cuánticos, etc. , estos materiales cambian reversiblemente su forma / volumen al ser estimulados por los entornos circundantes (los analistas objetivo), lo que luego conduce a la variación de RI o absorción de los materiales de detección. En consecuencia, los cambios circundantes serán registrados e interrogados por las fibras ópticas, realizando las funciones de detección de las fibras ópticas. Actualmente, se han propuesto y demostrado varios sensores químicos y biosensores de fibra óptica [21] .
Ver también
- Detección acústica distribuida
Referencias
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