Sensores de Fibra Óptica - SENSORES

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SENSORES Una gran cantidad de sensores de fibra óptica modulada en fase ha sido demostrado, incluyendo acústico, eléctrico, magnético, un deseo de rotación, aceleración, corriente eléctrica presión y temperatura. Fueron aplicados a hidrófonos, magnetómetros, giróscopos, acelerómetros, y otros dispositivos. Estos dispositivos y exhibe numerosas ventajas, la más importante de las cuales son flexibilidad geométricas, inmunidad interferencia electromagnética y pulsos electromagnéticos, gran ancho de banda y una gran sensibilidad , como por ejemplo habilidad para detectar señales de niveles muy bajos y con pequeños cambios. Consideremos el siguiente interferómetro, mostrado en la figura :

La luz proveniente de un diodo láser es dividida igualmente entre los brazos de un interferómetro usando un acoplador de fibra de estado sólido. La porción sensante del brazo sensor es diseñada para responder al campo a ser medido, mientras que el resto de los brazos sensantes y de referencia son insensibles. Los dos rayos de luz que han viajado independientemente a través de dos brazos son combinados por un segundo acoplado que convierte la modulación de fase en una modulación de intensidad. Los amplificadores combinan las señales y los fotodiodos, uno por cada una de las dos salidas común de tal forma que rechaza el ruido de modo común. Un integrador completa que el lazo enganchado en fase. El desplazador de fase puede ser el fabricados bobinando la fibra alrededor del stretcher PZT, aplicando una envoltura piezopolimérica en de parte de la fibra. En cualquier caso, la salida del circuito amplificador/integrador se aplica al modificador de fase causando una modulación de fase en el brazo de referencia del interferómetro igual a la del brazo sensante. Con este arreglo, la relación de fase enter los dos brazos del interferómetro se mantiene bloqueada al punto de máxima sensibilidad. Esto se conoce como operación en cuadratura. En la siguiente figura se ven varias y configuraciones de sensores :

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Un arreglo planar se muestra un la figura arriba a la izquierda .

SENSORES ACÚSTICOS

Sensores acústicos de presión Se sabe que las variaciones de presión asociadas con una onda sonora producen fluctuaciones de fase dadas por:

donde AL/L es la fatiga axial; k es el nro. de onda n es el índice de refracción del nucleo y An viene dado por la siguiente función:

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Donde los P son los coeficientes de Pockel y los S las fatigas radiales. Si hacemos la asunción de un volúmen constante, que estamos ante la presencia de un material isotrópico, que la relación de Poisson es cercana a 0.5 y que el núcleo está hecho aen base a silicio fundido llegamos a que el índice de compresibilidad (indicador de sensibilidad acústica) es:

En la siguiente figuar se muestran los valores experimentales de este índice, tomados para fibras con distíntos tipos de recubrimiento.

La discusión anterior es válida para fibras arrolladas soe un eje o para fibras del tipo gruesas. En el caso que el envainado sea mcuho más fino la sensitividad al cambio de fase es una funciónm más complidada, dependiendo del coeficiente de elasticidad. En este caso vamos a tomar que la relación de Poisson ya no es 0.5 sino muy baja, con lo que llegamos a que:

Los dos últimos términos están asociados con la dependencia a la presión del índice de refracción. Los distintos valores de estos coeficientes son mostrados en la siguiente figura.

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El efecto de encapsular la fibra con aluminio es reducir el índice de compresibilidad por debajo del silicio fundido, como se vio en la primera figura. Los resultados teóricos se ven la siguiente figura.

Como se ve, corresponden distintos valores del ancho del recubrimiento para que la sensibilidad acústica sea anulada, según el tipo de material empleado. También se muestra la variación del índice de compresibilidad contra el espesor del aluminio en la siguiente figura:

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Sensores de gradiente de presión La dirección de la fuente de una señal sonora, puede ser determinada usando un arreglo de sensores omnidireccionales o un sensor de gradiente de presión. Estos sensores, llamados hydrófonos, sensan la presión en dos puntos de poca separación, típicamente mucho menos que una longitud de onda. Ya que la salida de uno de estos sensroes es proporcional al gradiente de presión, su respuesta es proporcinal a la velocidad instantánea, por lo cual también son llamados de velocidad de partículas. Consideremos al señal mostrada en la siguiente figura:

Vemos que la presión instantánea está dada por :

donde PA es la amplitud de la señal, lambda es la long. de onda de la señal y x es la distancia en longitudes de onda. Si tomamos la presión en 2 puntos (x=0 y x=S) colocando sensores en estos puntos, la diferencia de presión (teniendo en cuenta que para x reducidas sen(x) = x )es de:

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Las variaciones de Pmin con la frecuencia pueden verse en la siguiente figura. En estos casos, se realizó la medición sobre 118 y 373 metros de fibra arrollados sobre arrollados sobre espigas de Teflon, separadas 8 cm.

Si la señal viaja en frma transversal a la línea formada por ambos sensores se halla asensibilidad máxima, en cambio si viaja en forma transversal no existe sensibilidad porque ambos componentes están a la misma presión. Esto se traduce en un patrón de sensibilidad similar a l de los dipolos, como se muestra aquí:

Sensores magnéticos

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Estos sensores se basan en la propiedad de algunos materiales, llamada magnetoresistividad. Esta consiste en el cambio de longitud del mismo si este es sumergido en un campo magnético. Expresiones para este efecto fueron obtenidas como una función del espesor del envoltorio, para una amplia variedad de materiales:

Para realizar estas mediciones, se utilizó un toroide de niquel sobre el que se arrolló la fibra en forma toroidal y alrededor de la superficie mayor.

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Este material ha sido usado en muchas aplicaciones, y para fabricar este tipo de sensores, puede bien arrollarse la fibra sobe el material (como en la figura anterior) o realizar un recubrimiento de la fibra con este material. Los cambios, en este sentido observados, se deben no solo al cambio de longitud, sino también al cambio de índice de refracción.

Sensores de corriente eléctrica Se utilizan dos técnicas para la medición de corrientes eléctricas (mostradas en la figura inferior). En la primera, una sección de fibra coin recubrimiento de níquel se coloca en el centro de un solenoide, energizado con la corriente eléctrica a medir. Midiendo el campo eléctrico se tiene la magnitud de corriente que circula.

La segunda técnica (mostrada en la parte inferior de la figura) depende del calentamiento de una resistencia que ocurre sobre una sección de fibra con recubrimiento de aluminio.

SENSORES MODULADOS POR INTENSIDAD Un segundo tipo de sensores a ser discutidos es el llamado sensores modulados por intensidad.La salida de luz desde una fuente óptica de intensidad constante, es enviada a través del elemento sensro. Des desta forma, se altera la intensidad de la señal lumínica, modulando su amplitud.

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Este tipo de sensores tienen la ventaja de no necesitar una luz coherente, ya que no se necesita determinar la variación de la fase sino de su amplitud, pudiendo usarse un emisro de LED no laser o cualquier otro que lo hace más económico. A su vez, el sensado de amplitud es mucho más simple, resultando en circuitos más económicos y menos propensos a averías.

Sensor por campo desvaneciente Este consiste de un par de fibras colocadas dentro de un elemento transductor, de tal forma que ha sido removida la vaina. De esta forma, se produce un acoplamiento entre ambas fibras, el que permite que parte de la luz colocada en una de las fibras pase a la otra. De esta forma, cualquier cambio en la longitud (L), distancia (d) o indice de refracción producido por la modificación del elemento permite medir la fuerza aplicada al sensor.

Sensor por coeficiente de reflexión Este se basa en los cambio realizados en el ecoficiente de refracción del medio a sensar. Si vemos en la parte superior de la figura, evmos que se inserta luz en el núcleo de una fibra, se hace reflejar contra el extremo opuesto, y esta reflexión es dirigida a un detector a través de un espejo separador. Como se ve en la figura inferior, la reflexión puede ser controlada según el ángulo de corte. Si hacemos que este ángulo sea mayor que el crítico, parte de la señal irá desde el nucleo hasta la vaina, y una vez allí una parte irá hacia el medio y otra será reflejada. Esto depende del índice de reflexión del medio (n3) por lo tanto se pueden medir variaciones de este debido a temperatura,

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presión,etc, según la cantidad de luz reflejada.

Sensor de grilla móvil UN sensor simple, es realizado colocando una grilla entre dos fibras con una pequeña separación.

Esta se halla formado por elementos transparentes y opacos, logrando que cuando se encuentran enfrentadas las partes oscuras hay máxima transmisión de luz, y cuando se encuentran enfrentadas partes oscuras y opacas hay mínima transmisión. Este puede ser usado como hidrófono, realizando el montaje indicado a continuación:

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Asumiendo que la grilla consiste de elementos de 5 micrones a uan distancia de 5 micrones, la intensidad variará ne forma cíclica, como se muestra:

Sensor por microdeformaciones este tipo de sensores se basa en la eyección de la luz que viaja por el núcleo hacia la vaina, a través de deformacines introducidas en la geometría del mismo. Para esto se hace pasar la fibra a través de un deformador.

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Al incrementar la fuerza (F) aplixada a las placas, la amplitud de la deformación puede ser incrementada. Al realizar estas deformaciones, causa que el ángulo de incidencia de la luz en el núcleo varía, y provocando que la misma sea refractada hacia la vaina. Este proceso se muestra en la figura siguiente:

Los rayos que se propagan sobre el núcleo a un ángulo menor que el crítico, se mantienen atrapados en el núcleo, pero al aumentar la presión hace que estos lo sobrepasen y sea parcialmente transmitida a la vaina. Se han hecho una gran cantidad de estudios de este fenómeno. Por ejemplo, el sistema mostrado en la figura de abajo fue usado en los laboratorios de investigación Hughes.

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Como se indica, la luz es inyectada en una fibra, la cual es pasada a través de un deformador. En este caso la intensidad de la luz es monitoreada por el otro extremo. Usano un láser de helio-neón con un haz muy contaminado, es posible variar el ángulo de incidencia de la luz en la fibra, y así utilizar los varios modos de propagación de la misma. Usando este sistema, los laboratorios Hughes midieron la intensidad de luz transmitida como una función de la fuerza aplicada al transductor. Esto se hizo para diferentes ángulos de incidencia de la luz, y los resultados se muestran a continuación:

Como se desprende del gráfico, cuando el ángulo de incidencai es cero (viaja por el núcleo sin rebotes) una variación del 20% en la transmisión de luz, muestra una fuerza de 2 newton aplicada. Por el contrario, a medida que se va incrementando el ángulo es más propenso a pasar el ángulo crítico, con lo cual el sensor aumenta su sensibilidad. usando los resultados de estas experiencias y otras similares, los laboratrios Hughes en colaboración con la rama para investigación Físico-Acústico de los laboratorios navales de USA, diseñaron y probaron un hidrófono con este principio.

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La placa deformante fue rígidamente montada sobre una cubierta cilíndrica, mientras que el otro extremo fue ajustado a un pequeño diafragma.

SENSORES ÓPTICOS ROTACIONALES La medición de rotación es de considerable interés en un gran número de areas. Por ejemplo los sistemas de navegación de aeronaves y buques dependen de ello. Los más populares métodos de sensado de la rotación usados en las décadas pasadas, se basan en el giróscopo mecánico, el que depende del momento angular generado por una rueda o bola, a la cual se le imprime un movimiento rotativo. El principio por el que se basa un giróscopo laser es el llamado efecto Sagnac. Las aplicaciones de este efecto han estado muy activas durante las dos últimas décadas, y han sido seleccionadas para ser usados en los Boeings 757 y 767. La principal ventaja de los giróscopos ópticos sobre los mecánicos, básicamente son: No posee partes móviles No es necesario un tiempo de calentamiento (WARM-UP) No son sensibles a la gravedad Gran rango dinámico Lectura digital Bajo costo Tamaño reducido

Efecto Sagnac en el vacío El principio en el que se basa este efecto es en la diferencia de camino recorrido por dos haces luminosos dentro de un anillo de fibra. Si tenemos un disco de radio R rotando a una velocidad omega.

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La diferencia de camino que ven dos rayos lumínicos viajando en direcciones opuestas, a lo largo del perímetro es de

donde A es el area encerrada por el camino y c es la velocodad de la luz. La derivación de esta ecuación se basa en la propagación de la luz en un campo rotativo, donde la teoría general de la relatividad debe ser usada para realizar los cálculos apropiados. La explicación del fenómeno es la siguiente. Nuevamente consideremos el disco rotando con una vellocidad angular omega perpendicular al plano del disco. En un cierto punto del perímetro (designado como 1) fotones idénticos se envían en ambos sentidos del anillo a la largo de su perímetro. Si la velocidad angular es cero, entonces ambos fotones veran que el camino es de la misma longitud, cubriendo una distancia (hasta llegar nuevamente al punto 1) de 2*pi*R. Si ahora el anillo se encuentra rotando, al llegar ambos fotones al punto 1 uno va a tardar un tiempo tccw (counterclockwise) y el otro un tiempo tcw (clockwise). Las ecuaciones vienen dadas por:

Sensor de rotación Uno de los más simples detectores que pueden realizarse es arrolando varias vueltas de fibra óptica, como se muestra a continuación:

Según la forma en que esté realizado el separador de rayos (beamsplitter) las señales provenientes de la fibra pueden interferir en forma constructiva o destructiva, en ausencia de rotación. En presencia de rotación, las señales lumínicas mostrarán un diferencia de camino generada por:

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Esto causará una variación de fase de

Para un tamaño de sensor dado, la sensibilidad puede aumentarse incrementando al longitud de la fibra. Desgraciadamente no puede alargarse indefinidamente, debido a la atenuación dentro de la fibra.

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