Introducción
En la industria eléctrica y electrónica, la presencia de alto voltaje e interferencias electromagnéticas elevadas puede provocar fallos en un sensor electrónico. Es prácticamente imposible que un sensor convencional realice mediciones en estas condiciones. Una buena solución para este problema es la medición de parámetros mediante un sensor FBG de fibra óptica. Rejilla de Bragg de fibra El sensor (FBG) es ligero, fácil de instalar y tiene capacidad de multiplexación para detectar diversos parámetros como temperatura, tensión, carga, presión, etc., en diferentes puntos del mismo cable. Los sensores convencionales requieren alimentación eléctrica para funcionar. sensores de fibra óptica Son pasivos y pueden tenderse a lo largo de cientos de kilómetros en líneas de transmisión, gasoductos, etc. sin necesidad de suministro eléctrico.
El FBG funciona como un reflector Bragg distribuido integrado en una fibra óptica gracias a la variación periódica del índice de refracción del núcleo de la fibra monomodo. Al pasar la luz a través del FBG, refleja cierta longitud de onda y transmite todas las demás. Cuando la temperatura o la tensión alrededor de la rejilla varían, se observa un cambio en la longitud de onda reflejada.
Construcción y principio de funcionamiento
Un FBG es un sensor óptico que se fabrica mediante la exposición lateral de un núcleo de fibra monomodo a un patrón periódico de luz láser UV intensa. Esta exposición genera un aumento permanente del índice de refracción (η) del núcleo de la fibra, creando una modulación de índice fijo conocida como rejilla (Λ). La rejilla dentro del núcleo de la fibra óptica reflejará una longitud de onda específica de la luz de entrada, conocida como longitud de onda de Bragg λ.Bragg Se correlaciona con el período de la rejilla y transmite todos los demás, como se muestra en la figura siguiente. La longitud de onda de Bragg se obtiene mediante la ecuación:
Cuando el período de rejilla se expande o se contrae debido a un cambio de temperatura/deformación, el cambio en la longitud de onda reflejada se mide como se muestra en la siguiente figura.
Diseño del sistema de sensores FBG
Configuración del sistema de sensores FBG para detección de carga, temperatura y tensión
Un cambio en la longitud de onda de Bragg reflejada se detecta con la ayuda de una unidad de interrogación como se muestra en la figura anterior cuando ocurre un cambio en las propiedades físicas y se da mediante la ecuación.
donde pmi es el coeficiente de deformación óptica, Ԑ es la deformación inducida, α es el coeficiente de expansión térmica, ζ es el coeficiente termoóptico y ΔT es la variación de temperatura. La ecuación anterior indica que el desplazamiento de Bragg es función tanto de la temperatura como de la deformación. Para la fibra de sílice, el valor de pmi = 0,22 y se conocen otros coeficientes.
Aplicación de FBG en la medición de temperatura
Los sensores FBG se utilizan ampliamente en aplicaciones de temperatura para gasoductos, exploración de petróleo y gas, investigación y desarrollo, etc. De la ecuación 2, se puede afirmar que el desplazamiento de la longitud de onda de Bragg es función tanto de la temperatura como de la deformación. Para medir únicamente la temperatura, el sensor FBG se integra en una carcasa protectora con ambos extremos sueltos para ignorar el efecto de la deformación. La integración del sensor FBG lo protege del ambiente externo durante la medición de temperatura.
Configuración experimental de medición de temperatura con FBG
Se operó un FBG de un solo punto a una temperatura de 600 °C en una configuración de prueba experimental. El FBG permaneció en contacto con un calentador y un RTD como sensor de referencia para monitorear y regular la temperatura del FBG. Se utilizó una fuente de alimentación de 12 V CC. La base de la detección de temperatura del FBG es la detección del desplazamiento máximo de la longitud de onda de Bragg correspondiente a esa temperatura.
El cambio en el pico de la longitud de onda de Bragg se da mediante la siguiente ecuación:
La sensibilidad de temperatura del sensor FBG es de aproximadamente 11,5 pm/°C.
Aplicación de FBG en la medición de deformaciones
La deformación es una medida del cambio de longitud en función de la longitud original L del sensor al aplicar tensión. Sobre una tensión aplicada a la fibra, la deformación correspondiente será ΔL/L. Se requiere compensación de temperatura debido a que la temperatura afecta las dimensiones físicas debido a la expansión térmica. Al utilizar un sensor FBG, la medición de la deformación únicamente requiere eliminar el efecto de la temperatura en la determinación del desplazamiento de la longitud de onda. Esto se puede lograr instalando un sensor de temperatura FBG a lo largo del sensor para compensar el efecto de la temperatura local sobre el sensor. Por lo tanto, hemos restado la ecuación (3) de la ecuación (2) para obtener la ecuación (5) a continuación para medir la deformación.
La sensibilidad de tensión del sensor FBG es de aproximadamente 1,02 pm/µε.
Otras aplicaciones de los sensores FBG
- Los sensores FBG se pueden utilizar como acelerómetros ópticos en la medición de vibraciones de estructuras, maquinaria pesada, puentes y vías férreas.
En la siguiente figura se muestra el patrón vibratorio de una FBG que se produce debido a la tensión dinámica en la viga en voladizo.
2. Se pueden medir múltiples parámetros al mismo tiempo, como temperatura, carga, tensión, presión, vibración e inclinación.
3. Aplicaciones de detección de puntos únicos y múltiples donde se deben definir los parámetros de ubicación del usuario.
4. Ofrece mayor sensibilidad y confiabilidad a largo plazo que los sensores convencionales. Para aplicaciones que requieren alta sensibilidad, el FBG es una buena solución.
