Introducción a los sensores de fibra óptica y sus tipos con aplicaciones

Introducción a los sensores de fibra óptica y sus tipos con aplicaciones

En el año 1960, se inventó la luz láser y, después de la invención de los láseres, los investigadores mostraron interés en estudiar las aplicaciones de los sistemas de comunicación de fibra óptica para detección, comunicaciones de datos y muchas otras aplicaciones. Posteriormente el sistema de comunicación por fibra óptica se ha convertido en la mejor opción para gigabits y más allá de la transmisión de datos de gigabits. Este tipo de comunicación de fibra óptica se utiliza para transmitir datos, voz, telemetría y video a través de comunicaciones de larga distancia o redes informáticas o LAN. Esta tecnología utiliza una onda de luz para transmitir los datos a través de una fibra al convertir las señales electrónicas en luz. Algunas de las excelentes características de esta tecnología incluyen ligereza, baja atenuación, diámetro más pequeño, transmisión de señales a larga distancia, seguridad de transmisión, etc.

Sensores de fibra óptica

Sensores de fibra óptica



Significativamente, el tecnología de telecomunicaciones ha cambiado los avances recientes en la tecnología de fibra óptica. La última revolución apareció como diseñadores para combinar los resultados productivos de dispositivos optoelectrónicos con dispositivos de telecomunicaciones de fibra óptica para crear sensores de fibra óptica. Muchos de los componentes asociados con estos dispositivos se desarrollan a menudo para las aplicaciones de sensores de fibra óptica. La capacidad de los sensores de fibra óptica ha aumentado en lugar del sensor tradicional.




Sensores de fibra óptica

Los sensores de fibra óptica también llamados sensores de fibra óptica utilizan fibra óptica o elemento sensor. Estos sensores se utilizan para detectar algunas cantidades como temperatura, presión, vibraciones, desplazamientos, rotaciones o concentración de especies químicas. Las fibras tienen muchos usos en el campo de la teledetección porque no requieren energía eléctrica en la ubicación remota y tienen un tamaño pequeño.

Los sensores de fibra óptica son perfectos para condiciones insensibles, que incluyen ruido, alta vibración, calor extremo, entornos húmedos e inestables. Estos sensores pueden caber fácilmente en áreas pequeñas y se pueden colocar correctamente donde se necesiten fibras flexibles. El cambio de longitud de onda se puede calcular utilizando un dispositivo, reflectrometría óptica en el dominio de la frecuencia. El retardo de tiempo de los sensores de fibra óptica se puede decidir utilizando un dispositivo como un reflectómetro óptico en el dominio del tiempo.



Diagrama de bloques del sensor de fibra óptica

Diagrama de bloques del sensor de fibra óptica

El diagrama de bloques general del sensor de fibra óptica se muestra arriba. El diagrama de bloques consta de una fuente óptica ( Diodo emisor de luz , LASER y diodo láser), fibra óptica, elemento sensor, detector óptico y dispositivos de procesamiento final (analizador de espectro óptico, osciloscopio). Estos sensores se clasifican en tres categorías según los principios operativos, la ubicación del sensor y la aplicación.

Tipos de sistemas de sensores de fibra óptica

Estos sensores se pueden clasificar y explicar de la siguiente manera:




1. Según la ubicación del sensor, los sensores de fibra óptica se clasifican en dos tipos:

  • Sensores intrínsecos de fibra óptica
  • Sensor de fibra óptica extrínseca

Sensores de fibra óptica de tipo intrínseco

En este tipo de sensores, la detección tiene lugar dentro de la propia fibra. Los sensores dependen de las propiedades de la propia fibra óptica para convertir una acción ambiental en una modulación del haz de luz que lo atraviesa. Aquí, una de las propiedades físicas de la señal luminosa puede estar en forma de frecuencia, fase, intensidad de polarización. La característica más útil del sensor intrínseco de fibra óptica es que proporciona detección distribuida en distancias de largo alcance. El concepto básico del sensor intrínseco de fibra óptica se muestra en la siguiente figura.

Sensores de fibra óptica de tipo intrínseco

Sensores de fibra óptica de tipo intrínseco

Sensores de fibra óptica de tipo extrínseco

En los sensores de fibra óptica de tipo extrínseco, la fibra se puede utilizar como portadores de información que muestran el camino a una caja negra. Genera una señal luminosa en función de la información que llega a la caja negra. La caja negra puede estar hecha de espejos.,gas o cualquier otro mecanismo que genere una señal óptica. Estos sensores se utilizan para medir la rotación, la velocidad de vibración, el desplazamiento, la torsión, el par y la aceleración. El mayor beneficio de estos sensores es su capacidad para llegar a lugares que de otro modo serían inalcanzables.

Sensores de fibra óptica de tipo extrínseco

Sensores de fibra óptica de tipo extrínseco

El mejor ejemplo de este sensor es la medición de la temperatura interior del motor a reacción de la aeronave que utiliza una fibra para transmitir una radiación a un pirómetro de radiación, que se encuentra fuera del motor. De la misma forma, estos sensores también se pueden utilizar para medir la temperatura interna del transformadores . Estos sensores brindan una excelente protección de las señales de medición contra la corrupción del ruido. La siguiente figura muestra el concepto básico del sensor de fibra óptica extrínseca.

2. Según los principios operativos, los sensores de fibra óptica se clasifican en tres tipos:

  • Basado en intensidad
  • Basado en fase
  • Basado en polarización

Sensor de fibra óptica basado en intensidad

Los sensores de fibra óptica basados ​​en intensidad requieren más luz y estos sensores utilizan fibras de núcleo grande multimodo.La figura que se muestra da una idea de cómo funciona la intensidad de la luz como parámetro de detección, así como cómo esta disposición hace que la fibra funcione como un sensor de vibración. Cuando hay una vibración, habrá un cambio de luz insertada de un extremo a otro y esto hará que la inteligencia para medir la amplitud de la vibración.

Sensor de fibra óptica basado en intensidad

Sensor de fibra óptica basado en intensidad

En la figura, la fibra óptica y el sensor de vibración más cercanos dependen de la intensidad de la luz en las partes posteriores. Estos sensores tienen muchas limitaciones debido a pérdidas variables en el sistema que no ocurren en el medio ambiente. Estas pérdidas variables incluyen pérdidas debidas a empalmes, pérdidas por flexión micro y macro, pérdidas debidas a conexiones en uniones, etc. Los ejemplos incluyen sensores basados ​​en intensidad o sensor de microcurvatura y sensor de onda evanescente.

Las ventajas de estos sensores de fibra óptica incluyen bajo costo, capacidad de funcionar como sensores distribuidos reales, muy simple de implementar, posibilidad de ser multiplexados, etc. Los inconvenientes incluyen variaciones en la intensidad de la luz y medidas relativas, etc.

Sensor de fibra óptica basado en polarización

Las fibras ópticas basadas en polarización son importantes para una determinada clase de sensores. Esta propiedad puede ser modificada simplemente por varias variables externas y, por lo tanto, estas tipos de sensores se puede utilizar para la medición de una variedad de parámetros.Se han desarrollado fibras especiales y otros componentes con características de polarización exactas. Generalmente, estos se utilizan en una variedad de aplicaciones de procesamiento de señales, comunicaciones y mediciones.

Sensor de fibra óptica basado en polarización

Sensor de fibra óptica basado en polarización

La configuración óptica para un sensor de fibra óptica basado en polarización se muestra arriba. Tiene forma de polarizar la luz de la fuente de luz a través de un polarizador. La luz polarizada se inicia a 45o en los ejes seleccionados de una longitud de fibra protectora de polarización birrefringente. Esta sección de la fibra sirve como fibra sensora. Luego, la diferencia de fase entre los dos estados de polarización cambia bajo cualquier perturbación externa, como tensión o deformación. Luego, de acuerdo con las perturbaciones externas, se cambia la polarización de salida. Por lo tanto, al considerar el estado de polarización de salida en el siguiente extremo de la fibra, se pueden detectar las perturbaciones externas.

Sensor de fibra óptica basado en fase

Estos tipos de sensores se utilizan para cambiar la luz del emisor en la señal de información en la que la señal es observada por el sensor de fibra óptica basado en fase. Cuando un haz de luz pasa a través del interferómetro, la luz se separa en dos haces, donde un haz se expone al entorno de detección y el otro haz se aísla del entorno de detección, que se utiliza como referencia. Una vez que los dos haces separados se recombinan, se interponen entre sí. Los interferómetros más utilizados son Michelson, Mach Zehnder, Sagnac, interferómetros de rejilla y polarimétricos. Aquí, los interferómetros Mach Zehnder y Michelson se muestran a continuación.

Sensor de fibra óptica basado en fase

Sensor de fibra óptica basado en fase

aquí hay diferencias y similitudes entre los dos interferómetros. En términos de similitudes, con frecuencia se considera que el interferómetro de Michelson es un interferómetro de Mach Zehnder plegado. La configuración del interferómetro de Michelson requiere solo un acoplador de fibra óptica. Debido a que la luz pasa dos veces a través de las fibras de detección y de referencia, el desplazamiento de fase óptico por unidad de longitud de la fibra se duplica. Por lo tanto, los bastones de Michelson tienen esencialmente una mejor sensibilidad. Otra clara ventaja de Michelson es que el sensor se puede interrogar con una sola fibra entre la fuente y el módulo detector de fuente. Pero se requiere un espejo de reflexión de buena calidad para el interferómetro de Michelson

3. Según la aplicación, los sensores de fibra óptica se clasifican en tres tipos, como

  • Sensor químico
  • Sensor físico
  • Sensor biomédico

Sensor químico

Un sensor químico es un dispositivo que se utiliza para transformar información química en forma de una señal física medible que está asociada con la concentración de una determinada especie química. El sensor químico es un componente importante de un analizador y puede incluir algunos dispositivos que realizan lo siguiente funciones: procesamiento de señales, muestreo y procesamiento de datos. Un analizador puede ser una parte importante de un sistema automatizado.

Sensor químico

Sensor químico

El funcionamiento del analizador según un plan de muestreo en función del tiempo actúa como monitor. Estos sensores incluyen dos unidades funcionales: un receptor y un transductor. En la parte del receptor, la información química se transforma en una energía que puede ser medida por el transductor; en la parte del transductor, la información química se transforma en una señal analítica y no muestra sensibilidad.

Sensor físico

Un sensor físico es un dispositivo que se fabrica de acuerdo con el efecto físico y la naturaleza. Estos sensores se utilizan para proporcionar información sobre una propiedad física del sistema. Este tipo de sensores están representados en su mayoría por sensores como sensores fotoeléctricos, sensores piezoeléctricos , sensores de deformación de resistencia de metal y sensores semiconductores piezorresistivos.

Sensor biomédico

El sensor biomédico es un dispositivo electrónico que se utiliza para transferir diversas cantidades no eléctricas en campos biomédicos a cantidades eléctricas fácilmente detectables. Por esta razón, estos sensores se incluyen en los análisis de atención médica. Esta tecnología de detección es la clave para recopilar información patológica y fisiológica humana.

Sensor biomédico

Sensor biomédico

Aplicaciones de los sensores de fibra óptica

Los sensores de fibra óptica se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, como

  • Medición de propiedades físicas como temperatura, desplazamiento.,velocidad, deformación en estructuras de cualquier tamaño o forma.
  • En tiempo real, monitoreando la estructura física de la salud.
  • Edificios y puentes, túneles,Presas, estructuras patrimoniales.
  • Cámara de visión nocturna, sistemas de seguridad electronica , Detección de descargas parciales y medición de cargas de ruedas de vehículos.

Por lo tanto, una descripción general de sensores de fibra óptica y se ha discutido aplicaciones. Son muchas las ventajas de utilizar sensores de fibra óptica para comunicaciones de larga distancia que incluyen tamaño pequeño, peso ligero, compacidad, alta sensibilidad, ancho de banda amplio, etc. Todas estas características hacen el mejor uso de la fibra óptica como sensor. Aparte de esto, para cualquier ayuda con respecto a este tema o ideas de proyectos basados ​​en sensores , puede contactarnos comentando en la sección de comentarios a continuación.

Créditos fotográficos: