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

En 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 de fibra óptica se convirtió en la mejor opción para la transmisión de datos gigabit y más allá. 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 LAN o informáticas. Esta tecnología utiliza una onda de luz para transmitir datos a través de una fibra transformando las señales electrónicas en luz. Algunas de las excelentes características de esta tecnología incluyen peso ligero, baja atenuación, diámetro más pequeño, transmisión de señal a larga distancia, seguridad de transmisión, etc.

Significativamente, la tecnología de las telecomunicaciones ha cambiado los avances recientes en la tecnología de fibra óptica. La última revolución se produjo cuando los diseñadores combinaron los resultados productivos de los dispositivos optoelectrónicos con los dispositivos de telecomunicaciones de fibra óptica para crear sensores de fibra óptica. Muchos componentes asociados con estos dispositivos a menudo se desarrollan para 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 una fibra óptica o un elemento de detección. Estos sensores se utilizan para captar determinadas magnitudes como la temperatura, la presión, las vibraciones, los desplazamientos, las rotaciones o la concentración de especies químicas. Las fibras tienen muchos usos en el campo de la teledetección porque no requieren ninguna fuente de alimentación remota y su tamaño es muy pequeño.

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

El diagrama de bloques general del sensor de fibra óptica se muestra arriba. El diagrama de bloques incluye una fuente óptica (diodo emisor de luz, LÁSER y diodo láser), una fibra óptica, un elemento sensor, un 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 de fibra óptica intrínsecos
• Sensor de fibra óptica extrínseco

Sensores de fibra óptica de tipo intrínseco

En este tipo de sensor, la detección se realiza en 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 la atraviesa. Aquí, una de las propiedades físicas de la señal de luz puede ser en forma de frecuencia, fase, polarización; intensidad. La característica más útil del sensor de fibra óptica intrínseco es que proporciona detección distribuida a largas distancias. El concepto básico del sensor intrínseco de fibra óptica se muestra en la siguiente figura.

Sensores de fibra óptica de tipo extrínseco

En los sensores de fibra óptica de tipo extrínseco, la fibra se puede utilizar como un portador de información que muestra el camino hacia una caja negra. Genera una señal luminosa en base a la información recibida por 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. La principal ventaja de estos sensores es su capacidad para llegar a lugares de otro modo inaccesibles.

El mejor ejemplo de este sensor es la medición de la temperatura interior del motor a reacción de un avión que utiliza una fibra para transmitir radiación a un pirómetro de radiación ubicado fuera del motor. De la misma manera, estos sensores también se pueden utilizar para medir la temperatura interna de los transformadores. Estos sensores ofrecen 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 extrínseco.

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

• basado en la intensidad
• basado en fases
• Basado en la polarización

Sensor de fibra óptica basado en la intensidad

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

Sensor de fibra óptica basado en la intensidad

En la figura, la fibra óptica más cercana y el sensor de vibración 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 por empalme, pérdidas por micro y macroflexión, pérdidas por conexión conjunta, etc. Los ejemplos incluyen sensores basados ​​en intensidad o el sensor de microcurvatura y el sensor de onda evanescente.

Las ventajas de estos sensores de fibra óptica son su bajo coste, su capacidad para operar como verdaderos sensores distribuidos, su muy sencilla implementación, su posibilidad de ser multiplexados, etc. Las desventajas son las variaciones en la intensidad de la luz y las medidas relativas, etc.

Sensor de fibra óptica basado en polarización

Las fibras ópticas basadas en polarización son importantes para cierta clase de sensores. Esta propiedad se puede cambiar simplemente por varias variables externas y, por lo tanto, estos tipos de sensores se pueden usar para medir una variedad de parámetros.. Se han desarrollado fibras especiales y otros componentes con características de polarización exactas. Por lo general, estos se utilizan en una variedad de aplicaciones de medición, comunicación y procesamiento de señales.

Arriba se muestra la configuración óptica de un sensor de fibra óptica basado en polarización. Se forma polarizando la luz de la fuente de luz a través de un polarizador. La luz polarizada se dispara a 45° a ejes seleccionados de una longitud de fibra de protección 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 tensión. Luego, dependiendo de 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 perturbaciones externas.

Sensor de fibra óptica basado en fase

Estos tipos de sensores se utilizan para cambiar la luz del transmisor a la señal de información en la que el sensor de fibra óptica basado en fase observa la señal. Cuando un haz de luz pasa a través del interferómetro, la luz se divide en dos haces. En el que 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, interfieren entre sí. Los interferómetros más utilizados son Michelson, Mach Zehnder, Sagnac, interferómetros de rejilla y polarimétricos. Aquí se muestran a continuación los interferómetros de Mach Zehnder y Michelson.

aquí están las diferencias y similitudes entre los dos interferómetros. En términos de similitudes, el interferómetro de Michelson a menudo se denomina 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 referencia, el cambio de fase óptica por unidad de longitud de fibra se duplica. Entonces, el Michelson esencialmente puede tener una mejor sensibilidad. Otra ventaja obvia de Michelson es que el sensor se puede interrogar con solo una fibra entre la fuente y el módulo detector de fuente. Pero se necesita 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 la información química en una señal física medible asociada con la concentración de una determinada especie química. El sensor químico es un componente importante de un analizador y puede incluir ciertos dispositivos que realizan las siguientes funciones: procesamiento de señales, muestreo y procesamiento de datos. Un analizador puede ser una parte importante de un sistema automatizado.

Operar el analizador de acuerdo con un plan de muestreo dependiente del tiempo actúa como un monitor. Estos sensores constan de dos unidades funcionales: un receptor y un transductor. En la parte receptora, la información química es transformada en energía medible por el transductor. En la parte del transductor, la información química se transforma en una señal analítica y no tiene sensibilidad.

sensor físico

Un sensor físico es un dispositivo que se fabrica en función del efecto físico y la naturaleza. Estos sensores se utilizan para proporcionar información sobre una propiedad física del sistema. Este tipo de sensores está representado principalmente por sensores tales como sensores fotoeléctricos, sensores piezoeléctricos, sensores de tensión de resistencia de metal y sensores piezorresistivos de estado sólido.

Sensor biomédico

El sensor biomédico es un dispositivo electrónico que se utiliza para transferir varias cantidades no eléctricas en campos biomédicos a cantidades eléctricas fácilmente detectables. Por este motivo, estos sensores se incluyen en la analítica sanitaria. Esta tecnología de detección es la clave para recopilar información patológica y fisiológica humana.

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.
• Seguimiento de estructura de salud física en tiempo real.
• Edificios y puentes, túneles,Presas, estructuras patrimoniales.
• Cámara de visión nocturna, sistemas electrónicos de seguridad, detección de descargas parciales y medición de cargas de ruedas de vehículos.

Así, una visión general de sensores de fibra óptica y se discutieron las aplicaciones. El uso de sensores de fibra óptica para comunicaciones de larga distancia tiene muchas ventajas, incluido el tamaño pequeño, el peso ligero, la compacidad, la alta sensibilidad, el ancho de banda amplio, etc. Todas estas características permiten aprovechar al máximo la fibra óptica como sensor. Aparte de eso, para obtener ayuda con respecto a este tema o ideas para proyectos basados ​​en sensores, puede comunicarse con nosotros comentando en la sección de comentarios a continuación.

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