23 junio 2011

Las tecnologías de sensores ópticos en detalle (I)


En varios artículos hemos hablado de sensores ópticos pero hasta ahora no los hemos tratado en profundidad. En este artículo hacemos una revisión de esta interesante tecnología y sus aplicaciones enfocadas como siempre muy en especial al sector industrial.

¿Qué variables podemos medir utilizando sensores ópticos?
La evolución de la tecnología de detección óptica se ha desarrollado hasta tal punto que hoy en día se puede medir casi cualquier variable física de interés y también un gran número de cantidades químicas.  Los mensurandos posibles son los siguientes:
·         Temperatura.
·         Presión.
·         Caudal.
·         Nivel de líquido.
·         Desplazamiento (posición).
·         Vibraciones.
·         Rotación.
·         Campos magnéticos.
·         Aceleración.
·         Agentes químicos.
·         Fuerza.
·         Radiación.
·         pH.
·         Humedad.
·         Tensión.
·         Velocidad.
·         Campo eléctrico.
·         Campo acústico.
Las técnicas mediante las cuales se realizan las mediciones pueden agruparse en tres categorías en función de (a) cómo la detección se lleva a cabo, (b) la extensión física de la percepción, y (c) el papel de la fibra óptica en el proceso de detección.
 Los medios de detección
En esta categoría, los sensores se basan por lo general en la medición de la intensidad de uno o varios haces de luz, o en cambios de fase en los rayos de luz haciéndolos interactuar o interferir unos con otros.  Así, los sensores en esta categoría se denominan, o sensores de intensidad, o sensores interferométricos.  Las técnicas utilizadas en el caso de los sensores de intensidad son la dispersión de luz (tanto de Rayleigh y Raman), los cambios del espectro de transmisión (es decir, la atenuación de la luz transmitida debido a la absorción), microbending o pérdidas de radiación, cambios de reflectancia, y los cambios en las propiedades modales de la fibra. Los  sensores interferométricos se basan en la magneto-óptica, el láser-Doppler, o los efectos Sagnac.
Alcance de detección
Esta categoría se basa en si los sensores funcionan solamente en un solo punto o sobre una distribución de puntos.  Por lo tanto, los sensores en esta categoría se denominan sensores de el punto o distribuido sensores.  En el caso de un sensor de punto, el transductor puede estar en el extremo de una fibra con el único propósito de que es traer un rayo de luz desde y hacia el transductor.  Ejemplos de este tipo de sensor son interferómetros unidos a los extremos de las fibras para medir la temperatura y la presión.  En el caso de un sensor distribuido, como su nombre lo indica, la detección se realiza a lo largo de la longitud de la fibra.  Ejemplos de este tipo de sensor son redes de Bragg distribuidos a lo largo de una longitud de fibra para medir la tensión o la temperatura.
 El papel de la fibra óptica
 Otra distinción se hace a menudo en el caso de sensores de fibra de si mensurandos actuar externamente o internamente a la fibra.  Cuando los transductores son externos a la fibra y la fibra sólo registra y transmite la cantidad detectada, los sensores se denominan sensores extrínsecos.  Cuando los sensores están incluidos o que forman parte de la fibra - y para este tipo suele haber alguna modificación a la propia fibra - los sensores se denominan sensores internos o intrínsecos.  Ejemplos de sensores extrínsecos se mueven rejas a la tensión sentido, acopladores de fibra a fibra al desplazamiento sentido, y las células de absorción de sentir los efectos de la química.  Ejemplos de sensores intrínsecos son los que utilizan las pérdidas microbending en la fibra de cepa sentido, modificado Revestimiento de fibra para hacer mediciones espectroscópicas, y la lucha contra la propagación vigas dentro de una bobina de fibra para medir la rotación.
Hoy en día, la mayoría de los mensurandos en la Tabla 6.1 se puede detectar por cualquiera de intensidad o técnicas interferométricas y como cualquiera de los puntos o los efectos distribuidos.  Una amplia variedad de fenómenos físicos se utilizan para detectar realmente la magnitud a medir.
 Ventajas y Desventajas de los sensores ópticos
La I+D en el campo del sensor óptico está motivada por la expectativa de que los sensores ópticos tienen ventajas significativas en comparación con los tipos de sensores convencionales, en términos de sus propiedades.  Algunas de las ventajas de la óptica sobre los sensores no ópticos son las siguientes:
·         Mayor sensibilidad.
·         Pasividad eléctrica.
·         Libertad de la interferencia electromagnética.
·         Amplio rango dinámico.
·         Configuración de punto y distribuida.
·         Capacidades de multiplexor.
Tomando la ventaja de la capacidad de fibra óptica para enviar y recibir señales ópticas en largas distancias, una tendencia actual es crear redes de sensores, o disposiciones de sensores. Esto evita tener que convertir entre electrónica y fotónica separadamente en cada sitio sensor, reduciendo por tanto los costes e incrementando la flexibilidad.
Una dificultad de todos los sensores, tanto ópticos como no ópticos, es la interferencia desde múltiples efectos. Un sensor previsto para medir tensiones o presiones puede ser muy sensible a la temperatura. Una intensa I+D en los últimos años ha proporcionado medios para distinguir entre varios efectos de los sensores ópticos.
 Ventajas y desventajas de los sensores ópticos
Aprovechando la capacidad de las fibras ópticas para enviar y recibir señales ópticas a largas distancias, la tendencia actual es crear redes de sensores, o sensores.  Esto evita tener que convertir entre la electrónica y la fotónica por separado en cada lugar de detección, reduciendo así los costos y aumentar la flexibilidad.
Una de las dificultades de todos los sensores, tanto ópticos y no ópticos, es la interferencia de efectos múltiples.  Un sensor destinado a medir la tensión o la presión puede ser muy sensible a la temperatura. Es por ello que se ha llevado a cabo una intensa actividad de I + D para proporcionar los medios para distinguir entre los diversos efectos en los sensores ópticos. Se han conseguido progresos, como se verá más adelante.
Como se indicó anteriormente, la mayoría de los sensores de hoy implican el uso de fibras ópticas.  Los sensores ópticos hacen uso de los fenómenos físicos para realizar sus operaciones de detección, pero no utilizan fibra óptica.  En su lugar, confían en sistemas de lentes o espejos para transmitir y manipular los haces de luz que se utiliza en el proceso de detección.
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