Las tecnologías de sensores ópticos en detalle (4ª PARTE)

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Sensores de tensión

La tensión se mide por varios métodos, incluyendo fibras de redes de Bragg, dispersión de Brillouin estimulada, y polarimetría de materiales birrefringentes. En estas técnicas, la tecnología FBG es actualmente la mejor opción.  En esta técnica se escribe una rejilla de índice de refracción en fibra de sílice dopada con germanio.  La tensión se detecta controlando la longitud de onda reflejada o transmitida por la rejilla cuando se somete a elongación.  Estas rejillas son fáciles de producir y por lo tanto su coste es bajo.

Sensores biomédicos

El desarrollo de sensores de fibra óptica para aplicaciones médicas se inició hace casi 20 años.  El éxito demostrado de la investigación biomédica dio como resultado la aparición de sensores ópticos fiables, biocompatibles y con una interfaz sensor-médica sencilla. Se han desarrollado tecnologías tanto invasivas como no invasivas.  Casi toda la actividad en estas tecnologías de sensores se desarrollan en los Estados Unidos y Europa, con algunas contribuciones japonesas.  En su mayor parte, los sensores se basan actualmente en fibras de sílice o de plástico que se acoplan a secciones sensitivas llamadas optrodos, y utilizan esquemas de interrogación de modulación de intensidad.  Un grupo emergente de sensores se basa en el medio-IR (las fibras de transmisión mid-IR de infrarrojos).  Muchos de estos hacen uso de la espectroscopia de alguna manera, ya sea mediante el uso de la luz transmitida directamente o reflejada, o por el examen del retorno de luz fluorescente de algún material que actúa como un sensor extrínseco.  En muchos casos ello implica el uso de longitudes de onda dual para aumentar la sensibilidad.

Las siguientes dos actividades son ejemplos concretos de sensores biomédicos espectroscópicos.  Usando los fluoróforos correctos en los extremos de tres fibras, se pueden medir simultáneamente pH, dióxido de carbono y oxígeno.  Esta unidad ha sido desarrollada por CDI-3M Health Care.  CDI-3M también ha desarrollado una sonda desechable para el análisis de gas en sangre extracorpóreo; y fabrica alrededor de 10.000 unidades al mes.  Otras dos empresas, Biomedical Sensors (Reino Unido) y Puritan Bennet Corporation (EE.UU.), fabrican cabezales de sensores similares.

La oximetría en la sangre se mide típicamente mediante la explotación de los diferentes espectros de absorción de la hemoglobina y la oxihemoglobina en el near-IR..  Varios oxímetros invasivos están disponibles comercialmente en Oximetrci in Mountain View, Ca, y BTI en Boulder, CO.

El control del flujo con Dopplerimetry láser es utilizado en diversas aplicaciones biomédicas de detección, incluyendo la dermatología, para ensayos de irritantes de la piel, gastroenterología vía endoscopios para hacer mediciones de la perfusión de sangre en el estómago y el duodeno, etc. En odontología se usan sondas de contacto para medir el flujo de la sangre en dientes y encías.  Los sensores se utilizan en medicina interna para angiología y cirugía vascular para controlar el flujo de sangre durante la reconstrucción vascular y el grado de arterioesclerosis en las arterias. Se utilizan en ortopedia para el control de la perfusión sanguínea en los tejidos durante y después de la cirugía.  Los tipos más comunes de sondas se basan en el monitoreo del espectro de la luz dispersada.  Compañías que fabrican sondas de este tipo son Perimed en Suecia y Applied Laser Technology en los Países Bajos.

El monitoreo in vivo de Gastroenterología también se realiza mediante técnicas espectroscópicas, junto con transporte ligero de fibra óptica.  En una técnica, la luz de LEDs azules y verdes (diodos emisores de luz) se transmiten a través de fibras con una pequeña cavidad entre el extremo de la fibra y un catadióptrico. Los líquidos gástricos presentes se controlan mediante el examen de respuesta espectral relativa. Compañías que fabrican sondas de este tipo son Prodotec (Italia) y Synectics (Suecia).

Las fibras se utilizan también en aplicaciones oftalmológicas principales como la detección de cataratas.  Con sólo el control de la intensidad de la luz dispersada de la lente del ojo, el inicio de la agregación de alfa-cristalito se puede detectar por medio de mediciones de autocorrelación.  El inicio está determinado por una distribución bimodal de tamaño de las partículas de la radiación dispersada.

Sensores eléctricos y magnéticos

Los sensores de fibra óptica son una opción atractiva para la medición de campos eléctricos y magnéticos y la corriente eléctrica, debido a su naturaleza inherentemente dieléctrica. Proporcionan aislamiento galvánico del cabezal del sensor del potencial de tierra, son menos sensibles a la interferencia electromagnética, por lo general son de pequeño tamaño, y ofrecen una seguridad superior.  Casi todos los sensores de campo eléctrico y magnético basado en la fibra óptica son dispositivos híbridos, es decir, la fibra se une a otro material y se utiliza para monitorear los cambios en ese material con los campos eléctricos y magnéticos.  Esto es necesario para los campos eléctricos ya que la simetría de inversión intrínseca de la matriz de vidrio de la fibra óptica se opone al efecto Pockels. Esto se requiere para los campos magnéticos ya que la constante de Verdet de la fibra óptica de telecomunicaciones es muy pequeña.  Por lo tanto, la fibra generalmente se utiliza para detectar cambios de las dimensiones de un material piezoeléctrico o piezomagnético en presencia de campos eléctricos y magnéticos.  Dependiendo del nivel de sensibilidad requerido, la lectura puede realizarse mediante la medición de simple de intensidad o mediante técnicas interferométricas.  Debido a que la fibra es sensible a la temperatura, gran parte del presente trabajo se centra en la eliminación de la sensibilidad.

En Suecia, ABB Corporate Research Center ha llevado a cabo pruebas de campo en interferometría con sensores de corriente y voltaje que se han integrado en equipos  de conmutación de gas en subestaciones de 220 kV.  Para detectar tensión, la fibra se enrolla alrededor de cristales de cuarzo y la consiguiente tensión piezoeléctrica inducida en la fibra se controla con un interferómetro de luz blanca.  Tensiones desde 0,1 hasta 1600 V se miden con errores muy por debajo de 1%.  El sensor de corriente se basa en la lectura de un giroscopio de fibra modificado para controlar el efecto Faraday en una fibra de birrefringencia ultra baja y 100 metros de longitud.  ABB informa que la corriente máxima detectable es > 23 kA, una sensibilidad de alrededor de 2 A, y un error relativo de + / -0,15%.

Haciendo uso de una constante de Verdet de vidrio de SF57 más alta, Siemens ha llevado a cabo una demostración con un sensor de corriente basado en la medición de la rotación del plano de polarización que al atravesar un anillo refleja este material. Usando un anillo de itrio-hierro-granate (YIG), los científicos del NIST han construido dispositivos similares.  El YIG tiene una constante de Verdet de unos 0,007 rad/A, en comparación con la del cristal de SF57 que es alrededor de 0,00002 rad/vuelta.  NIST ha informado que la corriente detectable mínima es alrededor de 220 nA / .

Los mismos materiales granate-hierro se utilizan para detectar campos magnéticos.  Utilizando una longitud de 25 mm de YIG dopado de galio con concentradores de flujo se ha informado en un experimento muy simple rotación de la polarización una sensibilidad del campo magnético de alrededor de 1,4 pT /  .

El sensor de tensión más sensible desarrollado se basa en un transductor electroestrictivo fabricado con niobato de magnesio dopado con titanato-plomo con cerca de 65 metros de fibra envuelto alrededor de él.  La lectura se lleva a cabo interferométricamente con el uso de una frecuencia dither para eliminar el ruido.  El interferómetro se mantiene en cuadratura, y se utiliza una detección de la fase sensible. Se han conseguido sensibilidades de tensión tan bajas como 20 nV /   .

The Naval Research Laboratory ha informado de la medición de altos campos magnéticos mediante un FBG.  Se observó que el coeficiente de reflexión de la FBG en función de la longitud de onda era diferente en la polarización circular derecha e izquierda.  Por lectura interferométrica de la diferencia de fase debida a los cambios de longitud de onda de FBG, es posible detectar cambios magnéticos de alrededor de 2 gauss.  El rango dinámico es muy grande, y son mensurables campos de 100 Tesla.

Hoya Glass and Tokyo Electric Power Co., Inc. han colaborado en el desarrollo de un sensor de corriente de fibra óptica.  La fibra mono modo está hecha de cristal de roca (alto contenido de plomo) y por lo tanto tiene una gran constante de Verdet (en relación a la fibra de grado de telecomunicaciones), pero también tiene pérdidas de transmisión relativamente altas.  Sin embargo, Hoya and Tokyo Electric Power  son capaces de fabricar una bobina de 3 giros y 10 cm y obtienen transmisión polarizada con buena extinción (~ 35 dB).  Se utiliza como fuente de luz Un diodo superluminescente.  La corriente se mide mediante la observación de la rotación de la polarización a través de polarizadores cruzados.

Matsushita Electric Industrial Company está construyendo sensores de corriente similares basados en películas delgadas magneto-ópticas de granate insertado en un toroide hueco.  La luz no polarizada de un LED de 880 nm se transmite al sensor a través de una fibra multimodo.  En un nuevo diseño, se utilizan lentes de bolas para cuasi-enfocar el haz de la fibra de 80 micras de diámetro y dirigirla a través de dos polarizadores y una película delgada de granate.  La película es un garnet 50-(m-thick BiGdLaYFe. Se utiliza una fibra de 200 micras de diámetro se utiliza para colectar el haz de salida. La pérdida de alrededor de 13 dB, y se logra un 1% de linealidad.

 Matsushita vende una versión anterior de este sensor de corriente (~ 5% linealidad) a una de las empresas de servicios públicos japoneses, Kansai Electric Power Company, para su uso como un sensor de fallo de corriente. La unidad se encuentra en una estación de "conmutación" entre las subestaciones y de los consumidores, y dando servicios a unos 100 clientes.  La vida útil del dispositivo es de 20 años.  Incluso con el volumen actual, el precio de la cabeza del sensor (transductor, la óptica y enlaces de fibra óptica) es sorprendentemente bajo.  El componente más costoso, que es aproximadamente el 25% del coste del dispositivo, es el polarizador (Corning Polarcor). 

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