Las tecnologías de sensores ópticos en detalle (V)

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Sensores de rotación

En los últimos diez años se han desarrollado dos tipos de sensores de rotación óptica, ambos basados en el efecto Sagnac: el giroscopio láser de anillo y el giroscopio de fibra óptica.  Cuando dos haces de luz se propagan en direcciones opuestas alrededor de una trayectoria común, que experimentan un cambio de fase relativo en función de la velocidad de rotación del plano de la trayectoria.  La dirección real se obtiene mediante la integración de la salida.  En el caso del giroscopio láser de anillo (RLG), este cambio de fase produce un cambio en la frecuencia de oscilación de un láser que es integral a la ruta.  En el caso del giroscopio de fibra óptica, la diferencia de fase es detectada por interferir en los dos haces fuera de la ruta. 

El FOG se compone de un bucle de fibra óptica de modo único (a menudo manteniendo la polarización de la fibra) y los componentes de acoplamiento relacionados, un láser de semiconductor o LED superluminescente, y la electrónica de procesamiento de señales.  Los componentes del acoplamiento se fabrican generalmente circuitos ópticos integrados de LiNbO₃ óptica de circuitos integrados.  Este material se elige por su capacidad para modular el haz de luz para mejorar la detección.

Las métricas importantes de rendimiento FOG son las velocidades mínimas (sensibilidad) y máximas rotación (grados / seg.); que es la variación en la tasa de rotación con el tiempo debido a efectos secundarios tales como la temperatura y el envejecimiento; que es esencialmente un ruido a corto plazo en el sistema, y el factor de escala, que es el grado en que la velocidad de rotación medida es independiente del valor absoluto de la tasa de rotación.  Otros parámetros de rendimiento incluyen histéresis, tiempo de encendido, rango dinámico, y el ruido espectral.  Por lo general, tres grados de producto son identificados, dependiendo de los valores de estos parámetros de rendimiento: moderado, medio, y los grados de inercia.  Las categorías moderada e intermedia de los giroscopios se están desarrollando para aplicaciones industriales, tales como sistemas de posicionamiento, robots auto-guiados, y sistemas de inspección de huecos perforados.

Sensores de presión

Los sensores de presión se basan en diafragmas móviles, en interferómetros Fabry-Perot pequeños, o en microbending. Estos son los tres tipos principales que se utilizan actualmente.  Se encuentran en uso en aplicaciones de control biomédico del proceso, marinos, y en aplicaciones de control del motor.

Los sensores de presión para uso biomédico dependen inicialmente de técnicas piezorresistivas.  Estos fueron desarrollados a finales de 1950 para la medición de la presión intravascular.  Más tarde, se desarrollaron sensores de fibra basados en diafragmas y control de la intensidad retroreflejada.

Los primeros dispositivos de FP se demostraron en la década de 1970, con dos superficies paralelas que se mueven en respuesta a los cambios de presión.  Más tarde, Metricor (ahora Photonetics, Inc.) ha desarrollado una versión compacta de este dispositivo basado en la unión anódica de una membrana de silicio hasta el final de una fibra.  Por lo tanto, el diámetro de la unidad del sensor fue la misma que la propia fibra.  Además, el interferómetro se controla en dos longitudes de onda para evitar los efectos de la competencia.  Este enfoque puede medir la presión con una precisión de unos pocos puntos porcentuales, lo cual es suficiente para muchas aplicaciones.  Esta técnica también puede ser adaptada para medir el índice de refracción y la temperatura.  Sira, Ltd., produce un dispositivo basado en esta tecnología.

En la década de 1980, se desarrollaron los sensores de presión sobre la base de microbending.  En esta técnica la fibra se coloca entre dos placas dentadas que se doblan las fibras, causando la pérdida de señal en respuesta al movimiento de las placas.  Este método puede configurarse para detectar desplazamiento y presión.

Para presiones muy altas, se desarrollaron sensores basados en la polarización birrefringente-tensión.  Varias universidades han construido dispositivos capaces de operar en rangos de medición desde 0 hasta 100 MPa (760 000 torr).  El estado actual de la técnica de detección de la presión es la capacidad de detectar presiones en el rango de 0 a 700 000 torr.  Probablemente la mayor de las aplicaciones, los sensores biomédicos, sólo funciona en el rango de 0 a 300 torr.  La sensibilidad de los dispositivos típica es de 0,5 a 5 Torr (0,01 a 0,1 psi); los mejores dispositivos pueden detectar 0,06 torr.

Sensores de desplazamiento y posición

Los sensores de desplazamiento fueron algunos de los sensores optoelectrónicos que primero se desarrollaron, comenzando a partir de la década de 1970 y principios de 1980.  Los sensores más simples se basan en el cambio de retrorreflectancia  de la luz en una fibra debido al movimiento de una superficie de espejo próxima.  Uno de los primeros sensores de Photonetics era de este tipo, y en él se aplica una punta en el final de una fibra.  La luz se refleja totalmente en la fibra si el medio circundante es aire; sin embargo, si la fibra se introduce en un líquido  acoplando el índice de fibra, la luz se extrae de la fibra y se pierde.  Por lo tanto, el desplazamiento de la superficie del líquido puede ser rastreados.  Por razones obvias, estos sensores de desplazamiento se denominan sensores de nivel de líquido.

Sensores acústicos y de vibración

En su mayor parte, la vibración de fibra óptica ha tomado la forma de hidrófonos para aplicaciones navales.  El trabajo inicial se remonta a principios de los años 1980, cuando los dispositivos se hicieron omnidireccional.  Los dispositivos de fibra óptica han proporcionado un rendimiento igual o superior a los hidrófonos convencionales en las áreas de las matrices de arrastre, las matrices plana y fija las matrices de vigilancia submarina.

 Más recientemente, los micrófonos acústicos han sido fabricados utilizando diseños similares.  La configuración básica es una bobina de fibra envuelto en un cilindro compatible.  A medida que el cilindro se flexiona en respuesta a la onda acústica, la tensión resultante en la bobina de fibra se controla interferométricamente.  La respuesta de frecuencia de estos dispositivos puede ser muy plana, de 0,01 a más de 4000 Hz.  También se puede hacer casi independiente de la presión absoluta de 0,7 a 3 MPa.  La respuesta en la mayoría de estos dispositivos pueden ser ~ -300 dB re 1 MPa. Los  dispositivos de ultrasonidos también son capaces de operar 10 a 60 kHz.

Los micrófonos acústicos han sido fabricados envolviendo fibra alrededor de cilindros de espuma de poliestireno y la inserción de este dispositivo óptico en uno de los brazos de un interferómetro de Mach-Zehnder.  El rendimiento es tan bueno como en los micrófonos comerciales. Por encima de 200 Hz el ruido de fondo puede ser inferior a 20 dB re 20 MPa, y la respuesta de frecuencia es plana desde 2 dB a 2000 Hz. 

Sensores varios

Otros tipos de sensores han sido fabricados en versiones de fibra óptica: La detección del índice de refracción se ha logrado en el nivel 10^-5 controlando el acoplamiento evanescente entre la fibra y la guía de onda planar. Pueden medirse rangos del índice de cerca de 1,3 a 1,7.  Los sensores de refracción son útiles en aplicaciones de procesamiento de alimentos, por ejemplo, para controlar el contenido de azúcar, el aceite de hidrogenación, o el contenido de salmuera de una operación. 

Bibliografía: Optical sensor technologies. WTEC Hyper-Librarian