La tecnología de sensores ópticos en detalle (3ª PARTE)

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Tipos de sensores

Debido a las múltiples formas disponibles para detectar la misma cantidad, ninguna técnica de detección se ha convertido líder de gran volumen.  Algunas técnicas, sin embargo, parecen ser más importantes que otras para la detección de un mensurando, y cada técnica tiende a tener sus propios especialistas.  Se trata de  un campo en el que las nuevas tecnologías están siendo desarrolladas y probadas continuamente. Esta plétora de nuevas técnicas que conduce a la fragmentación del mercado sensor óptico.

 Sensores químicos

En su mayor parte, los sensores químicos son ejemplos de espectroscopia utilizando fibra óptica como medio de retransmisión.  Se utilizan tanto la espectroscopia de absorción y la de fluorescencia.  Los ensayos químicas se han demostrado usando fibra óptica fluorimmunoassay (FOFIA).  En esta técnica, los antígenos específicos de los anticuerpos se detectan e inmovilizan en las proximidades de un haz óptico guiado.  Los anticuerpos están marcados con fluoróforos y ello permite que se unan a los antígenos.

Sensores de temperatura

Los sensores de temperatura, probablemente constituyen la clase más grande de sensores ópticos disponibles comercialmente.  Muchos fenómenos físicos diferentes se utilizan para realizar la detección, cada uno con los atributos adecuados para un uso particular; pero ninguna técnica puede adaptarse a toda la gama de temperaturas y las resoluciones necesarias para las diferentes aplicaciones.  Las principales técnicas de la física en uso son la pirometría remota (o un control de radiación de cuerpo negro), interferómetros Fabry-Perot para medir cambios de longitud de la trayectoria óptica en un material, la dispersión Raman, la absorción de las tierras raras y el seguimiento de fluorescencia.  El rango de operación en todas estas técnicas es muy amplio, con valores que van de – 50 ºC a más de 1000 ºC.  La sensibilidad puede estar en  + / - 0.1 ºC. Con las nuevas tecnologías quizá pueda ser 100 veces mejor.

Analicemos a continuación las diversas técnicas existentes con mayor detalle.

Pirometría remota.  Esta técnica utiliza la fibra óptica como telemetría del espectro de cuerpo negro de una pequeña pieza de material tal como de zafiro a un sitio de medición adecuado.  Normalmente esto se utiliza en aplicaciones de alta temperatura.  Las empresas que trabajan en esta área incluyen Luxtron y CELECT Electrónica (Crossley, 1994).

Interferómetros Fabry-Perot (FP).  Estos sensores de temperatura miden el cambio en la longitud de la trayectoria óptica de un pequeño trozo de material cuyo coeficiente de expansión térmica e índice de refracción en función de la temperatura conocida.  En algunos casos, longitud de onda múltiple se utiliza para anular efectos secundarios como la tensión o presión en el material que está siendo medido.  La tecnología FP se utiliza a menudo en materiales como el vidrio, la calcita, o seleniuro de zinc (ZnSe), por nombrar algunos.  Debido a la elección de materiales en los envases, estos sensores se limitan a tal vez 400 ºC. Compañías que usan esta técnica incluyen Photonetics (antes Metricor) y Sira, Ltd.

Emisión de fluorescencia.  La temperatura a menudo se determina mediante la medición de los tiempos de emisión de fluorescencia a partir de la desintegración del fósforo de tierras raras dopadas y el fósforo de transición dopado.  El vidrio dopados con neodimio muestra un buen rendimiento en el rango de – 50 ºC.  C a 300 °.  C (Fernicola y Crovini 1992).  Cromo: Cristal LiSAF ha demostrado una alta sensibilidad de 0 grados.  C a 100 °.  C y es adecuado para la detección biomédica (Zhang, Grattan, y Palmer 1992).  óxido de Ytrio y ortovanadato itrio activado con europio (Eu) sólo son adecuados para mediciones en el 500 º.  C hasta 1000 °.  rango C (Noel et al. 1992).  Recientemente, Cr: YAG ha demostrado que funcionan en el rango de -25 grados.  C a 500 °.  C. Mediante el uso de un sistema de procesamiento de señal digital para la medición de atenuación, resolución de 0.1 grados.  C en toda la gama es posible (y Fernicola Crovini 1994).  Las empresas interesadas en esta técnica incluyen Nortech Fibronics de Canadá, cuyos productos se utilizan en el rango de -40 grados.  C a 250 °.  C; Optrand, Inc., que vende dispositivos para aplicaciones de control de alta temperatura del motor, y Takaoka Electric, que se ha hecho cargo de las actividades de ASEA (Crossley, 1994).

Detección distribuida.  En el área de detección de temperatura distribuida, Hitachi hace uso de las propiedades térmicas de la dispersión de Raman en el material de la fibra óptica convencional.  La compañía tiene un producto comercial denominado Fiber Optic Temperature Laser Radar (FTR). En esta técnica los investigadores utilizan un gran láser Nd: YAG (~ 100 vatios) para excitar la dispersión Raman, que se controla mediante OTDR.  La unidad comercial de Hitachi opera en el rango de – 10 ºC a quizá 500 ºC. El tiempo de respuesta para esta lectura va de 15 a 90 segundos, dependiendo de la unidad. La mayor distancia sobre la que ha tenido éxito la tecnología OTDR ha sido de 30 km.

Nuevas y prometedoras tecnologías de sensores ópticos.  Aunque todavía en fase de investigación y desarrollo, existen varias nuevas actividades prometedoras por su capacidad de mejora.  Usando un análisis del espectro de ganancia Brillouin, puede medirse la temperatura y la tensión a lo largo de una fibra.  Nippon Telephone and Telegraph (NTT) ha demostrado la viabilidad técnica usando la lectura OTDR y encontró una sensibilidad de 1 MHz / ºK.

Basándose en el trabajo en los amplificadores Er-doped fiber para telecomunicaciones, se ha demostrado la capacidad de un sensor de punto de temperatura alto con Er-doped silica fiber.  Esto se basa en la rápida termalización entre los niveles S_3/2 y H_11/2 de Er.  La población relativa de estos niveles está bien representado por la distribución de Boltzman y por lo tanto se relaciona bien con la temperatura.

Un área muy prometedora, demostrada por varios grupos, se basa en las capacidades de detección de temperatura de los dispositivos de Bragg (FBG).  Un desafío es fabricar un dispositivo que responda a un solo mensurando, es decir, la temperatura, y en este sentido se han hecho algunos progresos.
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