Preguntas frecuentes sobre tecnología y sistemas de red de Bragg en fibra óptica

El interrogador óptico (que es un sistema de adquisición de datos) mide los picos de longitud de onda de la pequeña porción del espectro que refleja el sensor de red de Bragg en fibra. Cuando el sensor óptico se somete a una deformación, la longitud de onda reflejada varía, y el interrogador detecta un cambio en el pico de longitud de onda, proporcional a dicha deformación. 
Como factor de proporcionalidad se emplea el factor k o sensibilidad del sensor, que viene indicado en el envase del sensor.

Se pueden utilizar los interrogadores de HBM FiberSensing, conjuntamente con una interfaz gráfica de usuario como BraggMONITOR, y con un software potente de adquisición de datos y análisis como, por ejemplo, catman®.

Las redes de Bragg en fibra son sensibles tanto a la deformación como a la temperatura. Eso significa que la lectura de deformación de un sensor sometido tanto a deformación como a temperatura se ve influida por los cambios en la temperatura. Ahora bien, este efecto está bien caracterizado y se compensa con facilidad. Hay varias formas de compensarlo:

• Empleando un sensor de red de Bragg en fibra adicional que solo mida temperatura y que esté sometido al mismo cambio de temperatura;
• Empleando como referencia un sensor de deformación óptico adicional (se instala sobre el mismo material, pero no se le aplica ninguna deformación);
• Empleando un sensor de deformación adicional, de modo que la deformación aplicada sea la misma en valor, pero con diferentes señales (por ejemplo se coloca un sensor de deformación en la parte superior de una viga y otro en la parte inferior);
• Empleando otro sensor de red de Bragg en fibra, que no esté fijo y ocupe una posición terminal;
• Empleado un sensor de deformación atérmico, con un diseño mecánico que compense los efectos indeseables de la temperatura sobre las medidas de deformación;
• Entre otras posibilidades…  

Dependencia de la deformación en una red de Bragg en fibra (FBG)

La dependencia de la deformación en una red de Bragg en fibra viene dada por la expresión:

Donde:

k– factor k de la red de Bragg

Dependencia de la temperatura en una red de Bragg en fibra (FBG)

La dependencia de la temperatura en una red de Bragg en fibra es:

Donde:

 – coeficiente de dilatación térmica de la fibra

ζ – coeficiente termoóptico (dependencia del índice de refracción con la temperatura)

Dependencia de la temperatura en una red de Bragg en fibra (FBG) fija

Si la galga extensométrica óptica se fija a una estructura rígida exenta de deformación, la temperatura puede hacer variar el índice de refracción de la fibra, pero la estructura impide la dilatación. Eso equivale a considerar que la dilatación térmica de una fibra fija es =0. La dependencia con la temperatura de una red de Bragg en fibra que mide deformación es:

Cuando se mide deformación, este cambio en la longitud de onda inducido por la temperatura se confunde con una deformación. La deformación causada por la temperatura es:

Por tanto, la sensibilidad cruzada a la temperatura (TCS) viene dada:

La deformación efectiva puede calcularse como la deformación medida por el sensor de deformación menos el efecto de la temperatura sobre la deformación del sensor FBG:

Esta corrección de la deformación no tiene en cuenta el efecto de la temperatura en la deformación de la estructura a la que está fijado el sensor.

Dependencia de la temperatura en una red de Bragg en fibra (FBG) fija a una estructura

Para compensar también la deformación de la estructura que se produce por efecto de la temperatura, debe hacerse un cálculo, teniendo en cuenta el coeficiente de dilatación térmica (CTE) de la estructura.

La variación total en la deformación de la estructura es:

La variación en la longitud de onda de un sensor fijado a una estructura sujeta tanto a carga como a temperatura viene dado por:

Lo que significa que, para compensar la deformación de la estructura por efecto de la temperatura es necesario conocer el coeficiente de dilatación térmica del material de la estructura a la cual se fija el sensor.

Para medir solo la tensión es preciso compensar el efecto de la temperatura. Para ello, hay varios métodos, que requieren el uso de un paquete mecánico especial o el de un sensor de red de Bragg en fibra (FBG) adicional.

Solo es posible eliminar de la medida la deformación si el recubrimiento de la red permite aislar la deformación de la estructura de la del elemento sensor. Eso puede conseguirse a través del diseño mecánico del sensor (utilizando, por ejemplo, sensores ópticos de temperatura FS63 o el sensor óptico de compensación de temperatura OTC), o bien empleando un sensor FBG desnudo, terminal y que no esté fijo. 

Los sensores de red de Bragg en fibra tienen un espesor de capa superior al de las galgas extensométricas eléctricas. Cuando se mide deformación de flexión en un componente delgado, se produce un error de medida que no puede despreciarse, pero que es fácil compensar:

Donde
ε_OF   deformación de la superficie del componente
ε_Anz  deformación medida por la fibra
h    espesor del componente
d    distancia de la fibra a la superficie del componente

No obstante, hay otro aspecto al que se debe prestar atención. La fibra óptica tiene un radio de flexión mínimo, debido a las pérdidas ópticas. Los sensores de la gama OP de HBM FiberSensing ofrecen la posibilidad de medir incluso en superficies curvas. La distancia que debe considerarse con estos sensores es d=0,5 mm.

La longitud de onda de la red de Bragg de un sensor óptico se define en el instante en que se genera la red de Bragg. Para facilitar la producción, en su momento se definieron valores estándar.

Las longitudes de onda estándar de las gamas FS y OP son distintas por razones históricas.

En cualquier caso, se encuentran disponibles a petición otras longitudes de onda personalizadas, entre 1500 y 1600 nm.

Entre los ejemplos de entornos adversos en los que se han aplicado con éxito sistemas ópticos de HBM FiberSensing cabe citar casos de alta temperatura, alta radiación, alto vacío, alta tensión eléctrica y entornos criogénicos.

También se han puesto en práctica con éxito en las aplicaciones siguientes:

• Monitorización de vibraciones y temperatura en generadores de alta potencia;
• Monitorización de puntos calientes en transformadores de potencia;
• Monitorización de palas de aerogeneradores;
• Monitorización de tensiones en depósitos de combustible de aviones;
• Monitorización de deformación, temperatura y desplazamiento en reactores termonucleares;
• Monitorización de vehículos espaciales, etc.

En la fibra óptica, la atenuación con la distancia es muy baja. En combinación con interrogadores ópticos de HBM FiberSensing, se pueden alcanzar longitudes de varias decenas de kilómetros de fibra óptica.

Cuando una red de Bragg se somete a presión se produce un desplazamiento en la longitud de onda del pico reflejado. Esta variación equivale aproximadamente a:

Con todo, este efecto es muy pequeño en comparación con las variaciones en la longitud de onda inducidas por cambios en la deformación o en la temperatura. Por lo general, se desprecia.

Pero cuando, en lugar de una presión, el sensor FBG recibe una carga puntual lateral, se produce un fenómeno de birrefringencia (doble refracción). Eso significa que aparece un nuevo pico (es decir, coexisten dos picos al mismo tiempo); este desplazamiento también puede cuantificarse.

Los sensores ópticos y, en especial, los sensores de red de Bragg en fibra (FBG) son una alternativa interesante si se necesita un número de sensores relativamente alto o si las distancias hasta los sensores —o entre ellos— son largas. Asimismo, en determinados entornos esta tecnología es una de las posibles alternativas a los sensores convencionales.

Tomemos como ejemplo una aplicación en la que las distancias permiten medir con galgas extensométricas clásicas. Si la aplicación requiere más de 30 sensores, los sensores ópticos ahorran costes en comparación con los convencionales.

Por otro lado, en algunas aplicaciones las características inherentes a esta tecnología convierten los sensores ópticos/FBG en la mejor solución posible, o en la única disponible.

Por ejemplo, en el caso de grandes distancias (del orden de varios kilómetros) o situaciones muy específicas (campos magnéticos potentes, interferencias electromagnéticas o de RF intensas, riesgo de explosión, etc.), los sensores ópticos pueden ser la única alternativa posible, puesto que los sensores eléctricos fallan o dan muchos problemas.

Este es el caso de las aplicaciones en entornos criogénicos que requieren inmunidad a los efectos electromagnéticos (EMI, RFI, chispas…) y aislamiento eléctrico.

Los sensores FBG tienen las siguientes ventajas reconocidas, entre otras:

• funcionamiento seguro en atmósferas potencialmente explosivas;
• posibilidad de conectar un alto número de sensores de distintos tipos a una misma fibra óptica, con la consiguiente reducción de la complejidad de la instalación y la red;
• su pequeño tamaño y peso los hace idóneos para lugares y puntos de medición de difícil acceso;
• detección remota: posibilidad de grandes distancias (varios kilómetros) entre los sensores y el interrogador;
• sin fallos mecánicos y con alta resistencia a la fatiga;
• capacidad para generar medidas absolutas sin necesidad de una referencia, puesto que el funcionamiento se basa en la medición de un parámetro absoluto (la longitud de onda de la red de Bragg), que es independiente de las fluctuaciones de potencia.

La longitud de onda de la red de Bragg en fibra (FBG) se define durante la producción del sensor y puede ajustarse para adoptar cualquier valor entre 1500 y 1600 nm. Es posible fabricar sensores de todos los tipos (temperatura, deformación, inclinación, desplazamiento, etc.) con cualquier longitud de onda. Sin embargo, hay una serie de longitudes de onda predefinidas que simplifican el proceso de producción porque lo hacen repetitivo. No obstante, estos valores son transversales y válidos para todos los tipos de sensores.

El factor limitante a la hora de seleccionar las longitudes de onda radica en que no es posible colocar dos sensores FBG en serie (o sea, en una misma fibra) que reflejen la misma longitud de onda.

Si hay varios sensores FBG en una misma fibra óptica, el único requisito —en términos de su longitud de onda de Bragg— es que no solapen; es decir, cada FBG debe tener una longitud de onda de Bragg única que no se solape con la de ningún otro sensor dentro del intervalo de medida.

Puede haber sensores que reflejen la misma longitud de onda a condición de que se midan en distintos canales ópticos del interrogador (sistema de adquisición de datos).

Normalmente, la longitud de onda del sensor viene definida por el cliente en el momento de hacer su pedido o por el equipo de ingeniería durante el diseño del proyecto.

Un sensor óptico puede fijarse a una muestra de varias maneras. Los que fabrica HBM FiberSensing pueden pegarse con adhesivos, soldarse a estructuras metálicas, incrustarse (por ejemplo, en hormigón), insertarse en un material composite, fijarse con tornillos, etc.

La influencia de la temperatura en el sensor es inmediata y solo depende de la transferencia térmica a través del material.

Todos los sensores de temperatura se entregan con una hoja de calibración que incluye una función de calibración polinómica.

Los sensores ópticos de deformación no tienen una longitud de rejilla activa tal y como esta se define para las galgas extensométricas eléctricas.

La longitud de la galga depende del encapsulado y se indica en la hoja de características del sensor. En el caso de un sensor FBG desnudo o de un sensor que utilice toda la longitud de la rejilla, la longitud de la galga corresponde a la longitud de la rejilla, que es de aproximadamente 6 mm.

Los adhesivos de curado en frío que se emplean para fijar los sensores ópticos no ofrecen estabilidad a largo plazo en caso de alta humedad relativa. Esto es cierto especialmente para el adhesivo de cianoacrilato (Z70).

En cambio, los sistemas de resina epoxi (X280) sí son resistentes a la humedad.

Debe tenerse en cuenta que, cuando los sensores ópticos se ven afectados por la humedad, los materiales se hinchan. En el caso de los sensores ópticos de deformación, eso genera fuerzas que afectan a la rejilla de Bragg, con el consiguiente efecto negativo en la estabilidad del punto de medición.

Es recomendable utilizar un material de recubrimiento similar a los que se emplean con las galgas extensométricas eléctricas.

El sensor de inclinación incluye dos FBG; ambos son necesarios para obtener una lectura del ángulo sin influencias de la temperatura. Estos dos sensores funcionan con una configuración push-pull. Eso significa que cuando uno se somete a una tensión debido a la posición del sensor, el otro se comprime en igual medida. Con esta configuración es posible identificar la variación de ángulo a partir de la variación en la longitud de onda, que es igual en valor pero con signos opuestos. El efecto de la temperatura produce variaciones idénticas en la longitud de onda de los dos FBG y, por tanto, se cancela.

La sensibilidad a la inclinación no depende el ángulo inicial del sensor. No obstante, el sensor funciona como un péndulo. Tiene un rango de medida de ±5º centrado en la vertical y no funciona fuera de esos límites.

El límite de temperatura de -20 ºC a 80 ºC es aplicable a los sensores de la familia FS. Estos límites vienen impuestos por el recubrimiento de acrilato de la fibra.

Hay varias razones que llevan a elegir sensores FBG para monitorizar palas de aerogeneradores. La tabla siguiente compara las ventajas de los sensores FBG con respecto a las galgas extensométricas convencionales y a otros tipos de tecnologías ópticas.

Puede consultar más información sobre los sistemas ópticos HBM FiberSensing para aplicaciones de monitorización y pruebas de aerogeneradores aquí.

Se podría decir que la red de Bragg en fibra por si sola (la fibra “desnuda”) no tiene un límite virtual. Las limitaciones en la frecuencia de muestreo se encuentran más bien en el interrogador. La tecnología de interrogación es la que impone el número máximo de muestras por segundo que puede medirse. Actualmente, los interrogadores estándar de HBM FiberSensing están limitados a 1000 S/s, aunque la empresa dispone de tecnología propia para frecuencias de adquisición de hasta10 kS/s. En el caso de los sensores encapsulados —es decir, los que están rodeados por algún tipo de dispositivo mecánico—, la interfase mecánica limita la transferencia de la deformación a la red de Bragg, lo cual puede imponer limitaciones.

La diferencia fundamental entre los interrogadores estáticos y dinámicos radica en su frecuencia de muestreo. Los dinámicos —que se emplean en aplicaciones cuasiestáticas y dinámicas— tienen frecuencias más altas. Consulte la página de interrogadores de HBM FiberSensing y las opciones disponibles.

Por su diseño, también presentan algunas diferencias en términos de prestaciones. Los interrogadores estáticos ofrecen mayor precisión y resolución, y pueden funcionar de forma autónoma. En cambio, los dinámicos tienen valores de precisión y resolución ligeramente peores y no disponen de memoria interna para almacenar datos sin conexión a un PC.

Hay una característica que es exclusiva de los interrogadores estáticos: la detección inteligente de picos (SPD). Más información aquí.

Aunque la interfaz es bastante similar, HBM FiberSensing ofrece dos versiones diferenciadas: BraggMONITOR SI para el interrogador estático FS22 Industrial BraggMETER SI y BraggMONITOR DI para el interrogador dinámico FS22 Industrial BraggMETER DI.

La longitud de onda central que debe introducirse durante la parametrización del sensor es el valor de longitud de onda (λ0 en nm) con respecto al cual se calcula la variación en la longitud de onda (x=Δλ, en nm). Eso significa que el resultado de la variación en la longitud de onda de un sensor en un momento (x_t, Δλ_t) es:

donde λt es la longitud de onda del sensor medida en el instante t.

Si el usuario desea poner a cero la medida a partir de ese instante, debe introducir en el campo "CWL" el valor medido en ese instante en concreto. En cambio, si el usuario necesita medidas absolutas (por ejemplo, de sensores de temperatura), debe utilizar el valor CWL que figura en la hoja de calibración que se entrega junto con el sensor.

Ejemplo para un sensor de temperatura

La hoja de calibración de un sensor de temperatura de HBM FiberSensing describe la dependencia entre la temperatura y la longitud de onda mediante un polinomio de segundo orden:

Donde:

S₂ es la sensibilidad de segundo orden,

S₁ es la sensibilidad de primer orden,

S₀ es la compensación de temperatura.

El valor S₀ corresponde a la temperatura de referencia del procedimiento de calibración. Para obtener valores de temperatura absolutos, es preciso calcular la x empleando la misma longitud de onda central de la calibración. Por tanto, el valor CWL de las mediciones debe ser el mismo que figura en la hoja de calibración del sensor.

Ejemplo para un sensor de deformación

La dependencia con la deformación de los sensores extensométricos FBG viene dada por la expresión:

Donde k es el factor k del sensor de deformación y S la sensibilidad a la deformación que se indica en la hoja de calibración.

Esa deformación siempre se registra en un instante que se define como “cero”; eso significa que el valor x siempre se calcula con respecto a la longitud de onda que presenta el sensor en ese momento “cero” después de la instalación del sensor.

Hay un límite en el número de sensores a los que puede dar servicio un interrogador que trabaja con un rango limitado de, digamos, [1500; 1600] nm. Ahora bien, es posible insertar múltiples sensores en una misma fibra óptica (decenas o incluso centenares de sensores), a condición de que las longitudes de onda de todos ellos sean diferentes y no se solapen dentro de su intervalo de medida.

Por ejemplo, supongamos que tenemos un interrogador con un rango de [1500; 1510] nm y deseamos insertar tres sensores.

Si las longitudes de onda de Bragg de los sensores son las siguientes:

sensor 1 = 1502 nm

sensor 2 = 1505 nm

sensor 3 = 1508 nm

y en todos los sensores se produce un desplazamiento de longitud de onda de +/- 1 nm durante la medición, no se produciría ningún solapamiento.

Pero si, por ejemplo, la magnitud que se desea medir causa un desplazamiento de los sensores de +/- 3 nm, entonces la longitud de onda de Bragg se solaparía dentro del rango de medida y eso impondría una limitación.

Se considera una buena práctica asociar un sensor de temperatura a uno de deformación, con el fin de compensar el efecto de la temperatura en el sensor de deformación.

Sin embargo, no hace falta dedicar dos canales a medir la temperatura y la deformación.

Los interrogadores FS22 Industrial BraggMETER de HBM FiberSensing (que tienen hasta 8 canales) pueden medir formaciones con varios sensores.

Por su parte, los extensómetros atérmicos de HBM FiberSensing pueden medir deformación con solo un FBG, con independencia de la temperatura.

Los interrogadores de HBM FiberSensing se comunican a través de Ethernet. Por tanto, pueden comunicarse a través de Wi-Fi o GSM mediante un dispositivo dedicado conectado al interrogador. No obstante, hay que tener cuidado para garantizar la fiabilidad de los datos. Por ejemplo, en el caso de los interrogadores dinámicos con frecuencias de muestreo más altas, se necesita un ancho de banda importante para una transmisión perfecta de los datos.

Los sensores ópticos no incluyen comunicaciones, puesto que los sensores en sí no incorporan ninguna electrónica. Los sensores ópticos son eléctricamente pasivos y se basan exclusivamente en una fibra óptica.

Los interrogadores de HBM FiberSensing son de pequeño tamaño y se pueden llevar fácilmente a cualquier parte. No obstante, las unidades FS22 Industrial BraggMETER necesitan una fuente de alimentación y un PC que haga las veces de interfaz, lo cual hace más difícil desplazarlos.

En cambio, los interrogadores FS42 Portable BraggMETER están diseñados para aplicaciones móviles. Se trata de interrogadores autónomos que permiten medir en distintos puntos y que pueden utilizarse con cualquier tipo de sensores FBG (temperatura, deformación, inclinación, etc.). Incluyen baterías, una interfaz con pantalla táctil y un PC interno con software integrado. Es muy habitual utilizar estos interrogadores portátiles en labores de campo, durante la instalación de redes de sensores o para realizar medidas in situ.

Los interrogadores FS22 Industrial BraggMETER y FS42 Portable BraggMETER se calibran en fábrica e incluyen referencias internas trazables que garantizan su exactitud a lo largo del tiempo.

De todos modos, todos los interrogadores pueden someterse a una calibración certificada ocasional.

Sí, en el caso de los interrogadores FS22 Industrial BraggMETER. Este tipo de interrogadores se comunican a través de Ethernet empleando una interfaz TCP/IP.

El interrogador FS42 Portable BraggMETER no puede integrarse con otros sistemas.

Sí. Se suministran con el material de apoyo de los interrogadores o se pueden descargar en nuestro sitio web.

La función SPD solo está habilitada en el sistema de funcionamiento en tiempo real del interrogador estático FS22 Industrial BraggMETER SI

Los interrogadores FS22 Industrial BraggMETER de HBM FiberSensing necesitan un PC para las operaciones de configuración, administración de datos y visualización.

Después de configurar una medición, el interrogador estático FS22 Industrial BraggMETER SI puede funcionar de forma autónoma y almacenar los datos localmente. Eso sí, después hace falta un PC para recuperar los datos.

El caso del interrogador dinámico FS22 Industrial BraggMETER DI es distinto, ya que no cuenta con capacidad de almacenamiento y necesita un PC para recibir los datos medidos. Por su parte, el interrogador FS42 Portable BraggMETER lleva integrado un ordenador y es totalmente independiente.