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

Los sensores ópticos basados en red de Bragg en fibra (FBG) son cada vez más populares. Son fáciles de instalar, inmunes a las interferencias electromagnéticas y se pueden utilizar en atmósferas altamente explosivas. Pero, ¿cómo funciona una red de Bragg en fibra (también llamada fibra con rejilla de Bragg)?

Nuestros expertos contestas a estas y otras preguntas sobre la medición con luz.

Do I need a PC to measure with an interrogator?

HBM FiberSensing FS22 Industrial BraggMETER interrogators need a PC for configuration, data management and visualization.

After a measurement is configured, the static FS22 Industrial BraggMETER SI interrogator can be left as stand-alone while data is being stored locally. Later on, a PC is needed for data retrieving.

The case of the dynamic FS22 Industrial BraggMETER DI interrogator is different, as it does not have storage capability and requires a PC to receive the measured data. The FS42 Portable BraggMETER interrogator has its own computer embedded, therefore it is completely independent.


The Technology

¿Cómo funciona una red de Bragg en fibra?

Una red de Bragg en fibra (o fibra con rejilla de Bragg) es un pequeño tramo de fibra óptica que contiene una matriz con muchos puntos de reflexión, capaces de reflejar longitudes de onda específicas de luz incidente. Esta estructura se genera aplicando radiación UV muy intensa al núcleo de la fibra.

La distancia entre los puntos de reflexión de una red de Bragg en fibra es siempre la misma. La red refleja la longitud de onda que coincide exactamente con la distancia entre dos puntos de reflexión. Todas las demás longitudes de onda se transmiten a través de la red sin verse reflejadas o amortiguadas. La señal que genera un sensor de fibra con rejilla de Bragg es, por tanto, la pequeña porción del espectro que refleja cada rejilla.



Un interrogador determina la longitud de onda de cada pico de reflexión individual. Cuando la red de Bragg contenida en una fibra óptica sufre, por ejemplo, una deformación, la distancia entre los puntos de reflexión cambia, con lo cual refleja una longitud de onda distinta. De este modo, se determinan variaciones en la longitud de onda de Bragg. Haciendo una analogía con una galga extensométrica metálica, se aplica lo siguiente:


donde

λ    longitud de onda de base de la red e Bragg (longitud de onda al principio de la medición)
Δλ  variación en la longitud de onda cuando se aplica una deformación a la red
k    factor k
ε    deformación


How is strain measured?

The values measured by the optical interrogator (data acquisition system) are the peak wavelengths of the narrow spectrum reflected by the fiber Bragg grating sensor. When strain at the optical strain sensor causes the wavelength to change, the interrogator detects a change in the peak wavelength that is proportional to the strain.
The gauge factor or the sensor sensitivity specified on the sensor packaging is used as the proportionality factor.

HBM FiberSensing interrogators can be used with the available graphical user interfaces, such as the BraggMONITOR, and powerful acquisition and data analysis software, i.e. catman®.


Is strain measurement sensitive to temperature?

Fiber Bragg gratings are both sensitive to strain and temperature. This means that a strain measurement of a sensor that is subjected both to strain and temperature is also influenced by the temperature change. But this effect is well characterized and easy to compensate. There are several methods to compensate this effect:

  • With an additional fiber Bragg grating sensor measuring only temperature and under the same temperature change;
  • With an additional optical strain sensor as dummy (installed on the same material, but without any strain applied);
  • With an additional strain sensor ensuring that the applied strain is the same in value, but with different signals (e.g. having one strain sensor at the top and one sensor at the bottom of a cantilever);
  • With an additional bare fiber Bragg grating, not fixed and terminal;
  • Using an athermal strain sensor with a mechanical design to compensate for the undesired temperature effect in strain measurement;
  • Among others…

¿Qué es la compensación de temperatura y cómo se aplica?

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.


En el caso de un estímulo combinado de tensión y temperatura, ¿es posible medir solo la tensión? ¿O solo el efecto de la temperatura?

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. 


Can I measure bending strain on thin components with FBG sensors?

Fiber Bragg sensors have a higher layer thickness than electrical strain gauges. When measuring bending strain of thin components, there is a measurement error that must not be neglected but is easy to compensate for:

With
εOF   strain on the component's surface
εAnz  strain measured by the fiber
h    thickness of the component
d    distance of the fiber from the component's surface

There is, however, another aspect that should be addressed. Optical fibers have minimum bending radius due to optical losses. HBM FiberSensing sensors from the OP Line offer the possibility of measuring even on curved surfaces. The distance to consider with these sensors is d=0.5 mm.


Is there a specific reason for the standard Bragg wavelength distance to be 6.4nm for the FS Line sensors and 5nm for the OP Line sensors?

The Bragg wavelength of the optical sensors is defined on the instant the fiber Bragg grating is produced. To ease production, standard values were defined.

Historical reasons dictated that the standard wavelengths are currently different in the FS Line and the OP Line.

In any case, other customized wavelengths between 1500 nm and 1600 nm are available upon request.


Regarding harsh environments, where can the FBG technology be applied to?

Some examples of harsh environments where HBM FiberSensing optical systems have been successfully deployed are: high temperature, high radiation, high vacuum, high-voltage and cryogenic environments.

The following applications have also been successfully conducted:

  • Vibration and temperature monitoring in high power generators;
  • Hot spot monitoring in power transformers;
  • Wind blade monitoring;
  • Stress monitoring in airplane fuel tanks;
  • Strain, temperature and displacement monitoring in thermonuclear reactor;
  • Spacecraft monitoring, etc.

What is the maximum distance an optical fiber line can achieve?

The attenuation with distance is very small in optical fibers. In combination with HBM FiberSensing optical interrogators, optical fiber lengths can go up to tens of km.


What is the effect of pressure in an FBG?

There is a wavelength shift on the reflected Bragg peak when the grating is subjected to pressure. The wavelength variation is approximately:

 

This effect is, however, very small when compared with the wavelength variations induced by strain or by temperature changes being, therefore, commonly neglected.

When instead of pressure the FBG is subjected to a point lateral loading, a birefringence phenomenon occurs. This means that a new peak will appear (two peaks will coexist at the same time) and its shift can also be quantified.


Optical Sensors

¿Cuáles son las ventajas de los sensores ópticos?

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.

How many sensors may be integrated in one fiber?

One main benefit provided by optical fiber Bragg measurement technology is that several sensors can be integrated in a single optical fiber. It is a prerequisite that these sensors hold different Bragg wavelengths.

The Bragg wavelength varies as a function of the temperature and the strain affecting the sensor. Therefore, clearance distances need to be guaranteed between the sensors' wavelength peaks so that overlapping does not occur. These are required to enable the interrogator to allocate the sensors on the basis of the reflected wavelengths within the available measurement spectrum.

Another characteristic that can affect the number of sensors is the available power at the reception of the fiber Bragg grating reflection. This depends on the emission power of the interrogator, on the losses along the way (bending, connectors, splices, fiber length…) and on the reflectivity of the fiber Bragg grating.

There are so many details that can influence the number of sensors that it is difficult to state a number. However, a recommended value is 13 or 14 sensors per fiber, which corresponds to the standard central wavelengths available at HBM FiberSensing.


Are there specific wavelenghts pre-defined for each type of optical sensor?

The Fiber Bragg Grating (FBG) wavelength is defined during the sensor’s production and can be tuned to be any value between 1500 nm and 1600 nm. All types of sensors (temperature, strain, tilt, displacement, etc.) can be produced with any wavelength. Nevertheless, there are pre-defined wavelengths that ease the production process by making it repetitive. However, these are transversal and coexisting in all sensor types. The constraint in selecting the sensors wavelengths is that it is not possible to have two FBG sensors in series (in the same fiber) reflecting the same wavelength. If multiple FBG sensors are in the same optical fiber, the only requirement in terms of their Bragg wavelength is that they do not overlap (each FBG should have a unique Bragg wavelength and should not overlap with each other within the measuring range). Sensors may reflect the same wavelengths as long as they are being measured in different optical channels of the interrogator (data acquisition system). Usually, the wavelength of the sensor is defined by the customer on request or by the engineering team during the project’s design.


¿Cómo se une un sensor óptico a la muestra?

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.


¿Cuál es el tiempo de respuesta de los sensores de temperatura?

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


¿Los sensores de temperatura se suministran con su propia curva de calibración polinómica?

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


What active grid length may be assumed on an optical strain sensor?

An optical strain sensor does not have an active grid length as it can be defined for electrical strain gauges.

The gauge length depends on the sensor encapsulation and is stated on the sensors datasheets. In case a bare FBG is used, or a sensor where the full length of the grating is attached, the gauge length corresponds to the grating length that is approximately 6 mm.


¿Cómo afectan la humedad y el agua a la fuerza de adhesión de los adhesivos?

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.


Regarding the tilt sensor, two FBGs are needed to eliminate temperature influences. Why?

The tilt sensor includes two FBGs and both are needed to get the angle measurement without temperature influences. The two fiber Bragg gratings operate in a push-pull configuration which means that when one sensor is being tensioned due to the sensor position the other is being compressed with the same strain value. With this configuration we can identify the angle variation by the wavelength variation that is equal in value but with opposite signals. The temperature effect causes equal wavelength variations to the FBGs and is, therefore, removed.


Does the tilt sensitivity depend on the initial positioning angle of the tilt sensor?

The sensitivity of the tilt does not depend on the initial angle of the sensor. However, the sensor operates as a pendulum, so the angle measurement range of ±5 deg is centred at the vertical and the sensor will not operate outside these boundaries.


Nearly all sensors have an operation temperature range from [-20,80]°C, why?

The temperature limitation of -20ºC to 80ºC is true for FS line sensors. The limits are given by the acrylate coating of the fiber.


What is the reason for using optical, i.e. FBG sensors on wind turbine blades instead of traditional strain gauges?

There are many reasons to select FBG sensors for the monitoring of wind turbine blades. The following table compares FBG sensors to conventional strain gauges and to other types of optical technology.

Vs Conventional Technology Vs Other Optical Technology
Passive sensors - lightning immune Internal spectral reference – long term accuracy
Fatigue resistant Auto adjustment in each 10 ms - no need for recalibration
Multiplexing - different variables using the same interrogator Wide wavelength range available  – large sensor count
Less cabling - several sensors in the same line Immunity to polarization effect – signal stability
No welding procedures High reflectivity sensors (>70%) – no limitation in distance between them

You may find more information on HBM FiberSensing optical system for monitoring and testing applications on Wind turbines here.


¿Cuál es la frecuencia de muestreo máxima de un sensor FBG?

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 500 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.


Optical Interrogators

What is the difference between static and dynamic interrogators?

The fundamental difference between the static and dynamic interrogators lays in their sampling rate: while the first is used for static applications, the second – with higher acquisition rates is for quasi-static or dynamic applications. Please check HBM FiberSensing interrogators page and the available options.

Due to their design there are also some differences in terms of performance. The static interrogators provide a better accuracy and resolution and can operate as stand-alone, while the dynamic have a slightly bigger accuracy and resolution values and do not have internal memory to store data without an additional PC.

There is one feature that is unique for the static interrogators that is the SPD. Learn more about it here.


El software BraggMONITOR, ¿es compatible tanto con los interrogadores BraggMETER estáticos como con los dinámicos?

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.


When using the BraggMONITOR software, which value should I use on the Central Wavelength (CWL, λ0) field?

The central wavelength value that must be filled during the sensor edition corresponds to the wavelength (λ0 in nm) value from which the wavelength variation (x=Δλ, in nm) is calculated. This means that the result for the wavelength variation of a sensor in an instant t (xt, Δλt) is:

 

Where λt is the wavelength of the sensor measured at the instant t.

If the user’s purpose is to “zero” the measurements from an instant, the value to insert on the CWL field should be the value measured at that particular instant. On the other hand, if the user needs absolute measurements (as, for instance, on temperature sensors) the CWL to use should be the one defined on the calibration Sheet that is provided with the sensor.

 

Using the temperature sensor example

On the Calibration Sheet of an HBM FiberSensing temperature sensor, the temperature is described
as a second order polynomial of the wavelength variation:

Where:

S2 is the second order sensitivity,

S1 is the first order sensitivity,

S0 is the temperature offset.

The S0 value corresponds to the reference temperature at the calibration procedure, so to get absolute temperature values the x has to be calculated using the same central wavelength from the calibration: the used CWL in the measurements has to be the same as the stated on the calibration sheet of the sensor.

 

Using the strain sensor example

The FBG based strain sensors dependence to deformation is:

 

Where k is the k factor of the strain sensor, and S is the strain sensitivity indicated on the calibration sheet.

This deformation will always be registered from an instant that is defined as “zero” meaning that the x value will always be calculated relatively to the wavelength that the sensor was exhibiting at the “zero” moment after the sensor installation.


Is it possible to connect multiple FBG sensors, if the range of the interrogator is limited?

There is a limit to the number of sensors that can be addressed with an interrogator that has a limited range, let’s say [1500; 1600] nm. However, it is still possible to have multiple sensors in a single optical fiber (tens or even hundreds of sensors), as long as the Bragg wavelengths of each sensor are distinct and do not overlap within their measuring range.

As an example, the interrogator range is [1500; 1510] nm and one would like to have 3 sensors measuring in this range.

If the Bragg wavelengths of the sensors are as follows:

sensor1 = 1502 nm

sensor2 = 1505 nm

sensor3 = 1508 nm

and all the sensors have a wavelength shift of +/- 1 nm during measurement, there will be no overlap during measurement.

If for instance, the measurands cause the wavelength shift of the sensors to be +/- 3 nm, overlap of the Bragg wavelength within the measuring range would occur and one would be limited by that.


Are HBM FiberSensing data acquisition systems portable?

HBM FiberSensing interrogators are small and can easily be carried around. Nevertheless, FS22 Industrial BraggMETERs need power supply and a PC for an interface, which makes the equipment harder to move.

The FS42 Portable BraggMETER interrogators are designed for on-the-move applications. These are stand-alone interrogators that can provide measurements in disperse sites and be used with any type of FBG sensors (temperature, strain, tilt, etc.). They include batteries, a touch screen interface and a built-in software in the internal PC. It is very common to use these portable interrogators in the field during the installation of networks of sensors, or to perform in-situ live measurements.


Do the interrogators need calibration?

The FS22 Industrial BraggMETER and the FS42 Portable BraggMETER interrogators are calibrated upon production and include a traceable internal reference that ensures their accuracy over time.

Nevertheless, it is possible to perform a certified calibration for all interrogators from time to time.


Is it possible to embed an HBM FiberSensing optical interrogator in other systems?

Yes, in the case of the FS22 Industrial BraggMETER interrogators. These interrogators communicate via Ethernet with TCP/IP interface.

In the case of the FS42 Portable BraggMETER interrogator the answer is no.


Are there drivers available to control the interrogators?

Drivers are supplied with the interrogators’ support material.


¿Qué capacidad de almacenamiento tiene el interrogador FS22 Industrial BraggMETER SI?

El interrogador estático tiene una capacidad de 2 GB. Para 25 sensores por canal y un interrogador de 8 canales, 2 GB son suficientes para almacenar 3000 horas de datos, aproximadamente.


¿Dispone de capacidad interna de almacenamiento el interrogador FS22 Industrial BraggMETER DI?

No. Sin embargo, la unidad FS22 DI tiene una memoria intermedia que evita que se pierdan mediciones durante algunos segundos; por ejemplo, en caso de pérdida momentánea de la comunicación.


Is the Smart Peak Detection feature available in both static and dynamic interrogators?

The SPD is only embedded in the real time operating system of the FS22 Industrial BraggMETER SI static interrogator.


¿Es posible acceder físicamente a la memoria interna del interrogador FS22 Industrial BraggMETER SI y sustituirla?

No se puede acceder físicamente a la memoria interna. Solo es posible acceder a los archivos almacenados y borrarlos, si es necesario.





¿Cuál es el efecto de la presión en un sensor FBG?

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.

¿Es posible transferir datos de medida a un PC de forma inalámbrica?

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.

¿Cómo se mide la deformación?

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®.

¿Es sensible a la temperatura la lectura de deformación?

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:

  • With an additional fiber Bragg grating sensor measuring only temperature and under the same temperature change;
  • 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…  

¿Se puede medir deformación de flexión en componentes delgados con sensores FBG?

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
εOF   deformación de la superficie del componente
εAnz  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.

¿Por qué la distancia estándar entre longitudes de onda de Bragg es de 6,4 nm para los sensores de la gama FS y de 5 nm para los de la gama OP?

 

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.

 

 

¿En qué tipo de entornos adversos puede aplicarse la tecnología FBG?

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.

 

 

¿Qué distancia máxima puede alcanzar una línea de fibra óptica?

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.

 

 

¿Cuántos sensores pueden integrarse en una misma fibra?

Una de las grandes ventajas de la tecnología de medición de red de Bragg en fibra óptica es que es posible integrar varios sensores en una única fibra óptica. La única condición previa es que todos ellos tengan longitudes de onda de Bragg distintas.

La longitud de onda de Bragg varía en función de la temperatura y la deformación que afecten al sensor. Por lo tanto, deben existir unas distancias de separación suficientes entre los picos de longitud de onda de los diferentes sensores, de modo que se evite cualquier solapamiento. Estas distancias son necesarias para que el interrogador pueda asignar los sensores en función de las longitudes de onda reflejadas que recibe, dentro del espectro de medida disponible.

Otra circunstancia que puede afectar al número de sensores es la potencia disponible en el punto de recepción de las longitudes de onda reflejadas por la red de Bragg. Eso, a su vez, depende de la potencia de emisión del interrogador, de las pérdidas durante el trayecto (por flexión, conectores, empalmes, longitud de la fibra, etc.) y de la reflectividad de la rejilla de Bragg.

Es difícil dar una cifra exacta del número de sensores que se pueden insertar en una fibra, porque son muchos los detalles que pueden influir. No obstante, se recomienda un límite de 13-14 sensores por fibra, lo que viene a corresponder a las frecuencias centrales estándar que ofrece HBM FiberSensing.

¿Hay longitudes de onda específicas predefinidas para cada tipo de sensor óptico?

 

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.

En el caso de un sensor de inclinación se necesitan dos FBG para eliminar la influencia de la temperatura. ¿Por qué?

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.

¿Qué longitud de rejilla activa tiene un sensor óptico de deformación?

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.

¿Depende la sensibilidad a la inclinación del ángulo inicial con el que se posiciona el sensor de inclinación?

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.

Casi todos los sensores tienen un intervalo de temperatura de trabajo de [-20,80]°C. ¿Por qué?

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.

¿Por qué motivo se utilizan sensores ópticos (FBG) en las palas de los aerogeneradores, en lugar de galgas extensométricas tradicionales?

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.

vs Tecnología convencional vs Otras tecnologías ópticas
Sensores pasivos, inmunes a los rayos Referencia espectral interna (precisión a largo plazo)
Resistencia a la fatiga Autocalibración cada 10 ms (no se requiere recalibración)
Multiplexación (diferentes variables empleando el mismo interrogador) Amplio intervalo de longitud de onda disponible (admite un gran número de sensores)
Menos cableado (varios sensores en la misma línea) Inmunes a los efectos de polarización (estabilidad de la señal)
No se requieren operaciones de soldadura Sensores de alta reflectividad (>70%), sin limitaciones de distancia

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

¿En qué se diferencian los interrogadores estáticos de los dinámicos?

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.

Cuando se utiliza el software BraggMONITOR, ¿qué valor debe indicarse en el campo de longitud de onda central (CWL, λ0)?

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 (xt, Δλt) 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.

¿Se pueden conectar varios sensores FBG, a pesar de que el interrogador tenga un rango limitado?

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.

¿Son portátiles los sistemas de adquisición de datos de HBM FiberSensing?

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.

¿Hay que calibrar los interrogadores?

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.

¿Es posible integrar un interrogador óptico de HBM FiberSensing con otros sistemas?

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.

¿La función de Detección de picos inteligente está disponible tanto para los interrogadores estáticos como para los dinámicos?

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

¿Hace falta un PC para medir con un interrogador?

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.

¿Existen drivers para controlar los interrogadores?

Sí. Se suministran con el material de apoyo de los interrogadores.

Para medir deformación es necesario aplicar una compensación de temperatura utilizando otro sensor. En ese caso, ¿hay que usar dos canales?

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.


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