Figura 1. Principio de funcionamiento de las galgas extensométricas de red de Bragg en fibra (FBG).

Nuevas tecnologías emergentes para monitorización de salud estructural

Puentes, grandes tuberías, túneles, cimientos, carreteras, presas... prácticamente todas las infraestructuras públicas están sujetas a factores que pueden degradarlas o propiciar fallos de funcionamiento.  Estos problemas estructurales pueden aparecer por deterioro, por métodos de construcción inadecuados, actividad sísmica, obras de construcción cercanas, etc. Durante muchos años se han utilizado galgas extensométricas eléctricas para llevar un seguimiento de las variaciones estructurales. Sin embargo, en ocasiones carecen de la durabilidad y la integridad necesarias para aportar información precisa —y utilizable— a lo largo de periodos de tiempo prolongados.

¿Qué es un sensor de fibra óptica?

Las galgas extensométricas de fibra óptica utilizan una red de Bragg inscrita en una fibra óptica (FBG); por lo tanto, operan según un principio muy distinto al que emplean las galgas extensométricas eléctricas tradicionales. De forma simplificada, una red de Bragg en fibra es una microestructura (típicamente de unos pocos milímetros de longitud) que se genera modificando una fibra de telecomunicaciones monomodo estándar dopada con germanio, mediante un láser ultravioleta. Esta microestructura produce una variación periódica en el índice de refracción de la fibra óptica. Cuando la luz atraviesa la fibra, la red de Bragg refleja un intervalo muy estrecho de longitudes de onda y transmite todas las demás longitudes de onda. El centro de esta banda de longitudes de onda reflejadas se conoce como longitud de onda de Bragg (ver Figuras 1 y 2). Si se introduce una tensión mecánica, el periodo de la red de Bragg inscrita en la fibra varía como consecuencia de la extensión o la compresión de la fibra óptica. Esa variación produce a su vez un desplazamiento de la longitud de onda de Bragg, que puede ser detectado y grabado por un interrogador (que no es otra cosa que un sistema de adquisición de datos).

Figura 2. Fabricación de una red de Bragg en fibra mediante el método de máscara de fase. La máscara de fase crea dos órdenes de refracción de la luz UV incidente, produciendo un patrón de interferencias máximas y mínimas en el núcleo de la fibra. El indice de refracción de la fibra queda alterado de forma permanente, en función de la intensidad de la luz a la que se expone. Este espaciado preciso de diferentes propiedades ópticas dentro de la fibra constituye una red de Bragg.

Ventajas de la tecnología óptica

Además de a la tensión, los sensores FBG también son sensibles a la temperatura. Eso permite utilizarlos para monitorizar la temperatura, pero también significa que se puede asociar un sensor de temperatura a uno de deformación, con el fin de compensar el efecto de la temperatura en el sensor de deformación. Asimismo, los sensores FBG pueden emplearse en transductores para monitorizar otros parámetros muy variados, como inclinación, aceleración, presión, etc.

Las galgas extensométricas de fibra óptica basadas en sensores FBG ofrecen una serie de ventajas en comparación con las galgas eléctricas. Por ejemplo, ofrecen estabilidad de la señal a largo plazo y durabilidad de los sistemas. Son mucho menos propensos a los fallos mecánicos, incluso en presencia de altos niveles de vibraciones, como es el caso en carreteras y puentes con tráfico intenso. La distancia y la longitud del cable prácticamente no afectan a la precisión de las medidas. Con la fibra óptica, la atenuación de la señal es mínima y la integridad de los datos es alta aunque el sistema de adquisición se encuentre a varios kilómetros del sensor más lejano. La fibra óptica es mucho más fina y pesa menos que los hilos de cobre; como consecuencia, el cableado de conexión resulta mucho más ligero. Es posible conectar un gran número de sensores a un solo cable de fibra óptica, con la única condición de que sus longitudes de onda de base sean distintas; con ello, se reducen las necesidades de cableado. Además, son inmunes a las interferencias electromagnéticas y de radiofrecuencia (IEM/IRF), algo que puede ser de enorme utilidad en estructuras tales como puentes o túneles ferroviarios por los que circulan trenes eléctricos, que generan campos electromagnéticos intensos.

Mucho menos cableado

El empleo de sensores FBG permite reducir de forma drástica la cantidad de cableado que requiere un sistema de monitorización. Eso se debe a la alta capacidad de multiplexación inherente a esta tecnología. Además, su impacto en las estructuras monitorizadas es mínimo. En este contexto, la "multiplexación" se refiere a la posibilidad de conectar un gran número de sensores ópticos a una sola fibra óptica, lo cual reduce la complejidad de la instalación y de la red. Así, es posible suministrar matrices con varias docenas de sensores ya montados para simplificar la instalación. Los sensores pueden pegarse fácilmente con adhesivos a las superficies y materiales, unirse mediante soldadura por puntos a estructuras y componentes, e incluso insertarse en el hormigón fresco para que la unión se produzca después de fraguar. Por su pequeño tamaño y peso, son una alternativa ideal para lugares con limitaciones de espacio o aplicaciones integradas (por ejemplo, en el seno de estructuras de composites). Por otro lado, constituyen una solución con muy buena eficacia de costes en proyectos de tamaño medio y grande, debido al coste relativamente bajo por sensor, a la posibilidad de combinar sensores de varios tipos en un mismo cable y al hecho de que no hace falta incorporar múltiples interrogadores al sistema.

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Se adapta a entornos difíciles

Los sensores ópticos se adaptan muy bien a los entornos difíciles. Aparte de ser inmunes a las interferencias IEM e IRF, tienen una resistencia muy alta a la degradación causada por el agua y la humedad, la sal, las temperaturas extremas y la alta presión (hasta 400 bar). Igualmente, resultan seguros en atmósferas potencialmente explosivas y en presencia de alta tensión eléctrica.

A diferencia de las galgas extensométricas de lámina metálica, los sensores FBG utilizan referencias independientes del interrogador o el sistema de adquisición. Su funcionamiento se basa en la medición de un parámetro absoluto —la longitud de onda de Bragg—, que es independiente de las fluctuaciones de potencia y que solo varía cuando se aplica una deformación (o cuando se produce un cambio de temperatura). El propio interrogador óptico, que mide los valores generados por los sensores, dispone de una referencia interna que se comporta como una "regla" para determinar con precisión los valores de longitud de onda recibidos. Esta referencia interna permite calibrar el interrogador en cada medición que se realiza. 

Figura 3. Instalación de una sección de medida para la monitorización de un túnel.

En línea con el comportamiento de fatiga de los materiales modernos

Los sistemas que emplean sensores de fibra óptica ofrecen a los ingenieros de infraestructuras límites de fatiga bien adaptados al comportamiento de los materiales estructurales modernos. Los paneles ligeros de fibra de carbono, por ejemplo, tienen límites de fatiga y deformación superiores a los de los materiales estructurales tradicionales. Pero es que incluso los materiales más habituales, como el acero, el hormigón y la madera, se están modificando con el fin de optimizar su comportamiento de fatiga. Por todo ello, existe una demanda de sistemas de monitorización con límites de fatiga más elevados.

La Figura 3 ilustra un ejemplo reciente del uso de sensores de fibra óptica en la monitorización de infraestructuras. HBM FiberSensing ayudó a diseñar una red de sensores para monitorizar en tiempo real deformaciones y convergencias en túneles de una línea en funcionamiento del metro de São Paulo, Brasil, mientras se construía un rascacielos en las proximidades. El sistema de monitorización del túnel se instaló durante el proceso de excavación y construcción de un muro de refuerzo para el rascacielos, de modo que no se viera afectado el funcionamiento de la línea de metro ni la seguridad de los trabajadores. El proyecto emplea un método extensométrico para la determinación de convergencias basado en sensores FBG. Los sensores se encargan de medir la deformación en distintos puntos del contorno del túnel y las lecturas se transforman en desplazamientos del apoyo del túnel. También permite cuantificar las convergencias del apoyo y su evolución geométrica a lo largo del tiempo.

Se monitorizaron dos secciones del túnel, instalando siete puntos de medición en cada una de ellas. Cada punto de medición se equipó con un sensor de deformación y otro de temperatura. Se utilizó un interrogador BraggMETER FS22 de montaje en rack, con cuatro canales ópticos, para interrogar a todos los sensores. Los datos se adquirían una vez por minuto y, a continuación, se procesaban y se guardaban en una base de datos. La unidad de medida, el PC servidor y la SAI se instalaron en un rack de protección de 19 pulgadas, con conexión a internet. Las longitudes de onda recibidas se procesaron para corregir el efecto térmico en la longitud de onda de Bragg y obtener medidas de deformación compensadas. Las convergencias se estimaron mediante el algoritmo del método. Se pueden consultar más detalles sobre este proyecto —incluido un esquema del sistema— en el artículo titulado “Remote Monitoring of São Paulo Metro Tunnel Deformations Using Fiber Optic Based Sensors”, presentado en la 15ª Conferencia Internacional Mecánica Experimental, disponible en el siguiente enlace: http://paginas.fe.up.pt/clme/icem15/ICEM15_CD/data/papers/3189.pdf.

Figura 4. Instalación de un sensor de deformación integrado en el tablero de un puente antes de hormigonar.

Precio y prestaciones optimizadas

Otro sistema de medición de deformación y temperatura de HBM FiberSensing se utiliza actualmente para la monitorización a largo plazo de un puente atirantado de 1.100 metros de longitud, sobre el río Rhumel, en la población de Constantine, Argelia. Este sistema se instaló en paralelo con otros sensores y dispositivos de adquisición de datos de tecnología convencional, todo ello integrado en un equipo completo de monitorización de la salud estructural. Los sensores de deformación y temperatura se suministraron preinstalados en matrices, que quedaron integradas en el hormigón. En cada uno de los extremos de la matriz había un conector óptico. Para unir entre sí las distintas matrices se emplearon cables multiconector de gran longitud, cada uno de ellos con cuatro fibras y conectores en ambos extremos.  

Todo este trabajo de preparación y preinstalación mejoró la eficiencia de montaje, no solo debido a la simplicidad del cableado sino también al empleo de conectores, que redujo la intervención de equipos u operarios especializados durante la instalación. Un interrogador BraggMETER de cuatro canales recopila simultáneamente datos de 40 sensores FBG (22 sensores de deformación y 18 de temperatura). El interrogador se combina con los demás sistemas de adquisición de datos y se controla al mismo tiempo que estos, a través de su interfaz LAN.

Aunque los ingenieros tengan décadas de experiencia en el uso de galgas extensométricas eléctricas para la monitorización estructural, estas aplicaciones demuestran que los sensores de fibra óptica pueden aportar ventajas en términos económicos y de prestaciones.