Galgas extensométricas ópticas: todo lo que necesita saber

Las galgas extensométricas ópticas —también llamadas sensores (de deformación) de fibra óptica, FOS, sensores ópticos (de deformación), sensores de red de Bragg en fibra o FBG— se utilizan para medir deformaciones. Sin embargo, pueden integrarse fácilmente en distintos tipos de transductores; por ejemplo, de temperatura, aceleración o desplazamiento. Las galgas extensométricas ópticas no necesitan electricidad, a diferencia de las galgas extensométricas tradicionales. Su tecnología se basa en la propagación de luz por el interior de una fibra óptica.

Este principio de funcionamiento hace que sean sensores totalmente pasivos e inmunes —por ejemplo— a las interferencias electromagnéticas. Esa es tan solo una de las razones por las que las galgas extensométricas ópticas resultan superiores a las eléctricas en determinadas aplicaciones.

Por cierto

En este artículo, Cristina Barbosa, Directora de Producto del segmento óptico de HBM, nos explica cómo funcionan las galgas extensométricas ópticas.

Según comenta: “Cuando la gente necesita medir deformaciones, en lo primero que piensa es en galgas extensométricas eléctricas. Las galgas extensométricas ópticas pueden ser muy prácticas en situaciones en las que las eléctricas no son aplicables, debido por ejemplo a las condiciones ambientales”.

Diseño

Schematic image: The optical strain gauge consists of a silica core and cladding that channel the light in the fiber and an outer coating (usually plastic) for protection. — Una galga extensométrica óptica consiste en un núcleo y un revestimiento de sílice que canalizan la luz por el interior de la fibra, más una envoltura exterior (normalmente de plástico) que aporta protección.

Una galga extensométrica óptica se compone de un núcleo y un revestimiento de sílice, que canalizan la luz por el interior de la fibra, y una envoltura exterior (generalmente de plástico) que aporta protección.

Este artículo está dedicado a los sensores intrínsecos de deformación de fibra óptica, en los cuales la propia fibra es el sensor. Otros tipos de sensores de fibra óptica utilizan la fibra en sí para transmitir luz, pero no para medir con ella.

En general, una fibra óptica consiste en una fibra de vidrio o sílice con una envoltura de plástico. Se parece mucho a una fibra normal de telecomunicaciones, puede medir varios kilómetros y puede tener numerosos puntos de medición a lo largo de su longitud. La fibra en sí tiene dos capas: un núcleo y un revestimiento que la rodea, de menor densidad. Adicionalmente, la fibra de sílice lleva una envoltura de plástico que le proporciona protección.

¿Por qué es importante esa diferencia de densidad entre el núcleo y el revestimiento? Para transmitir luz a través de la fibra se utiliza un láser. Las dos densidades de material de la fibra crean una barrera que canaliza la luz por el interior de la fibra, evitando que se disperse. Para que la fibra funcione, es importante no flexionarla en exceso. Según explica Cristina Barbosa, directora de producto, “la fibra es flexible y no se rompe, pero la luz puede escaparse por las curvas”.

Principio de funcionamiento

La fibra como sensor

Para crear un sensor de deformación, durante su fabricación se inscribe en la fibra lo que se denomina una rejilla o red de Bragg en fibra (en inglés, Fiber Bragg Grating o FBG). Esta rejilla es, básicamente, un patrón físico de interferencia que refleja la luz de una forma distinta a como lo hace el resto de la fibra. Para entenderlo mejor, la fibra se puede visualizar como una extensión cilíndrica de material transparente, con una serie de anillos delgados, que serían las redes de Bragg. Cuando la luz láser incide sobre este patrón, ciertas longitudes de onda se reflejan, mientras que el resto se transmiten.

Las interferencias físicas —los “anillos”— están colocados a intervalos específicos. Cuando la fibra se estira o se comprime —y, por tanto, se ve sometida a deformaciones positivas o negativas—, estos intervalos cambian. Cuando la fibra se estira, su longitud aumenta, con lo que el espaciado entre los anillos se alarga, y viceversa.

Con ello, la luz reflejada no solo tarda un poco más o un poco menos en viajar cuando la red de Bragg inscrita en la fibra se deforma. Lo más interesante es que se producen cambios en la longitud de onda que se refleja. En términos científicos, la red de Bragg tiene un índice de refracción dado. El índice de refracción de un material describe cuánta luz se desvía —o refracta— cuando atraviesa el material. Cuando se altera la forma de la red de Bragg a causa de una deformación, su índice de refracción también varía.

Schematic image of an optical fiber sensor with graphs showing how light is reflected by the Fiber Bragg Grating.

“Una red de Bragg inscrita en la fibra mide unos 5 mm de largo, si bien las interferencias físicas no se aprecian a simple vista, solo con un microscopio”, explica Cristina Barbosa. En una fibra larga se pueden inscribir muchas redes de Bragg; cada una de ellas funciona como un sensor de deformación individual.

Cuando la fibra óptica se adhiere a un material, se deforma junto con él. A su vez, la deformación medida permite analizar la tensión mecánica del material, que es precisamente el objetivo de la mayoría de las medidas de deformación.

Un ejemplo práctico: si se adhiere una fibra a las paredes de un túnel largo, la fibra se deforma cuando se producen tensiones en las paredes. Esas tensiones pueden deberse, por ejemplo, a las vibraciones de los trenes que pasan por el túnel. Cuando las paredes se asientan y desarrollan puntos débiles o fisuras a lo largo de los años, todos estos movimientos resultan visibles a partir de la información sobre deformación / tensión mecánica adquirida por los sensores. Así se obtiene una indicación precoz, muy práctica, de dónde se requiere mantenimiento.

La función del interrogador

Para medir, la fibra óptica tiene que conectarse a un interrogador: un equipo que envía en continuo luz con distintas longitudes de onda, de una en una, cubriendo un espectro amplio. Es lo que se denomina un “láser de barrido”. Parte de la luz que se propaga a través de la fibra es reflejada en algunos puntos por las redes de Bragg y retorna al interrogador.

Gracias a los diferentes periodos de los FBG individuales, es posible discriminar las señales de los distintos sensores. El resto de la luz es refractada cuando alcanza el extremo de la fibra y no interfiere con la medida. Por tanto, es posible derivar la deformación (y, a su vez, la tensión mecánica) a partir de las señales en bruto de la luz reflejada por los sensores FBG.

“Aunque hay varios métodos para medir la deformación empleando distintos tipos de sensores de fibra óptica, todos ellos dependen, de una u otra manera, de las propiedades de la luz”.

- Cristina Barbosa

So, why is this density difference between the core and the cladding important? A laser is used to send light through the fiber. The two different fiber material densities create a barrier that channels the light inside the fiber so that it doesn’t scatter. For this to work, it’s important that the fiber is not bent too much. “It is flexible and won’t break, however, light could escape at the bends,” explains product manager Cristina Barbosa.

La compensación de temperatura es fundamental

Los sensores de fibra óptica basados en redes de Bragg en fibra son extremadamente susceptibles a la temperatura. La fibra —como cualquier otro material— se dilata cuando aumenta la temperatura y se contrae cuando desciende. El índice de refracción también cambia. Si no se aplica ninguna compensación, se producirían lecturas de deformación que no se deben a tensiones mecánicas, sino a variaciones de temperatura. Existen varias técnicas de compensación:

Instalar un sensor de temperatura cerca del sensor de deformación. Eso permite efectuar una compensación matemática, comparando los datos y restando los efectos de la temperatura.
Colocar dos sensores FBG en una configuración de tracción-compresión (push-pull). Cuando se produce una deformación, un sensor se comprime y el otro se estira. El efecto de la temperatura es idéntico para ambos sensores (por ejemplo, dilatación), pero la influencia de la tensión mecánica difiere: En uno de los sensores FBG, la deformación es “positiva”, porque se le somete a una tracción, pero para el otro es “negativa”, porque se le somete a una compresión. En estas condiciones, se puede aplicar una compensación matemática.
Encapsular la fibra en un aparato mecánico que se expanda en sentido contrario al del material objeto de la prueba, de modo que la tensión aplicada al sensor FBG cancele el efecto de la temperatura; en este caso no se requiere compensación matemática.

Aplicaciones de los sensores de fibra óptica

Image showing possible applications for optical strain gauges in structural health monitoring, e.g. bridges, wind turbines and railways.

Cristina Barbosa hace referencia a una de sus aplicaciones favoritas de los sensores de fibra óptica: “En el contexto del proyecto ITER en Francia, nuestros sensores deben trabajar en un intervalo de temperatura sumamente amplio, que se extiende desde -270 °C hasta 300 °C. Al mismo tiempo, están sometidos a campos electromagnéticos intensos. Esas condiciones son inaccesibles para cualquier galga extensométrica eléctrica”.

También existen otras aplicaciones más cotidianas como, por ejemplo, la monitorización de salud estructural o de infraestructuras. Como una sola fibra puede acomodar cientos de sensores, la tecnología óptica resulta ideal para grandes proyectos de monitorización de túneles y oleoductos, porque los costes de cableado e instalación son más bajos que los de las galgas extensométricas tradicionales.

Por otro lado, la tecnología de medición óptica es la mejor alternativa en todas aquellas aplicaciones en las que la alimentación eléctrica que requieren las galgas extensométricas tradicionales puede ser un problema. Por ejemplo, entornos con fuertes interferencias electromagnéticas (como el espacio) o con alto riesgo de explosiones (como las refinerías de petróleo). O, como dice Cristina Barbosa:

“Donde no llegan las galgas extensométricas eléctricas, la tecnología óptica hace el trabajo”.

¿Cómo funcionan las galgas extensométricas ópticas?