Consejos para configurar una cadena de sensores ópticos de deformación, para una instalación sin problemas

Una de las ventajas de la tecnología de red de Bragg en fibra (FBG) es su capacidad de multiplexación intrínseca. Es posible insertar en un cable de fibra óptica varios sensores en serie, con longitudes de onda de Bragg especificas y distintas. Las medidas son perfectamente correctas a condición de que las señales de los distintos sensores no solapen entre sí.

Los sensores se pueden adquirir individualmente, con o sin conectores. También se suministran cadenas ya montadas, con los sensores conectados mediante empalmes por fusión (conexión permanente entre dos fibras). Tras la instalación, los sensores y/o las cadenas se pueden conectar a uno de los canales ópticos de un interrogador. Ahora bien, se debe prestar atención a la selección de las longitudes de onda y a la pérdida de potencia de las señales derivada de las conexiones y de la longitud de los cables.

HBM cuenta con varios tipos de sensores basados en tecnología FBG. Todos ellos se pueden combinar en el mismo canal óptico del interrogador, siempre que las pérdidas ópticas se encuentren dentro de unos límites y siempre que no haya solapamientos en las longitudes de onda de las señales. Los consejos siguientes se aplican a las medidas de deformación, pero se pueden trasladar fácilmente a otros tipos de sensores.

Para elegir el tipo de sensor más adecuado, tenga en cuenta estos requisitos:

a) Rango de medida

Los diferentes encapsulados de los sensores pueden limitar su rango de medida. A la hora de seleccionar el tipo de sensor adecuado, el rango de medida n requerido puede ser un factor que obligue a descartar determinados sensores.

b) Tipo de instalación

HBM ofrece soluciones que permiten pegar con adhesivos, soldar, integrar o atornillar los sensores a la muestra de ensayo. El tipo de instalación puede influir en la velocidad y el coste de instalación y, de nuevo, puede eliminar algunas opciones. Las galgas extensométricas soldables son adecuadas para instalación en estructuras metálicas. La soldadura es una forma rápida y eficaz de fijar sensores a una estructura, ya que los sensores se pueden utilizar inmediatamente después de instalarlos, sin necesidad de esperar a que cure un adhesivo. En el caso de los materiales compuestos, se puede elegir entre adherir o integrar el sensor. Las uniones atornilladas no suelen ser recomendables para los composites de fibras, ya que los orificios dañan este tipo de compuestos; en cambio, sí pueden ser una buena solución para estructuras metálicas o de hormigón.

c) Robustez

Disponemos de una amplia oferta de sensores con diferentes grados de robustez. El diseño de algunos sensores incluye cables de laboratorio, mientras que otros cuentan con cables para interior o exterior; incluso los hay con cables dieléctricos. Todo ello limita el uso del sensor en función del entorno y puede requerir el uso de protecciones adicionales.

d) Longitud y radio de flexión del cable

Los sensores de deformación HBM FiberSensing se dividen en dos líneas de producto que difieren en las características de la fibra óptica utilizada. La línea OP utiliza una fibra con alta capacidad de flexión, que permite utilizar los productos y las conexiones de fibra en espacios muy estrechos con radios de flexión muy cerrados, tanto en el tendido del cable —con pérdidas de señal insignificantes—, como en la zona del sensor. Los productos de esta línea son idóneos para mediciones incluso sobre superficies curvas. La línea FS presenta una flexibilidad más baja en los sensores y cables. A cambio, se puede utilizar en tendidos de varios kilómetros sin pérdidas ópticas significativas.

e) Temperatura de trabajo

Las mediciones de deformaciones se llevan a cabo en entornos muy variados. Solo algunas galgas extensométricas ópticas son adecuadas para temperaturas muy altas o muy bajas.

f) Necesidad de compensación de temperatura

Los sensores de deformación basados en la tecnología FBG son sensibles a los cambios de temperatura, por lo que se recomienda efectuar correcciones.

HBM FiberSensing cuenta con una solución única: un sensor de deformación atérmico que anula el efecto intrínseco de los cambios de temperatura en la longitud de onda FBG (pero no la dilatación térmica del material de la muestra). Si utiliza este sensor de deformación, no necesitará otro sensor adicional para compensar la temperatura de la medición. El resto de los sensores de deformación requieren un elemento sensor adicional como, por ejemplo:

• Un sensor de temperatura sometido a la misma temperatura que el sensor de deformación: la medida de deformación de puede corregir con una lectura de temperatura en la misma ubicación del sensor de deformación, si también se conoce la sensibilidad térmica cruzada del sensor (se indica en la ficha de datos y en la hoja de calibración) y la dilatación térmica del material de base.
• Un elemento óptico de compensación: con algunos sensores de deformación se puede emplear un sensor FBG específicamente diseñado para compensar los efectos de la temperatura.
• Un sensor óptico de deformación aplicado al mismo material y sometido a las mismas condiciones de temperatura, pero que no esté sujeto a deformación mecánica: la deformación que mide este sensor es la deformación inducida por la temperatura.
• Un sensor óptico de deformación instalado en la superficie opuesta de la muestra del ensayo, donde la deformación tiene el mismo valor pero genera una señal distinta: con los sensores funcionando en esta configuración de “extensión-contracción”, el efecto de la temperatura se anula combinando las dos medidas de deformación.

Las opciones anteriores influyen en el número de sensores necesarios en una cadena.

La separación entre las longitudes de onda de Bragg de dos sensores determina el rango de medida máximo de ambos dispositivos, ya que si las señales se solapan, las medidas se verían afectadas negativamente. El margen de longitud de onda de cada sensor utilizado depende de su rango de medida, dentro de su intervalo de temperatura de trabajo; también influye la sensibilidad del sensor y el desplazamiento de la longitud de onda inducido por la temperatura como consecuencia de la sensibilidad cruzada de los sensores y la dilatación térmica del material.

Partiendo de la longitud de onda central del sensor (λ0), el intervalo de longitud de onda que debe reservarse abarca desde el mínimo valor posible de longitud de onda del sensor hasta el máximo:

Para facilitar la selección, existen longitudes de onda preseleccionadas adaptadas al rango de medida habitual para el sensor en cuestión.

1. Los sensores de la línea FS tienen longitudes de onda espaciadas entre sí 6,4 nm, aproximadamente.
2. Los sensores de la línea OP tienen espaciados de longitud de onda de 5 nm.

El número de conexiones que se pueden utilizar por canal óptico en una cadena de sensores FBG depende no solo del tipo de conexiones utilizadas, sino también del interrogador, del tipo de fibra y de su longitud, así como de las pérdidas de la señal óptica, que pueden deberse al proceso de instalación (recorrido del cable, microcurvaturas, etc.).

a) Conectores o empalmes

Es posible utilizar dos tipos de conexiones para formar cadenas de sensores ópticos de deformación: conectores y empalmes.

Los conectores son más fáciles de utilizar sobre el terreno ya que, como su nombre indica, solo hay que conectarlos. No obstante, tienen pérdidas de señal óptica más altas y son más propensos a deteriorarse con el tiempo.

Los empalmes, en cambio son conexiones permanentes que se obtienen por fusión de dos fibras. Son estables a largo plazo y presentan bajas pérdidas ópticas. Sin embargo, para hacer empalmes se requieren herramientas específicas, personal formado y tiempos de instalación más largos.

Para minimizar el tiempo de instalación y, a la vez, incrementar el número de sensores que se pueden incorporar a una misma cadena, HBM FiberSensing comercializa cadenas ya preinstaladas, con los sensores conectados mediante empalmes y con un tipo de protección adaptado a la aplicación.

b) Longitud y tipo de fibra

HBM FiberSensing emplea fibras diferenciadas en sus dos líneas de sensores: la fibra que se utiliza en los sensores de la línea FS tiene un núcleo de 9 µm, mientras que la de la línea OP posee un núcleo de 6 µm.

Los sensores y cables de la línea FS se pueden instalar en tendidos de varios kilómetros sin pérdida de señal de los sensores, puesto la fibra con núcleo de 9 µm tiene unas pérdidas de atenuación muy pequeñas. Las fibras y cables de la línea OPpresentan pérdidas de atenuación mayores y, en consecuencia, no deben instalarse en recorridos largos.

Cuando se conectan entre sí ambos tipos de fibras —aunque sea mediante empalmes— también se producen pérdidas importantes en la zona de unión. Por tanto, existen limitaciones en el número de veces que se pueden utilizar distintos tipos de fibra en una misma cadena.

c) Reflectividad de los sensores

El principio de medida de los sensores FBG se basa en el espectro de luz incidente que se refleja. La señal que se refleja es un porcentaje de la luz incidente. Los sensores de la línea FS poseen una reflectividad de aproximadamente el 65% y los sensores de la línea OP poseen una reflectividad < 15%. A la hora de calcular las pérdidas, debe tenerse en cuenta la reflectividad de los sensores.

d) Rango dinámico de los interrogadores

Las pérdidas admisibles en una cadena de sensores ópticos dependen del rango dinámico que tenga el interrogador. El rango dinámico se puede considerar una medida de la relación señal-ruido del espectro óptico para la detección de picos. El interrogador no adquiere correctamente las señales con valores de pérdida muy altos o muy cercanos al rango dinámico.

Para optimizar el rendimiento de una cadena de detección óptica, deben comprobarse minuciosamente las características técnicas de los sensores, interrogadores y accesorios.

HBM puede ofrecerle asistencia para elegir los componentes adecuados.