Introducción a las cadenas de medida ópticas con tecnología de fibra con rejilla de Bragg (FBG)

Este artículo sirve de ayuda a los integradores de sistemas e ingenieros a la hora de seleccionar componentes para soluciones ópticas de monitorización multifísica. Es muy importante seleccionar los componentes correctos porque todas las grandes estructuras —como puentes, edificios, oleoductos o túneles— están expuestas a factores que producen deformaciones y degradación. Sin una monitorización fiable y precisa de la deformación, la temperatura y otros parámetros físicos, muchos problemas estructurales y defectos de funcionamiento pueden pasar desapercibidos y terminar causando desastres.

A lo largo de este artículo hablaremos de la monitorización de la salud estructural (SHM) como disciplina y mostraremos cómo se puede diseñar con facilidad una cadena de medida basada en tecnología de fibra con rejilla de Bragg (FBG), con varios sensores integrados en una fibra óptica, interrogadores y un software para PC.

Monitorización de salud estructural: anticiparse a los problemas en lugar de reparar daños

La integridad estructural de los túneles, los puentes, los oleoductos y otras estructuras grandes y costosas debe monitorizarse de forma regular y con buena eficacia de costes. El objetivo: garantizar que sean seguras y fiables.

En este tipo de situaciones, la monitorización de la salud estructural (SHM) tiene una importancia crítica [1], porque permite adoptar un planteamiento proactivo del mantenimiento y el seguimiento, en lugar de limitarnos a esperar a que se produzcan daños y entonces repararlos. Este enfoque proactivo puede ahorrar dinero y evitar tiempos de inactividad no planificados.

Sin embargo, la necesidad de aplicar una SHM fiable y precisa a las grandes infraestructuras suele obviarse por cuestiones de costes, confusión sobre qué sensores emplear o dificultades a la hora de interpretar los datos de deformación. Todo ello se convierte en un problema cuando se producen daños estructurales inducidos por la deformación. Y eso es algo que ocurre habitualmente, puesto que las obras civiles están expuestas a cargas constantes y agentes ambientales que causan desgaste y degradación a lo largo del tiempo.

Por ejemplo, los puentes sufren un deterioro estructural debido al aumento del tráfico y se ven igualmente afectados por las variaciones climáticas y por las condiciones meteorológicas adversas [2-3]. Los defectos de construcción, la actividad sísmica y las construcciones colindantes son otras tantas influencias negativas [4]. Sin una monitorización constante, no es posible detectar o predecir los fallos y los problemas estructurales, lo cual puede terminar en desastre. En Estados Unidos, por ejemplo, todos los puentes deben someterse a una inspección visual cada dos años, que ayuda a prevenir la aparición de defectos estructurales [5].

A pesar de ello, según la Infrastructure Report Card publicada por la ASCE en 2017, cerca del 10% de los puentes estadounidenses tienen algún tipo de problema estructural que los hace vulnerables [6]. Y, en Canadá, casi un tercio de los aproximadamente 75.000 puentes situados a lo largo de las autopistas presentan deficiencias estructurales [7]. Si esas deficiencias no se identifican y corrigen, se pueden producir costes de mantenimiento importantes, cierre de infraestructuras locales y, en el peor de los casos, colapso de estructuras y fallecimientos. En consecuencia, existe un mercado enorme para las tecnologías capaces de monitorizar el desgaste de las infraestructuras de forma sencilla y económica [8].

Uso de sensores resistivos de deformación convencionales

Desde la década de 1940, los extensómetros resistivos han sido la tecnología de referencia para la monitorización de deformaciones estructurales [9]. Ahora bien, las galgas extensométricas resistivas presentan algunas limitaciones que pueden dificultar la obtención de medidas sencillas y fiables.

Por ejemplo, la cantidad de cables eléctricos que se necesita puede ser todo un desafío. Para empezar, los cables largos son costosos y, si se necesitan muchos, puede ser difícil organizarlos cuando se utilizan en grandes estructuras con puntos de medición numerosos [10]. Y eso, por más que existan soluciones técnicas capaces de medir la deformación a distancias de varios cientos de metros, y a la existencia de tecnologías eléctricas y ópticas [4].

Tecnología de fibra con rejilla de Bragg: una solución innovadora para la monitorización estructural

Los sensores con tecnología de fibra con rejilla de Bragg (FBG) ofrecen una alternativa atractiva a las cadenas de medida eléctricas convencionales.

La tecnología FBG presenta varias ventajas: es posible integrar múltiples sensores en una única fibra óptica, tiene un diseño pasivo general más ligero y una baja atenuación, lo cual hace posible instalaciones con distancias más largas. Por otro lado, es una tecnología inmune a las interferencias electromagnéticas (EMI) y los sensores tienen una estabilidad ambiental superior a la de las galgas extensométricas eléctricas (es decir, pueden soportar condiciones adversas). Además, su precio y el coste total de propiedad son competitivos cuando el número de canales es medio o alto [12, 13].

Ventajas de los sensores FBG:

  • Inmunidad a las interferencias electromagnéticas (EMI). 
  • Baja atenuación, admiten distancias largas de instalación. 
  • Se pueden montar varios sensores sobre una misma línea, lo cual reduce la longitud y la complejidad del cableado, a la vez que simplifican y abaratan la instalación. 
  • Soportan condiciones difíciles, minimizando la necesidad de emplear soluciones de protección complejas o costosas. 
  • Buena estabilidad de la señal a largo plazo (sin deriva) y referencia al cero absoluto (las medidas guardan correlación aunque estén muy espaciadas en el tiempo)

 

Campos de aplicación de la tecnología FBG

La tecnología FBG puede utilizarse fácilmente en combinación con software de distintos proveedores y puede integrarse en cualquier PC. Por ello, ha ganando una importante cuota de mercado a lo largo del tiempo y, en la actualidad, se emplea en un amplio espectro de aplicaciones [13].

Por ejemplo, en ingeniería civil se usa en distintas aplicaciones de monitorización estructural de carreteras y ferrocarriles, pero también en geoestructuras, petróleo y gas, monitorización de cascos de buques, estructuras aeroespaciales y validación de temperaturas en el sector del automóvil.

Otras ventajas de la tecnología FBG:

  • Multiplexación de varios sensores —incluso de distinto tipo— en una sola fibra óptica. La señal de cada sensor retorna a una longitud de onda distinta, lo cual permite reducir la cantidad de cableado de señal.
  • Estabilidad de la señal a largo plazo y alta durabilidad del sistema, aunque esté sometido a fuertes cargas de vibración. Baja probabilidad de que los sensores fallen en carreteras y puentes, en los que el incremento del tráfico produce deterioro estructural.
  • La distancia y la longitud del cable ejercen un efecto mínimo en la exactitud de medida. Datos siempre fiables, debido a la baja atenuación de los sensores FBG, incluso aunque el sistema de adquisición de datos se encuentre a varios kilómetros de distancia del sensor más alejado.
  • La fibra de vidrio es más delgada y ligera que el cable de cobre.
  • Y, como ya se ha indicado, la tecnología FBG no se ve afectada en absoluto por las interferencias electromagnéticas (EMI) o de radiofrecuencia (RFI). Eso permite instalar los sensores en las proximidades de componentes críticos para la seguridad, como catenarias y pantógrafos ferroviarios. 
  • Los sensores FBG también pueden trabajar en atmósferas altamente explosivas y en otras condiciones igualmente adversas

 

Cadenas de medida ópticas completas para monitorización estructural

En una cadena de medida óptica, disponer del sensor correcto representa únicamente una tercera parte de la solución. Para que los resultados generales sean fiables, también se necesita un interrogador óptico adecuado y el software correcto.

Estos tres elementos —sensor, interrogador y software— constituyen la cadena de medida óptica.

Básicamente, el sensor es el elemento que mide o detecta la deformación, temperatura, aceleración, fuerza o inclinación. El interrogador óptico (el segundo componente de la cadena) es el sistema de adquisición de datos. Se trata de un instrumento optoelectrónico que “lee” la señal de los sensores FBG. Por último, el software es el elemento que permite visualizar, guardar y analizar los datos medidos.

 

   ¿En qué hay que fijarse a la hora de seleccionar estos componentes? 

1. Sensores

Estas son algunas de las cosas que hay que valorar para seleccionar los sensores ópticos de tecnología FBG correctos:

  • ¿Dónde se van a instalar los sensores y cuál es el método de instalación preferido? Dependiendo de su diseño, los sensores pueden atornillarse, soldarse o pegarse con adhesivo. Eso significa que el método de instalación preferido limita las opciones disponibles. Por ejemplo, sobre una superficie metálica lo más normal es instalarlos mediante soldadura por puntos. Pero si la estructura es un depósito de GNL (o sea, un entorno peligroso) quizá sea preferible fijar los sensores a la superficie con un adhesivo.
  • ¿Cuál es el rango de medida que se espera en cada punto? ¿Y qué resistencia a la fatiga se necesita? Los distintos sensores tienen límites de medición y de fatiga diferentes. El tipo de medidas que se requieran puede limitar el número de posibles sensores aptos.
  • ¿Cuánta experiencia tiene su equipo de instalación? Los sensores —y las cadenas de sensores— se pueden suministrar provistos de conectores, para instalarlos de la manera más sencilla, sin necesidad de herramientas o formación especiales. Si lo que quiere es flexibilidad, también se pueden suministrar sin conectores, pero entonces necesitará un instalador que sea capaz de hacer las conexiones sobre el terreno.
  • ¿En qué entorno van a trabajar los sensores? ¿Tienen que ser dieléctricos? ¿Necesitan tener cables reforzados? Hay sensores con diferentes niveles de protección, para el propio sensor y para los cables

2. Interrogadores

No olvide que su interrogador está diseñado para medir la señal que producen sus sensores. A la hora de elegir un interrogador, preste atención a lo siguiente:

  • ¿Qué frecuencia de muestreo necesita? Uno de los factores decisivos en la elección de un modelo u otro es la velocidad de adquisición del dispositivo.
  • ¿Con qué precisión absoluta tiene que medirse la longitud de onda? En los sensores FBG, la resolución y la precisión absoluta vienen dados no solo por los errores asociados a los procedimientos de calibración sino también por la resolución y la precisión del interrogador, combinado con la sensibilidad de los sensores. Algunos instrumentos incluyen una referencia absoluta con trazabilidad NIST que garantiza una precisión superior en la determinación de la longitud de onda de cada FBG.
  • ¿Cuántos sensores de rejilla de Bragg desea leer? La capacidad de medida de un interrogador viene dada por el intervalo de longitud de onda disponible y el número de conectores ópticos. El número de sensores que puede leer un interrogador depende de varios factores: 
    • el intervalo de longitud de onda que necesita cada sensor para proporcionar medidas completas, en relación con el intervalo de longitud de onda total disponible en el interrogador;
    • las pérdidas ópticas en la línea del sensor debidas a las conexiones y el cableado, en relación con el rango dinámico del interrogador;
    • la capacidad de procesamiento del interrogador.
  • ¿Busca un equipo industrial que funcione en continuo o un sistema para hacer pruebas o utilizar durante la instalación? Los equipos con baterías y ordenadores integrados son una mejor opción cuando se hacen mediciones cortas y espaciadas. También hay equipos con otros factores de forma, idóneos para instalación en racks de 19 pulgadas, por ejemplo.
  • ¿Qué nivel de complejidad de software necesita su sistema? No todos los programas de software son compatibles con todos los tipos de interrogadores

3. Software

También hay algunas consideraciones importantes que afectan a la elección del software:

  • ¿Es sencilla la interfaz de software? ¿Qué clase de realimentación visual se necesita? Un software complejo y difícil de utilizar puede causar dolores de cabeza innecesarios. Tampoco es recomendable usar un software o drivers que requieran un equipo de desarrollo experto para manejar el sistema.
  • ¿En qué soporte necesita los datos? ¿Se requiere almacenamiento en la nube o streaming IoT? ¿Es posible guardar los datos en una unidad USB?
  • ¿Hay otros dispositivos en el sistema de medida que deban medir de forma sincronizada? Un software más complejo permite combinar varios dispositivos (incluso de distintos tipos), mientras que un software más sencillo estará limitado a un único dispositivo.
  • ¿El software se necesita solo para una única aplicación? Un sistema de software versátil puede ser igual de fiable en aplicaciones móviles de campo y en ensayos de laboratorio.
  • ¿El operario tiene un nivel de inglés suficiente? No todas las opciones de software se encuentran disponibles en distintos idiomas

Conclusión

Los sensores ópticos con tecnología de fibra con rejilla de Bragg presentan numerosas ventajas con respecto a las galgas extensométricas resistivas convencionales. No obstante, en muchas aplicaciones ambos tipos de sensores son complementarios: desde infraestructuras civiles e industria aeroespacial hasta ensayos de laboratorio y energía.

Pero para sacar el máximo partido a esas ventajas, es necesario seleccionar una cadena de medida óptica con los sensores, los interrogadores y el software correctos. Esperamos que este artículo sirva de ayuda a los ingenieros e integradores de sistemas para tomar decisiones bien fundamentadas que les proporcionen medidas de deformación precisas y fiables.

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Información sobre productos y servicios de HBM

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Por ejemplo, los sensores ópticos de nuestra línea de producto newLight, con tecnología FBG, pueden medir grandes deformaciones con una alta estabilidad a largo plazo. Estos sensores son la mejor elección para las aplicaciones de monitorización de la salud estructural (SHM), debido a que se instalan de manera rápida y sencilla, y a que toleran bien los entornos difíciles.

Si hablamos de interrogadores ópticos, los instrumentos de HBM proporcionan medidas estáticas y dinámicas de alta resolución durante 24 horas al día, los 7 días de la semana. Por ejemplo, hemos desarrollado el nuevo modelo MXFS pensando en la monitorización estructural. En combinación con nuestros sensores ópticos, este interrogador garantiza una cadena de medida continua.

Por su parte, el software de HBM es el eslabón final de la cadena de medida óptica. Nuestro software de adquisición de datos —por ejemplo, catman— se encarga de procesar millones de juegos de datos y ayuda a obtener resultados con rapidez.

Una de las grandes ventajas de los productos de HBM es la posibilidad de combinar distintos sensores, interrogadores y software en función de las necesidades. Disponemos de un completo catálogo de productos de monitorización estructural y podemos suministrarle todo lo que necesita para medir deformaciones de manera precisa y fiable. La tabla siguiente muestra la compatibilidad entre los interrogadores y el software de HBM. Si desea más información acerca de estos productos o ayuda para elegir los componentes más adecuados para su cadena de medida óptica, póngase en contacto con nosotros.

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 BraggMONITORcatman
FS22SI SISI
FS22DISISI
FS42PISINO
MXFSNOSI

 

References

[1] Engineering.com, “Italy’s Morandi Bridge Collapse—What Do We Know?”, 2018. 
https://new.engineering.com/story/italys-morandi-bridge-collapsewhat-do-we-know

[2] Alampalli, S.,  Ettouney, M., “Role of Structural Health Monitoring In Bridge Security”. Bridge Structures 4(3,4), 143-154, 2008. 
https://www.researchgate.net/publication/245494458_Role_of_structural_health_monitoring_in_bridge_security

[3] E.Cheilakou et al. “Strain Monitoring System For Steel And Concrete Structures” Procedia Structural Integrity 10, 25-32, 2018. 
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452321618300532

[4] Cristina Barbosa “Optical Fiber Sensors vs. Conventional Electrical Strain Gauges for Infrastructure Monitoring Applications”, HBM. 
https://www.hbm.com/en/6482/white-paper-optical-fiber-sensors-vs-conventional-electrical-strain-gauges/

[5] U.S. Department of Transportation, Federal Highway Administration, “State of the Practice and Art for Structural Health Monitoring of Bridge Substructures” (No. FHWA-HRT-09-040)], 2014. 
https://www.fhwa.dot.gov/publications/research/infrastructure/structures/bridge/09040/

[6] American Society of Civil Engineers, 2017 Infrastructure Report Card, 2017. 
https://www.infrastructurereportcard.org/cat-item/bridges/

[7] National Research Council Canada (NRCC), Construction Innovation, “Critical Concrete Infrastructure: Extending The Life of Canada’s Bridge Network”. 
https://www.nrc-cnrc.gc.ca/ci-ic/en/article/v18n1-5/

[8] Gastineau, A., Johnson, T., & Schult A. “Bridge Health Monitoring and Inspections–A Survey of Methods”, Minnesota Department of Transportation, 2009. 
https://www.researchgate.net/publication/282912591_Bridge_Health_Monitoring_and_Inspection_-_A_Survey_of_Methods

[9] The Strain Gauge User’s Handbook, Chapman and Hall, 1992.   
https://books.google.co.uk/books?id=YrNr00vhF_gC&printsec=frontcover&dq=resistive+strain+gauges&hl=en&sa=X&ved=0ahUKEwjBxdDgxMvjAhVJTsAKHWQlAroQ6AEIKjAA#v=onepage&q=resistive%20strain%20gauges&f=false

[10] Ramakrishnan et al. “Overview of Fiber Optic Sensor Technologies for Strain/Temperature Sensing Applications in Composite Materials”, Sensors, 16 (1), 99, 2016.  
https://doi.org/10.3390/s16010099

[11] Vishay Precision Group, “Noise Control in Strain Gage Measurements” Tech Note TN-501-2. 
http://www.vishaypg.com/docs/11051/tn501.pdf

[12] Sabri et al.“Fiber Optic Sensors: Short Review and Applications”, DOI: 10.1007/978-981-287-128-2_19, 2015. 
https://www.researchgate.net/publication/278680033_Fiber_Optic_Sensors_Short_Review_and_Applications

[13] Campanella et al., “Fibre Bragg Grating Based Strain Sensors: Review of Technology and Applications”, Sensors, 18(9):3115, 2018. 
https://www.researchgate.net/publication/327710750_Fibre_Bragg_Grating_Based_Strain_Sensors_Review_of_Technology_and_Applications 

[14] Peters et al. “Fiber Optic Sensors For Assessing And Monitoring Civil Infrastructures”, Sensor Technologies for Civil Infrastructures, 1, 121-158, 2014. 
https://doi.org/10.1533/9780857099136.121

[15] Ma et al. “Fiber Bragg Gratings Sensors for Aircraft Wing Shape Measurement: Recent Applications and Technical Analysis”, Sensors (Basel), 19(1): 55, 2019. 
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6339136/