Las ventajas de la fibra óptica de la fibra de fibra (FBG) se han convertido en una tecnología de piedra angular en la detección moderna, ofreciendo precisión y fiabilidad incomparables para medir la temperatura y la tensión en entornos exigentes. A diferencia de los sensores electrónicos convencionales, los FBG son inmunes a la interferencia electromagnética (EMI), pueden ser multiplexados a lo largo de una sola fibra, y permanecen estables bajo condiciones extremas.

Los sensores FBG operan sobre el principio de reflejar una longitud de onda específica de luz que se desplaza en respuesta a estímulos externos. Mediante la medición precisa de este cambio de longitud de onda, los ingenieros pueden inferir cambios de temperatura y tensión mecánica con resoluciones en el rango de microstrés y sub-degrejo Celsius. La capacidad de la tecnología para soportar cientos de puntos de detección a lo largo de una sola fibra óptica, una técnica conocida como complejidad de longitud de onda.

¿Qué son los puntos de fibra óptica?

[LT] El núcleo de fibra óptica es un modulación periódica del índice de refracción a lo largo de un segmento corto de fibra óptica, que suele ser de 1 a 20 milímetros de longitud. Esta modulación se crea al exponer la fibra a una luz ultravioleta intensa (UV) a través de una máscara de fase, que da forma a la luz en fringes.

Cualquier cambio en la temperatura o la tensión altera ya sea neff] o ⋅ (o ambos), causando un cambio correspondiente en la longitud de onda reflejada. Este cambio es lo que permite a los FBG funcionar como sensores altamente sensibles y lineales. La capacidad inherente para codificar información de detección directamente en el dominio de longitud de onda, en lugar de intensidad o fase, proporciona inmunidad robusta a la potencia fluctónica

Principio de la Operación: El Estado de Bragg y el Cambio de Wavelength

La relación fundamental que rige los sensores FBG es la condición Bragg. Para un grapado uniforme, la longitud de onda reflejada se determina únicamente por el período de grapado y el índice de refracción eficaz. Cuando el grapado se somete a tensión (ε) o un cambio de temperatura (ΔT), el cambio de onda ΔλB se expresa como:

Δλ]B / λB = (1 − p]e) ε + (α + Š) ΔT

Aquí, pe] es el coeficiente fotoelástico eficaz (típicamente ~0.22 para las fibras de sílice), α es el coeficiente de expansión térmica, y Š es el coeficiente termo-optico. Esta relación lineal mantiene una amplia gama de tensión (hasta varios miles de microstren) y temperatura (desde criogénico a varios cientos de grados Celsius), haciendo calibración recta.

Un matiz importante es la sensibilidad cruzada: tanto la temperatura como la tensión afectan simultáneamente la longitud de onda. En la práctica, los sistemas de medición a menudo incorporan una referencia FBG que se protege de la tensión pero expuesta a la temperatura, o utilizan configuraciones de doble arrastre para separar los dos efectos. Técnicas avanzadas, como el uso de grapas escritas en diferentes tipos de fibra (por ejemplo, FBG regenerados para altas temperaturas) o la interrosión.

Métodos de interrogación

Para convertir la longitud de onda en mediciones, una unidad de interrogador debe iluminar el FBG y detectar el espectro reflejado. Los enfoques de interrogatorio comunes incluyen:

  • Con base en el espectro: Utiliza un grapado de difracción y una matriz de fotodetector lineal para capturar todo el espectro. Adecuado para aplicaciones de laboratorio y de velocidad moderada.
  • Fuente láserTunable: Suda un láser a través de la gama de longitud de onda de FBG, detectando la máxima reflexión. Ofrece alta resolución y tasas de escaneo rápido, ideal para el monitoreo dinámico de la tensión.
  • Método de filtro de edge: Convierte cambios de longitud de onda en cambios de intensidad utilizando un filtro dependiente de longitud de onda, permitiendo mediciones de alta velocidad (MHz) a un costo de rango dinámico.
  • Interferómetro Fabry‐Pérot: Proporciona resolución de sub-picometros para mediciones estáticas de ultraprecisa.

Los interrogadores comerciales modernos pueden monitorear cientos de sensores FBG simultáneamente a tasas de muestreo superiores a 10 kHz, haciéndolos adecuados para el análisis de vibraciones y el control en tiempo real.

Sensación de temperatura con los FBG

Los sensores de temperatura FBG explotan dos efectos primarios: la expansión térmica de la fibra (que cambia ≥) y la dependencia de temperatura del índice refractivo (el efecto termo-optico). Para una fibra de sílice estándar, la sensibilidad de temperatura es de aproximadamente 10–12 pm/°C a 1550 nm. Con los interrogadores de alta resolución logrando mejores de 1 pm resolución, los FBG pueden detectar cambios de temperatura tan pequeños como 0.1 °C o menos.

Una ventaja crítica de los FBG sobre los termopares o detectores de temperatura de resistencia (RTDs) es su capacidad para operar en entornos duros: alta tensión, campos magnéticos fuertes, atmósferas corrosivas o radiación intensa. Por ejemplo, los FBG se han desplegado dentro de reactores nucleares para el monitoreo de temperaturas in-core, donde fallaría la electrónica convencional. De manera similar, se utilizan en el aeroespacial para medir las temperaturas componentes de motores de la fibra óptica de la fibra óptica de la fibra de vuelo, como negliga

Sensores de temperatura FBG especializados

Se han desarrollado varias variaciones de sensores de temperatura FBG para abordar retos específicos:

  • FBGs regenerados (RFBGs): Creado por el anelante térmico de las grapas estándar, los RFBG pueden soportar temperaturas de hasta 1200 °C, haciéndolos adecuados para la vigilancia de la turbina de gas y el horno.
  • Fiber Bragg gratings in sapphire fiber: Opera más allá de 1500 °C para entornos extremos como el ensayo de motores de cohetes.
  • ] FBGs de polímero: Aumentar la sensibilidad de temperatura (hasta 200 pm/°C) utilizando una chaqueta de polímero con un alto coeficiente de expansión térmica, útil para aplicaciones de baja temperatura o alta sensibilidad.
  • FBGs de longitud de onda: Dos graciones superpuestas en diferentes longitudes de onda proporcionan auto-referencia, eliminando la necesidad de un canal de referencia separado.

Sensación de estrado con FBGs

Cuando se aplica una carga mecánica a una fibra óptica que contiene un FBG, el período de grapado cambia debido a la deformación elástica, lo que lleva a un cambio en la longitud de onda Bragg. La sensibilidad de la tensión depende del coeficiente fotoelástico y del material de fibra. Para una fibra de silica estándar de monomodo, la sensibilidad de la cepa es de aproximadamente 1.2 pm/με (microstrain) a 1550 nm.

Una de las aplicaciones más extendidas de la detección de cepas FBG es el monitoreo estructural de salud (SHM). Los FBG están incrustados o montados en superficie en puentes, túneles, represas, cuchillas de turbina de viento, alas de aviones y cascos de nave para detectar deformaciones, grietas y fatiga. Su capacidad para formar conjuntos de sensores densos a lo largo de una sola fibra

Dinámica vs. Strain estático

Los interrogadores de FBG pueden medir tanto la tensión estática (quasi estática) como la dinámica. Las mediciones dinámicas, hasta varios kilohercios, se utilizan para monitorear vibraciones, análisis modal y detección de impactos. En el aeroespacial, los FBG se han montado en estructuras de aviones compuestas para monitorear cargas en vuelo y detectar daños de huelgas de aves o de rayos.

Consideraciones clave para la medición del estrado

  • ] Indemnización de la temperatura: Debido a que el FBG responde tanto a la temperatura como a la tensión, debe incluirse una referencia FBG que es aislado de tensión (por ejemplo, encapsulado en un tubo suelto) para substraer el componente de temperatura.
  • ] Calibración del factor de calibre: La sensibilidad de la tensión debe ser calibrada para la fibra y el revestimiento específico, ya que el coeficiente fotoelástico puede variar ligeramente con las condiciones de cajón.
  • Método de movimiento: Los FBG montados en superficie suelen estar unidos con adhesivos de alta resistencia (por ejemplo, cyanoacrylate para corto plazo, epoxy para largo plazo) o soldados con parches compuestos de metal-fibra. Los FBGs embebidos deben ser cuidadosamente integrados para evitar la transferencia de cepas.
  • Fatigue y durabilidad: Las fibras ópticas de sílice son frágiles pero pueden sobrevivir millones de ciclos a niveles de tensión moderados (mucho mil με). Para aplicaciones de cepa más altas, se dispone de fibras especiales con mayor resistencia o recubrimientos metálicos.

Ventajas de los sensores de FBG sobre tecnologías convencionales

Los sensores FBG ofrecen un conjunto de beneficios que han impulsado su adopción en industrias:

  • Inmunidad electromagnética: Como el elemento de detección es óptico, los FBG no se ven afectados por la IAM, la interferencia de radio frecuencia (RFI) y el relámpago, lo que los hace ideales para centrales eléctricas, subestaciones eléctricas, ferrocarriles y entornos de resonancia médica.
  • ] Capacidad de plegamiento: Una sola fibra puede albergar docenas o incluso cientos de gratificaciones, cada una con una longitud de onda única de Bragg. Esto permite la detección distribuida con cableado mínimo, reduciendo el peso y el costo de instalación.
  • Tamaño mínimo y peso ligero: Un FBG se contiene dentro de una fibra de 125 m-diametro, fácilmente incrustada en componentes compuestos, hormigón o metal sin comprometer la integridad estructural.
  • Alta sensibilidad y precisión: Los interrogadores modernos logran resolución de longitud de onda sub-picometrómetro, traduciendo a tensión sub-microstrain y resolución de temperatura sub-0.1 °C.
  • La estabilidad y fiabilidad a largo plazo: Los FBG exhiben una deriva insignificante durante años de funcionamiento, especialmente cuando se envasan correctamente. No son susceptibles a la corrosión o a la desintegración eléctrica.
  • El ancho de banda y la teleobservación: Las fibras ópticas pueden transmitir señales a más de diez kilómetros con baja pérdida, permitiendo el control remoto de tuberías, plataformas offshore y estructuras inaccesibles.
  • Seguridad intrínseca: Debido a que no existe corriente eléctrica en la localización de detección, los FBG son inherentemente seguros para su uso en entornos explosivos o inflamables (por ejemplo, refinerías de petróleo, minas de carbón).

Principales aplicaciones de sensores de temperatura y estrado FBG

Aeroespacial y Defensa

Los sensores FBG se utilizan ampliamente en el espacio para el monitoreo estructural de las estructuras de aire, las alas y los componentes del motor. Proporcionan datos de tensión en tiempo real durante pruebas de tierra, pruebas de vuelo y monitoreo en el servicio, ayudando a detectar fatiga y daños antes de la falla catastrófica. La detección de temperatura es crítica para la monitorización de las cuchillas del motor de turbina y la evaluación del sistema de protección térmica.

Infraestructura civil

Los puentes, túneles, represas y edificios de altura se instrumentan con redes FBG para monitorear la tensión, desplazamiento y temperatura. Por ejemplo, el puente de la Confederación en Canadá y el puente de Tsing Ma en Hong Kong utilizan los arrays FBG para la evaluación de salud a largo plazo. Los FBG también están incrustados en hormigón durante el vertido para monitorear la temperatura de curado y la tensión temprana, reduciendo el riesgo de grieta térmica.

Energía y Generación de Energía

En la industria del petróleo y el gas, los FBG monitorean la cepa de tuberías, los gradientes de temperatura y las fugas. Se despliegan en entornos de baja presión y temperatura para el monitoreo de los depósitos. Las cuchillas de turbinas de viento utilizan sensores de cepa FBG para el monitoreo de las condiciones, permitiendo el mantenimiento predictivo y una mayor eficiencia.

Médico y Biomédico

Los sensores FBG se utilizan cada vez más en dispositivos médicos debido a su tamaño pequeño, inercia química y compatibilidad con la IRM. Las aplicaciones incluyen detección de presión intraocular para glaucoma, monitoreo de temperatura durante tratamientos hipertermia y detección de cepas en implantes ortopédicos. Los dispositivos FBG de punta de catéter permiten mediciones de presión y temperatura mínimamente invasivas durante las cirugías.

Geotechnical and Environmental Monitoring

Los deslizamientos, terremotos y subsistencias terrestres pueden ser monitoreados mediante la incorporación de los arrays de sensores FBG en las pendientes o agujeros. Los sensores miden los cambios de tensión y las variaciones de temperatura, proporcionando alerta temprana de inestabilidad de la pendiente. En el monitoreo de glaciares, los FBG registran dinámicas térmicas y mecánicas en entornos remotos y fríos.

Desafíos y limitaciones

A pesar de sus muchas ventajas, los sensores FBG enfrentan varios desafíos:

  • Cross-sensibilidad: Los efectos de temperatura y tensión separados requieren un diseño cuidadoso del sistema, especialmente en entornos donde ambos varían simultáneamente.
  • La hervidura de la fibra óptica: Aunque los revestimientos protectores y el embalaje ayudan, la fibra de sílice sigue siendo frágil bajo alto o impacto. Se necesitan cables robustos especializados para aplicaciones de carga pesada.
  • Costo de intervención: Los interrogadores de alto rendimiento pueden ser caros, aunque los costos disminuyen a medida que la tecnología madura.
  • ] Rango dinámico limitado para grandes deformaciones: El rango de tensión estándar de FBG es normalmente de hasta 5000 με. Para grandes cepas (por ejemplo, en fallas geotécnicas), se requieren grapas especiales o FBGs descolorados.
  • límites de la temperatura: Los gratos estándar se degradan por encima de ~300 °C. Los FBG regenerados y zafiros extienden el rango pero tienen compensaciones en sensibilidad o costo.
  • La estabilidad del Wavelength: La longitud de onda Bragg puede derivar debido al envejecimiento de la fibra o el paquete, requiriendo la recalibración periódica en despliegues a largo plazo.

Tendencias e Investigaciones futuras

La investigación en curso tiene como objetivo superar las limitaciones actuales y ampliar las capacidades de sensores de FBG.

  • Diseños avanzados de remachado: FBGs desfilados en fase, FBGs deshuesados por π y FBG inclinados permiten una mayor sensibilidad, características espectrales estrechas y nuevos parámetros de detección como índice refractivo o curvado.
  • ]Sensing acústico distribuido (DAS) con arrays FBG: Mientras que DAS utiliza habitualmente el dispersión de Rayleigh, los arrays FBG ofrecen una mayor relación de señal a ruido para mediciones de cepas cuantitativas. Los avances en las gamas de FBG de alta densidad (por ejemplo, usando láser de segundo grado en las rescripciones espaciales) están permitiendo una verdadera distribución.
  • ]Integración con materiales compuestos: La incorporación de los FBGs en fibra de carbono o fibra de vidrio compuestos durante la fabricación permite "estructuras inteligentes" que el estrés y la temperatura de auto-control durante toda su vida.
  • Procesamiento de señal impulsado por AI: Se están desarrollando algoritmos de aprendizaje automático para interpretar automáticamente cambios complejos de longitud de onda de múltiples FBGs, permitiendo el reconocimiento de patrones para la detección de daños y el mantenimiento predictivo.
  • interrogadores de bajo costo: Se están comercializando interrogadores compactos de bajo nivel (incluyendo fotonicos a gran escala) que abren la tecnología FBG a aplicaciones de mercado en automoción, electrónica de consumo y edificios inteligentes.
  • Sistemas de detección de hibridos: Combinando los FBG con otras tecnologías de fibra óptica (por ejemplo, Brillouin, Raman, sensores interferométricos) proporciona una detección multiparamétrica (tren, temperatura, vibración, presión) de una sola red de fibra óptica.

Conclusión

Los nuevos sistemas de detección de la fibra óptica, que permiten el funcionamiento en entornos difíciles, inmunes a la interferencia electromagnética y que se multipliquen en una sola fibra óptica, hacen que sean invaluables para la infraestructura crítica, el aeroespacial, la energía y las aplicaciones biomédicas. Mientras que los desafíos como la sensibilidad cruzada y la hervidumbre de la fibra persisten, el diseño continuo de la escritura.

Para más lectura, explore el archivo OSA Publicación] sobre sensores de grapado de fibra, la base de datos del Instituto Nacional de Normas y Tecnología para la calibración de sensores ópticos.