Un sensor de fibra óptica es un sensor que utiliza fibra óptica como elemento de detección ("sensores intrínsecos") o como medio para transmitir señales desde un sensor remoto a los componentes electrónicos que procesan las señales ("sensores extrínsecos"). Las fibras tienen muchos usos en la teledetección. Según la aplicación, se puede utilizar fibra debido a su pequeño tamaño, o porque no se necesita energía eléctrica en la ubicación remota, o porque se pueden multiplexar muchos sensores a lo largo de la longitud de una fibra utilizando el cambio de longitud de onda de la luz para cada sensor, o detectando el retraso de tiempo a medida que la luz pasa a lo largo de la fibra a través de cada sensor. El retraso de tiempo se puede determinar utilizando un dispositivo como un reflectómetro óptico de dominio temporal y el cambio de longitud de onda se puede calcular utilizando un instrumento que implemente reflectometría de dominio de frecuencia óptica.
Los sensores de fibra óptica también son inmunes a las interferencias electromagnéticas y no conducen electricidad, por lo que pueden utilizarse en lugares donde haya electricidad de alto voltaje o material inflamable como combustible para aviones . Los sensores de fibra óptica también pueden diseñarse para soportar altas temperaturas.
Las fibras ópticas se pueden utilizar como sensores para medir la tensión , [1] la temperatura , la presión y otras cantidades modificando una fibra de modo que la cantidad a medir module la intensidad , la fase , la polarización , la longitud de onda o el tiempo de tránsito de la luz en la fibra. Los sensores que varían la intensidad de la luz son los más simples, ya que solo se requiere una fuente y un detector simples. Una característica particularmente útil de los sensores intrínsecos de fibra óptica es que pueden, si es necesario, proporcionar detección distribuida a distancias muy grandes. [2]
La temperatura se puede medir utilizando una fibra que tenga una pérdida evanescente que varíe con la temperatura, o analizando la dispersión de Rayleigh , la dispersión Raman o la dispersión de Brillouin en la fibra óptica. El voltaje eléctrico se puede detectar mediante efectos ópticos no lineales en una fibra dopada especialmente, que alteran la polarización de la luz en función del voltaje o del campo eléctrico. Los sensores de medición de ángulos se pueden basar en el efecto Sagnac .
Se pueden utilizar fibras especiales, como las fibras ópticas de rejilla de fibra de período largo (LPG), para el reconocimiento de dirección [3] . El grupo de investigación en fotónica de la Universidad de Aston en el Reino Unido tiene algunas publicaciones sobre aplicaciones de sensores de curvatura vectorial. [4] [5]
Las fibras ópticas se utilizan como hidrófonos para aplicaciones sísmicas y de sonar . Se han desarrollado sistemas de hidrófonos con más de cien sensores por cable de fibra. Los sistemas de sensores de hidrófonos se utilizan en la industria petrolera, así como en las armadas de algunos países. Se utilizan tanto conjuntos de hidrófonos montados en la parte inferior como sistemas de serpentinas remolcadas. La empresa alemana Sennheiser desarrolló un micrófono láser para su uso con fibras ópticas. [6]
Un micrófono de fibra óptica y unos auriculares de fibra óptica son útiles en áreas con fuertes campos eléctricos o magnéticos, como la comunicación entre el equipo de personas que trabaja con un paciente dentro de una máquina de resonancia magnética (IRM) durante una cirugía guiada por IRM. [7]
Se han desarrollado sensores de fibra óptica para temperatura y presión para mediciones en el fondo del pozo en pozos petrolíferos. [8] [9] El sensor de fibra óptica es muy adecuado para este entorno, ya que funciona a temperaturas demasiado altas para los sensores semiconductores ( detección de temperatura distribuida ).
Las fibras ópticas se pueden utilizar para fabricar sensores interferométricos , como los giroscopios de fibra óptica , que se utilizan en el Boeing 767 y en algunos modelos de automóviles (para fines de navegación). También se utilizan para fabricar sensores de hidrógeno .
Se han desarrollado sensores de fibra óptica para medir la temperatura y la tensión simultáneamente con una precisión muy alta utilizando rejillas de Bragg de fibra . [10] Esto es particularmente útil cuando se adquiere información de estructuras pequeñas o complejas. [11] Los sensores de fibra óptica también son particularmente adecuados para el monitoreo remoto, y se pueden interrogar a 290 km de la estación de monitoreo utilizando un cable de fibra óptica. [12] Los efectos de dispersión de Brillouin también se pueden utilizar para detectar la tensión y la temperatura a grandes distancias (20 a 120 kilómetros). [13] [14]
Se puede crear un sensor de voltaje CA/CC de fibra óptica en el rango de voltaje medio y alto (100–2000 V) induciendo cantidades mensurables de no linealidad de Kerr en fibra óptica monomodo al exponer una longitud calculada de fibra al campo eléctrico externo. [15] La técnica de medición se basa en la detección polarimétrica y se logra una alta precisión en un entorno industrial hostil.
Los campos electromagnéticos de alta frecuencia (5 MHz–1 GHz) se pueden detectar mediante efectos no lineales inducidos en fibras con una estructura adecuada. La fibra utilizada está diseñada de tal manera que los efectos Faraday y Kerr causan un cambio de fase considerable en presencia del campo externo. [16] [ ¿ Fuente poco confiable? ] Con un diseño de sensor apropiado, este tipo de fibra se puede utilizar para medir diferentes cantidades eléctricas y magnéticas y diferentes parámetros internos del material de la fibra.
La potencia eléctrica se puede medir en una fibra mediante un sensor de amperios de fibra a granel estructurado acoplado a un procesamiento de señal adecuado en un esquema de detección polarimétrica. Se han llevado a cabo experimentos para respaldar la técnica. [17]
Los sensores de fibra óptica se utilizan en los cuadros eléctricos para transmitir luz desde un arco eléctrico a un relé de protección digital para permitir el disparo rápido de un disyuntor para reducir la energía en la explosión del arco. [18]
Los sensores de fibra óptica basados en rejillas de Bragg mejoran significativamente el rendimiento, la eficiencia y la seguridad en varias industrias. Con la tecnología integrada de FBG, los sensores pueden proporcionar análisis detallados e informes completos sobre información con una resolución muy alta. Este tipo de sensores se utilizan ampliamente en varias industrias como las telecomunicaciones, la automoción, la aeroespacial, la energía, etc. [ cita requerida ] Las rejillas de Bragg de fibra son sensibles a la presión estática, la tensión y la compresión mecánicas y los cambios de temperatura de la fibra. La eficiencia de los sensores de fibra óptica basados en rejillas de Bragg de fibra se puede proporcionar mediante el ajuste de la longitud de onda central de la fuente emisora de luz de acuerdo con los espectros de reflexión de las rejillas de Bragg actuales. [19]
Los sensores extrínsecos de fibra óptica utilizan un cable de fibra óptica , normalmente multimodo , para transmitir luz modulada desde un sensor que no sea de fibra óptica o un sensor electrónico conectado a un transmisor óptico. Una de las principales ventajas de los sensores extrínsecos es su capacidad de llegar a lugares que de otro modo serían inaccesibles. Un ejemplo es la medición de la temperatura en el interior de los motores a reacción de los aviones mediante el uso de una fibra para transmitir la radiación a un pirómetro de radiación situado fuera del motor. Los sensores extrínsecos también se pueden utilizar de la misma forma para medir la temperatura interna de los transformadores eléctricos , donde los campos electromagnéticos extremos presentes hacen imposibles otras técnicas de medición.
Los sensores de fibra óptica extrínsecos proporcionan una excelente protección de las señales de medición contra la corrupción por ruido. Desafortunadamente, muchos sensores convencionales producen una salida eléctrica que debe convertirse en una señal óptica para su uso con fibra. Por ejemplo, en el caso de un termómetro de resistencia de platino , los cambios de temperatura se traducen en cambios de resistencia. Por lo tanto, el PRT debe tener una fuente de alimentación eléctrica. El nivel de voltaje modulado en la salida del PRT puede entonces inyectarse en la fibra óptica a través del tipo habitual de transmisor. Esto complica el proceso de medición y significa que deben dirigirse cables de alimentación de bajo voltaje al transductor.
Los sensores extrínsecos se utilizan para medir la vibración, la rotación, el desplazamiento, la velocidad, la aceleración, el par y la temperatura. [20]
Es bien sabido que la propagación de la luz en la fibra óptica está confinada en el núcleo de la fibra basándose en el principio de reflexión interna total (TIR) y una pérdida de propagación cercana a cero dentro del revestimiento, lo que es muy importante para la comunicación óptica pero limita sus aplicaciones de detección debido a la no interacción de la luz con el entorno. Por lo tanto, es esencial explotar nuevas estructuras de fibra óptica para perturbar la propagación de la luz, permitiendo así la interacción de la luz con el entorno y la construcción de sensores de fibra óptica. Hasta ahora, se han propuesto varios métodos, incluidos el pulido, el grabado químico, el estrechamiento, la flexión, así como la inscripción de rejilla de femtosegundos, para adaptar la propagación de la luz y provocar la interacción de la luz con los materiales de detección. En las estructuras de fibra óptica mencionadas anteriormente, los campos evanescentes mejorados se pueden excitar de manera eficiente para inducir la luz a exponerse e interactuar con el medio circundante. Sin embargo, las fibras por sí mismas solo pueden detectar muy pocos tipos de analitos con baja sensibilidad y selectividad cero, lo que limita en gran medida su desarrollo y aplicaciones, especialmente para biosensores que requieren tanto alta sensibilidad como alta selectividad. Para superar el problema, una forma eficiente es recurrir a materiales sensibles, que poseen la capacidad de cambiar sus propiedades, como RI, absorción, conductividad, etc., una vez que cambian los entornos circundantes. Debido al rápido progreso de los materiales funcionales en los últimos años, hay varios materiales de detección disponibles para sensores químicos y biosensores de fibra óptica, incluidos grafeno, metales y óxidos metálicos, nanotubos de carbono, nanocables, nanopartículas, polímeros, puntos cuánticos, etc. Generalmente, estos materiales cambian reversiblemente su forma/volumen al ser estimulados por los entornos circundantes (los analistas objetivo), lo que luego conduce a la variación de RI o absorción de los materiales de detección. En consecuencia, los cambios circundantes serán registrados e interrogados por las fibras ópticas, realizando funciones de detección de las fibras ópticas. Actualmente, se han propuesto y demostrado varios sensores químicos y biosensores de fibra óptica [21] .