Principios de cuatro tipos comunes de sensores de rejilla de Bragg de la fibra (FBG)

Descripción general

Los sensores de rejilla de Bragg de la fibra ofrecen la alta precisión, la alta sensibilidad, el tamaño pequeño, la flexibilidad, y el embeddability. Se han desarrollado rápidamente en el campo de detección y se han convertido en uno de los sensores más representativos en la detección de fibra óptica. También han surgido varios sensores fabricados usando rejillas de Bragg de fibra para diferentes propósitos.

Esencialmente, los sensores FBG son un tipo de sensor de fibra óptica. Son frágiles y propensos a dañarse cuando se usan directamente. Para extender su vida útil y mejorar el rendimiento de detección, generalmente se encapsulan para protección. A través de diferentes estructuras y materiales de embalaje, se pueden adaptar para diversas aplicaciones, permitiendo la medición de parámetros como la temperatura, la tensión, la presión y la aceleración. De acuerdo con el método de empaquetado, los sensores de FBG se pueden clasificar en tipos tubulares, substratos-basados, integrados, y suspendidos. De acuerdo con el propósito del empaque, se pueden dividir en empaque protector, empaque que mejora la sensibilidad y empaque compensatorio. Este artículo presenta varios tipos comunes de sensores FBG formados a través del embalaje.

1.       Sensor de temperatura de rejilla Bragg de fibra

El sensor de temperatura es una de las primeras aplicaciones de los sensores FBG. Su mecanismo de detección de temperatura se basa en la expansión y contracción térmica de la rejilla de fibra, lo que provoca cambios en el período de rejilla y el índice de refracción efectivo, cambiando así la longitud de onda central de la FBG. La variación de temperatura se mide usando la relación entre el cambio de temperatura y el desplazamiento de la longitud de onda central. Dado que las FBG desnudas son frágiles, generalmente están protegidas por una carcasa exterior. Actualmente, la mayoría de los sensores de temperatura FBG disponibles en el mercado utilizan un paquete de tubo de acero capilar.

Como se muestra en la Figura 1, el sensor de temperatura FBG típicamente encapsula la rejilla de fibra en un tubo de vidrio capilar. Un extremo se fija con adhesivo, mientras que el otro extremo permanece libre dentro del tubo de vidrio. El tubo de vidrio capilar está protegido además por un tubo de acero exterior, y el aceite conductor térmico de alta temperatura se llena en el interior para mejorar la velocidad de transferencia de calor. Esta estructura protege eficazmente la FBG de la tensión externa. Este método de envasado no solo protege la FBG sino que también resuelve el problema de sensibilidad cruzada entre la temperatura y la tensión.

 Figura 1: Diagrama esquemático del embalaje del sensor de temperatura FBG

 

2.       Sensor de tensión de rejilla Bragg de fibra

El sensor de tensión es la aplicación más clásica de los sensores FBG. Su mecanismo de detección de tensión se basa en el efecto fotoelástico cuando se aplica una fuerza axial a lo largo de la rejilla de fibra, causando cambios en el período de rejilla y el índice de refracción efectivo, y cambiando así la longitud de onda central. La deformación se mide usando la relación entre la variación de deformación y el desplazamiento de la longitud de onda central. Para medir la deformación de un objeto objetivo, el sensor de deformación FBG se une típicamente al objeto usando un adhesivo. La FBG y la diana se deforman juntas, por lo que la deformación medida de la FBG representa la deformación de la diana.

Como se muestra en la Figura 2, el sensor de deformación FBG montado en la superficie a menudo se empaqueta en una estructura en forma de I. El cuerpo principal es una placa de acero en forma de I, con la FBG unida al eje central de la placa de acero central. Las dos bases están fijadas a la estructura objetivo con tornillos. Los experimentos han demostrado que esta estructura de envasado protege eficazmente la FBG, logrando una alta tasa de supervivencia y una buena linealidad entre la tensión y la longitud de onda. Sin embargo, la pérdida de transferencia de deformación en el punto de medición es de aproximadamente el 20%, lo que puede corregirse mediante calibración.

Figura 2:Diagrama esquemático del embalaje del sensor de tensión FBG en forma de I

Dado que las FBG son sensibles de forma cruzada tanto a la temperatura como a la deformación, el efecto del cambio de temperatura debe eliminarse en las mediciones de deformación reales. Normalmente, se empaquetan dos FBGs (una afectada por la tensión, la otra no) para la compensación de temperatura. Como se muestra en la Figura 3, dos FBGs están encapsuladas en un tubo de acero inoxidable. Una FBG se coloca en una chaqueta apretada; cuando el tubo de acero se tensa, se deforma, y esta FBG se ve afectada tanto por la temperatura como por la tensión. El otro FBG se coloca en una chaqueta floja, permitiendo que se mueva libremente sin ser afectado por la tensión; así, este FBG mide solamente temperatura, y su característica puramente de temperatura-detección se utiliza para la remuneración.

Figura 3: Diagrama esquemático del embalaje del sensor de tensión FBG con compensación de temperatura

3.       Sensor de presión de rejilla de Bragg de fibra

Cuando una FBG desnuda se somete directamente a presión, el desplazamiento en su longitud de onda central es muy pequeño, y su sensibilidad a la presión es muy baja. Por lo tanto, se requiere un embalaje apropiado para mejorar la sensibilidad. Actualmente, los sensores de presión FBG convencionales se basan principalmente en la medición de deformación axial, con dos enfoques comunes: unión adhesiva e incrustación.

Como se muestra en la Figura 4, el sensor de presión FBG unido a viga en voladizo encapsula típicamente una viga en voladizo en una pared metálica sellada. La FBG está unida al brazo de la viga en voladizo, y una columna de transmisión está ubicada en el extremo libre de la viga en voladizo. Cuando se aplica presión externa, la columna de transmisión transfiere la presión al voladizo, haciendo que se doble y se deforme. La FBG mide la deformación del voladizo para caracterizar la presión externa. La encapsulación de la viga en voladizo en una pared de metal protege eficazmente la FBG, lo que permite grandes mediciones de presión con alta precisión.

Figura 4: Diagrama esquemático del embalaje del sensor de presión FBG unido por viga en voladizo

Como se muestra en la Figura 5, el sensor de presión FBG embebe típicamente la FBG dentro de un material sensible a la presión, que luego está protegido por una carcasa metálica. El material sensible a la presión es generalmente un polímero caracterizado por un bajo módulo elástico y una alta sensibilidad a la presión. Cuando se aplica presión externa, el polímero estira la FBG, lo que permite la medición de la presión externa. Las ventajas de este método de envasado son su estructura simple y alta sensibilidad a la presión externa. Las desventajas incluyen menor precisión de la medición de presión y poca estabilidad debido a la tendencia al envejecimiento del polímero.

Figura 5: Diagrama esquemático del embalaje del sensor de presión FBG integrado

4.       Sensor de la aceleración de la rejilla de Bragg de la fibra

El sensor de aceleración FBG utiliza un elemento elástico para convertir el desplazamiento causado por la vibración de la aceleración medida en tensión en la FBG, logrando así la modulación de longitud de onda. La capacidad del elemento elástico para transmitir con precisión la señal de vibración de aceleración es crítica. De acuerdo con la estructura del elemento elástico, los sensores de la aceleración de FBG se pueden clasificar en haz-tipo, resorte-tipo, y bisagra-tipo.

Como se muestra en la Figura 6, el sensor de aceleración FBG de tipo viga consiste generalmente en una viga en voladizo y una masa de prueba. Una FBG está unida a la viga en voladizo. Cuando se produce una vibración de aceleración externa, la masa de prueba impulsa la viga en voladizo para deformarse debido a la inercia, y la aceleración se mide detectando la tensión en la FBG. Este método de empaquetado da como resultado una estructura simple adecuada para mediciones de vibración de aceleración de baja frecuencia. Dado que la medición de deformación se basa en la unión, se ve significativamente afectada por la temperatura, por lo que se requiere un diseño de compensación de temperatura.

Figura 6: Diagrama esquemático del embalaje del sensor de aceleración FBG de tipo haz

Figura 7: Diagrama esquemático del embalaje del sensor de aceleración FBG tipo bisagra

Como se muestra en la Figura 7, la estructura de empaquetado del sensor de aceleración FBG de tipo bisagra presenta FBGs unidas en suspensión en ambos extremos de una bisagra flexible. El principio de medición de aceleración es el mismo que el del sensor de aceleración FBG de tipo haz. Uniendo dos FBG en las posiciones suspendidas superior e inferior de la bisagra, se consigue una compensación mutua. Esta estructura ofrece ventajas tales como operación sin fricción, alta precisión e inmunidad a los efectos de la temperatura.