¿Sabías que…?Número 15

…la Fibra Óptica sirve para medir temperatura y otras magnitudes?

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Dolores del Campo, Carmen García Izquierdo

La fibra óptica es una fibra transparente y flexible fabricada generalmente de sílice con diámetro ligeramente más grueso que el de un cabello humano. Las fibras ópticas se usan, en principio, como un medio para transmitir luz entre los dos extremos por lo que tienen numerosas aplicaciones en comunicación y computación, donde permiten la transmisión a distancias más largas y a mayores anchos de banda (velocidades de datos) que los cables eléctricos. Las fibras ópticas tienen la gran ventaja sobre el metal de que las señales viajan a lo largo de ellas con menos pérdidas; además, las fibras son inmunes a la interferencia electromagnética, un problema significativo en el caso de los cables metálicos. Pero la fibra óptica tiene muchos otros usos además de servir para conectarnos a internet o ver los últimos capítulos de nuestras series favoritas.  

Los sensores de temperatura de fibra óptica presentan muchas ventajas en comparación con los sensores convencionales. Por ejemplo, al estar formados totalmente con material dieléctrico los hace ideales para su uso en ambientes hostiles o corrosivos y en lugares con, por ejemplo, alto riesgo de explosividad. Además, su peso y tamaño es muy pequeño y permite mediciones tanto puntuales como distribuidas hasta en kilómetros de longitud con una mínima perturbación del mensurando

La estructura básica de una fibra óptica está compuesta de tres elementos: núcleo, recubrimiento y revestimiento o envoltura exterior (ver figura 1). El núcleo es un filamento cilíndrico de material dieléctrico por el que se propaga principalmente la luz. El recubrimiento también está hecho de material dieléctrico, pero con un índice de refracción inferior al del material del núcleo. Este recubrimiento disminuye la pérdida de luz del núcleo en el aire circundante, disminuye la pérdida por dispersión en la superficie del núcleo, protege la fibra de absorber los contaminantes de la superficie y proporciona resistencia mecánica. El revestimiento o envoltura exterior protege la fibra del deterioro o de daños físicos además de facilitar las condiciones óptimas para permitir que una señal óptica sea guiada a lo largo de la fibra óptica.

Figura 1. Estructura de una fibra óptica

El principio físico de funcionamiento de las fibras se basa en la “reflexión interna total”. El ángulo para el que la reflexión total interna ocurre se llama ángulo crítico de incidencia. A cualquier ángulo de incidencia, mayor que el ángulo crítico, la luz se refleja totalmente en el medio (ver Figura 2).

Figura 2. Reflexión interna total en una fibra óptica.

Un sistema de medida para sensores de fibra óptica (ver figura 3) consta de varios elementos: una fuente óptica (láser, LED, láser de diodo, etc.), fibra óptica, el elemento sensor o modulador que actúa como transductor del mensurando a una señal óptica, un detector óptico y la electrónica de procesamiento (osciloscopio, analizador de espectros etc.).

Figura 3. Representación esquemática de un sistema de medida para sensores de fibra óptica.

Los sensores de fibra óptica se suelen clasificar en dos grupos: intrínsecos y extrínsecos. En los primeros, las propias características internas de la fibra óptica convierten los cambios ambientales (mensurando) en una modulación de la señal de luz, es decir, la propia fibra actúa como transductor. Esta modulación de la señal de luz puede estar en forma de intensidad, fase y frecuencia o polarización. En los sensores extrínsecos, la fibra puede usarse como portadora de información hacia una “caja negra” (transductor) que generará una señal de luz dependiendo de la información que le llegue.

Dependiendo del principio básico de operación nos podemos encontrar con sensores basados en la variación de la intensidad, la fase, la frecuencia o la polarización.

Los sensores de fibra óptica basados en intensidad utilizan las pérdidas de la señal como principio de medida; el mensurando provoca una fuerza que dobla la fibra y produce una atenuación de la señal (por ejemplo sensores tipo microbend), ésta también puede atenuarse por absorción o dispersión. Este tipo de sensores tienen muchas limitaciones ya que estas atenuaciones de la señal pueden estar producidas no sólo por el mensurando sino por otros elementos como empalmes, juntas, etc.

En el caso de los sensores de longitud de onda, cambios en el mensurando producen un cambio en la longitud de la onda de la luz que se detectan por el detector, ejemplos son los sensores de fluorescencia, los de cuerpo negro y los de redes de Bragg. Por su parte, los sensores basados en la fase utilizan cambios en la fase de la luz para detectar los cambios en el mensurando. Estos cambios de fase se detectan por interferometría comparando la fase de la luz en la fibra de señal con la de una fibra de referencia. Para ello, al pasar el haz de luz a través del interferómetro ésta se divide en dos haces, donde un haz se expone al mensurando, experimentando un cambio de fase y el otro se aísla del entorno de detección y se utiliza como referencia. Los tipos de interferómetros más usados son los Mach-Zender, Michelson, Fabry-Perot, Sagnac, polarimétricos o de rejilla.

Por su parte, los sensores basados en la polarización se basan en los cambios en el índice de refracción de la fibra producidos por el mensurando (tensiones mecánicas), lo que se conoce como efecto fotoelástico. Por tanto, se produce una diferencia de fase entre las diferentes direcciones de polarización y, detectando el cambio del estado de polarización en la señal de salida, pueden estimarse los cambios que se han producido en el mensurando.

También se pueden clasificar dependiendo de si la detección se hace de forma puntual, distribuida (la detección se realiza a lo largo de toda la fibra) o quasi-distribuida (entre puntos).

Figura 4.Clasificación de los sensores de fibra óptica por la forma de detección.

Hasta la fecha, se están utilizando los sensores de fibra óptica para medir y controlar diversas magnitudes y parámetros físicos como temperatura, posición, vibración, deformación, humedad, viscosidad, presión, campo eléctrico, etc. También se usa para la determinación de parámetros químicos como pH, análisis de gas y como sensores biomédicos.

Una de los usos más demandados en la actualidad es como sensor de temperatura.

El sensor de temperatura de fibra óptica más común es el de redes de Bragg que son filtros de banda estrecha comúnmente utilizados en telecomunicaciones. Se fabrican utilizando fibras ópticas fotosensibles que se exponen a luz ultravioleta que varía espacialmente, lo que modifica la estructura local de sílice, creando una variación periódica en el índice de refracción local, que se comporta como una red de Bragg. La luz con longitud de onda que coincide con el periodo de la red de Bragg se refleja mientras que las longitudes de onda no resonantes pasan a través de la misma. Los cambios en la temperatura modifican el periodo de la red debido a la expansión térmica y al efecto termo-óptico (cambios en el índice de refracción debido a la temperatura), lo que lleva a un desplazamiento de la longitud de onda.

Para medir temperatura también se están utilizando sensores basados en la dispersión de la luz. Los fenómenos de dispersión espontánea de la luz se producen cuando una onda electromagnética a frecuencias ópticas atraviesa un material y ésta se dispersa debido a las variaciones del índice de refracción causadas por excitaciones elementales del medio. Existen tres fenómenos de dispersión Rayleigh, Brillouin y Raman, y con ese mismo nombre se conocen los sensores de fibra óptica basados en ellos.

La dispersión de Rayleigh es un fenómeno lineal y se produce debido a pequeñas inhomogeneidades e impurezas contenidas en la estructura amorfa del elemento que compone la fibra. Por su parte los fenómenos de dispersión de Brillouin y Raman son no lineales. En el primero, la interacción se produce con las ondas acústicas en el material (interacción fonón-fotón); la dispersión Raman se debe a vibraciones moleculares.

Para ampliar información básica, se pueden consultar las siguientes referencias:

[1] by Xiangyang Li, Chao Yang, Shifang Yang y Guozheng Li. Sensors 2012, 12, 12519-12544; doi:10.3390/s120912519. https://www.mdpi.com/1424-8220/12/9/12519.

[2] Fidanboylu, Kemal & Efendioglu, Hasan. (2009). Fiber Optic Sensors and Their Applications. https://www.researchgate.net/publication/264596659_Fiber_Optic_Sensors_and_Their_Applications

[3] Harun, Sulaiman Wadi & Yasin, M. & Rahman, H.A. & Arof, H. & Ahmad, H.. (2012). Fiber Optic Temperature Sensors. 10.5772/31919. https://www.researchgate.net/publication/221923589

[4] Castrellon-Uribe, Jesus. (2012). Optical Fiber Sensors: An Overview. 10.5772/28529. https://www.researchgate.net/publication/221925330_Optical_Fiber_Sensors_An_Overview [5]  Shivang Ghetia,  Ruchi Gajjar y Pujal Trivedi. International Journal of Electronics Communication and Computer Technology (IJECCT)Volume 3 Issue 4(July 2013). https://pdfs.semanticscholar.org/bb2e/fcdea40c12191227fce0d68eeee4942ebaf9.pdf

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