ES2209522T3 - Sensor de tension con reticulas de bragg de fibra optica. - Google Patents

Abstract

Sensor de tensión, que comprende: una primera y una segunda retículas de Bragg de fibra (1A, 1B, 1C), y un tramo conector de fibra óptica (6A, 6B) que conecta las retículas en serie, siendo cada retícula substancialmente rectilínea y siendo las dos retículas no paralelas y presentando diferentes longitudes de onda de Bragg nominales, presentando el tramo conector de fibra óptica un codo, caracterizado porque una parte del tramo conector está ahusado (61), incluyendo dicha parte ahusada una porción de cintura alargada (62) cuya sección transversal presenta un área reducida, y dicho codo está formado en la porción de cintura.

Description

Sensor de tensión con retículas de Bragg de fibra óptica.

La presente invención se refiere a sensores de tensión y en particular a sensores de tensión multielemento que incorporan retículas de Bragg de fibra como elemento sensor de tensión.

Las rosetas tensiométricas son sensores de tensión multielemento bien conocidos y empleados ampliamente en pruebas mecánicas. Las rosetas tensiométricas comprenden típicamente dos o tres medidores de tensión colineales montados en un substrato común. Los medidores de tensión están dispuestos típicamente a 45º o 60º entre sí, para formar respectivamente rosetas rectangulares o triangulares (delta).

Las rosetas tensiométricas pueden montarse a nivel superficial o estar incorporadas en el interior de estructuras y emplearse para proporcionar una variedad de información sobre campos de tensión. Por ejemplo, las rosetas tensiométricas pueden emplearse para medir componentes de tensión perpendiculares y paralelas a un eje principal, o para determinar la orientación del eje principal si éste todavía no se conoce.

En el pasado, las rosetas tensiométricas típicamente empleaban como elementos sensores tres medidores eléctricos de tensión mecánica (por ejemplo, medidores de tensión mecánica de tipo resistivo). En la figura 1 se muestra esquemáticamente una roseta tensiométrica rectangular conocida, e incluye tres medidores de tensión de tipo resistivo S1, S2, S3 dispuestos a 45º unos de los otros. Los medidores de tensión están montados en un substrato común substancialmente plano 99 para facilitar la manipulación y para mantener las orientaciones relativas. Para obtener resultados óptimos, los medidores de tensión individuales están colocados lo más cerca posible los unos de los otros. Para cada sensor se requieren conexiones eléctricas independientes.

Las retículas de Bragg de fibra son bien conocidas y pueden emplearse como sensores de temperatura o como medidores de tensión como alternativa a los sensores eléctricos, aportando numerosas ventajas. Las retículas de Bragg de fibra (FBGs) y su empleo como elementos sensores se describen en "Optical Fibre Bragg Grating Sensors: A Candidate for Smart Structure Applications", Dunphy et al, Capítulo 10 de Fibre Optic Smart Structures, editado por Eric Udd, 1995 John Wiley & sons, Inc., ISBN 0-471- 55448-0.

La figura 2(a) muestra esquemáticamente una FBG típica. La FBG está formada de un tramo de fibra óptica que tiene un núcleo 21 recubierto por un material de revestimiento 22 que tiene un índice de refracción menor que el del núcleo. Típicamente, la fibra óptica es una fibra unimodal (monomodo), siendo el diámetro del núcleo suficientemente pequeño de modo que, para una fuente de luz escogida, la luz puede propagarse a lo largo del núcleo sólo según un único modo. El modo único es substancialmente guiado a través de la zona fronteriza entre el núcleo y el revestimiento. Las "líneas" 11 de la retícula son una serie de perturbaciones del índice de refracción del núcleo N_{c} distribuidas regularmente en el espacio. La retícula se extiende a lo largo de un tramo L de la fibra, donde L está comprendida típicamente en el intervalo que va de 1 mm a 20 mm, y la variación del índice de refracción del núcleo a lo largo del eje longitudinal Z de la FBG se muestra en la figura 2(b). Pueden emplearse una variedad de técnicas para fabricar FBGs. En una de estas técnicas, las perturbaciones del índice de refracción en el núcleo se forman aplicándole a la fibra una máscara de fase y exponiendo la fibra a una luz ultra violeta intensa. En otra técnica, las perturbaciones del índice se forman exponiendo la fibra a un diagrama de interferencias producido por la intersección de dos mitades de un haz de láser UV. El espaciado X de las perturbaciones del índice está determinado por el ángulo de intersección de las dos mitades del haz. Las perturbaciones en el índice de refracción del núcleo producidas por estas técnicas son típicamente del orden de una parte a mil o menor.

Las fibras ópticas empleadas para fabricar FBGs tienen generalmente una capa protectora por fuera del revestimiento. Para formar la retícula, se saca la capa protectora antes de que la fibra sea expuesta a luz UV. Después de la exposición, se le vuelve a aplicar la capa protectora a la parte desprotegida de la fibra, para devolverle su longevidad.

Cuando FBG entra en la fibra una luz de espectro amplio en forma de señal de entrada, la mayoría de las longitudes de onda pasan a través de la región reticulada y forman una señal transmitida 82. Sin embargo, las perturbaciones periódicas de índice producen una reflexión de Bragg intensa de las componentes de la señal de entrada que tienen una longitud de onda \lambda_{b}, la longitud de onda de Bragg, donde:

\lambda_{b}= 2XN_{c}

Por tanto, puede emplearse un detector sintonizable para buscar un pico en la señal reflejada, o una caída en la señal transmitida. La longitud de onda a la que ocurre el pico o la caída proporciona por tanto una indicación del espaciado X entre las líneas de la retícula.

Cuando la FBG está sujeta a tensión longitudinal, el espaciado X cambia provocando por tanto un cambio de la longitud de onda de Bragg. Para una buena aproximación, la longitud de onda de Bragg es proporcional a la tensión a lo largo del eje longitudinal. Ventajosamente, el sensor reticulado tiende a rechazar de forma intrínseca los efectos de los campos de tensión que no están alineados con el eje longitudinal.

Ventajosamente, ya que la tensión se determina midiendo la longitud de onda de Bragg, la medición no se ve afectada por fluctuaciones en la intensidad de la luz de entrada.

La retícula de Bragg de fibra proporcionan otras ventajas asociadas a los sensores de fibra óptica. Por ejemplo, es inmune a la interferencia electromagnética, pesa poco, tiene dimensiones reducidas, presenta una elevada tolerancia frente a la temperatura y la radiación, y dura incluso en medios de condiciones duras.

Se conocen las rosetas tensiométricas de fibra óptica que emplean tres FBGs separadas a modo de elementos sensores de tensión, en los cuales cada FBG tienen sus propias fibras de entrada y salida, separadas de las de las otras FBGs. Aunque la región sensora puede ser convenientemente compacta (es decir, las FBGs pueden estar dispuestas cerca las unas de las otras), los tres conjuntos de fibras relacionadas no son convenientes.

Mejor que conectarse de forma separada a cada FBG de un grupo de FBGs, se conoce en su lugar la conexión en serie de las mismas, si se da el caso de que sus longitudes de onda de Bragg nominales son suficientemente diferentes. En la figura 3 se muestra una disposición de este tipo. Aquí, una fuente de luz 70 emite una señal, una parte 80 de la cual entra a una cadena de retículas de Bragg de fibra en serie 1A, 1B, 1C a través de un acoplador bidireccional C. Las tres FBGs tienen diferentes longitudes de onda de Bragg nominales \lambda_{BA}, \lambda_{BB}, \lambda_{BC}, respectivamente y la señal reflejada 81 que retorna hacia el acoplador consiste esencialmente de luz a justamente esas tres longitudes de onda. Una parte de la señal reflejada 81 entra en un detector de luz 71 a través del acoplador C. En este ejemplo, la fuente de luz 70 es una fuente de banda ancha y el detector de luz 71 es un detector sintonizable de banda estrecha. Por tanto, a medida que el detector explora sobre un intervalo de longitudes de onda, se detectarán los picos de intensidad correspondientes a las tres longitudes de onda de Bragg, pudiéndose determinar de ese modo la tensión que sufre cada FBG. Por tanto, en la figura 3 las retículas de Bragg de fibra están multiplexadas.

Se apreciará que en disposiciones alternativas puede emplearse una fuente de luz sintonizable de banda estrecha en conjunto con un detector de luz de mayor ancho de banda para medir las longitudes de onda de Bragg.

Se conocen las rosetas tensiométricas que incorporan retículas de Bragg de fibra conectadas en serie y en la figura 4 se muestra esquemáticamente un ejemplo de las mismas. Aquí, los componentes de fibra óptica de la roseta tensiométrica están formados a partir de una única fibra continua que comprende una parte de entrada 50 conectada a una primera retícula de Bragg de fibra 1A. La primera retícula de Bragg de fibra está conectada mediante un bucle conector 6 a la segunda FBG 1B que a su vez está conectada mediante un segundo bucle 6 a una tercera FBG 1C. Las FBGs están dispuestas a 0º, 45º y 90º con respecto al eje nominal y la roseta está encapsulada en una película delgada de material encapsulante 9. En la figura, el grosor de la fibra óptica está exagerado para mayor claridad.

Las tres FBGs están dispuestas cerca la una de la otra, conformando una parte sensora compacta, pero el tamaño global de la roseta es significativamente mayor debido a que los tramos conectores de la fibra 6 están constituidos en forma de bucles. Aunque se desea hacer los bucles lo más pequeños posibles para minimizar el tamaño global de la roseta, el mínimo radio de curvatura debe ser suficientemente grande para evitar pérdidas por curvatura significativas. Para fibras ópticas típicas que tienen un diámetro de revestimiento de hasta 200 \mum, el mínimo radio de curvatura que no presenta pérdidas es de aproximadamente 1 cm. Por lo tanto, de este gran radio de curvatura mínimo de las fibras resulta un dispositivo grande y aparatoso cuando los sensores FBG multiplexados están dispuestos según la geometría necesaria.

Las rosetas triangulares constituidas de FBGs multiplexadas son también conocidas, y están descritas, por ejemplo, en "State of Strain Evaluation With Fibre Bragg Grating Rosettes" S. Magne et al, Applied Optics, 20diciembre 1997, Volume 36, No. 36, PP9437 - 9447. En la figura 5 se muestra esquemáticamente un ejemplo de una de estas rosetas triangulares. Las tres FBGs, 1A, 1B, 1C están conectadas en serie mediante dos bucles en forma de L en el tramo conector de fibra 6, y las FBGs están dispuestas a 60º unas de las otras. De nuevo, el tamaño mínimo de los bucles conectores en forma de L está determinado por el mínimo radio de curvatura de la fibra, haciendo que la roseta tenga un tamaño de aproximadamente 8 cm.

Por tanto, la disposición relativa de las FBGs está dictada por el diseño y funcionalidad de la roseta, y las partes conectoras de la fibra 6 tienen que estar apropiadamente encaminadas desde el extremo final de una FBG hasta el extremo "de entrada" de otra. El hecho de que la parte conectora de una fibra óptica no puede ser curvada en un radio inferior a un 1 cm sin introducir pérdidas apreciables, ha sido en el pasado una seria restricción para la disposición de partes conectoras, y a su vez ha conllevado la imposibilidad de fabricar rosetas tensiométricas prácticas basadas en FBG más pequeñas, de dimensiones inferiores a unos pocos centímetros cuadrados.

En la patente U.S. nº 5.726.744, también se da a conocer un microsistema óptico, plano, de tipo roseta, con medidores de tensión que tienen guías dieléctricas empleadas para medir un sistema de tensiones o esfuerzos aplicados a una parte, en el cual la parte está bajo tensión puramente longitudinal, estando al menos una roseta formada por al menos dos medidores de tensión con guías dieléctricas y en el cual un circuito de cálculo hace posible determinar dicha tensión solucionando un sistema de ecuaciones.

Claramente, se desea fabricar sensores de tensión multielemento más pequeños, que incluyan rosetas tensiométricas basadas en FBG, especialmente para aplicaciones donde el sensor tiene que ser incorporado en una estructura. Por ejemplo, se puede incorporar un dispositivo más pequeño sin afectar la fuerza de la estructura

El sensor de tensión descrito anteriormente, tal como se expone en la publicación referida anteriormente de Magne et al, puede resumirse en que incluye una primera y segunda retícula de Bragg de fibra y un tramo de fibra óptica que conecta las retículas en serie, estando cada retícula dispuesta substancialmente rectilínea, siendo las dos retículas no paralelas, teniendo diferentes longitudes de onda de Bragg nominales, y donde el tramo conector de fibra óptica tiene un codo (flexión curvada).

De acuerdo con un primer aspecto de la presente invención se proporciona un sensor de tensión que comprende una primera y segunda retícula de Bragg de fibra, y un tramo de fibra óptica que conecta las retículas en serie, estando cada retícula dispuesta de forma substancialmente rectilínea, siendo las dos retículas no paralelas, teniendo diferentes longitudes de onda de Bragg nominales, y donde el tramo conector de fibra óptica tiene un codo curvado, caracterizado en que una porción del tramo conector está ahusado, donde la parte ahusada incluye una porción de cintura alargada que tiene un sección transversal de área reducida, y donde dicho codo está formado en la porción de cintura.

Por lo tanto, las FBGs multiplexadas y substancialmente rectilíneas responden sólo a las componentes de tensión que están alineadas con sus respectivos ejes longitudinales. Están dispuestas de forma no paralela para responder a diferentes componentes de tensión, y pueden, por ejemplo, estar dispuestas substancialmente en un plano común en un ángulo de 65º, 45º o 90º unas de las otras, formando parte de una roseta tensiométrica.

A diferencia de los sensores de tensión anteriores basados en FBG, el tramo conector de fibra óptica incluye una parte ahusada. El ahusamiento (estrechamiento progresivo) de fibras ópticas es un proceso bien conocido e típicamente implica calentar una sección de la fibra bajo una llama y después alargar o estirar la sección para formar una cintura ahusada, o cuello, de sección transversal de área reducida. Generalmente, la cintura ahusada está estirada de tal modo que se obtiene una sección transversal substancialmente uniforme, y las regiones de la fibra sobre la que tiene lugar la reducción del área de la sección transversal se conocen como las porciones de transición ahusada, es decir, la parte ahusada típicamente comprende dos porciones de transición ahusada y la porción de cintura ahusada, estando la cintura ahusada conectada con secciones no ahusadas de la fibra mediante las porciones de transición ahusada.

La presente invención explota el hecho de que la porción de cintura ahusada puede doblarse sin tener pérdidas según un radio inferior que en el caso de la fibra no ahusada. Por lo tanto, el encaminamiento del tramo conector de fibra desde una retícula a la otra puede conseguirse substancialmente mediante codos formados en la porción de cintura ahusada, estando este encaminamiento menos condicionado por el reducido radio de curvatura mínimo.

Brevemente, mediante el empleo de partes ahusadas en el tramo conector y la formación de codos de radios inferiores a 10 mm en la cintura ahusada, el encaminamiento del tramo conector de un FBG al siguiente puede ser más directo, permitiendo que las dimensiones del dispositivo puedan verse reducidas.

En general, cuanto más pequeña sea el área de la sección transversal de la porción de cintura ahusada, más pequeño será el mínimo radio de curvatura aceptable y por tanto más directa podrá ser la conexión. Sin embargo, la sección transversal de la porción de cintura ahusada debe ser suficientemente grande para permitir que las longitudes de onda de luz deseadas puedan propagarse a través del dispositivo.

Un aparato sensor que comprende el sensor de tensión puede emplear un detector de luz dispuesto para detectar luz que vuelve reflejada por las retículas hacia un tramo de fibra de entrada, o de modo alternativo, puede estar dispuesto para medir la luz transmitida a través de las retículas y que sale a través de un tramo de salida de la fibra conectado a un extremo de la segunda FBG.

El sensor de tensión puede comprender FBGs adicionales, conectadas en serie con la primera y la segunda, y cada tramo conector de fibra puede incorporar una parte ahusada.

El radio de curvatura mínimo aceptable de la porción de cintura depende de la sección transversal de las porciones de cintura, y para diámetros de cintura ahusada de por ejemplo 20 micras e inferiores, el mínimo radio de curvatura puede ser tan pequeño como 1 mm.

La presente invención permite la construcción de una roseta tensiométrica de fibra óptica (con las ventajas concomitantes de los sensores de fibra óptica) que es compacta y tiene un número mínimo de terminaciones de fibra.

Ventajosamente los tramos conectores pueden estar formados de una fibra óptica unimodal, y el área reducida de la sección transversal de la cintura puede ser inferior a la mitad del área nominal de la sección transversal de la fibra monomodo no ahusada.

Los extremos de los tramos conectores pueden comprender partes no ahusadas de la fibra unimodal, ya que, tal como se ha afirmado anteriormente, las fibras unimodal (también conocidas como monomodo) comprenden un núcleo recubierto de material de revestimiento a modo de funda, que tiene un índice de refracción menor que el núcleo. El núcleo es típicamente circular con un diámetro suficientemente pequeño de modo tal que sólo el modo fundamental puede propagarse hacia la fibra no ahusada. Este modo fundamental es guiado en la fibra no ahusada por la zona fronteriza entre el núcleo y el revestimiento. El diámetro del núcleo es típicamente inferior a 15 micras aunque se conocen también otras dimensiones. Reducir el área de la sección transversal de la porción de cintura en al menos un factor de dos, asegura que en la práctica, el modo fundamental no puede ser confinado y guiado por más tiempo por la interfaz (zona fronteriza) entre el material del núcleo y el material de revestimiento en la cintura ahusada. Dada esta situación, el modo fundamental es guiado por el material de revestimiento exterior a la zona fronteriza (típicamente la interfaz entre el encapsulado o el material de envasado o el aire) a medida que se propaga a través de la cintura ahusada, y el núcleo no desempeña papel alguno por más tiempo. Inicialmente, el modo fundamental se propaga a través de la parte no ahusada de la fibra guiado por el núcleo de la fibra. Al entrar en la región de transición ahusada se encuentra con un núcleo cuya sección transversal se va reduciendo gradualmente. Llega un punto en el que el núcleo es demasiado pequeño para guiar el modo fundamental, que entonces "se expande" para ser guiado por la parte externa del revestimiento, es decir, el campo de luz se propaga ahora a través de toda la sección transversal de la cintura.

Se conoce que una región suficientemente ahusada de una fibra unimodal aislada, es menos propensa a tener pérdidas por curvatura que la fibra no ahusada, debido a que el modo fundamental que previamente está débilmente confinado en la zona fronteriza entre el núcleo y el revestimiento, queda confinado intensamente en la región ahusada por la zona fronteriza entre el revestimiento y el aire. Por ejemplo, en el documento "Miniature High Performance Loop Reflector", Oakley et. al, Electronics Letters, 5 diciembre 1991, Volumen 27, Número 25 PP2334-2335, se informa de que se puede formar un codo de 1,5 mm de diámetro sin introducir pérdidas medibles (es decir, inferiores a 0,05 dB en este caso) en la región de cintura ahusada de una fibra unimodal, teniendo la fibra no ahusada un diámetro de núcleo de 10 micras, un diámetro de revestimiento de 125 micras, y una longitud de onda de corte de 1250 nanómetros, y el diámetro del revestimiento en la porción de cintura ahusada informado originalmente es de 30 micras. El diámetro auténtico del revestimiento en la cintura ahusada era de hecho 15 micras, tal como se informaba en una corrección publicada después. A pesar de ello, el diámetro de curvatura mínimo de la fibra no ahusada que es coherente con las bajas pérdidas era de 4 cm aproximadamente.

Se ha determinado en formas de realización de la presente invención, que estrechando suficientemente las fibras ópticas para asegurar que el campo del modo fundamental entrante abandone el núcleo de la fibra a la entrada de la región de transición ahusada, la porción de cintura ahusada puede incorporar un codo de radio pequeño que presenta pérdidas adicionales despreciables. Ventajosamente, la porción de cintura ahusada puede tener un diámetro de menos de 50 micras.

Preferiblemente, la porción de cintura ahusada puede tener un "diámetro" de 30 micras o inferior. En general, cuanto más pequeño es el diámetro de la cintura ahusada, más cerrado es el codo que puede realizarse sin introducción de pérdidas inaceptables. Sin embargo, el diámetro mínimo está determinado por la longitud de onda de la luz que se ha previsto para ser guiada por la cintura.

En el empleo de regiones no ahusadas de una fibra unimodal tales como tramos conectores, los tramos conectores pueden estar encaminados entre las FBGs mediante codos en la cintura con un radio de 2 mm o inferior, de modo que el tamaño global del dispositivo puede verse significativamente reducido en comparación con las disposiciones de la técnica anterior.

Ventajosamente, el tramo conector puede estar formado de fibra óptica con un núcleo recubierto por material de revestimiento, donde el material de revestimiento tiene un índice de refracción, y donde la parte ahusada puede estar contenida en un primer cuerpo de un primer medio que tenga un índice de refracción menor que el índice de refracción del material de revestimiento, estando el primer cuerpo en contacto directo con la superficie de la parte ahusada.

El hecho de que este tipo de medio contenga la parte ahusada, mantiene el guiado intenso de la luz en la cintura, permitiendo que se puedan formar en ella codos de radio pequeño sin pérdidas apreciables. Al estar la porción de cintura contenida, queda protegida de perturbaciones y de contaminación, y se facilita una buena adhesión a un segundo cuerpo que contenga al primero.

El primer cuerpo puede ser una capa protectora que recubra la superficie de la parte ahusada.

El primer cuerpo puede extenderse a lo largo de toda la porción de cintura y puede cubrir, recubrir o encapsular total o parcialmente la porción de transición ahusada.

Preferiblemente, el primer cuerpo es un cuerpo de goma de silicona transparente. Este material tiene un índice de refracción suficientemente pequeño para mantener un guiado de luz intenso en la porción de cintura, y teniendo como consecuencia que no se produzcan pérdidas adicionales en la cintura curvada. La goma de silicona protege la(s) porciones(s) de cintura y no permite que una tensión significativa sea transmitida hacia la(s) cinturas(s) curvada(s). Por tanto, la goma de silicona flexible puede evitar que la tensión que está monitorizando el sensor cause incrementos inaceptables en las pérdidas que tienen lugar en las porciones curvadas de cintura ahusada.

El sensor de tensión puede estar contenido adicionalmente (encapsulado) en un segundo cuerpo de un segundo medio, que puede ser igual o diferente al primer medio. Preferiblemente el segundo cuerpo es un cuerpo de material substancialmente rígido, tal como una resina epoxy, capaz de transmitir la tensión hacia las retículas de Bragg.

En ciertas formas de realización de la presente invención, para proporcionar un guiado de luz incluso más intenso en la porción de cintura del tramo conector, se confina una capa o bolsa de gas en un cuerpo encapsulante que contiene las retículas de Bragg y la parte conectora, de modo que la capa o bolsa de gas envuelve la porción de cintura ahusada. La bolsa puede extenderse para envolver completamente la parte ahusada. La luz está guiada intensamente por la interfaz formada entre el material de revestimiento de la porción de cintura y el gas, y pueden formarse codos de diámetro pequeño y libres de pérdidas. El gas puede ser, por ejemplo, aire y/o puede estar a baja presión de modo tal que la bolsa contiene esencialmente vacío.

Para facilitar el confinamiento de una bolsa de gas alrededor de la parte ahusada, el sensor puede incluir un manguito tubular, que rodea y que se extiende a lo largo de la parte ahusada. El manguito puede extenderse hasta las FBGs y/o las secciones no ahusadas del tramo conector, y formar un sello amovible con ellas, y en las disposiciones en las que el dispositivo está encapsulado (envasado) el manguito puede evitar que el material encapsulante entre en contacto con la porción de cintura ahusada.

En formas de realización alternativas, en el material de envasado se forman burbujas de gas que rodean a las partes ahusadas.

La primera y segunda FBG y el tramo conector pueden estar formados a partir de una única fibra continua para minimizar pérdidas, donde la fibra puede ser una fibra unimodal.

Preferiblemente, el sensor comprende un cuerpo de goma de silicona (transparente) que recubre o encapsula la porción de cintura de modo que está en contacto con la superficie de la porción de cintura, y un cuerpo de material rígido que encapsula tanto el cuerpo de goma de silicona como las retículas de Bragg. Por tanto, el material rígido está en contacto con la superficie de las retículas de Bragg, pero está separado de la superficie de la porción de cintura ahusada mediante la goma de silicona.

La tensión aplicada al sensor (es decir, al cuerpo encapsulante rígido) puede ser transmitida entonces hacia las retículas de Bragg, pero no es transmitida hacia la(s) porción(es) de cintura curvada(s) debido al cuerpo flexible encapsulante/protector de goma de silicona.

Preferiblemente, el sensor comprende dos láminas, entre medio de las cuales están colocadas las FBGs y el tramo conector colocadas. Preferiblemente, sólo las FBGs están unidas a las láminas, quedando la porción de cintura ahusada sin soporte. Por tanto, la tensión aplicada a las láminas puede ser transmitida a las FBGs pero no a la porción ahusadas y curvada. Por tanto, se pueden evitar incrementos en las pérdidas producidas en el codo (o en cada codo) cuando se aplica tensión al sensor, o al menos considerarlos insignificantes.

Preferiblemente, las láminas están en contacto directo con las FBGs, es decir que la separación entre las láminas es básicamente sólo el diámetro de las FBGs. Por tanto, puede emplearse una pequeña cantidad de material de unión para unir las FBGs a las láminas. Incluso cuando las láminas están separadas por la distancia mínima posible (determinada por los diámetros de las FBGs) la porción de cintura ahusada, que tiene un diámetro reducido, no queda confinada entre las láminas y puede dejarse sin soporte en aire para mejorar el guiado de la luz. Por tanto, el sensor puede tener una estructura laminar.

A continuación se describirán formas de realización de la presente invención en relación a los dibujos adjuntos, en los cuales:

La figura 1 es un diagrama esquemático de una roseta tensiométrica eléctrica conocida;

La figura 2a es un diagrama esquemático de una retícula de Bragg de fibra conocida;

La figura 2b muestra la variación del índice de refracción del núcleo a lo largo de la FBG de la figura 2a;

La figura 3 es un diagrama esquemático de un aparato sensor que comprende FBGs multiplexadas;

La figura 4 es un diagrama esquemático de una roseta tensiométrica conocida que incorpora FBGs;

La figura 5 es un diagrama esquemático de otra roseta tensiométrica conocida que emplea FBGs;

La figura 6 es un diagrama esquemático de una forma de realización de la presente invención;

La figura 7 es un diagrama esquemático más detallado de la forma de realización de la figura 6;

La figura 8 es un diagrama esquemático de varias formas de realización de la presente invención;

La figura 9 es un diagrama esquemático de una parte de un sensor de tensión que constituye una forma de realización de la presente invención;

La figura 10 es un diagrama esquemático de una parte de una forma de realización adicional;

La figura 11 es un diagrama esquemático de una roseta tensiométrica que constituye una forma de realización de la presente invención;

La figura 12 es un diagrama esquemático de otra roseta tensiométrica que constituye una forma de realización de la presente invención;

La figura 13 es un diagrama esquemático de una forma de realización adicional;

La figura 14 es un diagrama esquemático de otra forma de realización;

La figura 15 es un diagrama esquemático de una forma de realización de un sensor de tensión de la presente invención;

La figura 16 es un diagrama esquemático de una roseta tensiométrica que constituye una forma de realización de la presente invención;

La figura 17 es un diagrama esquemático de una roseta tensiométrica según una forma de realización adicional de la presente invención; y

La figura 18 es una vista esquemática lateral de un sensor de tensión según una forma de realización adicional.

En relación ahora a la figura 6, en este ejemplo tres FBGs 1A, 1B, 1C están conectadas en serie mediante las partes conectoras 6 de fibra óptica. Las partes conectoras incorporan codos B de radios inferiores a 10 mm, formados en las porciones de cintura de las partes ahusadas de los tramos conectores. Aunque las FBGs están dispuestas a 0º, 45º y 90º respecto un eje nominal, codos de radio pequeño dispuestos en las partes conectoras permiten que el encaminamiento entre las FBGs sea más directo que en las disposiciones de la técnica anterior. No se requieren bucles de mayor diámetro.

La figura 7 muestra esquemáticamente con mayor detalle una forma de realización de la figura 6. Las FBGs y las partes conectoras 6 están formadas a partir de un único tramo continuo de una fibra unimodal para minimizar las pérdidas (es decir, no hay ni juntas ni empalmes). Cada parte conectora comprende una parte ahusada que consiste en las porciones de transición ahusada 61 y una porción de cintura 62. El área de la sección transversal ha sido reducida suficientemente de modo que, en la práctica, el modo único de luz no puede ser guiado por el núcleo residual en la cintura. El área de la sección transversal del núcleo 611 se reduce a lo largo de las porciones de transición ahusada.

En relación ahora a la figura 8, esta figura muestra esquemáticamente una variedad de formas de realización de la presente invención. En cada caso, los tramos conectores 6 de fibra óptica que conectan las FBGs 1A, 1B, 1C incluyen partes ahusadas, y se forman los codos B en las cinturas de las partes ahusadas, teniendo estos codos un radio mínimo de curvatura inferior a 10 mm.

La figura 8a muestra una roseta tensiométrica rectangular, estando las tres FBGs conectadas mediante tres codos B.

La figura 8b muestra lo que se denomina roseta triangular (delta) en la cual las tres FBGs están conectadas por dos codos.

La figura 8c muestra parte de un sensor de tensión que incorpora dos FBGs conectadas mediante un único codo B y substancialmente dispuestas a 90º unas de las otras.

La figura 8d muestra un sensor de tensión nominalmente plano, en el cual las FBGs delgadas están dispuestas una encima de la otra, cruzadas en 90º, y conectadas mediante el tramo conector 6 que incorpora dos codos B. Mediante la superposición, de ese modo, de las FBGs, se reduce adicionalmente las dimensiones del sensor. Ya que los diámetros de las fibras que comprenden las FBGs son pequeños, las FBGs cruzadas pueden ser envasadas en una película delgada para constituir un sensor de tensión manejable de prácticamente dos dimensiones.

La figura 8e muestra una forma de realización en la cual el codo B formado en la cintura del tramo conector es de hecho un bucle pequeño, que tiene un radio de curvatura substancialmente inferior a 10 mm.

Las figuras 8f, g y h muestran disposiciones alternativas de rosetas tensiométricas de tres elementos que constituyen formas de realización de la presente invención.

La figura 9 muestra en detalle parte de un sensor que constituye una forma de realización de la presente invención. En este diagrama esquemático, el diámetro de las fibras está exagerado para su ilustración. En este ejemplo, las dos FBGs 1A, 1B y los tramos conectores 6 están formados a partir de un único tramo continuo de fibra óptica que tiene un núcleo 21 recubierto por un revestimiento 22. En un extremo de la primera FBG 1a, la fibra se hace progresivamente más estrecha sobre una porción de transición ahusada 61, 611 hacia una porción de cintura ahusada 62, cuya sección transversal tiene un área aproximadamente constante. En el segundo extremo de la porción de cintura, la fibra se ensancha progresivamente hacia una segunda porción de transición ahusada que conecta con un extremo de la segunda FBG 1b.

Por tanto, en este ejemplo el tramo conector consiste totalmente en las partes ahusadas 61, 611, 62. La extensión del tramo conector se muestra delimitada por las líneas discontinuas D1. Dentro de la porción de transición ahusada el núcleo 21 se hace más estrecho 611 hasta tal punto que en la porción de cintura deja de tener un papel significativo en el guiado de la luz.

Un manguito tubular flexible 7 envuelve y se extiende sobre toda la longitud de la parte ahusada y forma un sello con ambas FBGs. Una bolsa o capa de aire está confinada dentro del tubo 7 y a lo largo de toda su extensión, quedando la parte ahusada envuelta de gas con un índice de refracción pequeño. La propagación de la luz a lo largo de la parte ahusada proveniente de una FBG hacia la siguiente está intensamente confinada y guiada por la interfaz existente entre el material de revestimiento y el aire, y disponiendo la parte ahusada de forma que esté envuelta de gas, se pueden incluso formarse codos de curvatura cerrada en la porción de cintura ahusada sin tener pérdida alguna.

Aunque en este ejemplo, la porción de cintura 62 no toca el interior del tubo 7, es aceptable algo de contacto en otras formas de realización.

La forma de realización de la figura 9 ha sido constituida desplazando el tubo 7 sobre la parte ahusada y encapsulando después (también conocido como envasar o forrar) el dispositivo con una película delgada de material encapsulante, siendo elegido el material de forma tal que tenga un índice de refracción inferior al del revestimiento 22. El material encapsulante 9 está en contacto directo con las FBGs, pero se ha evitado que contacte con la parte ahusada a través del tubo 7 y el aire confinado. Está claro que, si la viscosidad del material encapsulante, antes de la consolidación, es suficientemente grande, entonces el tubo 7 puede ser capaz de excluir el material de la región que envuelve la parte ahusada, sin tener que sellar bien las FBGs.

En relación ahora con la figura 10, en esta forma de realización el tramo conector y las FBGs están formadas a partir de un tramo de fibra óptica unimodal. El tramo conector consiste de dos partes no ahusadas 63 de la fibra en sus extremos, consistiendo cada lado de la parte ahusada en dos porciones de transición ahusada 61, 611 conectadas por una porción de cintura 62. Para encaminar el tramo conector entre las FBGs, se forma un único codo B en la porción de cintura 62, teniendo el mismo un radio mínimo inferior a 2 mm.

La porción de cintura 62 y parte de las porciones de transición ahusada están recubiertas con un material 30 que tiene un índice de refracción menor que el del material de revestimiento 22. En este ejemplo, el recubrimiento no recubre totalmente la parte ahusada, y algunas secciones de su superficie 65 no están recubiertas.

El recubrimiento protege la cintura ahusada y conserva un guiado intenso de luz, minimizando las pérdidas por curvatura.

El sensor también puede estar envasado en una capa o película de material adecuado para fijar las posiciones relativas de las FBGs y facilitar su manejo.

La figura 11 muestra una roseta tensiométrica que constituye una forma de realización de la presente invención y comprende tres FGBs dispuestas a 60º unas de las otras en una configuración triangular (delta). Un único tramo de fibra 50 actúa como terminación de entrada y terminación de salida para los sensores conectados en serie. El encaminamiento entre las FBGs se logra mediante dos codos B en las porciones de cintura ahusada 62 de los tramos conectores, y las porciones conectoras están encapsuladas en toda su longitud en el material 30, que tiene un índice de refracción menor que el del revestimiento 22. En este ejemplo, el encapsulado de los tramos conectores se extiende para cubrir parte de las propias retículas de Bragg.

En un extremo de la tercera retícula de Bragg de fibra 1c se dispone una superficie absorbente no reflectante.

Esta superficie terminal asegura que sólo la luz que vuelve hacia atrás hacia la fibra de entrada/salida 50 es luz reflejada por las retículas según sus longitudes de onda de Bragg características. Mediante la incorporación de unos medios de terminación no reflectantes en uno de los extremos de la cadena de retículas de Bragg de fibra, se minimiza el número de terminaciones de fibra hacia el dispositivo.

Los componentes de fibra óptica son envasados adicionalmente en una película delgada 9 de un material adecuado. Cuando dicho material que constituye la película está consolidado es substancialmente rígido, para transmitir la tensión hacia las FBGs y tiene un índice de refracción menor que el del material de revestimiento 22.

En la forma de realización de la figura 12, un único cuerpo de material 9 encapsula, en contacto directo, las superficies de las FBGs y la porción ahusada del tramo conector.

Volviendo ahora a la figura 13, en esta forma de realización las dos FBGs 1a y 1b han sido formadas en serie a lo largo de un tramo continuo de fibra óptica uniformemente ancho, es decir, que no tiene un revestimiento independiente. Un tramo conector, mostrado como delimitado por las líneas discontinuas D1, incluye una sección ahusada que consiste en las transiciones ahusadas 61 y una cintura 62. La porción de cintura incluye un codo B de radio 1 mm que tiene forma de bucle. La totalidad de la porción ahusada está encapsulada en una bolsa de gas confinada dentro del material de envasado 9. La bolsa de gas está envuelta por una estructura envolvente 71 que evita que el material encapsulante 9 entre en contacto con la parte ahusada durante el proceso de envasado.

La figura 14 muestra una roseta tensiométrica de acuerdo con la presente invención y que comprende las partes de entrada 50 y las partes de salida 52, de fibra óptica. La fibra óptica es una fibra unimodal y las FBGs 1a, 1b, 1c están constituidas en la porción de cintura 62 de una parte ahusada de la fibra. Otras porciones de cintura adicionales conectan las FBGs incorporando codos de radios inferiores a 1 mm. Mediante la formación de las FBGs en la porción de cintura, las dimensiones de la roseta pueden verse reducidas drásticamente, en comparación con las disposiciones anteriores. La roseta está encapsulada en un material adecuado 9.

La figura 15 muestra una forma de realización adicional en la cual unas retículas de Bragg de fibra substancialmente rectilíneas 1a, 1b están dispuestas una respecto a la otra en un ángulo de \theta y envueltas por una película de material 9. Las FBGs están formadas sobre un tramo continuo de fibra óptica, y el tramo conector que está delimitado por las líneas discontinuas D1 incluye porciones no ahusadas 63 que están curvadas según un radio mínimo no inferior a 1 cm. La parte ahusada del tramo conector que se muestra delimitada por las líneas discontinuas D2 incorpora dos codos B de radio pequeño en la cintura 62 y el encaminamiento del tramo conector entre las FBGs se logra substancialmente mediante los codos B. La totalidad de la parte ahusada 61, 62 del tramo conector está envuelta en una burbuja de gas formada en el material encapsulante 9.

La figura 16 muestra una roseta tensiométrica rectangular de tres elementos de acuerdo con una forma de realización de la presente invención. La primera y segunda FBG 1a, 1b están conectadas mediante un tramo conector que incluye una parte no ahusada 63 entre dos partes ahusadas 61 y 62. La parte no ahusada 63 es substancialmente rectilínea y los codos están formados en las porciones de cintura ahusada 62, estando las porciones de cintura ahusada 62 y las porciones de transición ahusada encapsuladas en un material 91 el cual, cuando está consolidado, es substancialmente flexible y tiene un índice de refracción inferior que los de las fibras ópticas constituyentes. Un segundo tramo conector conecta la segunda y la tercera FBG y también está encapsulado en un material flexible 91. Se forma una película substancialmente rígida 9 alrededor del dispositivo, entrando en contacto directo con las FBGs y las superficies exteriores 91. El material substancialmente rígido 9 es capaz de transmitir la tensión a las FBGs, y las partes flexibles 91 proporcionan a las partes ahusadas un cierto grado de protección frente a tirones indeseados. Además, el material flexible 91 puede tener un índice de refracción menor que el que presentan los encapsulantes rígidos.

En este ejemplo, el material flexible es goma de silicona transparente. Encapsular los codos con este material no conlleva pérdidas adicionales.

La figura 17 muestra una forma de realización adicional en la que tres FBGs están envueltas en una película de material 9 y las porciones de cintura de los tramos conectores están dispuestas en forma de aperturas o huecos 101 realizados en la película. Pueden formarse estos huecos extrayendo el material de película de las porciones de cintura ahusada durante el proceso de encapsulación, o de modo alternativo, pueden formarse mediante ataque químico sobre el material encapsulante después de que éste se haya curado o consolidado. Se pueden añadir películas de material adecuado a cada lado de la película 9 de modo que quede gas atrapado en los huecos 101. Este es un modo conveniente de fabricar dispositivos en los que se mantienen un guiado de luz intenso en el codo comprendido en la porción de cintura ahusada, haciendo que la superficie de la porción de cintura esté en contacto con un gas.

El dispositivo de la figura 17 es aproximadamente cuadrado y presenta un lado de 2 cm.

La figura 18 muestra una vista esquemática lateral de una forma de realización adicional. En este ejemplo, tres retículas de Bragg 1a, 1b, 1c están comprendidas entre dos láminas rígidas paralelas P_{T}, P_{B}. La separación entre la lámina superior P_{T} y la lámina inferior P_{B} de modo que ambas están en contacto directo con las FBGs (la separación es igual al diámetro de la fibra no ahusada). Cada FBG está pegada (unida) a las láminas, y la tensión en las láminas puede transmitirse a las FBGs. Las porciones de cintura ahusada 62 tienen un diámetro reducido y por tanto no están en contacto con las láminas. Las porciones de cintura ahusada no están encapsuladas en goma de silicona o resina epoxy, pero están rodeadas por aire en el espacio existente entre las láminas. La tensión en la lámina no puede transmitirse directamente a las porciones de cintura ahusada. Las porciones de cintura ahusada incorporan codos de 90º y en la figura pueden verse las superficies enfrentadas "frontalmente" 61f de las porciones de transición ahusada de la primera y tercera FBGs 1a, 1c.

Pueden usarse los sensores según la presente invención como sensores acoplados a superficies, o como sensores incorporados en estructuras y componentes hechos de materiales estructurales con agentes reforzadores, por ejemplo materiales reforzados con fibra de carbono o materiales basados en cemento.

En el caso de estas últimas aplicaciones, el sensor o roseta requiere estar completamente encapsulado para su protección y su consolidación durante el proceso de incorporación. En particular, esto es esencial para las secciones curvadas de la cintura ahusada que de forma inherente son frágiles por haberles sido extraídos los recubrimientos protectores y por haberles sido reducido el diámetro mediante un proceso de ahusamiento o proceso de estiramiento. Los codos en las porciones de cintura ahusada también presentarán muchas pérdidas si se ven sujetos a distorsiones incontroladas, siendo especialmente sensibles a las distorsiones producidas en las regiones de transición ahusada. Adicionalmente, si el material envolvente no tiene un índice de refracción suficientemente pequeño, se perderá luz debido a la reducción parcial o total de la capacidad de guiado de la cintura curvada.

Incluso en el caso de aplicación sobre superficies, también se requiere encapsulación con el propósito de que la roseta pueda ser convenientemente, y de forma segura, manejada y aplicada a la superficie de prueba.

Por tanto, en las formas de realización de la presente invención la roseta puede estar encapsulada en un material moldeable tal como epoxy, que tiene un índice de refracción substancialmente menor que el material que forma el revestimiento de la fibra óptica.

La roseta puede ser encapsulada en un material moldeable tal como epoxy, quedando las regiones de cintura ahusada y curvadas, rodeadas de epoxy con un índice de refracción substancialmente inferior al del material que forma el revestimiento de la fibra óptica, donde el epoxy que la rodea puede ser aplicado o bien durante el moldeado o, de modo alternativo, aplicado a modo de capa protectora antes de la encapsulación.

De modo alternativo, la roseta puede ser encapsulada en material moldeable tal como epoxy, mientras que las partes curvadas y ahusadas están contenidas en finos tubos flexibles que permiten que la cintura curvada esté substancialmente libre de contacto con las paredes del tubo, aunque algo de contacto es aceptado.

Como alternativa al epoxy, puede usarse goma de silicona, por ejemplo como un material de envasado, moldeable o encapsulante o como material de recubrimiento.

Por supuesto, pueden usarse otros materiales adecuados, y en ciertas formas de realización pueden emplearse un número de diferentes materiales, por ejemplo un primer material que recubre las partes curvadas y ahusadas y un segundo material que encapsule al sensor.

Claims (15)

1. Sensor de tensión, que comprende:

una primera y una segunda retículas de Bragg de fibra (1A, 1B, 1C), y un tramo conector de fibra óptica (6A, 6B) que conecta las retículas en serie, siendo cada retícula substancialmente rectilínea y siendo las dos retículas no paralelas y presentando diferentes longitudes de onda de Bragg nominales, presentando el tramo conector de fibra óptica un codo,

caracterizado porque una parte del tramo conector está ahusado (61), incluyendo dicha parte ahusada una porción de cintura alargada (62) cuya sección transversal presenta un área reducida, y dicho codo está formado en la porción de cintura.

2. Sensor de tensión según la reivindicación 1, en el que el tramo conector (6A, 6B) está formado de fibra óptica unimodal, y dicha área reducida de la sección transversal es menor que la mitad del área nominal de la sección transversal de una parte no ahusada de la fibra unimodal.

3. Sensor de tensión según las reivindicaciones 1 ó 2, en el que el tramo conector (6A, 6B) está formado de fibra óptica unimodal con un núcleo (21) recubierto de material de revestimiento, presentando el material de revestimiento un índice de refracción, y comprendiendo además el sensor un primer cuerpo de un primer medio que tiene un índice de refracción menor que dicho índice de refracción del material de revestimiento, conteniendo dicho primer cuerpo y estando en contacto con la superficie de la parte ahusada.

4. Sensor de tensión según la reivindicación 3, en el que dicho primer cuerpo comprende una capa protectora (30) que recubre la superficie de la parte ahusada (61).

5. Sensor de tensión según las reivindicaciones 3 ó 4, que comprende un segundo cuerpo de un segundo medio que encapsula la parte ahusada y las retículas de Bragg de fibra, estando el segundo medio separado de la superficie de la parte ahusada por dicho primer cuerpo.

6. Sensor de tensión según las reivindicaciones 1 ó 2, que comprende un cuerpo encapsulante (9) que contiene las retículas de Bragg de fibra (11a, 11b) y la porción conectora (61, 62), y una bolsa de gas confinada en dicho cuerpo encapsulante y que envuelve la parte ahusada.

7. Sensor de tensión según la reivindicación 6, que comprende un manguito tubular (7) que envuelve y que se extiende a lo largo de la parte ahusada (61) y que contiene la bolsa de gas.

8. Sensor de tensión según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la primera y la segunda retículas de Bragg de fibra están formadas a partir de una fibra óptica continua.

9. Sensor de tensión según la reivindicación 8, en el que la fibra óptica continua es una fibra óptica unimodal.

10. Sensor de tensión según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las dos retículas de Bragg de fibra están substancialmente en el mismo plano y están dispuestas para formar por lo menos una parte de una roseta tensiométrica.

11. Sensor de tensión según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende un cuerpo envolvente de protección de goma de silicona (91) para encapsular la porción de cintura de forma que la goma de silicona está en contacto con la superficie de la porción de cintura, y un cuerpo de material substancialmente rígido que encapsula el cuerpo de goma de silicona y las retículas de Bragg de fibra.

12. Sensor de tensión según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende dos láminas substancialmente rígidas (P_{B}, P_{T}) dispuestas de forma substancialmente paralela, en el que las retículas de Bragg de fibra y el tramo conector están dispuestos entre las láminas en un plano paralelo a las láminas, y las retículas de Bragg de fibra están unidas rígidamente a las láminas.

13. Sensor de tensión según la reivindicación 12, en el que las láminas están separadas por una distancia substancialmente igual al diámetro nominal de las retículas de Bragg de fibra.

14. Sensor de tensión según las reivindicaciones 12 ó 13, en el que la porción de cintura no está rígidamente unida a las láminas.

15. Aparato sensor que comprende:

un sensor de tensión según cualquiera de las reivindicaciones anteriores;

una fuente de luz dispuesta para introducir luz a las retículas; y

un detector de luz dispuesto para detectar la luz reflejada desde, o transmitida a través de las retículas,

siendo la fuente de luz y el detector de luz operables para proporcionar una indicación de las longitudes de onda de Bragg.