Sensor de fibra óptica

Un sensor de fibra óptica es un sensor que utiliza fibra óptica como elemento sensor ("sensores intrínsecos") o como medio para transmitir señales desde un sensor remoto a la electrónica que las procesa ("sensores extrínsecos"). Las fibras tienen múltiples aplicaciones en la teledetección . Dependiendo de la aplicación, se puede utilizar fibra debido a su pequeño tamaño, a que no requiere energía eléctrica en la ubicación remota o a que permite la multiplexación de varios sensores a lo largo de la fibra mediante el desplazamiento de la longitud de onda de la luz para cada sensor, o bien midiendo el retardo temporal a medida que la luz se propaga a través de la fibra y pasa por cada sensor. El retardo temporal se puede determinar mediante un dispositivo como un reflectómetro óptico en el dominio del tiempo, y el desplazamiento de la longitud de onda se puede calcular mediante un instrumento que implementa la reflectometría óptica en el dominio de la frecuencia.

Los sensores de fibra óptica también son inmunes a las interferencias electromagnéticas y no conducen electricidad, por lo que pueden utilizarse en lugares con alta tensión eléctrica o materiales inflamables como el combustible para aviones . Además, pueden diseñarse para soportar altas temperaturas.

Las fibras ópticas pueden utilizarse como sensores para medir la deformación , ^{[ 1 ]} la temperatura , la presión y otras magnitudes modificando una fibra de manera que la magnitud 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 sencillos, ya que solo requieren 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 con pérdidas evanescentes que varían 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 fibras dopadas especialmente, que alteran la polarización de la luz en función del voltaje o del campo eléctrico. Los sensores de medición de ángulo pueden basarse 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 en aplicaciones sísmicas y de sonar . Se han desarrollado sistemas de hidrófonos con más de cien sensores por cable de fibra. La industria petrolera y las armadas de algunos países utilizan sistemas de sensores hidrófonos. Se emplean tanto conjuntos de hidrófonos instalados en el fondo marino como sistemas de cables remolcados. 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 zonas con fuertes campos eléctricos o magnéticos, como la comunicación entre el equipo de personas que atienden a un paciente dentro de una máquina de resonancia magnética (RM) durante una cirugía guiada por RM. ^{[ 7 ]}

Se han desarrollado sensores de fibra óptica para temperatura y presión para mediciones en el fondo de 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 convertir en sensores interferométricos , como los giroscopios de fibra óptica , que se utilizan en el Boeing 767 y en algunos modelos de automóviles (para la navegación). También se utilizan para fabricar sensores de hidrógeno .

Se han desarrollado sensores de fibra óptica para medir simultáneamente la temperatura y la deformación en el mismo lugar con muy alta precisión utilizando rejillas de Bragg de fibra . ^{[ 10 ]} Esto es particularmente útil al adquirir información de estructuras pequeñas o complejas. ^{[ 11 ]} Los sensores de fibra óptica también son particularmente adecuados para el monitoreo remoto, y pueden ser interrogados a 290  km de la estación de monitoreo utilizando un cable de fibra óptica. ^{[ 12 ]} Los efectos de dispersión de Brillouin también pueden usarse para detectar deformación y temperatura a grandes distancias (20–120  kilómetros). ^{[ 13 ] [ 14 ]}

Los sensores de fibra óptica extrínsecos utilizan un cable de fibra óptica , normalmente multimodo , para transmitir luz modulada desde un sensor óptico convencional o un sensor electrónico conectado a un transmisor óptico. Una de las principales ventajas de los sensores extrínsecos es su capacidad para alcanzar lugares inaccesibles de otro modo. Un ejemplo es la medición de la temperatura en el interior de los motores a reacción de los aviones mediante una fibra que transmite la radiación a un pirómetro de radiación situado fuera del motor. Los sensores extrínsecos también pueden utilizarse de la misma manera para medir la temperatura interna de los transformadores eléctricos , donde los campos electromagnéticos extremos presentes imposibilitan otras técnicas de medición.

Los sensores de fibra óptica extrínsecos ofrecen una excelente protección de las señales de medición contra la interferencia del ruido. Desafortunadamente, muchos sensores convencionales generan 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 (PRT), los cambios de temperatura se traducen en cambios de resistencia. Por lo tanto, el PRT debe contar con una fuente de alimentación eléctrica. El nivel de voltaje modulado en la salida del PRT se puede inyectar en la fibra óptica mediante el transmisor habitual. Esto complica el proceso de medición e implica que se deben utilizar cables de alimentación de bajo voltaje hasta el transductor.

Los sensores extrínsecos se utilizan para medir vibración, rotación, desplazamiento, velocidad, aceleración, par y temperatura. ^{[ 20 ]}

Es bien sabido que la propagación de la luz en la fibra óptica se limita al núcleo de la fibra según el principio de reflexión interna total (TIR) ​​y presenta una pérdida de propagación casi nula en el revestimiento. Esto es fundamental para la comunicación óptica, pero limita sus aplicaciones de detección debido a la falta de interacción de la luz con el entorno. Por lo tanto, es esencial desarrollar nuevas estructuras de fibra óptica para alterar la propagación de la luz, permitiendo así su interacción con el entorno y la construcción de sensores de fibra óptica. Hasta ahora, se han propuesto diversos métodos, como el pulido, el grabado químico, el estrechamiento, la flexión y la inscripción de rejillas de femtosegundos, para controlar la propagación de la luz e inducir su interacción con los materiales sensores. En las estructuras de fibra óptica mencionadas, los campos evanescentes intensificados pueden excitarse eficazmente para que la luz interactúe con el medio circundante. Sin embargo, las fibras ópticas solo pueden detectar un número limitado de analitos con baja sensibilidad y selectividad nula, lo que limita considerablemente su desarrollo y aplicaciones, especialmente en biosensores que requieren alta sensibilidad y selectividad. Para superar este problema, una solución eficaz consiste en utilizar materiales sensibles, capaces de modificar sus propiedades (como el índice de refracción, la absorción, la conductividad, etc.) ante cambios en el entorno. Gracias al rápido avance de los materiales funcionales en los últimos años, se dispone de diversos materiales para la fabricación de biosensores y sensores químicos de fibra óptica, como grafeno, metales y óxidos metálicos, nanotubos de carbono, nanocables, nanopartículas, polímeros y puntos cuánticos. Generalmente, estos materiales cambian reversiblemente su forma o volumen al ser estimulados por el entorno (los analitos objetivo), lo que provoca una variación en su índice de refracción o absorción. En consecuencia, las fibras ópticas registran y analizan estos cambios, lo que permite la detección de dichos materiales. Actualmente, se han propuesto y demostrado varios sensores químicos y biosensores de fibra óptica ^{[ 21 ] .}

• Detección acústica distribuida

• Asociación de Sensores de Fibra Óptica