ES1308248U - Device for measuring surface deformation - Google Patents
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Abstract
Dispositivo para medición de la deformación de superficies, para estructuras o elementos estructurales, caracterizado por que comprende - al menos un primer bucle cerrado compuesto por una primera fibra (1) óptica continua situada en una primera superficie (4.1) de la estructura formando un recorrido determinado que presenta un extremo inicial (1.1) y un extremo final (1.2) entre los que discurren un ramal de ida y un ramal de vuelta, donde la primera fibra (1) presenta medios de unión solidaria a la estructura en la primera superficie (4.1) de la misma y ambos extremos inicial y final (1.1, 1.2) están situados de forma exterior a dicha primera superficie (4.1) tal que son accesibles, y; - una unidad de medida (6) formada por una placa base (7) que comprende al menos un primer transceptor (8) óptico conectado al primer bucle en ambos extremos inicial y final (1.1, 1.2), susceptible de permitir la inyección de un pulso de luz a través del extremo inicial (1.1) y su recepción en el extremo final (1.2), un circuito integrado digital programable (FPGA) (9) conectado al primer transceptor (8) y que implementa un circuito lógico digital (12) que permite la generación de una señal eléctrica que se transforma en pulsos de luz y la recepción de la señal eléctrica producida por el transceptor, un circuito de multiplexión (10) y un contador (11) de pulsos recibidos, donde el distribuidor (10) y el contador (11) están conectados a la FPGA (9) y al extremo final (1.2) de la primera fibra (1), para realizar la medida de la longitud óptica de la primera fibra (1).Device for measuring the deformation of surfaces, for structures or structural elements, characterized in that it comprises - at least a first closed loop composed of a first continuous optical fiber (1) located on a first surface (4.1) of the structure forming a path determined that has an initial end (1.1) and a final end (1.2) between which a going branch and a return branch run, where the first fiber (1) has means of connection integral to the structure on the first surface ( 4.1) thereof and both initial and final ends (1.1, 1.2) are located externally to said first surface (4.1) such that they are accessible, and; - a measurement unit (6) formed by a base plate (7) comprising at least one first optical transceiver (8) connected to the first loop at both initial and final ends (1.1, 1.2), capable of allowing the injection of a light pulse through the initial end (1.1) and its reception at the final end (1.2), a programmable digital integrated circuit (FPGA) (9) connected to the first transceiver (8) and implementing a digital logic circuit (12) which allows the generation of an electrical signal that is transformed into light pulses and the reception of the electrical signal produced by the transceiver, a multiplexing circuit (10) and a counter (11) of received pulses, where the distributor (10) and the counter (11) are connected to the FPGA (9) and to the end end (1.2) of the first fiber (1), to measure the optical length of the first fiber (1).
Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
Dispositivo para medición de la deformación de superficies Device for measuring surface deformation
Campo técnico de la invenciónTechnical field of the invention
La presente invención corresponde al campo técnico de la física y la ingeniería estructural, en concreto a un dispositivo para medición de la deformación en superficies de estructuras o cualquier otro elemento estructural. The present invention corresponds to the technical field of physics and structural engineering, specifically to a device for measuring deformation on surfaces of structures or any other structural element.
Antecedentes de la InvenciónBackground of the Invention
Cuando se habla de deformación en estructuras se refiere a la magnitud que se emplea para describir la elongación (tracción) o contracción (compresión) que experimenta el material de la estructura debido a posibles factores como puede ser la acción de una fuerza externa, la flexión de la estructura, la temperatura o incluso posibles fuerzas internas que ocasionen una deformación residual. When we talk about deformation in structures, it refers to the magnitude that is used to describe the elongation (traction) or contraction (compression) that the material of the structure experiences due to possible factors such as the action of an external force, bending. of the structure, the temperature or even possible internal forces that cause residual deformation.
Cuando existe una deformación ésta tiene un valor no dimensional que representa el cambio en la longitud de un material con respecto a su longitud inicial. When a deformation exists, it has a non-dimensional value that represents the change in the length of a material with respect to its initial length.
En la actualidad existen varios tipos de galgas y sensores capaces de medir la deformación, como es el caso de las galgas extensiométricas eléctricas que llevan utilizándose desde hace más de ochenta años y son capaces de medir la fatiga y efectuar ensayos de materiales, con fines de productividad y seguridad. Currently, there are several types of gauges and sensors capable of measuring deformation, such as electrical strain gauges that have been used for more than eighty years and are capable of measuring fatigue and carrying out materials testing, for the purposes of productivity and safety.
Hace ya más de una década empezaron a utilizarse las fibras ópticas como elementos sensores. Éstas tienen muchas más ventajas como sensores que los dispositivos eléctricos tradicionales pues presentan robustez, precisión y versatilidad. Una de las grandes ventajas es que son inmunes a los campos electromagnéticos y no los emiten, resisten altas temperaturas, son rápidas y su uso no presenta peligro en ambientes explosivos o inflamables. More than a decade ago, optical fibers began to be used as sensor elements. These have many more advantages as sensors than traditional electrical devices because they present robustness, precision and versatility. One of the great advantages is that they are immune to electromagnetic fields and do not emit them, they resist high temperatures, they are fast and their use does not present danger in explosive or flammable environments.
Se están empleando y desarrollando múltiples sistemas de sensores basados en fibra óptica y en particular en la medida de deformaciones de estructuras. Multiple sensor systems based on fiber optics are being used and developed, particularly in the measurement of structural deformations.
En función de la dimensión de la zona que incluye el sensor, éste puede ser de calibre corto, largo o distribuido. Depending on the size of the area that includes the sensor, it can be short, long or distributed.
Los de calibre corto son similares a las galgas extensiométricas eléctricas, pues la medición se realiza en una zona pequeña de la estructura que puede considerarse casi puntual, mientras que los de calibre largo monitorizan simultáneamente toda la estructura, al encontrarse el sensor embebido en la misma. Finalmente, los distribuidos permiten realizar medidas puntuales, pero dentro de una misma fibra distribuida a lo largo de distancias muy elevadas considerándose una combinación de los dos anteriores. The short gauge ones are similar to electrical strain gauges, since the measurement is carried out in a small area of the structure that can be considered almost punctual, while the long gauge ones simultaneously monitor the entire structure, as the sensor is embedded in it. . Finally, distributed ones allow specific measurements to be made, but within the same fiber distributed over very long distances, considering a combination of the previous two.
No obstante, este tipo de sensores ópticos presentan un gran inconveniente pues el coste del equipo electrónico asociado, conocido como interrogador, es muy elevado. However, this type of optical sensors present a great drawback because the cost of the associated electronic equipment, known as an interrogator, is very high.
Si lo que se considera es el método empleado para realizar la medida, se pueden clasificar los sensores existentes, por un lado, en aquellos que realizan la medida de la curvatura por variación de la intensidad de la luz, que emplean la dependencia de la intensidad de la luz transmitida en una fibra óptica en función del radio de curvatura de la fibra. Esto es útil para radios de curvatura pequeños que son en los que se producen pérdidas significativas de atenuación en las fibras. En estos dispositivos los equipos interrogadores son baratos, pero la precisión obtenida es baja. If what is considered is the method used to carry out the measurement, the existing sensors can be classified, on the one hand, into those that measure the curvature by variation in the intensity of light, which use the intensity dependence of the light transmitted in an optical fiber depending on the radius of curvature of the fiber. This is useful for small bend radii where significant attenuation losses occur in the fibers. In these devices, the interrogation equipment is cheap, but the precision obtained is low.
Otro de los tipos de sensores es el que realiza las medidas basadas en interferometría. Con este método es posible obtener resoluciones muy elevadas basándose en los patrones de interferencias creados por la reflexión en alguna parte de la estructura o la fibra óptica. La diferencia de fase que se produce por la distinta transmisión en un camino distinto en la fibra produce un patrón de interferencia que se ve modificado cuando la fibra solidaria a la estructura sufre elongaciones debido a la deformación de la misma. En este caso los interrogadores usados son interferómetros de tipo Michelson o Fabry Perot. Another type of sensor is the one that performs measurements based on interferometry. With this method it is possible to obtain very high resolutions based on the interference patterns created by reflection in some part of the structure or optical fiber. The phase difference that is produced by the different transmission in a different path in the fiber produces an interference pattern that is modified when the fiber attached to the structure suffers elongations due to its deformation. In this case the interrogators used are Michelson or Fabry Perot type interferometers.
Así mismo, existen múltiples métodos para realizar las medidas que se basan en técnicas de dispersión de la luz como Rayleigh o Brillouin. Likewise, there are multiple methods to carry out measurements that are based on light scattering techniques such as Rayleigh or Brillouin.
Finalmente, existen los métodos en los que las medidas se basan en la reflexión que se produce en una red de difracción que se crea en el interior de la estructura de la fibra. Esta red conocida como red de difracción de Bragg se talla en el interior de la fibra y dependiendo de la separación entre las marcas de la red, refleja en mayor o menor medida una longitud de onda de diferente. Por tanto, debe disponerse de un interrogador que sea capaz de distinguir la intensidad de distintas longitudes de onda, siendo éste un equipo sofisticado y de precio elevado. Finally, there are methods in which the measurements are based on the reflection that occurs in a diffraction grating that is created inside the fiber structure. This grating known as the Bragg diffraction grating is carved inside the fiber and depending on the separation between the grating marks, it reflects a different wavelength to a greater or lesser extent. Therefore, an interrogator must be available that is capable of distinguishing the intensity of different wavelengths, this being sophisticated and expensive equipment.
En casi todos estos métodos y dispositivos mencionados lo que se pretende es una gran resolución en la medida. No obstante, en la mayoría de las aplicaciones relacionadas con salud estructural, el elemento a monitorizar es de gran tamaño, por lo que no es necesaria una gran resolución, de manera que resoluciones relativas de 10-4 pueden ser suficientes para estructuras de varios metros. In almost all of these methods and devices mentioned, what is intended is a high resolution in the measurement. However, in most applications related to structural health, the element to be monitored is large, so a high resolution is not necessary, so relative resolutions of 10-4 may be sufficient for structures of several meters. .
Resulta, por tanto, necesario encontrar un dispositivo que sea capaz de medir esta deformación con una precisión adecuada para la estructura a medir, que resulte fiable y que no precise de complejos y caros equipos de medición. Un abaratamiento significativo del coste del interrogador podría permitir la implementación de un sistema en el que el interrogador se deja conectado a la estructura, realizando una monitorización permanente, en vez de puntual, de la misma. It is, therefore, necessary to find a device that is capable of measuring this deformation with an adequate precision for the structure to be measured, that is reliable and that does not require complex and expensive measuring equipment. A significant reduction in the cost of the interrogator could allow the implementation of a system in which the interrogator is left connected to the structure, carrying out permanent, rather than punctual, monitoring of it.
Descripción de la invenciónDescription of the invention
El dispositivo para medición de la deformación de superficies, para estructuras o elementos estructurales, que aquí se presenta, comprende al menos un primer bucle cerrado compuesto por una primera fibra óptica continua situada en una primera superficie de la estructura formando un recorrido determinado que presenta un extremo inicial y un extremo final entre los que discurren un ramal de ida y un ramal de vuelta. The device for measuring the deformation of surfaces, for structures or structural elements, presented here, comprises at least a first closed loop composed of a first continuous optical fiber located on a first surface of the structure forming a determined path that has a initial end and a final end between which a going branch and a return branch run.
Esta primera fibra presenta medios de unión solidaria a la estructura en la primera superficie de la misma, además sus extremos inicial y final están situados de forma exterior a dicha primera superficie tal que son accesibles. This first fiber has means of attachment integral to the structure on its first surface; in addition, its initial and final ends are located outside said first surface such that they are accessible.
El dispositivo presenta además una unidad de medida formada por una placa base que comprende al menos un primer transceptor óptico y un circuito integrado digital programable (FPGA) conectado al mismo. The device also has a measurement unit formed by a motherboard comprising at least a first optical transceiver and a programmable digital integrated circuit (FPGA) connected thereto.
El primer transceptor óptico está conectado al primer bucle de fibra en ambos extremos inicial y final, y es susceptible de permitir la inyección de un pulso de luz a través del extremo inicial y su recepción en el extremo final. The first optical transceiver is connected to the first fiber loop at both the initial and final ends, and is capable of allowing the injection of a light pulse through the initial end and its reception at the final end.
Por su parte, la FPGA está conectada al primer transceptor e implementa un circuito lógico digital que permite la generación de la señal eléctrica que se transforma en pulsos de luz que circulan por el bucle de fibra y la recepción de la señal eléctrica producida por el transceptor tras la recepción de dichos pulsos de luz. For its part, the FPGA is connected to the first transceiver and implements a digital logic circuit that allows the generation of the electrical signal that is transformed into light pulses that circulate through the fiber loop and the reception of the electrical signal produced by the transceiver. after receiving said light pulses.
El circuito lógico comprende además un circuito de multiplexión y un contador de pulsos recibidos, ambos conectados al FPGA y al extremo final del bucle. The logic circuit further comprises a multiplexing circuit and a received pulse counter, both connected to the FPGA and to the end of the loop.
Con el dispositivo para medición de la deformación de superficies que aquí se propone se obtiene una mejora significativa del estado de la técnica. With the device for measuring surface deformation proposed here, a significant improvement on the state of the art is obtained.
Esto es así pues se consigue un dispositivo en el que el elemento que actúa de sensor está distribuido a lo largo de toda la estructura por lo que resulta sensible a variaciones en cualquier punto de la misma, logrando de este modo, una monitorización global a nivel estructural con la seguridad de que no se ha ignorado ningún posible punto débil a la hora de garantizar la integridad de la estructura, ya que toda ella queda monitorizada de forma continua. This is because a device is achieved in which the element that acts as a sensor is distributed throughout the entire structure, making it sensitive to variations at any point of it, thus achieving global monitoring at the level. structural with the assurance that no possible weak point has been ignored when it comes to guaranteeing the integrity of the structure, since the entire structure is continuously monitored.
Este dispositivo emplea un mismo instrumento medidor o interrogador formado por una unidad de medida que permite una medición continua y simultánea de la deformación a lo largo de una gran superficie, sin centrarse en una zona concreta o restringida, proporcionando de este modo una información global de la misma, sin necesidad de utilizar sensores locales de tensión. Es un dispositivo electrónico muy sencillo, basado en un dispositivo lógico programable y un transceptor óptico de alta velocidad con un coste extremadamente reducido. This device uses the same measuring instrument or interrogator formed by a measurement unit that allows continuous and simultaneous measurement of the deformation over a large surface, without focusing on a specific or restricted area, thus providing global information of the same, without the need to use local voltage sensors. It is a very simple electronic device, based on a programmable logic device and a high-speed optical transceiver with an extremely low cost.
La unidad de medida de este dispositivo utiliza electrónica digital programable, en concreto una FPGA que además de ser de bajo coste, puede funcionar con transceptores de frecuencias en el rango de los MHz, siendo reducido el número de pines necesario. Además, la FPGA puede ser multicanal, de manera que pueden crearse varios bucles cerrados de fibra óptica, con igual o distinto camino, para realizar múltiples mediciones. The measurement unit of this device uses programmable digital electronics, specifically an FPGA that, in addition to being low cost, can work with frequency transceivers in the MHz range, with the number of pins required being reduced. In addition, the FPGA can be multichannel, so that several closed fiber optic loops can be created, with the same or different path, to perform multiple measurements.
Con este dispositivo se utiliza una metodología implementada para la medida de la longitud de fibra óptica por medio de la medida del tiempo de propagación de un pulso de luz a lo largo de la misma, adaptándola para su utilización en la medida de la deformación de superficies, con la variación de que aquí se aplica un método de recirculación del pulso de luz. Al utilizar fibras ópticas resulta un dispositivo insensible a los campos magnéticos, eléctricos o electromagnéticos, por lo que la presencia de alguno de ellos no va a afectar a las mediciones realizadas. Así mismo, puede emplearse en estructuras que funcionen en temperaturas extremas estando limitado el rango de operación de la estructura únicamente por la temperatura que resiste una fibra óptica. With this device, a methodology implemented for measuring the length of optical fiber is used by measuring the propagation time of a light pulse along it, adapting it for use in measuring the deformation of surfaces. , with the variation that a light pulse recirculation method is applied here. By using optical fibers, the device is insensitive to magnetic, electric or electromagnetic fields, so the presence of any of them will not affect the measurements made. Likewise, it can be used in structures that operate in extreme temperatures, the operating range of the structure being limited only by the temperature that an optical fiber withstands.
Otra ventaja de este dispositivo es que su funcionamiento es mucho más independiente de la potencia de señal transmitida que otros dispositivos existentes, pues lo importante aquí es el tiempo de llegada de manera que, para que el dispositivo funcione correctamente basta con que llegue a transmitirse el pulso y recibirse en el extremo contrario. Esto permite su utilización tanto en estructuras pequeñas, como en estructuras muy grandes, pues la comunicación por fibra óptica puede realizarse a lo largo de cientos de metros sin necesidad de repetidores, incluso puede ser mayor en función de la longitud de onda empleada y este dispositivo no añade ninguna limitación al respecto. Another advantage of this device is that its operation is much more independent of the transmitted signal power than other existing devices, since the important thing here is the arrival time so that, for the device to work correctly, it is enough for the signal to be transmitted. pulse and be received at the opposite end. This allows its use both in small structures and in very large structures, since fiber optic communication can be carried out over hundreds of meters without the need for repeaters, it can even be longer depending on the wavelength used and this device. It does not add any limitations in this regard.
Así pues, se logra un dispositivo sencillo y práctico que permite la medición de la deformación en cualquier tipo de superficie, sin limitación dimensional y logrando una medida eficaz de la deformación de manera global y de forma continua. Thus, a simple and practical device is achieved that allows the measurement of deformation on any type of surface, without dimensional limitation and achieving an effective measurement of deformation globally and continuously.
Breve descripción de los dibujosBrief description of the drawings
Con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se aporta como parte integrante de dicha descripción, una serie de dibujos donde, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente: In order to help a better understanding of the characteristics of the invention, in accordance with a preferred example of its practical implementation, a series of drawings are provided as an integral part of said description where, with an illustrative and non-limiting nature, it has been represented the following:
La Figura 1.- Muestra una vista en perspectiva de un dispositivo para medición de la deformación de superficies, para una primera realización preferida de la invención. Figure 1.- Shows a perspective view of a device for measuring surface deformation, for a first preferred embodiment of the invention.
La Figura 2.- Muestra una vista esquemática del dispositivo para medición de la deformación de superficies, para una primera realización preferida de la invención. Figure 2.- Shows a schematic view of the device for measuring surface deformation, for a first preferred embodiment of the invention.
La Figura 3.- Muestra un esquema de los bloques lógicos digitales que se implementan dentro de la FPGA del dispositivo para medición de la deformación de superficies, para una primera realización preferida de la invención. Figure 3.- Shows a diagram of the digital logic blocks that are implemented within the FPGA of the device for measuring surface deformation, for a first preferred embodiment of the invention.
La Figura 4.- Muestra una vista en perspectiva de un dispositivo para medición de la deformación de superficies, para una segunda realización preferida de la invención. Figure 4.- Shows a perspective view of a device for measuring surface deformation, for a second preferred embodiment of the invention.
La Figura 5.- Muestra una vista en perspectiva de un dispositivo para medición de la deformación de superficies, para una tercera realización preferida de la invención. Figure 5.- Shows a perspective view of a device for measuring surface deformation, for a third preferred embodiment of the invention.
Descripción detallada de un modo de realización preferente de la invenciónDetailed description of a preferred embodiment of the invention
A la vista de las figuras aportadas, puede observarse cómo en un primer modo de realización preferente de la invención, el dispositivo para medición de la deformación de superficies, para estructuras o elementos estructurales, que aquí se propone, comprende al menos un primer bucle cerrado compuesto por una primera fibra óptica (1) continua situada en una primera superficie (4.1) de la estructura formando un recorrido determinado que presenta un extremo inicial (1.1) y un extremo final (1.2) entre los que discurren un ramal de ida y un ramal de vuelta. In view of the figures provided, it can be seen how in a first preferred embodiment of the invention, the device for measuring the deformation of surfaces, for structures or structural elements, proposed here, comprises at least a first closed loop composed of a first continuous optical fiber (1) located on a first surface (4.1) of the structure forming a determined route that has an initial end (1.1) and a final end (1.2) between which a forward branch and a return branch.
En este primer modo de realización preferente de la invención se considera una estructura que en este caso es la pala (5) de un molino de viento. Así pues, el primer bucle cerrado presenta la primera fibra (1) formando un recorrido en una primera superficie (4.1) de la pala (5), tal y como se muestra en la Figura 1. In this first preferred embodiment of the invention, a structure is considered, which in this case is the blade (5) of a windmill. Thus, the first closed loop presents the first fiber (1) forming a path on a first surface (4.1) of the blade (5), as shown in Figure 1.
Dicha primera fibra (1) presenta medios de unión solidaria a la estructura en la primera superficie (4.1) de la misma y ambos extremos inicial y final (1.1, 1.2) están situados de forma exterior a dicha primera superficie (4.1) tal que son accesibles. Said first fiber (1) has means of attachment integral to the structure on the first surface (4.1) thereof and both initial and final ends (1.1, 1.2) are located externally to said first surface (4.1) such that they are accessible.
En este primer modo de realización preferente de la invención, los medios de unión solidaria de la primera fibra (1) a la estructura están formados por una integración de la fibra en el material de formación de la estructura, es decir, la primera fibra (1) se embebe en la resina que conforma la estructura de la pala (5), de manera que al solidificarse esta resina la primera fibra (1) queda integrada en el cuerpo de la pala (5). En otros modos de realización estos medios de unión pueden estar formados por un adhesivo que fije la fibra sobre la primera superficie o por un atornillado de una estructura de sujeción de la fibra sobre la estructura, por ejemplo. In this first preferred embodiment of the invention, the means for integrally joining the first fiber (1) to the structure are formed by integrating the fiber into the material that forms the structure, that is, the first fiber ( 1) is embedded in the resin that makes up the structure of the blade (5), so that when this resin solidifies the first fiber (1) is integrated into the body of the blade (5). In other embodiments, these joining means can be formed by an adhesive that fixes the fiber on the first surface or by screwing a structure to hold the fiber on the structure, for example.
El dispositivo presenta además una unidad de medida (6) formada por una placa base (7) que comprende al menos un primer transceptor (8) óptico conectado a la primera fibra (1) del primer bucle en ambos extremos inicial y final (1.1, 1.2) y, un circuito integrado digital programable (FPGA) (9) conectado a este primer transceptor (8), como puede observarse en la Figura 2. The device also has a measurement unit (6) formed by a base plate (7) that comprises at least one first optical transceiver (8) connected to the first fiber (1) of the first loop at both initial and final ends (1.1, 1.2) and, a programmable digital integrated circuit (FPGA) (9) connected to this first transceiver (8), as can be seen in Figure 2.
El primer transceptor (8) es susceptible de permitir la inyección de un pulso de luz a través del extremo inicial (1.1) de la primera fibra (1) y de su recepción en el extremo final (1.2), mientras que la FPGA (9) implementa un circuito lógico digital (12) que permite la generación de pulsos de luz que circulan por el bucle de fibra y la recepción de la señal eléctrica producida por el transceptor tras la recepción de dichos pulsos de luz. The first transceiver (8) is capable of allowing the injection of a light pulse through the initial end (1.1) of the first fiber (1) and its reception at the final end (1.2), while the FPGA (9 ) implements a digital logic circuit (12) that allows the generation of light pulses that circulate through the fiber loop and the reception of the electrical signal produced by the transceiver after receiving said light pulses.
Como se muestra en la Figura 3, para realizar la medida de la longitud óptica de la fibra, la unidad de medida (6) comprende, además, un circuito de multiplexión (10) y un contador (11) de pulsos recibidos que permite conocer el número de pulsos que han recorrido el bucle de fibra óptica en un tiempo determinado, y que proporciona la medida que se pretende obtener del sistema. Tanto el circuito de multiplexión como el contador están conectados a la FPGA (9) y al extremo final (1.2) de la fibra del primer bucle. As shown in Figure 3, to measure the optical length of the fiber, the measurement unit (6) also includes a multiplexing circuit (10) and a counter (11) of received pulses that allows knowing the number of pulses that have traveled through the fiber optic loop in a given time, and which provides the measurement that is intended to be obtained from the system. Both the multiplexing circuit and the counter are connected to the FPGA (9) and the final end (1.2) of the fiber of the first loop.
Por su parte, el circuito de multiplexión permite la selección de la señal de salida hacia el transceptor entre dos posibles orígenes. Durante el régimen de medida o integración, el circuito de multiplexión está configurado para dirigir la señal recibida del transceptor de nuevo hacia el mismo, produciéndose una oscilación autosostenida de pulsos circulando por el bucle de fibra óptica. Durante el régimen de arranque, el circuito de multiplexión está configurado para enviar al transceptor una señal eléctrica adecuada de cara al inicio de la oscilación autosostenida. En su implementación más sencilla, esta señal de arranque es el envío de dos valores lógicos 1 y 0, cada uno durante un tiempo equivalente a la mitad del tiempo de propagación del pulso en el bucle completo. For its part, the multiplexing circuit allows the selection of the output signal to the transceiver between two possible sources. During the measurement or integration regime, the multiplexing circuit is configured to direct the signal received from the transceiver back to it, producing a self-sustained oscillation of pulses circulating through the fiber optic loop. During the start-up regime, the multiplexing circuit is configured to send the transceiver an appropriate electrical signal for the initiation of self-sustaining oscillation. In its simplest implementation, this start signal is the sending of two logic values 1 and 0, each for a time equivalent to half the propagation time of the pulse in the entire loop.
De este modo, la inyección de un pulso de luz circula por la fibra a medir y la señal recibida en el receptor se realimenta hacia el transmisor, creando de este modo una oscilación autosostenida. Así pues, los pulsos recibidos en el receptor se inyectan por una parte de vuelta en el primer bucle y por otra parte se llevan a un contador (11) que es el que se incrementa con cada pulso recibido. In this way, the injection of a pulse of light circulates through the fiber to be measured and the signal received at the receiver is fed back to the transmitter, thus creating a self-sustained oscillation. Thus, the pulses received at the receiver are injected on the one hand back into the first loop and on the other hand they are taken to a counter (11) which is the one that increments with each pulse received.
Teniendo un conocimiento preciso de la frecuencia de la oscilación autosostenida a partir de la contabilización de un número de pulsos durante el periodo de integración adecuado, se puede estimar por tanto la longitud de la fibra medida pues, a partir del periodo de la oscilación y una vez caracterizados los demás términos se puede calcular el retardo de propagación de la fibra, que es uno de los términos que contribuyen a dicho período de esta oscilación. Una deformación de la fibra se visualiza como un cambio en este tiempo de propagación y, por tanto, se determina la existencia de un cambio de longitud. Having precise knowledge of the frequency of the self-sustained oscillation from the counting of a number of pulses during the appropriate integration period, the length of the measured fiber can therefore be estimated from the period of the oscillation and a Once the other terms have been characterized, the fiber propagation delay can be calculated, which is one of the terms that contribute to said period of this oscillation. A fiber deformation is visualized as a change in this propagation time and, therefore, the existence of a change in length is determined.
Como se muestra en la Figura 1, la unidad de medida (6) está dispuesta de forma exterior a la estructura y sujeta a ella mediante unos medios de sujeción. As shown in Figure 1, the measurement unit (6) is arranged externally to the structure and attached to it by means of fastening means.
En este modo de realización preferente de la invención, el dispositivo comprende una carcasa (13) de protección de la unidad de medida (6). En caso de que se prevea que las temperaturas en el exterior vayan a ser extremas, y por tanto se decida implementar algún sistema para el control activo de la temperatura de operación de la unidad de medida, la carcasa (13) cumple condiciones de aislamiento térmico. In this preferred embodiment of the invention, the device comprises a housing (13) to protect the measurement unit (6). In the event that it is expected that the temperatures outside are going to be extreme, and therefore it is decided to implement a system for active control of the operating temperature of the measurement unit, the casing (13) meets thermal insulation conditions. .
Así mismo, en este primer modo de realización preferente de la invención, la unidad de medida (6) comprende unos medios de alimentación independiente, formados en este caso por una batería, y unos medios inalámbricos de transmisión de datos. Likewise, in this first preferred embodiment of the invention, the measurement unit (6) comprises independent power means, formed in this case by a battery, and wireless data transmission means.
En un segundo modo de realización preferida, que puede observarse en la Figura 4, el dispositivo comprende un segundo bucle cerrado paralelo al primer bucle y compuesto por una segunda fibra (2) óptica continua situada en una segunda superficie (4.2) de la estructura, opuesta a la primera superficie (4.1). Esta segunda fibra (2) presenta medios de unión solidaria a la estructura formando un recorrido determinado que presenta un extremo inicial (2.1) y un extremo final (2.2) conectados a un segundo transceptor óptico de la unidad de medida (6). In a second preferred embodiment, which can be seen in Figure 4, the device comprises a second closed loop parallel to the first loop and composed of a second continuous optical fiber (2) located on a second surface (4.2) of the structure, opposite to the first surface (4.1). This second fiber (2) has means for connecting it to the structure, forming a specific path that has an initial end (2.1) and a final end (2.2) connected to a second optical transceiver of the measurement unit (6).
Al tener en este caso dos bucles en ambas primera y segunda superficies (4.1, 4.2) opuestas, cada uno de ellos mide las deformaciones en una de las superficies, correspondiendo estas deformaciones con dilataciones y contracciones respectivamente, de manera que, para la misma deformación de la pala (5), uno de los bucles mide las elongaciones debidas a las dilataciones mientras que el otro mide las compresiones ocasionadas por las contracciones. Además, al disponer de dos bucles es posible deducir la dirección de curvatura de la pala (5) a partir de la medida relativa de ambos. El hecho de disponer de dos canales en superficies opuestas de la pala permite la obtención de una medida diferencial que está verdaderamente relacionada con la flexión de la pala, y se hace más independiente de posibles perturbaciones que afecten por igual a ambas superficies, como por ejemplo la debida a la dilatación térmica del conjunto de la pala. By having in this case two loops on both first and second opposite surfaces (4.1, 4.2), each of them measures the deformations on one of the surfaces, these deformations corresponding with expansions and contractions respectively, so that, for the same deformation of the blade (5), one of the loops measures the elongations due to dilations while the other measures the compressions caused by contractions. Furthermore, by having two loops it is possible to deduce the direction of curvature of the blade (5) from the relative measurement of both. The fact of having two channels on opposite surfaces of the blade allows obtaining a differential measurement that is truly related to the bending of the blade, and becomes more independent of possible disturbances that affect both surfaces equally, such as that due to thermal expansion of the blade assembly.
En este segundo modo de realización preferente de la invención, la FPGA (9) presenta al menos dos canales para la medición por separado de la elongación y la compresión. In this second preferred embodiment of the invention, the FPGA (9) has at least two channels for the separate measurement of elongation and compression.
En el caso en el que se necesita monitorizar la variable temperatura de forma independiente a la variable deformación, como ocurre en este segundo modo de realización preferente de la invención, el dispositivo comprende un tercer bucle paralelo al primer bucle y compuesto por una tercera fibra (3) óptica continua que presenta medios de unión no solidaria a la estructura sobre una de las superficies, es decir, se encuentra simplemente superpuesto sobre la superficie o embebido en la misma de forma no solidaria, para medición del efecto de la temperatura sobre la fibra óptica con independencia de otras deformaciones de origen mecánico a las que están sometidas las otras fibras ópticas. En este segundo modo de realización preferida, esta tercera fibra (3) está situada sobre la primera superficie (4.1), como se muestra en la Figura 4 y presenta sendos extremos inicial y final (3.1, 3.2) conectados a un tercer transceptor óptico de la unidad de medida (6). In the case in which it is necessary to monitor the variable temperature independently of the variable deformation, as occurs in this second preferred embodiment of the invention, the device comprises a third loop parallel to the first loop and composed of a third fiber ( 3) continuous optics that have means of connection not secured to the structure on one of the surfaces, that is, it is simply superimposed on the surface or embedded in it in a non-joint manner, for measuring the effect of temperature on the fiber optical fibers independently of other deformations of mechanical origin to which the other optical fibers are subjected. In this second preferred embodiment, this third fiber (3) is located on the first surface (4.1), as shown in Figure 4 and has initial and final ends (3.1, 3.2) connected to a third optical transceiver of the unit of measurement (6).
Este tercer bucle, que se muestra en la Figura 4, permite calibrar de forma más sencilla las variaciones de la fibra dependientes de la temperatura. En este caso, además, el dispositivo comprende sensores de temperatura (no representados en las Figuras) conectados en la FPGA y en la estructura para mejorar los aspectos de calibración. This third loop, shown in Figure 4, allows temperature-dependent fiber variations to be more easily calibrated. In this case, furthermore, the device comprises temperature sensors (not represented in the Figures) connected to the FPGA and the structure to improve calibration aspects.
Como puede observarse en la Figura 5, en un tercer modo de realización preferente de la invención, el dispositivo comprende un bucle adicional formado por una fibra adicional (15) unida solidariamente a la primera superficie (4.1) de la estructura, y donde la FPGA (9) comprende un transceptor adicional para la conexión de dicha fibra adicional (15). En este caso, mediante la medida diferencial de los tiempos de propagación (y por tanto longitudes) de ambos bucles de fibra, se obtiene una medida de la flexión de la primera superficie (4.1) directamente. As can be seen in Figure 5, in a third preferred embodiment of the invention, the device comprises an additional loop formed by an additional fiber (15) integrally attached to the first surface (4.1) of the structure, and where the FPGA (9) comprises an additional transceiver for the connection of said additional fiber (15). In this case, by measuring the differential propagation times (and therefore lengths) of both fiber loops, a measurement of the bending of the first surface (4.1) is obtained directly.
En otros modos de realización puede presentar más de un bucle adicional o que estos estén situados en ambas superficies y el mismo número de transceptores adicionales para la correspondiente conexión de cada bucle adicional a uno de ellos. In other embodiments, it may have more than one additional loop or these may be located on both surfaces and the same number of additional transceivers for the corresponding connection of each additional loop to one of them.
Así mismo, en otros modos de realización, al menos uno de los bucles adicionales puede estar formado por una fibra (15) adicional que presenta un recorrido planar igual al de la primera fibra (1) y está situada a una profundidad distinta de la de dicha primera fibra (1), en el orden de magnitud de las centenas de micras a pocos milímetros. Likewise, in other embodiments, at least one of the additional loops can be formed by an additional fiber (15) that has a planar path equal to that of the first fiber (1) and is located at a depth different from that of said first fiber (1), in the order of magnitude of hundreds of microns to a few millimeters.
Claims (1)
Priority Applications (1)
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ES202430795U ES1308248U (en) | 2024-01-19 | 2024-01-19 | Device for measuring surface deformation |
Applications Claiming Priority (1)
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ES202430795U ES1308248U (en) | 2024-01-19 | 2024-01-19 | Device for measuring surface deformation |
Publications (1)
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ES1308248U true ES1308248U (en) | 2024-06-06 |
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ID=91332550
Family Applications (1)
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ES202430795U Pending ES1308248U (en) | 2024-01-19 | 2024-01-19 | Device for measuring surface deformation |
Country Status (1)
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ES (1) | ES1308248U (en) |
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2024
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