ES2295746T3 - Transductor optico de desplazamiento sistema y procedimiento de medida del desplazamiento. - Google Patents
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Abstract
Un transductor de desplazamiento óptico, que incluye un elemento transductor (10; 50, 70) que comprende al menos una primera (11; 51; 71) fibra óptica, que tiene una primera cara final (13) sustancialmente perpendicular a un eje (15; 55; 75) y situada con un pequeño hueco (16; 56; 76) entre dicha primera cara final (13) y una segunda cara final (14; 61) de un ensamblaje de recepción (12, 14; 61, 62, 52; 61, 63, 72), comprendiendo adicionalmente dicho transductor (20) al menos una fuente de luz (21) acoplada para transmisión a dicha primera fibra óptica (11) y al menos un foto-detector (22) acoplado para recepción a dicho ensamblaje de recepción (12, 14; 61, 62, 52; 61, 63, 72), estando acoplados dicha al menos primera fibra óptica (11; 51; 71) y dicho ensamblaje de recepción (12, 14; 61, 62, 52; 61, 63, 72) a través de dicho pequeño hueco (16; 56; 76) para controlar una atenuación de unión correspondiente, pudiendo desplazarse dicha primera cara final (13) y segunda cara final (14; 61) a lolargo de dicho eje (15; 55; 75) y relativamente una con respecto a otra, para seguir el desplazamiento relativo (d) de los puntos asociados con dicha primera cara final (13) y segunda cara final (14; 61) caracterizado porque dicha al menos una primera fibra óptica (11) es una Fibra Óptica Polimérica (POF) que tiene alta abertura numérica en un intervalo alrededor del valor 0, 5.
Description
Transductor óptico de desplazamiento sistema y
procedimiento de medida del desplazamiento.
La presente invención se refiere a transductores
de desplazamiento ópticos y se desarrolló prestando una atención
específica a la posible implementación mediante Fibra Óptica
Polimérica (POF), cuyo objetivo principal son aplicaciones tales
como controlar la aparición y evolución de grietas y medidas de
desplazamientos en entornos electromagnéticamente ruidosos o
altamente inflamables.
Los transductores de desplazamiento ópticos, que
utilizan fibras ópticas, se conocen de la técnica anterior.
Los transductores de desplazamiento ópticos
basados en fibras ópticas presentan diversas ventajas, tales como
peso ligero, invasividad mínima e inmunidad a interferencias
electromagnéticas. La última propiedad es particularmente
interesante porque permite la aplicación a entornos críticos tales
como locales industriales electromagnéticamente ruidosos, áreas de
almacenamiento de materiales altamente inflamables y estructuras
expuestas a descargas electrostáticas durante tormentas. También es
de gran importancia la invasividad mínima, especialmente en el caso
de controlar edificios monumentales donde todo el equipo de medida
debe estar tan oculto como sea posible. Esto puede conseguirse
gracias al tamaño reducido de la fibra y al uso de la misma fibra
para detección y para transmisión de datos permitiendo de esta
manera la colocación de los equipos electrónicos de control en una
localización remota.
Dichos transductores están basados en general en
el principio del denominado transductor Gravel, que incluye dos
fibras ópticas, cortadas cada una de ellas para tener caras finales
sustancialmente perpendiculares a un eje y colocadas con un pequeño
hueco entre las caras finales de las fibras. Una fibra está montada
para mantener su cara final estacionaria, por ejemplo, mientras la
otra está en voladizo para permitir el desplazamiento de su cara
final. Cuando los ejes de la fibra se sitúan en una línea recta
común, la propagación de la luz en una fibra se acoplará con la
intensidad máxima en la otra fibra.
Un ejemplo de aplicación de dicha disposición
para medir desplazamientos se describe en la Patente de Estados
Unidos Nº 4.293.188, donde se proporciona un transductor
optoelectrónico adecuado para convertir pequeños desplazamientos en
variaciones de intensidad óptica o de fase, que pueden convertirse
después en corrientes eléctricas variables. Una primera guía de
fibra óptica se dispone con su cara final estacionaria, por ejemplo,
mientras una segunda guía de fibra óptica se dispone de manera que
su extremo libre puede desplazarse lateralmente desde el eje de la
primera guía en proporción al parámetro a medir. Se usan fibras de
vidrio ópticas multimodo. Las caras opuestas de las fibras
cooperantes están equipadas con o se usan para iluminar series
regulares de sistemas de enrejado espaciados equitativamente
opacos, absortivos o reflectantes que proporciona intensidad o
modulación de fase de la energía de propagación de la luz en
proporción a la desviación de la guía de ondas.
Se describe un transductor similar también en la
publicación japonesa JP8285709.
Dichos transductores, sin embargo, estando
basados en una detección del desplazamiento radial, sólo permiten
medir desplazamientos hasta la dimensión del núcleo de la fibra, ya
que la potencia recibida se hace cero una vez que las dos fibras ya
no están alineadas. Esto significa que incluso usando fibras de
vidrio multimodo comerciales que tienen un diámetro de núcleo de
aproximadamente 50 micrómetros, dichos transductores sólo permiten
medir desplazamientos máximos de aproximadamente 50 micrómetros.
Para superar dicho límite es necesario usar
haces de fibras más caros.
El documento DE 42 23 625 A1 describe un sistema
de medida que está basado en el principio de cavidad de Fabry
Perot, es decir, una medida interferométrica de la distancia.
El documento EP 0 623 803 A describe una
disposición para la medida óptica de distancias mediante una
disposición de reflexión en entornos donde un medio en una
trayectoria óptica del detector de desplazamiento puede experimentar
cambios en el índice refractivo y/o en la transmisividad óptica. En
dicha disposición, la luz de una primera fibra se recoge mediante
una fibra detectora. La intensidad de la luz recibida por la fibra
detectora es una función de la separación de las dos fibras. La
primera fibra puede configurarse para actuar como la fibra
detectora reflejando la luz desde un reflector de manera que la luz
vuelve a la fibra.
El objeto de la presente invención es
proporcionar una disposición mejorada que permita medir
desplazamientos que superan la dimensión del núcleo de la fibra de
una manera eficaz respecto a costes.
\newpage
De acuerdo con la presente invención, este
objeto se consigue mediante un transductor que tiene las
características indicadas en las siguientes reivindicaciones. La
invención se refiere también a un sistema de medida del
desplazamiento correspondiente así como a un procedimiento de
detección del desplazamiento correspondiente.
Resumiendo, la disposición propuesta proporciona
un sistema de medida del desplazamiento que se construye alrededor
de un transductor de fibra óptica de bajo coste conectado a un
circuito electrónico para el acondicionamiento y elaboración de
señales. El transductor convierte la medida de un desplazamiento en
una medida de una variación de corriente o tensión, utilizando la
variación en la foto-corriente detectada en la
salida de un sistema de fibra óptica con atenuación de unión. Para
controlar la atenuación de unión se orientan dos fibras ópticas de
manera que se acoplan a través de un hueco de aire pequeño y puede
aumentar su distancia, moviéndose solo a lo largo de sus ejes y
manteniendo el acoplamiento óptico. Como alternativa, puede usarse
también un montaje de reflexión, donde la segunda fibra se coloca
en el mismo lado del hueco, que la primera fibra, y se incluye en
un ensamblaje de recepción que comprende una superficie reflectante
en el otro lado del hueco y medios directores o medios de
desviación para el acoplamiento perfecto con la segunda fibra
óptica. En una variante a dicho montaje de reflexión sólo puede
usarse una fibra para transmisión y recepción, usando un dispositivo
de acoplamiento adecuado.
Esto permite la medida de desplazamientos del
orden de veces la dimensión del núcleo de la fibra.
En una realización preferida de la invención, se
proporciona el uso de Fibras Ópticas Poliméricas (POF) que tienen
un mayor diámetro del núcleo y una mayor apertura numérica.
El coste extremadamente bajo de la disposición
propuesta permite también transductores multiaxiales o el control
simultáneo de diversos desplazamientos, simplemente replicando
muchas veces el transductor básico.
Las fuentes de luz y detectores para el
funcionamiento del transductor son LED fuera de serie y
foto-diodos, mientras que la elaboración puede
proporcionarse mediante un simple ordenador personal equipado con
una tarjeta de digitalización (DAQ) mediante un amplificador de
canal múltiple de bajo ruido, de acuerdo con otro aspecto de la
invención de la disposición propuesta. El ancho de banda eléctrica
de cada canal del amplificador está limitado dependiendo de la
aplicación de medida específica para reducir el ruido. De esta
manera, todo el montaje puede adaptarse fácilmente también para
controlar las vibraciones hasta unos pocos kHz para diferentes
aplicaciones, sin degradación significativa de los rendimientos.
La invención se describirá ahora, únicamente a
modo de ejemplo, con referencia a las figuras anexas, en las
que:
- La Figura 1 muestra un diagrama básico de un
transductor de desplazamiento óptico de acuerdo con la
invención,
- La Figura 2 muestra un detalle del transductor
de desplazamiento óptico de la Figura 1,
- La Figura 3 muestra un diagrama esquemático de
un sistema de medida que incluye el transductor de desplazamiento
óptico de la Figura 1 y
- La Figura 4 es un diagrama que representa una
variación de una potencia recibida como una función de
desplazamiento, en el sistema de medida de la Figura 3;
- La Figura 5 es un diagrama que representa la
influencia de la temperatura sobre los rendimientos del sistema de
medida de la Figura 3;
- La Figura 6 muestra un diagrama esquemático
que representa un sistema de medida multidetector basado en el
sistema de medida de la Figura 3;
- La Figura 7 muestra un diagrama de bloques de
una segunda realización del transductor óptico de acuerdo con la
invención;
- La Figura 8 es un diagrama representativo de
la sensibilidad del transductor de la Figura 7;
- La Figura 9 muestra un diagrama de bloques de
una tercera realización del transductor óptico de acuerdo con la
invención;
- La Figura 10 es un diagrama representativo del
comportamiento del transductor óptico de acuerdo con la invención
en una configuración de medida de la vibración.
La Figura 1 muestra un diagrama básico de un
elemento transductor de desplazamiento óptico de acuerdo con la
invención.
Dicho elemento transductor de desplazamiento,
indicado en su conjunto con el número de referencia 10, incluye una
primera fibra óptica 11 y una segunda fibra óptica 12.
La primera fibra óptica 11 se corta para que
tenga una primera cara final 13, sustancialmente perpendicular a un
eje 15.
La segunda fibra óptica 12 se corta para que
tenga una segunda cara final 14, sustancialmente perpendicular a
dicho eje 15 y colocada de manera que está encarada hacia dicha
primera cara final 13. La primera cara final 13 y la segunda cara
final 14 están alineadas por lo tanto a lo largo del eje 15 y están
divididas por un hueco de aire 16. Con la referencia d se indica
una longitud de desplazamiento entre la primera cara final 13 y la
segunda cara final 14 a través del hueco 16.
La primera fibra 11 y la segunda fibra 12 se
fijan a dos objetos, o se mueven en general, a dos puntos que
pueden desplazarse relativamente uno con respecto al otro,
situándose al menos un componente de dicho desplazamiento a lo
largo del eje 15 y cuyo desplazamiento relativo tiene que
detectarse. Dichos dos objetos o puntos no se muestran en la Figura
1. Por ejemplo, en una aplicación típica de ingeniería civil, las
dos caras finales 13 y 14 del elemento transductor 10 pueden
fijarse en los dos lados de una grieta en una pared.
En la Figura 2 se muestra un detalle del
elemento transductor 10, a partir del cual puede observarse que la
primera cara final 13 de la primera fibra óptica 11 y la segunda
cara final 14 de la segunda fibra óptica 12 están insertadas en un
manguito apropiado 17, que abarca toda la longitud del hueco 16.
Dicho manguito 17 proporciona el movimiento de guía a lo largo de
la dirección axial y proporciona también una protección contra el
polvo y la luz no deseada que procede del entorno circundante.
En la Figura 3 se muestra un transductor de
desplazamiento, indicado en su conjunto con la referencia 20, que
incluye el elemento transductor 10.
Con la referencia 21, se indica un primer diodo
emisor de luz (LED) completado con un generador de potencia
correspondiente. Dicho LED 21 está conectado a una fuente de luz por
el otro extremo, con respecto a la primera cara final 13, de la
primera fibra óptica 11. La luz se transmite a través de dicha
primera fibra óptica 11 y el hueco 16, alcanzando la segunda cara
final 14 de la segunda fibra óptica 12, situada coaxialmente a lo
largo del eje 15. Un foto-detector 22 se sitúa en el
otro extremo de la segunda fibra óptica 12, midiendo la intensidad
de la luz que se transmite a través de todo el transductor 20.
En una realización preferida, para la primera
fibra óptica 11 y la segunda fibra óptica 12, se usan Fibras
Ópticas Poliméricas (POF) comerciales catalogadas como PMMA que
tienen un diámetro del núcleo de 980 nm. Pueden usarse también
otras POF diferentes de PMMA. La elección de la POF constituye otro
aspecto de la invención de la disposición propuesta, ya que permite
usar en asociación con la primera fibra óptica 11 y la segunda
fibra óptica 12 un LED 21 y un fotodiodo 22 de bajo coste con
transmisores y receptores de luz, respectivamente. En particular,
el LED 21 puede ser un LED fuera de serie emisor rojo o un LED
emisor verde o también un LED de un color diferente. La elección
del color se determina por la atenuación de las características
espectrales de la POF específica considerada.
El LED 21 se suministra usando un generador de
corriente construido alrededor de un circuito integrado regulador
de tensión comercial. El foto-detector 22 incluye un
fotodiodo seguido de un amplificador de ruido bajo.
La salida del foto-detector 22
puede ser una corriente o una tensión, dependiendo del tipo de
amplificador.
Las fibras del transductor se alinean
automáticamente gracias al manguito de cierre 17, mostrado en la
Figura 2, de manera que la luz que viene de la primera fibra óptica
11 se acopla a la fibra óptica 12 a través del pequeño hueco de
aire 16. Como el elemento transductor 10 es sensible a los
movimientos relativos, puede suponerse aquí por simplicidad que la
primera fibra óptica 11 está fija y sólo la segunda fibra óptica 12
se está moviendo.
De esta manera, resumiendo, el transductor de
desplazamiento óptico 20 funciona de la siguiente manera.
En el caso de una medida de movimientos que hace
que la segunda fibra óptica 12 se aparte, en el comienzo de la
sesión de medida las dos caras finales 13 y 14 de la fibra se ponen
físicamente en contacto. Esto asegura el acoplamiento máximo de la
luz transmitida y, de esta manera, puede leerse un valor máximo de
corriente o tensión en el foto-detector 22. El
desplazamiento d en la dirección axial de la segunda fibra óptica
12, ensancha el hueco 16 y reduce la luz recogida por dicha segunda
fibra óptica 12. De esta manera, la potencia óptica incidente sobre
el fotodiodo en el foto-detector 22 se reduce en
consecuencia, disminuyendo la corriente o tensión en la salida del
amplificador. De este modo un desplazamiento se convierte en una
variación de corriente o tensión.
El mismo procedimiento, pero en el orden
inverso, puede aplicarse al caso de una medida de un desplazamiento
que lleva a la primera fibra óptica 11 más cerca de la segunda fibra
óptica 12. En este caso, en el comienzo de la sesión de medida el
transductor 20 se ajusta a la lectura máxima para lo que respecta al
desplazamiento (es decir, salida mínima de corriente o tensión) y
después el estrechamiento del hueco 16 con el desplazamiento d hace
que aumente la corriente o tensión de salida.
La ventaja de usar un transductor basado en
fibras poliméricas es también que es posible detectar
desplazamientos de hasta pocos milímetros gracias a su gran
diámetro (de aproximadamente 980 micrómetros) y gran abertura
numérica (que varía alrededor de un valor de 0,5). Por ejemplo, el
mismo tipo de transductor hecho con fibras de vidrio
convencionales, que tiene un diámetro de aproximadamente 9
micrómetros y una abertura numérica de 0,2, tendría un intervalo
útil de sólo décimas de micrómetros, aparte de requerir fuentes de
láser mucho más caras y alineamientos de los conectores que deben
ser muchísimo más precisos mecánicamente. Respecto a esto, debe
tenerse en cuenta que las fibras POF son más fáciles de manejar en
las operaciones de corte y conexión de fibras. Esto es
particularmente pertinente cuando es necesario poner muchos
detectores, es decir, se necesitan muchas operaciones de corte,
conexión y alineamiento.
La respuesta típica del transductor, que es la
variación de una potencia relativa P acoplada en la segunda fibra
óptica 12 con el desplazamiento d entre las dos puntas de fibra se
muestra en la Figura 4.
En la Figura 6 se muestra un sistema de medida
30, adecuado para controlar grietas, en el que una pluralidad de
elementos transductores 10 se colocan de forma correspondiente a las
grietas 40 respectivas.
Cada uno de los elementos transductores 10
recibe a través de una primera fibra óptica 11 respectiva la luz de
un LED 21 respectivo en un bloque transmisor 34 y transmite la luz a
través de una segunda fibra óptica 12 respectiva a un
foto-detector 22 respectivo en un receptor 35.
Los LED 21 están conectados en serie en el
transmisor 34, para ser accionados por la misma corriente y tienen
las mismas fluctuaciones residuales y comportamiento térmico,
mientras que el receptor 35 en este caso representa un
foto-detector multicanal, que tiene al menos tres
canales.
El bloque 31 representa un ordenador personal
asociado con un tarjeta de adquisición digital comercial (DAQ) 32.
La corriente (o tensión) de salida de los
foto-detectores 22 se envía, a través de la DAQ 32
al ordenador personal 31.
Los programas adecuados cargados en el ordenador
personal 31 pueden evaluar los resultados de medida, representar
las variaciones de las posiciones con el tiempo y emitir un aviso si
la lectura aumenta respecto a un umbral predefinido. La DAQ 32
tiene una pluralidad de canales adecuados para obtener las señales
desde la pluralidad de elementos transductores 10, para controlar
simultáneamente muchos desplazamientos o para obtener un sistema de
medida multi-axial.
En dichos canales se considera el ancho de banda
eléctrica necesario para el control y el ancho de banda de un
amplificador se limita, en consecuencia, para reducir el ruido. De
hecho, el control de grieta puede realizarse a frecuencias bajas,
de manera que es posible suprimir el ruido de alta frecuencia con
una elección apropiada del ancho de banda. Todo el montaje puede
adaptarse fácilmente también para controlar vibraciones de hasta
unos pocos kHz para diferentes aplicaciones, sin degradación
significativa de los rendimientos.
Para aumentar la resolución del sistema de
medida es necesario compensar el valor medido para las fluctuaciones
de la fuente de luz, es decir, del LED. En la realización propuesta
esto se obtiene detectando uno de los canales de la DAQ 32 para
medir la salida de otro fotodiodo que está unido directamente a un
LED de referencia del mismo tipo que el LED 21 usado para
suministrar los elementos transductores 10 y conectado en serie con
dicho LED 21 para tener el mismo punto de desvío y experimentar las
mismas fluctuaciones residuales de corriente. Mediante esta
disposición se evita ventajosamente la necesidad de un acoplador
que, aparte de ser muy caro en comparación con el coste global de
los detectores, introduce también una alta pérdida de inserción.
Otro canal de la DAQ 32 se dedica a obtener la
temperatura ambiente desde un detector de temperatura 33 electrónico
integrado comercial de bajo coste, por ejemplo TMP35 de Analog
Devices, permitiendo una compensación de los efectos de la
temperatura, suponiendo que los diversos elementos transductores 10
están aproximadamente a la misma temperatura.
Pueden obtenerse compensaciones más exactas,
incluyendo no sólo los efectos de la temperatura sino también de la
humedad, cargas no deseadas, envejecimiento, etc., conectando el LED
de referencia a su fotodiodo a través de una fibra de referencia
ininterrumpida que corre paralela a la fibra de control, es decir la
primera fibra 11 y la segunda fibra 12.
El solicitante ha ensayado el comportamiento del
sistema de medida 30 para controlar las grietas en una cámara
medioambiental de -20 a +60ºC a, con diferentes grados de humedad;
la dependencia de la temperatura de la respuesta del elemento
transductor 10 con la temperatura se ha memorizado para obtener
valores de corrección para las medidas durante el funcionamiento
normal. Después de la corrección para temperatura y variaciones de
la fuente de LED, hay fluctuaciones residuales en el desplazamiento
menores de unos bajos porcentajes. Dicho valor puede considerarse
adecuado, teniendo en cuenta el coste muy bajo del equipo. Un
ejemplo de los resultados se muestra en el diagrama de la Figura 5
donde se representa la variación del valor medido para el
desplazamiento d frente a la temperatura T, desde un estado a
temperatura ambiente, antes y después de la compensación de
temperatura. En este caso, la primera fibra óptica 11 se ha separado
para determinar un hueco de 1 mm con respecto a la segunda fibra
óptica 12 y se ha verificado que a temperatura ambiente el detector
que lee el desplazamiento d era de 1 mm. Dicho valor se ha tomado
como valor cero en el diagrama de la Figura 5, por ejemplo
variación cero del desplazamiento. Aumentando la temperatura T hasta
50ºC se ha registrado una reducción ficticia progresiva del
desplazamiento debido a la variación de la longitud de la fibra con
la temperatura (línea continua en la Figura 5). Como puede
observarse, tras la aplicación de la compensación de temperatura
apropiada las variaciones residuales son menores de \pm 10 \mum
(línea discontinua en la Figura 5). Debe observarse que este valor
corresponde a la resolución del transductor durante el uso y esto
explica también el aspecto de escalera de las curvas en la Figura
5.
En la Figura 7 se muestra otra realización del
transductor de desplazamiento óptico de acuerdo con la invención,
indicado en su conjunto por la referencia 50.
El transductor de desplazamiento descrito con
referencia a las Figuras 1 y 2 se basa en la medida de la potencia
transmitida a través de un hueco de aire, aunque puede implementarse
el mismo transductor usando un montaje basado en reflexión. Este
procedimiento puede facilitar colocar el detector en algunas
aplicaciones ya que todas las fibras permanecerán en el mismo lado
de las piezas móviles. Con respecto al montaje descrito
anteriormente con referencia a las Figuras 1 y 2, la realización de
la Figura 7 tiene un intervalo reducido de desplazamiento
detectable, aunque una mejor resolución, debido a una mayor
atenuación por unidad de longitud ya que la luz se propaga dos
veces en el hueco de aire, aunque la dinámica está limitada por las
reflexiones de Fresnel en la cara final de la fibra.
De esta manera, con referencia a la Figura 7, en
el transductor 50 el LED 21 se acopla a una primera fibra óptica
51, que está fija en uno de los dos puntos o partes cuyo
desplazamiento relativo d a través de un hueco 56 tiene que medirse
y a lo largo de un eje 55 está orientado hacia una superficie
reflectante 61, es decir, un espejo, que está unido a la otra parte
o punto móvil en el otro lado del hueco 56.
La luz reflejada de la superficie reflectante 61
pasa así de nuevo a través del hueco 56 a lo largo del eje 55 y es
recogida de nuevo por la misma fibra óptica 51. Después la luz
reflejada se separa de la luz incidente en la fibra 51 usando un
acoplador direccional 62 y encaminado al
foto-detector 22 a través de una segunda fibra 52
adecuada.
Esta implementación es mecánicamente sencilla y
estable gracias al uso de un acoplador direccional aunque introduce
una pérdida de inserción que no es insignificante.
El montaje basado en reflexión como se describe
con referencia a la Figura 7, puede tener otra realización para el
lado receptor, como se muestra en la Figura 9, donde se usa otra
fibra para recoger la luz reflejada.
En este caso se muestra un transductor 70 donde
la luz que viene del LED 21 a través de la fibra de suministro 71,
a lo largo de un eje 75 y a través de un hueco 76, se refleja desde
el espejo 61, se vuelve a recoger mediante la segunda fibra 72 y se
encamina al foto-detector 22.
Se señala que, aunque hablando estrictamente la
segunda fibra óptica 72 en este caso no cae exactamente en el mismo
eje 75 en el que se alinea la primera fibra óptica 71, la diferencia
en lo que respecta a la trayectoria óptica y la anchura del hueco
56 es insignificante. Además, en este caso, para maximizar la
potencia recogida por la segunda fibra 72 se proporciona una lente
diseñada apropiadamente 63. Es posible usar también un espejo
curvado como superficie reflectante 61. El elemento transductor 70
evita el exceso de pérdida de inserción asociada con el acoplador
direccional 62.
El montaje de reflexión descrito con referencia
a las Figuras 7 y 9 es adecuado también para medir vibraciones y
obtener un acelerómetro si el espejo 61 se monta en un medio
oscilante, tal como una viga en voladizo, unido a la superficie
vibratoria. En este caso la rigidez de la viga en voladizo y la masa
del espejo tienen que diseñarse apropiadamente para obtener la
amortiguación y la frecuencia resonante deseadas. Este tipo de
transductor es particularmente interesante para aplicaciones de
control estructural monumental porque permite la detección de
vibraciones sin requerir el proporcionar in situ energía
eléctrica, como se necesita en los acelerómetros capacitivos. Esto
hace imposible el arranque. Otra aplicación puede ser en el campo de
detección de intrusión.
El transductor puede miniaturizarse usando
tecnología MEMS: en este caso la viga en voladizo y el espejo se
fabrican de silicio y la fibra se alinea automáticamente atacando un
surco en V en el sustrato.
Un ejemplo de la respuesta típica del
transductor 50 se presenta en la Figura 8 donde se representa la
potencia recibida P frente al desplazamiento d entre la fibra de
suministro 51 y la superficie reflectante 61.
La dinámica está limitada por las reflexiones de
Fresnel en la cara final de la fibra.
Como ya se ha mencionado, el montaje puede
usarse para detectar vibraciones. Un ejemplo de la lectura del
transductor cuando se expone a vibraciones se muestra en la Figura
10, donde dicha lectura se representa en unidades arbitrarias como
una función del tiempo t.
El transductor propuesto, en sus diversas
realizaciones mostradas anteriormente, es intrínsecamente
uni-axial, aunque un detector
multi-eje puede obtenerse fácilmente agrupando
juntos dos o tres transductores uni-axiales,
gracias a su bajo coste. Por supuesto, en este caso también se han
replicado apropiadamente los circuitos electrónicos, de una manera
similar a la mostrada para el sistema mostrado esquemáticamente en
la Figura 5, con la condición de que los elementos transductores 10
están orientados a lo largo de los ejes deseados. A modo de
ejemplo, en el caso de un sistema de medida que funciona en tres
ejes más el de referencia, son necesarios cuatro LED conectados en
serie para el transmisor. Análogamente, en el lado del receptor
tiene que usarse un sistema foto-detector de cuatro
canales.
Como se ha mencionado, la sensibilidad del
sistema de medida es actualmente de aproximadamente 10 \mum en un
intervalo útil que llega hasta aproximadamente 6 mm. Este intervalo
de funcionamiento es comparable con otros tipos de detectores
comerciales tales como los basados en rejillas Bragg y ya es
funcional para controlar grietas en paredes. Sin embargo, si la
aplicación requiere un intervalo ampliado, este puede conseguirse
usando componentes optoelectrónicos de mayor calidad y/o
procedimientos de reducción del ruido tales como técnicas de cierre
con amplificador modulando apropiadamente el LED de entrada 21. Es
importante observar que el sistema de medida propuesto tiene una
exactitud que sólo es ligeramente menor que algunos que son
comerciales, aunque requiere una unidad interrogadora mucho más
sencilla y tiene un coste global muy bajo.
Resulta evidente que, aunque el transductor
propuesto se ha desarrollado junto con la aplicación en el control
de grietas en edificios, de forma temporal o permanente, y, en
particular, los rendimientos en lo que respecta a la extensión y
resolución máxima se han definido con referencia a dicha actividad
de control de grietas, los bajos costes del equipo sugieren
aplicaciones para un control generalizado de edificios, en un
enfoque de análisis estructural. El alcance del transductor de
acuerdo con la invención se extiende también a la medida del peso,
presión, atracción, y de forma más general, las fuerzas, así como
oscilaciones de baja frecuencia, con la condición de que un
mecanismo adecuado para convertir dichas cantidades en un
desplazamiento de las fibras ópticas esté asociado a un transductor
de desplazamiento óptico que incluye al menos una primera fibra
óptica, que tiene una primera cara final sustancialmente alineada a
lo largo de un eje y situada con un pequeño hueco entre dicha
primera cara final y una segunda cara final de un ensamblaje de
recepción, al menos una fuente de luz acoplada para transmisión a
dicha primera fibra óptica y al menos un
foto-detector acoplado para recepción a dicha
segunda fibra óptica, en el que dichas caras finales pueden
desplazarse a lo largo de dicho eje y relativamente unas con
respecto a otras.
Por consiguiente, sin perjuicio del principio
subyacente de la invención, los detalles y realizaciones pueden
variar, también significativamente, con respecto a lo que se ha
descrito en lo anterior, a modo únicamente de ejemplo, sin alejarse
del alcance de la invención como se define mediante las siguientes
reivindicaciones.
A modo de ejemplo, el medio de procesado que
funciona con la señal proporcionada por el transductor puede ser un
ordenador personal, aunque también cualquier otro tipo de
microcontrolador adecuado para procesar dicha información. En este
aspecto, puede elegirse un microcontrolador con tarjeta de
adquisición digital integrada.
Claims (21)
1. Un transductor de desplazamiento óptico, que
incluye un elemento transductor (10; 50, 70) que comprende al menos
una primera (11; 51; 71) fibra óptica, que tiene una primera cara
final (13) sustancialmente perpendicular a un eje (15; 55; 75) y
situada con un pequeño hueco (16; 56; 76) entre dicha primera cara
final (13) y una segunda cara final (14; 61) de un ensamblaje de
recepción (12, 14; 61, 62, 52; 61, 63, 72), comprendiendo
adicionalmente dicho transductor (20) al menos una fuente de luz
(21) acoplada para transmisión a dicha primera fibra óptica (11) y
al menos un foto-detector (22) acoplado para
recepción a dicho ensamblaje de recepción (12, 14; 61, 62, 52; 61,
63, 72), estando acoplados dicha al menos primera fibra óptica (11;
51; 71) y dicho ensamblaje de recepción (12, 14; 61, 62, 52; 61,
63, 72) a través de dicho pequeño hueco (16; 56; 76) para controlar
una atenuación de unión correspondiente, pudiendo desplazarse dicha
primera cara final (13) y segunda cara final (14; 61) a lo largo de
dicho eje (15; 55; 75) y relativamente una con respecto a otra, para
seguir el desplazamiento relativo (d) de los puntos asociados con
dicha primera cara final (13) y segunda cara final (14; 61)
caracterizado porque dicha al menos una primera fibra óptica
(11) es una Fibra Óptica Polimérica (POF) que tiene alta abertura
numérica en un intervalo alrededor del
valor 0,5.
valor 0,5.
2. El transductor de la reivindicación 1,
caracterizado porque dicho ensamblaje de recepción (12, 14;
61, 62, 52; 61, 63, 72) incluye una segunda (12) fibra óptica que
tiene una segunda cara final (14) sustancialmente alineada con
dicha primera fibra óptica (11) a lo largo de un eje (15) y situada
con un pequeño hueco (16) entre dicha primera cara final (13) y
segunda cara final (14), estando acoplado dicho al menos un
foto-detector (22) para recepción a dicha segunda
fibra óptica (12) y porque dicha segunda (12) fibra óptica es
también una Fibra Óptica Polimérica (POF) tal como Fibras Ópticas
Poliméricas (POF) que tienen alta abertura numérica en un intervalo
alrededor del
valor 0,5.
valor 0,5.
3. El transductor de cualquiera de las
reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque dicha primera
cara final (13) y segunda cara final (14) se insertan en un
manguito de alineamiento (17) que incluye toda la longitud de dicho
pequeño hueco.
4. El transductor de la reivindicación 1,
caracterizado porque dicho ensamblaje de recepción (61, 62,
52; 61, 63, 72) incluye una superficie reflectante (61) y una
segunda fibra óptica (52; 72) fijada al mismo punto o parte a la
que se fija dicha primera fibra (51; 71).
5. El transductor de la reivindicación 4,
caracterizado porque dicho ensamblaje de recepción (12, 14;
61, 62, 52; 61, 63, 72) incluye un acoplador direccional (62)
asociado con dicha primera fibra óptica (51) y a una segunda fibra
óptica (52), adecuado para dirigir la luz reflejada por dicha
superficie reflectante (61) a dicha segunda fibra óptica (52).
6. El transductor de la reivindicación 4,
caracterizado porque incluye un medio óptico (63) para
desviar la luz reflejada por dicha superficie reflectante (61) en
dicha segunda fibra óptica (52).
7. El transductor de la reivindicación 6,
caracterizado porque dicho medio óptico (63) incluyen una
lente.
8. El transductor de cualquiera de las
reivindicaciones 4 a 7, caracterizado porque dicha superficie
reflectante (61) se monta sobre un medio oscilante.
9. El transductor de cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicha
fuente de luz (21) incluye al menos un diodo emisor de luz y dicho
foto-detector (22) incluye al menos un
fotodiodo.
10. Un sistema de medida del desplazamiento que
comprende al menos un transductor (20) asociado con los medios de
procesado (31, 32), caracterizado porque dicho transductor es
un transductor de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 9 y dichos
medios de procesado (31, 32) están configurados para analizar una
señal de corriente o tensión generada por dicho
foto-detector (22).
11. El sistema de la reivindicación 10,
caracterizado porque dichos medios de procesado incluyen una
tarjeta de adquisición digital (32).
12. El sistema de la reivindicación 11,
caracterizado porque dicha tarjeta de adquisición digital
(32) incluye una pluralidad de canales de adquisición.
13. El sistema de la reivindicación 12,
caracterizado porque incluye una pluralidad de transductores
(20) asociados con dicha pluralidad de canales de la tarjeta de
adquisición digital (32).
14. El sistema de la reivindicación 13,
caracterizado porque los elementos transductores (10; 50; 70)
de dichos transductores (20) están orientados a lo largo de
diferentes ejes.
15. El sistema de cualquiera de las
reivindicaciones 10 a 14, caracterizado porque incluye un
detector de temperatura (33) para compensar los efectos de la
temperatura.
16. El sistema de cualquiera de las
reivindicaciones 10 a 15, caracterizado porque incluye otro
fotodiodo unido directamente a un diodo de referencia emisor de luz
del mismo tipo y conectado en serie con el diodo emisor de luz (21)
acoplado a dicho transductor (10) para compensar las fluctuaciones
de la fuente de luz.
17. El sistema de la reivindicación 16,
caracterizado porque dicho LED de referencia está conectado a
dicho fotodiodo adicional mediante una fibra de referencia
ininterrumpida que corre paralela a la primera fibra óptica (11;
51; 71) y a la segunda fibra óptica (12; 52; 72).
18. Un procedimiento para detección del
desplazamiento, que incluye la operación de medir el desplazamiento
de al menos dos puntos que pueden desplazarse relativamente uno con
respecto al otro, caracterizado porque incluye la operación
de acoplar a dichos al menos dos puntos un transductor de acuerdo
con las reivindicaciones 1 a 9.
19. El procedimiento de la reivindicación 18,
caracterizado porque incluye las operaciones de:
asociar dicha primera cara final (13) y dicha
segunda cara final (14) a dichos dos puntos que pueden desplazarse
relativamente uno con respecto al otro;
medir la variación de dicha señal de corriente o
tensión generada por el foto detector mediante un sistema de medida
de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 7 a 17.
20. El procedimiento de cualquiera de las
reivindicaciones 18 o 19, caracterizado porque incluye las
operaciones de:
incluir en dichos medios de procesado una
tarjeta de adquisición digital (32), y
compensar la medida del
foto-detector para las fluctuaciones de temperatura
obteniendo la medida del detector de temperatura (33) a través de
un canal de dicha tarjeta de adquisición digital (32).
21. El procedimiento de cualquiera de las
reivindicaciones 18 a 20, caracterizado porque incluye la
operación de compensar las fluctuaciones de la fuente de luz
obteniendo la medida de dicho fotodiodo adicional unido a un diodo
emisor de luz de referencia.
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