Sensores de Redes de Bragg en Fibra Óptica: tecnología avanzada que ofrece precisión, estabilidad y alta sensibilidad en mediciones físicas.
Sensores de Redes de Bragg en Fibra Óptica: Precisión, Estabilidad y Sensibilidad
Los sensores de redes de Bragg en fibra óptica (FBG, por sus siglas en inglés) se han convertido en una tecnología fundamental para la medición de diversas magnitudes físicas como temperatura, tensión, presión y deformación. Estos sensores se destacan por su alta precisión, estabilidad y sensibilidad, lo que los hace ideales para aplicaciones en ingeniería civil, aeroespacial, médica y de monitoreo estructural.
Principios Básicos de las Redes de Bragg en Fibra Óptica
Una red de Bragg en fibra óptica es un tipo de filtro distribuido creado mediante la introducción de una modulación periódica del índice de refracción a lo largo de una sección de la fibra óptica. Esta modulación se produce generalmente utilizando un láser de escritura ultravioleta. La red refleja selectivamente una longitud de onda específica de luz mientras permite que otras longitudes de onda la atraviesen sin interrupción.
Este comportamiento se basa en la ecuación básica de la red de Bragg, conocida como la condición de Bragg:
\(\lambda_B = 2n_{\text{eff}} \Lambda\)
donde:
Cuando la fibra está sujeta a cambios físicos, como la tensión o la temperatura, se produce un cambio en \(\lambda_B\). Este cambio puede ser medido y analizado para obtener información sobre las condiciones a las que está sometida la fibra.
Teoría y Funcionamiento de los Sensores de Redes de Bragg
Los sensores FBG funcionan midiendo cambios en la longitud de onda reflejada (\(\lambda_B\)), que están directamente relacionados con las variaciones en la tensión mecánica y la temperatura. Los cambios en la tensión y la temperatura modifican el período de la red (\(\Lambda\)) y el índice de refracción efectivo (\(n_{\text{eff}}\)), lo que, a su vez, cambia la longitud de onda reflejada.
La relación entre la longitud de onda reflejada y las variaciones físicas se puede expresar mediante la siguiente ecuación:
\(\Delta \lambda_B = \left( \frac{\partial \lambda_B}{\partial \varepsilon} \right) \Delta \varepsilon + \left( \frac{\partial \lambda_B}{\partial T} \right) \Delta T\)
donde:
Los coeficientes de sensibilidad, \(\frac{\partial \lambda_B}{\partial \varepsilon}\) y \(\frac{\partial \lambda_B}{\partial T}\), son intrínsecos a la fibra y dependen de las propiedades del material de la fibra y las características de la red inscripta.
Precisión de los Sensores FBG
La precisión de los sensores FBG es uno de sus principales beneficios. Está influenciada por la resolución del equipo de interrogación, la calidad de la red escrita en la fibra y las condiciones ambientales. La resolución espectral de los equipos de interrogación actuales puede ser del orden de picometros, lo que permite detectar cambios extremadamente pequeños en la longitud de onda reflejada.
Además, la estabilidad a largo plazo de las redes de Bragg en fibra óptica contribuye a su alta precisión. A diferencia de otros sensores que pueden experimentar deriva de cero o errores sistemáticos con el tiempo, los FBG muestran una estabilidad inherente debido a la naturaleza del material y su modo de funcionamiento.
Estabilidad y Sensibilidad
La estabilidad de los sensores FBG está relacionada con la resistencia del material de la fibra óptica a las condiciones externas y su capacidad para mantener la integridad de la red de Bragg a lo largo del tiempo. Esto incluye la estabilidad frente a cambios en la temperatura, la humedad y la presión ambiental. La insensibilidad a interferencias electromagnéticas también es una ventaja significativa, especialmente en entornos industriales.
La sensibilidad de los sensores FBG se refiere a su capacidad para detectar pequeños cambios en las magnitudes físicas de interés. Gracias a la alta precisión de la medición de la longitud de onda reflejada, estos sensores pueden detectar variaciones mínimas en la tensión y la temperatura. Esto hace que sean muy útiles en aplicaciones críticas donde se requiere un monitoreo detallado y constante.
Formulas de Sensibilidad
La sensibilidad total de los sensores FBG viene dada por una combinación de la sensibilidad a la tensión y a la temperatura.
Para la tensión:
\(\Delta \lambda_B / \lambda_B = (1 – p_e) \Delta \varepsilon\)
donde \(p_e\) es el coeficiente piezo-óptico efectivo del material de fibra. Valores típicos para \(p_e\) son alrededor de 0.22 en fibras de sílice estándar.
Para la temperatura:
\(\Delta \lambda_B / \lambda_B = (\alpha + \zeta) \Delta T\)
donde:
Los valores típicos para \(\alpha\) y \(\zeta\) en fibras de sílice están en la orden de 0.55 \times 10^{-6} / ^\circ C y 0.86 \times 10^{-6} / ^\circ C, respectivamente.