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SENSORESUna gran cantidad de sensores de fibra óptica modulada en fase ha sido demostrado, incluyendoacústico, eléctrico, magnético, un deseo de rotación, aceleración, corriente eléctrica presión ytemperatura. Fueron aplicados a hidrófonos, magnetómetros, giróscopos, acelerómetros, y otrosdispositivos. Estos dispositivos y exhibe numerosas ventajas, la más importante de las cualesson flexibilidad geométricas, inmunidad interferencia electromagnética y pulsoselectromagnéticos, gran ancho de banda y una gran sensibilidad , como por ejemplo habilidadpara detectar señales de niveles muy bajos y con pequeños cambios.

Consideremos el siguiente interferómetro, mostrado en la figura :

La luz proveniente de un diodo láser es dividida igualmente entre los brazos de un interferómetrousando un acoplador de fibra de estado sólido. La porción sensante del brazo sensor es diseñadapara responder al campo a ser medido, mientras que el resto de los brazos sensantes y dereferencia son insensibles. Los dos rayos de luz que han viajado independientemente a través dedos brazos son combinados por un segundo acoplado que convierte la modulación de fase enuna modulación de intensidad. Los amplificadores combinan las señales y los fotodiodos, uno porcada una de las dos salidas común de tal forma que rechaza el ruido de modo común. Unintegrador completa que el lazo enganchado en fase. El desplazador de fase puede ser elfabricados bobinando la fibra alrededor del stretcher PZT, aplicando una envolturapiezopolimérica en de parte de la fibra. En cualquier caso, la salida del circuitoamplificador/integrador se aplica al modificador de fase causando una modulación de fase en elbrazo de referencia del interferómetro igual a la del brazo sensante. Con este arreglo, la relaciónde fase enter los dos brazos del interferómetro se mantiene bloqueada al punto de máximasensibilidad. Esto se conoce como operación en cuadratura.

En la siguiente figura se ven varias y configuraciones de sensores :


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Un arreglo planar se muestra un la figura arriba a la izquierda .

SENSORES ACÚSTICOS

Sensores acústicos de presión

Se sabe que las variaciones de presión asociadas con una onda sonora producen fluctuacionesde fase dadas por:

donde AL/L es la fatiga axial; k es el nro. de onda n es el índice de refracción del nucleo y Anviene dado por la siguiente función:


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Donde los P son los coeficientes de Pockel y los S las fatigas radiales. Si hacemos la asunciónde un volúmen constante, que estamos ante la presencia de un material isotrópico, que larelación de Poisson es cercana a 0.5 y que el núcleo está hecho aen base a silicio fundidollegamos a que el índice de compresibilidad (indicador de sensibilidad acústica) es:

En la siguiente figuar se muestran los valores experimentales de este índice, tomados para fibrascon distíntos tipos de recubrimiento.

La discusión anterior es válida para fibras arrolladas soe un eje o para fibras del tipo gruesas. Enel caso que el envainado sea mcuho más fino la sensitividad al cambio de fase es una funciónmmás complidada, dependiendo del coeficiente de elasticidad. En este caso vamos a tomar que larelación de Poisson ya no es 0.5 sino muy baja, con lo que llegamos a que:

Los dos últimos términos están asociados con la dependencia a la presión del índice derefracción. Los distintos valores de estos coeficientes son mostrados en la siguiente figura.


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El efecto de encapsular la fibra con aluminio es reducir el índice de compresibilidad por debajodel silicio fundido, como se vio en la primera figura. Los resultados teóricos se ven la siguientefigura.

Como se ve, corresponden distintos valores del ancho del recubrimiento para que la sensibilidadacústica sea anulada, según el tipo de material empleado. También se muestra la variación delíndice de compresibilidad contra el espesor del aluminio en la siguiente figura:


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Sensores de gradiente de presión

La dirección de la fuente de una señal sonora, puede ser determinada usando un arreglo desensores omnidireccionales o un sensor de gradiente de presión. Estos sensores, llamadoshydrófonos, sensan la presión en dos puntos de poca separación, típicamente mucho menos queuna longitud de onda. Ya que la salida de uno de estos sensroes es proporcional al gradiente depresión, su respuesta es proporcinal a la velocidad instantánea, por lo cual también son llamadosde velocidad de partículas.

Consideremos al señal mostrada en la siguiente figura:

Vemos que la presión instantánea está dada por :

donde PA es la amplitud de la señal, lambda es la long. de onda de la señal y x es la distancia enlongitudes de onda. Si tomamos la presión en 2 puntos (x=0 y x=S) colocando sensores en estospuntos, la diferencia de presión (teniendo en cuenta que para x reducidas sen(x) = x )es de:


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Las variaciones de Pmin con la frecuencia pueden verse en la siguiente figura. En estos casos,se realizó la medición sobre 118 y 373 metros de fibra arrollados sobre arrollados sobre espigasde Teflon, separadas 8 cm.

Si la señal viaja en frma transversal a la línea formada por ambos sensores se halla asensibilidadmáxima, en cambio si viaja en forma transversal no existe sensibilidad porque amboscomponentes están a la misma presión. Esto se traduce en un patrón de sensibilidad similar a lde los dipolos, como se muestra aquí:

Sensores magnéticos


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Estos sensores se basan en la propiedad de algunos materiales, llamada magnetoresistividad.Esta consiste en el cambio de longitud del mismo si este es sumergido en un campo magnético.

Expresiones para este efecto fueron obtenidas como una función del espesor del envoltorio, parauna amplia variedad de materiales:

Para realizar estas mediciones, se utilizó un toroide de niquel sobre el que se arrolló la fibra enforma toroidal y alrededor de la superficie mayor.


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Este material ha sido usado en muchas aplicaciones, y para fabricar este tipo de sensores, puedebien arrollarse la fibra sobe el material (como en la figura anterior) o realizar un recubrimiento dela fibra con este material. Los cambios, en este sentido observados, se deben no solo al cambiode longitud, sino también al cambio de índice de refracción.

Sensores de corriente eléctrica

Se utilizan dos técnicas para la medición de corrientes eléctricas (mostradas en la figura inferior).En la primera, una sección de fibra coin recubrimiento de níquel se coloca en el centro de unsolenoide, energizado con la corriente eléctrica a medir. Midiendo el campo eléctrico se tiene lamagnitud de corriente que circula.

La segunda técnica (mostrada en la parte inferior de la figura) depende del calentamiento de unaresistencia que ocurre sobre una sección de fibra con recubrimiento de aluminio.

SENSORES MODULADOS POR INTENSIDAD

Un segundo tipo de sensores a ser discutidos es el llamado sensores modulados porintensidad.La salida de luz desde una fuente óptica de intensidad constante, es enviada a travésdel elemento sensro. Des desta forma, se altera la intensidad de la señal lumínica, modulando suamplitud.


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Este tipo de sensores tienen la ventaja de no necesitar una luz coherente, ya que no se necesitadeterminar la variación de la fase sino de su amplitud, pudiendo usarse un emisro de LED nolaser o cualquier otro que lo hace más económico. A su vez, el sensado de amplitud es muchomás simple, resultando en circuitos más económicos y menos propensos a averías.

Sensor por campo desvaneciente

Este consiste de un par de fibras colocadas dentro de un elemento transductor, de tal forma queha sido removida la vaina. De esta forma, se produce un acoplamiento entre ambas fibras, el quepermite que parte de la luz colocada en una de las fibras pase a la otra. De esta forma, cualquiercambio en la longitud (L), distancia (d) o indice de refracción producido por la modificación delelemento permite medir la fuerza aplicada al sensor.

Sensor por coeficiente de reflexión

Este se basa en los cambio realizados en el ecoficiente de refracción del medio a sensar. Sivemos en la parte superior de la figura, evmos que se inserta luz en el núcleo de una fibra, sehace reflejar contra el extremo opuesto, y esta reflexión es dirigida a un detector a través de unespejo separador.

Como se ve en la figura inferior, la reflexión puede ser controlada según el ángulo de corte. Sihacemos que este ángulo sea mayor que el crítico, parte de la señal irá desde el nucleo hasta lavaina, y una vez allí una parte irá hacia el medio y otra será reflejada. Esto depende del índice dereflexión del medio (n3) por lo tanto se pueden medir variaciones de este debido a temperatura,


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presión,etc, según la cantidad de luz reflejada.

Sensor de grilla móvil

UN sensor simple, es realizado colocando una grilla entre dos fibras con una pequeñaseparación.

Esta se halla formado por elementos transparentes y opacos, logrando que cuando seencuentran enfrentadas las partes oscuras hay máxima transmisión de luz, y cuando seencuentran enfrentadas partes oscuras y opacas hay mínima transmisión.

Este puede ser usado como hidrófono, realizando el montaje indicado a continuación:


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Asumiendo que la grilla consiste de elementos de 5 micrones a uan distancia de 5 micrones, laintensidad variará ne forma cíclica, como se muestra:

Sensor por microdeformaciones

este tipo de sensores se basa en la eyección de la luz que viaja por el núcleo hacia la vaina, através de deformacines introducidas en la geometría del mismo. Para esto se hace pasar la fibraa través de un deformador.


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Al incrementar la fuerza (F) aplixada a las placas, la amplitud de la deformación puede serincrementada. Al realizar estas deformaciones, causa que el ángulo de incidencia de la luz en elnúcleo varía, y provocando que la misma sea refractada hacia la vaina. Este proceso se muestraen la figura siguiente:

Los rayos que se propagan sobre el núcleo a un ángulo menor que el crítico, se mantienenatrapados en el núcleo, pero al aumentar la presión hace que estos lo sobrepasen y seaparcialmente transmitida a la vaina.

Se han hecho una gran cantidad de estudios de este fenómeno. Por ejemplo, el sistemamostrado en la figura de abajo fue usado en los laboratorios de investigación Hughes.


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Como se indica, la luz es inyectada en una fibra, la cual es pasada a través de un deformador. Eneste caso la intensidad de la luz es monitoreada por el otro extremo. Usano un láser dehelio-neón con un haz muy contaminado, es posible variar el ángulo de incidencia de la luz en lafibra, y así utilizar los varios modos de propagación de la misma.

Usando este sistema, los laboratorios Hughes midieron la intensidad de luz transmitida como unafunción de la fuerza aplicada al transductor. Esto se hizo para diferentes ángulos de incidencia dela luz, y los resultados se muestran a continuación:

Como se desprende del gráfico, cuando el ángulo de incidencai es cero (viaja por el núcleo sinrebotes) una variación del 20% en la transmisión de luz, muestra una fuerza de 2 newtonaplicada. Por el contrario, a medida que se va incrementando el ángulo es más propenso a pasarel ángulo crítico, con lo cual el sensor aumenta su sensibilidad.

usando los resultados de estas experiencias y otras similares, los laboratrios Hughes encolaboración con la rama para investigación Físico-Acústico de los laboratorios navales de USA,diseñaron y probaron un hidrófono con este principio.


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La placa deformante fue rígidamente montada sobre una cubierta cilíndrica, mientras que el otroextremo fue ajustado a un pequeño diafragma.

SENSORES ÓPTICOS ROTACIONALES

La medición de rotación es de considerable interés en un gran número de areas. Por ejemplo lossistemas de navegación de aeronaves y buques dependen de ello.

Los más populares métodos de sensado de la rotación usados en las décadas pasadas, sebasan en el giróscopo mecánico, el que depende del momento angular generado por una rueda obola, a la cual se le imprime un movimiento rotativo.

El principio por el que se basa un giróscopo laser es el llamado efecto Sagnac . Las aplicaciones de este efecto han estado muy activas durante las dos últimas décadas, y han sido seleccionadaspara ser usados en los Boeings 757 y 767.

La principal ventaja de los giróscopos ópticos sobre los mecánicos, básicamente son:

No posee partes móvilesNo es necesario un tiempo de calentamiento (WARM-UP)No son sensibles a la gravedadGran rango dinámicoLectura digitalBajo costoTamaño reducido

Efecto Sagnac en el vacío

El principio en el que se basa este efecto es en la diferencia de camino recorrido por dos hacesluminosos dentro de un anillo de fibra. Si tenemos un disco de radio R rotando a una velocidadomega.


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La diferencia de camino que ven dos rayos lumínicos viajando en direcciones opuestas, a lo largodel perímetro es de

donde A es el area encerrada por el camino y c es la velocodad de la luz. La derivación de estaecuación se basa en la propagación de la luz en un campo rotativo, donde la teoría general de larelatividad debe ser usada para realizar los cálculos apropiados.

La explicación del fenómeno es la siguiente. Nuevamente consideremos el disco rotando con unavellocidad angular omega perpendicular al plano del disco. En un cierto punto del perímetro(designado como 1) fotones idénticos se envían en ambos sentidos del anillo a la largo de superímetro. Si la velocidad angular es cero, entonces ambos fotones veran que el camino es de lamisma longitud, cubriendo una distancia (hasta llegar nuevamente al punto 1) de 2*pi*R. Si ahorael anillo se encuentra rotando, al llegar ambos fotones al punto 1 uno va a tardar un tiempo tccw(counterclockwise) y el otro un tiempo tcw (clockwise). Las ecuaciones vienen dadas por:

Sensor de rotación

Uno de los más simples detectores que pueden realizarse es arrolando varias vueltas de fibraóptica, como se muestra a continuación:

Según la forma en que esté realizado el separador de rayos (beamsplitter) las señalesprovenientes de la fibra pueden interferir en forma constructiva o destructiva, en ausencia derotación.

En presencia de rotación, las señales lumínicas mostrarán un diferencia de camino generada por:


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Esto causará una variación de fase de

Para un tamaño de sensor dado, la sensibilidad puede aumentarse incrementando al longitud dela fibra. Desgraciadamente no puede alargarse indefinidamente, debido a la atenuación dentro dela fibra.

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