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Sensor distribuido de fibra óptica de plástico para localización de perturbaciones


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Sensor distribuido de fibra óptica de plástico para localización de perturbaciones
R. M. López-Gutiérreza, V. Spirineb, D. Amadora, H. Martíneza, M. Martíneza

a Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma de Baja California (UABC), Km. 103, carret. Tij. – Ensenada, Ensenada, Baja California, México, roslopez@uabc.mx

b Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones, División de Física Aplicada, CICESE, Km. 107, carret. Tij. – Ensenada, Ensenada, Baja California, México. vaspir@cicese.mx


ResumEn:
Se presenta un nuevo sensor de fibra óptica de plástico distribuido para detección y localización de perturbaciones, basado en la medición de las potencias transmitida y de retrodispersión de Rayleigh. La estructura del sensor incluye una fibra óptica de plástico, la cual será perturbada mediante una influencia mecánica5, ésta inducirá pérdidas en la fibra, las lecturas de las potencias nos dará la ubicación de la perturbación en base al método desarrollado por nosotros1-4. Este nuevo sensor se basa en el sensor de fibra óptica presentado en nuestros trabajos previos1-4, ahora se utiliza fibra óptica de plástico, led y fotodectores. La localización de la región de pérdidas se determina desde la relación única entre las potencias de transmisión y retrodispersión de Rayleigh normalizadas para diferentes posiciones a lo largo de la fibra de prueba.

Se presentan las potenciales aplicaciones de este sensor utilizando fibra de plástico, sus ventajas y desventajas y como una línea de investigación del posgrado de ingeniería, de la facultad de ingeniería de la Universidad Autónoma de Baja California.





  1. Introducción

En la actualidad el estado del arte en el punto más alto de sensores ópticos se alcanza con los sensores de fibra óptica distribuidos 6-7 que permiten medir un parámetro deseado a lo largo de la fibra de prueba. El sensor de fibra óptica basado en curvaturas es muy atractivo para la medición de presión, temperatura, desplazamiento, etc., donde la perturbación se puede transformar en una deformación lateral8-10. Las regiones donde las pérdidas de luz ocurren debido a curvaturas son localizadas principalmente con reflectometría óptica en el dominio del tiempo (OTDR, Optical Time Domain Reflectometry) o reflectomtría óptica en el dominio de la frecuencia (OFDR, Optical Frequency Domain Reflectometry). Esta última técnica utiliza óptica coherente (COFDR)11 y óptica no coherente (IOFDR)12-13. Todos estos métodos utilizan fuentes de luz modulada tanto en tiempo o en frecuencia, estas técnicas permiten localizar las perturbaciones a lo largo de la fibra que está siendo utilizada como sensor. Mientras tanto, para algunas aplicaciones, es importante detectar y localizar una condición de alarma peligrosa, que es un evento no frecuente típicamente, esto puede ser un sobrecalentamiento, fuga en pipas, tensión en un ducto, fuego o explosión.

Para estas aplicaciones se propone un nuevo sensor de fibra óptico distribuido simple y económico el cual utiliza una fuente de luz no modulada, detectores de potencia y una fibra óptica. Esta técnica propuesta utiliza un novedoso principio de localización de perturbaciones inducidas por pérdidas, basadas en la medición de potencias transmitida y de retrodispersión de Rayleigh 1-5.

Este artículo presenta la posibilidad de una variación de nuestros trabajos previos, en los cuales utilizamos una fuente de emisión estimulada, medidores de potencia y fibra ópticas estándar de telecomunicaciones. Potencialmente la variación que se propone, este método resultaría ser más económico que los existentes. En esta técnica de análisis de transmisión / retrodispersión, se pretende utilizar fibra de plástico, un led y fotodetectores, que reducen los costos. Las perturbaciones se inducen en la fibra mediante curvatura.




  1. Principio de localizacion de la perturbación.

El diagrama esquemático del sensor de fibra óptico se muestra en la Fig. 1, donde se utiliza un led como fuente, se conecta a un acoplador 50/50 por donde se introduce la luz en una fibra óptica de plástico que está conectada al brazo del acoplador, al final del la fibra de prueba se conecta un fotodetector en el brazo 2 del aocoplador para medir la potencia de retrodispersión de Rayleigh y finalmente se conecta otro fotodetector en el brazo 4 para monitorear la potencia de la fuente.



Fig. 1. Diagrama esquemático del sensor de fibra óptica de plástico


El método propuesto para la localización de pérdidas se basa en la relación única entre las potencias transmitida y retrodispersada de Rayleigh normalizadas. Estas relaciones son distintas para diferentes localizaciones de la perturbación debido a las perdidas inducidas a lo largo de la fibra sensora. Por ejemplo, si la perturbación ocurre en el extremo final de la fibra, existe un decremento proporcional en la potencia transmitida, sin embargo la potencia retrodispersada no cambia debido a que toda la longitud de la fibra participa en la retrodispersión y la distribución de la potencia introducida es la misma que para una fibra sin perturbación. Si las pérdidas inducidas están en el extremo inicial de fibra sensor, la potencia transmitida decrece al igual que la potencia de retrodispersión de Rayleigh. Esto sucede porque la pérdidas inducida cerca del extremo inicial decrece la potencia de la luz que se propaga en la fibra y de ahí el decremento en la potencia retrodispersada, además la potencia decrece cuando la luz pasa nuevamente por la región. Detalladamente, si las pérdidas por curvatura en la fibra ocurrieran a la mitad de la fibra, la primera mitad cercana a la fuente de luz, aun se dispersa como si no tuviera perturbación pero la segunda mitad es menor debido a las pérdidas inducidas. Si se tienen perturbaciones idénticas inducidas, el decremento en la potencia retrodispersada de Rayleigh depende de la región con exceso de pérdidas.

Para la simulación numérica de la relación entre las potencias de transmisión y de retrodispersión de Rayleigh normalizadas cuando las pérdidas ocurren en diferentes distancias a lo largo de la fibra de prueba, se calculó la transmisión y la reflexión por dispersión de Rayleigh para dos segmentos de fibra con longitudes l1 yl2, separadas por un segmento corto de pérdidas inducidas.

Las pérdidas de retrodispersión de Rayleigh con fibra de plásticos, también llamada turbiedad, a lo largo de la fibra está dada por14

(1)

Donde  es la atenuación de la fibra, L la longitud total de la fibra, P0 la potencia inicial, X0 el inicio de la fibra óptica, S es el factor de recaptura [S=(NA)2/(4n12)],  es la turbiedad de un polímero amorfo. Por otra parte, si se asume que X0 es el origen y la potencia de entrada normalizada a 1, la expresión (1) se reduce

(2)


El coeficiente de transmisión y de retrodispersión de secciones de fibra completa se puede escribir como T1,2 = exp(-l1,2) y R=Sexp(-l1,2)], respectivamente. Una sección de fibra corto se perturba, introduciendo pérdidas de luz y tiene una transmisión Ts≤1.

Considerando que la dispersión es relativamente débil y la porción de la luz dispersada es muy pequeña. Esto permite simplificar el análisis, despreciando dispersión múltiple en ambas direcciones. Los coeficientes de transmisión T y de retrodispersión R de este sistema óptico se puede escribir como

T = T1 Ts T2 =Ts exp (-L 

R= r1 + S (1- exp (-2l1sS1- exp (-2l2sr

Donde L=l1+l2 es la longitud total del sensor, r1 y r2, reflexiones inicial y final de la fibra, respectivamente.

Los coeficientes normalizados son definidos como Tnorm= T/Tmax y Rnorm = R/Rmax, donde Tmax y Rmax se pueden evaluar desde las ecuaciones anteriores donde Ts=1.

Despejando de las ecuaciones (3) y (4) podemos determinar la posición de la perturbación en la fibra a partir de las potencias normalizadas, tanto la transmitida como la reflejada, de la siguiente manera:
(5)

Como se puede ver de la gráfica de curvas paramétricas, en la fig. 2, cada punto localizado con coordenadas (Rnorm, Tnorm) corresponde únicamente a una curva paramétrica que atraviesa este punto. Por lo tanto, para localizar la perturbación con el método propuesto, se necesitan las coordenadas dadas por las potencias normalizadas de retrodispersión y transmisión.

Por otro, como es bien sabido, el exceso de pérdidas por curvatura depende de la amplitud de la perturbación [3-5]. De ahí, el decremento en la potencia transmitida se puede utilizar para medir el valor integral de la perturbación sobre algún dominio espacial [15]. Por lo tanto este método propuesto proporciona la detección y localización de una sola perturbación con pérdidas inducidas en la fibra de prueba.

Fig. 2. Relación teórica entre las potencias transmitida y retrodispersada de Rayleigh normalizadas para pérdidas inducidas por curvaturas a diferentes localizaciones espaciadas igualmente a lo largo de la fibra de prueba.




  1. Conclusión.

Se ha desarrollado un sensor simple de fibra óptica de plástico distribuido para detección de perturbaciones, como lo son presión, tensión, fugas de hidrocarburo o cualquier perturbación que se pueda inducir en la fibra óptica como perturbación mecánica. Este sensor permite la localización de la perturbación conociendo las potencias transmitida y retrodispersada de Rayleigh en el mismo instante. La potencial ventaja de esta técnica es que no requiere fuentes de luz modulada, como se ha mostrado en nuestros trabajos previos, ahora utilizando fibra óptica de plástico, se requieren leds y fotodetectores que son de bajo costo, esta característica lo hace más atractivo, sin embargo, tiene una desventaja, que se puede utilizar solamente en distancias cortas debido a la atenuación de la fibra óptica de plástico, pero podría ser utilizado aplicaciones donde se requiera monitorear en estas distancias. El estudio del sensor de fibra óptica de plástico es un área que se comienza al igual que en la Universidad Autónoma de Baja California.



BIBLIOGRAFÍA

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  2. R.M. López, V. V. Spirin, S.V. Miridonov, M.G. Shlyagin, G. Beltrán, E.A.Kuzin, Sensor de Fibra óptica distribuido para localización de fugas de hidrocarburo basado en mediciones de transmisión / reflexión, Revista Mexicana de Física, vol. 48, No. 5, pp. 457-462, (2002).

  3. V. V. Spirin, R.M. Lopez, M.G. Shlyagin, S.V. Miridonov, I. Marquez, Fiber Optic Sensor for Hydrocarbon Leak Detection and Localization Based on Transmission/Reflection Analysis, SPIE’s 9th Annual International Symposium on Smart Structure and Materials, SPIE 4694 San Diego, Ca., 18-19 Marzo, pp. 341-348, 2002.

  4. V. V. Spirin, R.M. Lopez, M.G. Shlyagin, S.V. Miridonov, I. Marquez, Fiber Optic Sensor for hydrocarbon Leak Detection and Localization Based on Transmission/Reflection Analysis, SPIE’s 9th Annual International Symposium on Smart Structure and Materials, SPIE 4694 San Diego, Ca., 18-19 Marzo, pp. 341-348, 2002.

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