Conocimiento

La detección de fibra óptica convierte una fibra óptica ordinaria en un sensor largo y continuo. En lugar de transportar únicamente datos, la fibra transporta luz cuyas propiedades cambian cuando la temperatura, la tensión, la presión o la vibración actúan sobre el cable. Al leer esos cambios, un sistema de detección puede informar lo que está sucediendo - y, por lo general, exactamentedóndeestá sucediendo - en distancias que van desde unos pocos metros hasta decenas de kilómetros. Esta guía explica paso a paso cómo funciona la tecnología, los tres tipos principales y en qué se diferencian, dónde encaja cada uno y los límites en los que vale la pena planificar.

¿Qué es la tecnología de detección de fibra óptica?

La detección de fibra óptica es un método de medición que utiliza la propia fibra óptica como elemento sensor. Una fuente de luz lanza luz hacia la fibra; A medida que la luz viaja, las condiciones externas alteran ligeramente su intensidad, longitud de onda, fase, polarización o la forma en que se dispersa dentro del vidrio. Un instrumento al final de la fibra lee esas alteraciones y las convierte en medidas físicas como temperatura, tensión o vibración.

Debido a que el punto de detección está hecho de vidrio y no transporta corriente eléctrica, la detección de fibra óptica es inmune a la interferencia electromagnética y es segura para implementarse en entornos explosivos o químicamente agresivos - cualidades que son importantes en tuberías, sistemas de energía, túneles y puentes donde los sensores eléctricos luchan. La misma fibra puede servir como sensor y ruta de señal, lo que mantiene simple el hardware de campo. La fibra suele ser un estándar.fibra óptica monomodo-para sistemas de tensión, acústicos y Brillouin, mientras que los sistemas Raman{0}}de temperatura únicamente suelen funcionar con fibra multimodo.

¿Cómo funciona la tecnología de detección de fibra óptica?

Cada sistema de detección de fibra óptica sigue la misma cadena: envía luz, deja que el entorno la modifique, lee la luz que regresa y traduce el cambio en una medición. Esto es lo que sucede en cada etapa.

1. La luz viaja a través de la fibra

Un láser o una fuente de banda ancha lanza luz - generalmente una serie de pulsos cortos - al núcleo de la fibra, donde la reflexión interna total la mantiene guiada a lo largo del cable. En un sistema de detección, esta luz es la sonda: todo lo que la afecta en su camino se convierte en información.

2. El entorno cambia la luz

Cuando la temperatura, la tensión, la presión o la vibración actúan sobre una sección de fibra, cambian ligeramente el vidrio - su longitud, su índice de refracción o el espaciado de las estructuras internas. Esos pequeños cambios físicos cambian una o más propiedades de la luz: su longitud de onda, intensidad, fase, polarización o el espectro de la porción que se dispersa hacia atrás. El tamaño del cambio es proporcional a la fuerza del efecto externo, que es lo que hace posible la medición calibrada.

3. La luz se refleja o se dispersa

Parte de la luz regresa hacia la fuente. En algunos sensores, se refleja mediante una estructura deliberada escrita en la fibra, como una rejilla de Bragg de fibra. En los sistemas distribuidos, el propio vidrio dispersa una débil corriente de luz a lo largo de toda la fibra sin componentes añadidos. De cualquier manera, la luz que regresa lleva la huella digital de lo que haya actuado sobre la fibra.

4. Un interrogador lee y localiza la señal

Un instrumento llamado interrogador (o demodulador) mide la luz que regresa. Para los sistemas distribuidos, también calcula el tiempo que tarda la luz en regresar - la misma idea que un reflectómetro óptico-en el dominio del tiempo (OTDR). Como se conoce la velocidad de la luz en la fibra, el tiempo de ida y vuelta-indica la ubicación de cada cambio a lo largo del cable. Luego, el interrogador convierte el cambio óptico en una lectura calibrada de temperatura, tensión o vibración, con una posición adjunta.

La luz entra, el entorno deja su marca en esa luz, la luz regresa y un interrogador convierte el cambio - y dónde ocurrió - en una medición.

Principales tipos de tecnologías de detección de fibra óptica

La detección de fibra óptica generalmente se agrupa en tres familias según cuántos puntos a lo largo de la fibra se pueden medir y cómo se produce la detección.

Detección puntual de fibra óptica

Un sensor puntual mide una única ubicación. Un elemento sensor dedicado responde a un parámetro - temperatura, presión o aceleración, por ejemplo - y el diseño es simple y de costo relativamente bajo.

El ejemplo más común es elrejilla de Bragg de fibra (FBG). Una rejilla es una variación periódica en el índice de refracción del núcleo de la fibra, creada al exponer el núcleo a un intenso patrón de interferencia ultravioleta. La rejilla refleja una longitud de onda específica - la longitud de onda de Bragg - y deja pasar el resto. Cuando la tensión estira la rejilla o el calor la expande, el espaciado cambia y la longitud de onda reflejada cambia; el interrogador lee ese cambio y lo convierte en un valor. Cerca de la longitud de onda de 1550 nm, la longitud de onda reflejada de un FBG típico se mueve del orden de un picómetro por microdeformación de estiramiento y varios picómetros por grado Celsius de calentamiento. Los programas de investigación y aeroespaciales han caracterizado en detalle esta doble sensibilidad, incluyendoEvaluaciones de la NASA de sensores de tensión FBG integradosa temperaturas elevadas. Otros sensores puntuales incluyen giroscopios láser ysensores de campo magnético de fibra-ópticapara mediciones especializadas.

Detección cuasi-de fibra óptica distribuida

Un sistema cuasi-distribuido conecta varios sensores puntuales en serie a lo largo de una fibra - por ejemplo, una cadena de FBG, cada uno de los cuales refleja una longitud de onda ligeramente diferente para que el interrogador pueda distinguirlos. Luego, una fibra puede informar temperatura, vibración, presión o tensión en muchas ubicaciones discretas a la vez. La compensación-está integrada en la física: la cantidad de sensores en una sola fibra está limitada por el ancho de banda de la fuente y la ventana de longitud de onda que cada rejilla puede ocupar, y la fibra no detecta nada en los espacios entre los elementos. Enfoques relacionados con redes de fibra-, comosistemas de detección de rejilla de largo-período, siguen principios similares con diferente comportamiento espectral.

Detección distribuida de fibra óptica

Un sistema distribuido utiliza la fibra desnuda como sensor continuo, sin ningún punto de detección discreto. Se basa en la luz que se dispersa naturalmente dentro del vidrio y lee cómo esa luz dispersa cambia a lo largo de toda su longitud. Tresmecanismos de dispersión de luz-Se utilizan, cada uno adecuado a diferentes parámetros:

• dispersión de RayleighEs un proceso elástico que no cambia la frecuencia de la luz. Es el más fuerte de los tres y la base de la detección distribuida de vibraciones y acústica (DAS/DVS), donde mediciones rápidas y de un solo disparo- rastrean tensiones dinámicas como el sonido y la vibración.
• dispersión ramanProduce luz cuya intensidad depende de la temperatura, lo que la convierte en la base de la detección distribuida de temperatura (DTS).
• dispersión de brillocambia de frecuencia tanto con la tensión como con la temperatura, por lo que sustenta la detección distribuida de tensión y temperatura a largas distancias.

Debido a que el sistema toma muestras de toda la fibra en lugar de puntos fijos, un solo cable puede ofrecer miles de posiciones de medición continuas efectivas a lo largo de decenas de kilómetros. Esa cobertura es la razón por la que la detección distribuida ha crecido rápidamente para activos lineales largos donde un problema podría aparecer en cualquier lugar.

Detección de fibra óptica puntual, cuasi{0}}distribuida o distribuida

Las tres familias responden a preguntas diferentes. La detección puntual pregunta "¿qué está pasando en este punto?"; quasi-distribuido pregunta "¿qué está pasando en estos lugares conocidos?"; distribuido pregunta "¿qué está pasando en algún lugar a lo largo de esta ruta?" La siguiente tabla resume las diferencias prácticas.

Aplicaciones comunes de la detección de fibra óptica

• Monitoreo de tuberías y detección de fugas.Una fibra colocada a lo largo de una tubería de petróleo, gas o agua puede señalar una fuga como una anomalía de temperatura local (DTS) y detectar excavaciones o interferencias de terceros-como una firma de vibración (DAS), - una formulación más precisa que la frase vaga "petróleo y gas" que a veces se usa para este caso de uso.
• Seguridad perimetral y fronteriza.La detección de vibración distribuida detecta y clasifica pasos, vehículos, escalada o excavación a lo largo de una cerca o ruta enterrada, que es la base deDetección de intrusiones perimetrales por fibra óptica-.
• Monitoreo de cables y redes eléctricas.DTS rastrea la temperatura de los cables de alto-voltaje para gestionar la carga y detectar puntos calientes; para conocer los antecedentes, consulte esta descripción general demonitoreo distribuido de temperatura.
• Detección de incendios en túneles y edificios.El perfilado continuo de temperatura genera una alarma en el medidor exacto donde aumenta el calor, mucho antes de que responda un único-detector puntual.
• Seguimiento de la salud estructural.Los FBG y la detección de deformación distribuida miden la carga, la deflexión y el agrietamiento en puentes, presas, túneles y grandes estructuras compuestas durante su vida útil.

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Ventajas y limitaciones de la detección de fibra óptica

Como cualquier tecnología de medición, la detección de fibra óptica es una buena opción en algunas situaciones y pobre en otras. Colocar ambos lados claramente facilita la selección.

Donde sobresale:

• Inmune a interferencias electromagnéticas, ya que el punto de detección es vidrio pasivo sin componentes electrónicos en el campo.
• Seguro en ambientes explosivos o corrosivos donde los sensores eléctricos son riesgosos.
• Un cable puede reemplazar cientos de sensores discretos y su cableado, y también sirve como ruta de datos.
• Los sistemas distribuidos brindan una cobertura continua con la ubicación, no solo lecturas aisladas.

Donde tiene límites:

• El interrogador es la parte cara, por lo que los trabajos cortos-de un solo punto suelen ser más baratos con sensores convencionales.
• La "alta precisión" es condicional. Para los sistemas distribuidos, la resolución espacial, el rango de detección y la tasa de muestreo se compensan entre sí, y "distribuido" no significa precisión ilimitada.
• La precisión del posicionamiento depende del método de detección, de cómo se encamina y acopla el cable a la estructura, la frecuencia de muestreo, el interrogador y el algoritmo de análisis.
• El diseño, la instalación y la interpretación necesitan experiencia especializada.

Cómo elegir el método de detección de fibra óptica adecuado

Comience con la pregunta que realmente necesita respuesta y luego vincúlela con un método:

• Un punto crítico, medido con precisión- un sensor puntual como un FBG.
• Un puñado de ubicaciones conocidas en una estructura.- una matriz FBG cuasi-distribuida.
• Un largo recorrido donde los problemas pueden aparecer en cualquier parte- un sistema distribuido: DTS para temperatura y fuego, DAS/DVS para vibración e intrusión, Brillouin para tensión.

Una vez que el método sea claro, compare los parámetros específicos antes de comprar: rango de detección requerido, resolución espacial, frecuencia de medición (velocidad de muestreo), ruta del cable y cómo se fijará al activo, y compatibilidad del interrogador con la fibra y los sensores que planea implementar.