¿Qué es un Sensor de Fibra Óptica?
Los sensores de fibra óptica utilizan una guía de ondas ópticas dentro de una fibra óptica delgada hecha de resina o vidrio de cuarzo, que se utiliza para diversas aplicaciones de detección en el lugar de fabricación.
Los sensores de fibra óptica tienen un cable flexible y fino y un cabezal sensor pequeño que permite la detección en espacios reducidos y de objetos pequeños, y son adecuados para la detección en una amplia gama de entornos porque no se ven afectados por influencias electromagnéticas, entre otras características. Dependiendo del material del revestimiento de fibra óptica, también pueden utilizarse en entornos de alta temperatura o en presencia de aceite o productos químicos.
Aplicaciones de los Sensores de Fibra Óptica
La principal aplicación de los sensores de fibra óptica es la detección de objetos. Puede detectar la presencia, el paso y la velocidad de movimiento de objetos en la zona de detección donde se irradia la luz.
Como la detección se basa en el sombreado y la reflexión de la luz, los sensores de fibra pueden detectar la presencia o ausencia y el color de sólidos en general, como madera y resina, así como metal, y también pueden detectar vidrio transparente, etc. Se utilizan ampliamente en diversos centros de fabricación, desde la detección de productos en general sin contacto hasta la detección y posicionamiento de productos extremadamente pequeños en espacios estrechos.
Además, no sólo se pueden detectar sólidos, sino también líquidos, deformación y temperatura, y también se utilizan sensores de corriente para medir sin contacto el valor de la corriente que circula por los conductores.
Estructura de los Sensores de Fibra Óptica
Un sensor de fibra óptica consta de una parte emisora de luz, que consiste en una unidad de fibra en forma de cable que emite luz mientras la atraviesa y un amplificador de fibra que tiene una fuente de luz y funciones de amplificación óptica, y una parte receptora de luz que la recibe.
La fibra óptica en el centro de la unidad de fibra consta de un núcleo con un índice de refracción alto y un revestimiento con un índice de refracción bajo, que se forma finamente principalmente a partir de vidrio de cuarzo o plástico, y se utiliza como guía de ondas ópticas utilizando el fenómeno de la reflexión total de la luz dentro de la fibra.
Los amplificadores de fibra están estructurados principalmente con un amplificador óptico y un circuito de detección entre el emisor y el receptor de luz, utilizándose fibras dopadas con tierras raras como medio de amplificación óptica más importante, y la detección se consigue amplificando la luz incidente mediante la emisión inducida de luz de excitación. En función de estas características, algunos productos están equipados con funciones de ajuste de la sensibilidad y de fijación y modificación del umbral.
Los sensores de fibra óptica pueden clasificarse a grandes rasgos en tipos con unidades de fibra y amplificadores de fibra independientes y tipos con amplificadores de fibra incorporados, y sus métodos de detección incluyen los tipos de transmisión, reflexión, retrorreflexión y reflexión limitada.
Principio de los Sensores de Fibra
Los sensores de fibra realizan varios tipos de detección basados en la información (longitud de onda, intensidad de la luz) de la luz emitida por la parte emisora de luz y la luz recibida por la parte receptora de luz.
1. Detección General de Objetos
El principio de detección más básico consiste en detectar la presencia o ausencia de un objeto cuando se interrumpe el paso de la luz de la parte emisora a la parte receptora. Es posible detectar el paso de un objeto bloqueando la luz durante un breve periodo de tiempo, o medir el tiempo de reflexión y la velocidad a la que se mueve el objeto proporcionando también un medio receptor de luz en la parte emisora de luz.
Los objetos transparentes, como el vidrio, son difíciles de detectar porque la luz los atraviesa, pero pueden detectarse midiendo con precisión el cambio en la intensidad de la luz causado por el cambio del índice de refracción en la superficie (aire ⇔ vidrio).
2. Detección de Líquidos
Los sensores de fibra óptica se utilizan para detectar no sólo sólidos sino también líquidos utilizando las propiedades de refracción de la luz del líquido.
Los de tipo tubular proyectan la luz desde la pared del tubo. Si no hay líquido en el tubo, la luz viaja en línea recta; si hay líquido, la luz se refracta y entra por el lado receptor de la luz. De este modo se detecta la presencia o ausencia de líquido. Este tipo puede detectar líquidos transparentes, pero no líquidos opacos que no dejan pasar la luz.
En el tipo húmedo, el proyector y el receptor están instalados paralelamente en un tubo cónico de resina en el extremo, y cuando no está en contacto con el líquido, la luz es refractada por el cono y vuelve al receptor. Cuando está mojado, el índice de refracción cambia y no vuelve la luz. Así es como se detecta el líquido mojado.
De este modo, los sensores de fibra se utilizan para detectar la presencia de líquido, el nivel de líquido y las fugas. En la detección de líquidos, los tubos de resina suelen ser de teflón, que puede utilizarse para productos químicos y agua a alta temperatura, y son aplicables a una amplia gama de aplicaciones.
3. Detección del Color
El color de un objeto se determina por la distribución de longitudes de onda de la luz reflejada según la reflectancia o el índice de refracción relativo a la longitud de onda (color) de la luz irradiada. Esto puede utilizarse para detectar el color con sensores de fibra.
4. Detección de Temperatura y Deformación
Las fibras ópticas tienen una estructura doble con un núcleo y una sección de revestimiento en la dirección radial, pero irradiando luz ultravioleta especial en el proceso de fabricación, se pueden generar regiones con índices de refracción parcialmente diferentes a intervalos regulares en la dirección axial, que se denominan rejillas de Bragg de fibra (FBG). La imagen de una fibra óptica en este caso es una serie de cilindros con FBG en ambos extremos.
Los FBG reflejan sólo determinadas longitudes de onda en función del espaciado generado y del índice de refracción, de modo que cuando la fibra óptica se expande o contrae por cambios de temperatura, cambia la longitud de onda de la luz reflejada y el tiempo que tarda en volver. Esto permite utilizarlas como sensores de temperatura.
Cuando se instala en una estructura, la longitud de la fibra cambia con la deformación de la estructura, por lo que también puede utilizarse como sensor de deformación. Se aplica a estructuras sometidas constantemente a fuerzas externas, como grandes edificios, túneles y tuberías, así como a turbinas eólicas marinas, que son una forma de energía renovable. Cuando se conecta un peso, la longitud de la fibra óptica cambia en función de la fuerza de aceleración aplicada cuando el peso se mueve, por lo que también puede utilizarse como sensor de aceleración.
5. Detección del Valor de la Corriente
El efecto Faraday se utiliza para la detección del valor de la corriente mediante sensores de fibra. Cuando fluye una corriente a través de un conductor, se genera un campo magnético concéntrico según la ley del hilo de la derecha. El efecto Faraday es un fenómeno en el que el plano de polarización de la luz que atraviesa una fibra óptica a lo largo de este campo magnético gira en función de la intensidad del campo magnético. El valor de la corriente se detecta midiendo el ángulo de rotación de este plano de polarización.
Más información sobre los Sensores de Fibra
Acerca de los Amplificadores de Fibra
Los sensores de fibra óptica utilizan generalmente luz LED, que es transportada por una fibra óptica hasta la unidad de detección e irradiada mediante una lente o similar. Los problemas más comunes de estos sensores son el deterioro de la luz LED por el paso del tiempo y la adherencia de suciedad a la lente. Cuando se dan estas condiciones, la intensidad luminosa de la luz irradiada disminuye, provocando una detección falsa y dando lugar a problemas en el equipo, por lo que se utilizan amplificadores de fibra.
La función del amplificador de fibra es detectar y compensar automáticamente la disminución de la intensidad de la luz, detectando los cambios en la luz del LED a lo largo del tiempo y aumentando la salida en consecuencia para mantener constante la intensidad de la luz. También establece la detección de objetos por la tasa de disminución en lugar de la cantidad de disminución de la intensidad luminosa, y compensa automáticamente juzgando la relación de intensidad luminosa relativa entre la luz emisora y la receptora.
De este modo, se están desarrollando uno tras otro productos y funciones para compensar las deficiencias de los sensores de fibra óptica, y su buen uso evita problemas.