Cómo funcionan las galgas extensométricas

Galgas extensométricas ópticas: todo lo que necesita saber

Las galgas extensométricas ópticas son sensores de deformación basados en cables de fibra óptica. Esta categoría abarca varias tecnologías ópticas; no obstante, este artículo está dedicado a los sensores de fibra con rejilla de Bragg (también llamados sensores de red de Bragg en fibra, FBG), una técnica en la que HBK es un experto. Los sensores FBG se utilizan principalmente para medir deformación, aunque pueden integrarse fácilmente en otros tipos de transductores; por ejemplo, de temperatura, aceleración o desplazamiento.

Las galgas extensométricas ópticas no necesitan electricidad, a diferencia de las galgas extensométricas tradicionales. Su tecnología se basa en la propagación de luz por el interior de una fibra óptica. Este principio de funcionamiento hace que sean sensores totalmente pasivos e inmunes a las interferencias electromagnéticas, entre otras. Esa es tan solo una de las razones por las que las galgas extensométricas ópticas resultan superiores a las eléctricas en determinadas aplicaciones.

Cristina Barbosa, Directora de productos de tecnología óptica de HBK, sobre las galgas extensométricas ópticas: 

“Cuando la gente necesita medir deformaciones, en lo primero que piensa es en galgas extensométricas eléctricas. Pero las galgas extensométricas ópticas pueden ser muy prácticas en situaciones en las que las eléctricas dan problemas, debido por ejemplo a las condiciones ambientales”.

Diseño

En este artículo hablamos de sensores intrínsecos de deformación de fibra óptica, en los cuales la propia fibra es el sensor. Hay otras tecnologías de medición que utilizan la fibra para transmitir luz, pero no para medir con ella.

En general, una fibra óptica consiste en una fibra de vidrio o sílice con una envoltura de polímero. Se parece mucho a una fibra normal de telecomunicaciones, puede medir varios kilómetros y puede tener numerosos puntos de medición a lo largo de su longitud. La fibra en sí tiene dos capas: un núcleo y un revestimiento que la rodea, de menor densidad. Adicionalmente, la fibra de sílice lleva una envoltura de polímero que le proporciona protección.

¿Por qué es importante esa diferencia de densidad entre el núcleo y el revestimiento? Para transmitir luz a través de la fibra se utiliza un láser. Las dos densidades de material de la fibra crean una barrera que canaliza la luz por el interior de la fibra, evitando que se disperse. Para que la fibra funcione, es importante no flexionarla en exceso. Según explica Cristina Barbosa, directora de producto, “la fibra es flexible y no se rompe, pero la luz puede escaparse por las curvas”.

Una galga extensométrica óptica se compone de un núcleo y un revestimiento de sílice, que canalizan la luz por el interior de la fibra, y una envoltura exterior (generalmente de polímeros) que aporta protección.

Principio de funcionamiento

La fibra como sensor

Para crear un sensor de deformación, se inscribe en la fibra óptica lo que se denomina una rejilla o red de Bragg en fibra (en inglés, Fiber Bragg Grating o FBG). Esta rejilla es, básicamente, un patrón físico de interferencia que refleja la luz de una forma distinta a como lo hace el resto de la fibra. Para entenderlo mejor, la fibra se puede visualizar como una extensión cilíndrica de material transparente, con una serie de rodajas delgadas, que serían las redes de Bragg. Cuando la luz láser incide sobre este patrón, ciertas longitudes de onda se reflejan, mientras que el resto se transmiten.

Las interferencias físicas —las “rodajas”— están colocadas a intervalos específicos. Cuando la fibra se estira o se comprime —y, por tanto, se ve sometida a deformaciones positivas o negativas—, estos intervalos cambian. Cuando la fibra se estira, su longitud aumenta, con lo que el espaciado entre las rodajas se alarga, y viceversa.

Con ello, la luz reflejada no solo tarda un poco más o un poco menos en viajar cuando la red de Bragg inscrita en la fibra se deforma. Lo más interesante es que se producen cambios en la longitud de onda que se refleja. En términos científicos, la red de Bragg tiene un índice de refracción dado. El índice de refracción de un material describe cuánta luz se desvía —o refracta— cuando atraviesa el material. Cuando se altera la forma de la red de Bragg a causa de una deformación, su índice de refracción también varía.

“Una red de Bragg inscrita en la fibra tiene unos 5 mm de longitud, si bien las interferencias físicas no se aprecian a simple vista: solo se ven al microscopio”, explica Cristina Barbosa. En una fibra larga se pueden inscribir muchas redes de Bragg; cada una de ellas funciona como un sensor de deformación individual.

Cuando la fibra óptica se adhiere a un material, se deforma junto con él. A su vez, la deformación medida permite analizar la tensión mecánica del material, que es precisamente el objetivo de la mayoría de las medidas de deformación.

Un ejemplo práctico: si se adhiere una fibra a las vigas de un puente largo, la fibra se deforma cuando se producen tensiones en las vigas. Esas tensiones pueden deberse, por ejemplo, a la vibración que producen los vehículos que circulan por el puente. Cuando la estructura se asienta y desarrolla puntos débiles o fisuras a lo largo de los años, todos estos movimientos resultan visibles a partir de la información sobre deformación / tensión mecánica adquirida por los sensores. Así se obtiene una indicación precoz, muy práctica, de dónde se requiere mantenimiento.

La función del interrogador

Para obtener medidas, la fibra óptica tiene que conectarse a un interrogador: un equipo que envía en continuo luz con distintas longitudes de onda, de una en una, barriendo un espectro amplio. Es lo que se denomina un “láser de barrido”. Parte de la luz que se propaga a través de la fibra es reflejada por los sensores FBG y retorna al interrogador.

Gracias a los diferentes periodos de los FBG individuales, es posible discriminar las señales de los distintos sensores. El resto de la luz es refractada cuando alcanza el extremo de la fibra y no interfiere con la medida. Por tanto, es posible derivar la deformación (y, a su vez, la tensión mecánica) a partir de las señales en bruto de la luz reflejada por los sensores FBG.

“Aunque hay varios métodos para medir la deformación empleando distintos tipos de sensores de fibra óptica, todos ellos dependen, de una u otra manera, de las propiedades de la luz”.

– Cristina Barbosa, Directora de productos de tecnología óptica de HBK

La compensación de temperatura es fundamental

Los sensores de fibra óptica basados en redes de Bragg en fibra son extremadamente susceptibles a la temperatura. La fibra —como cualquier otro material— se dilata cuando aumenta la temperatura y se contrae cuando desciende. El índice de refracción también cambia. Si no se aplica ninguna compensación, se producirían lecturas de deformación que no se deben a tensiones mecánicas, sino a variaciones de temperatura. Existen varias técnicas de compensación:

  • Instalar un sensor de temperatura cerca del sensor de deformación. Eso permite efectuar una compensación matemática, comparando los datos y restando los efectos de la temperatura.
  • Colocar dos sensores FBG en una configuración de tracción-compresión (push-pull). Cuando se produce una deformación, un sensor se comprime y el otro se estira. El efecto de la temperatura es idéntico para ambos sensores (por ejemplo, dilatación), pero la influencia de la tensión mecánica difiere. En uno de los sensores FBG, la deformación es “positiva”, porque se le somete a una tracción, pero para el otro es “negativa”, porque se le somete a una compresión. En estas condiciones, se puede aplicar una compensación matemática.
  • Encapsular la fibra en un aparato mecánico que se expanda en sentido contrario al del material objeto de la prueba, de modo que la tensión aplicada al sensor FBG cancele el efecto de la temperatura; en este caso no se requiere compensación matemática.

Aplicaciones de los sensores de fibra óptica

Cristina Barbosa nos habla de una de sus aplicaciones favoritas de los sensores de fibra óptica: “En el contexto del proyecto ITER, en Francia, nuestros sensores deben trabajar en un intervalo de temperatura sumamente amplio, que se extiende desde -270 °C hasta 300 °C. Al mismo tiempo, se encuentran bajo la influencia de campos electromagnéticos intensos. Esas condiciones son inaccesibles para cualquier galga extensométrica eléctrica”.

También existen otras aplicaciones más cotidianas como, por ejemplo, la monitorización de salud estructural o de infraestructuras. Como una sola fibra puede acomodar numerosos sensores, la tecnología óptica resulta ideal para grandes proyectos, como la monitorización de túneles y oleoductos. En este tipo de proyectos, es posible conectar varias fibras a un mismo interrogador óptico; además, los costes de cableado e instalación son más bajos que los de las galgas extensométricas tradicionales.

Por otro lado, la tecnología de medición óptica es la mejor alternativa en todas aquellas aplicaciones en las que la alimentación eléctrica que requieren las galgas extensométricas tradicionales puede ser un problema. Por ejemplo, entornos con fuertes interferencias electromagnéticas (como el espacio) o con alto riesgo de explosiones (como las refinerías de petróleo). O, como dice Cristina Barbosa:

“Los sensores ópticos soportan entornos difíciles muy variados y no se ven afectados por las altas tensiones eléctricas, las radiofrecuencias o el agua. En definitiva  ofrecen muchas ventajas en aplicaciones de medida convencionales”.

– Cristina Barbosa, Directora de productos de tecnología óptica de HBK

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