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MORELIA, MICHOACÁN 2012 XXV REUNIÓN ANUAL DE ÓPTICA

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Caracterización de un sensor de presión óptico (0 a 0.36 psi) basado en interferencia multimodal

Allan Rainier Mejía Aranda Universidad

Autónoma del Estado de Morelos Email:

[email protected]

Miguel Ángel Basurto Pensado

Universidad Autónoma del Estado de Morelos

Email: [email protected]

Edgar Eduardo Antúnez Cerón



José Alfredo Rodríguez Ramírez



Juan Caros García Castrejón Universidad

Autónoma del Estado de Morelos Email:

[email protected]

RESUMEN

En este trabajo se presenta el diseño, la fabricación y las pruebas de un sensor de presión de fibra óptica utilizando la metodología de interferencia multimodal (MMI), implementando así un sensor alternativo a los sensores comerciale s existentes que son limitados por ambientes de alto riesgo (gases explosivos, corrosión e inclusive campos electromagnéticos). El rango de trabajo para este sensor de presión es de 0 a 0.36 psi (0.0248 bar), el arreglo utilizado está constituido de un diodo láser (1550 nm), el elemento de sensado, un circuito amplificador, una tarjeta de adquisición de datos y una computadora. Para el elemento de sensado se utilizó una fibra SMS (fibra óptica formada por una fibra multimodo colocada entre dos secciones de fibra monomodo, por sus siglas en ingles Singlemode – Multimode – Singlemode) sobre una superficie de contacto (diafragma), el molde que contiene la presión esta hecho de Nylamid. La deflexión producida en el diafragma generará cambios en la respuesta de potencia transmitida a través de la fibra.

Palabras clave: Fibra óptica, Interferencia Multi Modal, Presión, Diafragma.


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I. INTRODUCCION

El medio que nos rodea se encuentra lleno de diversas variables tanto físicas como químicas con las cuales interactuamos día a día. En la actualidad, existen diversos sistemas ó sensores para la medición de cualquier variable que se pueda imaginar, aunque algunos llegan a ser costosos debido a sus componentes, nivel de precisión o por requerimientos de seguridad para su aplicación en determinados ambientes. Por lo cual el desarrollo de nuevos dispositivos sensores para aplicaciones en lugares de alto riesgo o no, son una alternativa a los dispositivos electrónicos. Por mencionar un ejemplo: dentro de las instalaciones del Centro de Investigación en Ingeniería y Ciencias Aplicadas (CIICAp) se cuenta con un túnel de viento para realizar pruebas de modelado, que en su mayoría son hechas a álabes de turbinas; en estas pruebas una de las variables más importantes es la presión que se ejerce sobre ellos. Para conocer estos valores se utilizan diversos equipos y/o sensores, tubos de Pitot, tubos en U, anemómetros, sensores de presión, sensores de presión diferencial, etc., los dos últimos dispositivos son sistemas electrónicos. De los tipos de sensor es utilizados para la medición de presión podemos encontrarlos de diferente tipo como son: resistivos, capacitivos, generadores, inductivos y electromagnéticos. Todos los sensores para medir presión muestran un elemento en común, la electricidad y el problema con campos electromagnéticos. Por lo mencionado anteriormente es que se busca una alternativa más para la medición de presión. Actualmente, la Optoelectrónica y la tecnología de las fibras ópticas han alcanzado niveles de madurez técnica, calidad y efectividad en costo que están por mucho alejados de aquellos disponibles [1]. La tendencia de los sensores de presión actuales es la de utilizar sistemas interferométricos (los cuales implican el uso de equipo externo que llevan a incrementar el volumen del arreglo), utilizan fuentes de luz (láser sintonizable, lo cual implica equipo costoso), la mayoría de fibras utilizadas son de rejilla de Bragg (su fabricación depende de acuerdo a las necesidades de aplicación); pero el factor común en la mayoría de todos estos sensores es el uso de diafragmas que transmiten la presión del medio donde se encuentran. Los sensores de fibra óptica representan una base tecnológica que puede ser aplicada a múltiples aplicaciones de sensado. Presenta características que hace especialmente atractivo su uso para sensores: no es eléctrico, se emplean en ambientes hostiles, tamaño y peso pequeño, gran versatilidad geométrica, inmune a la interferencia electromagnética, entre otras [2,3]. Recientemente, los efectos de MMI en una fibra con estructura SMS fueron investigados y utilizados para el desarrollo de aplicaciones de sensado y de procesamiento de señales [4, 5, 6, 7]. Estos dispositivos ópticos ofrecen una solución basada totalmente en fibra con las ventajas de fácil fabricación, empaquetado e interconexión con otros tipos de fibra óptica mediante un sistema basado en mediciones de intensidad [8]. Con esta investigación se busca crear un sistema alterno para la medición presión que pueda ser usado en ambientes normales y de riesgo (gases explosivos, corrosión al metal y electromagnéticos, entre otros). Por ello nos enfocamos en sensores ópticos, cambiando así la electricidad por la luz. Con ello se busca establecer una alternativa más, encontrando las diferencias entre resolución, tamaño y precio ante los sensores de presión comerciales.

II. MARCO TEORICO

En este apartado se describen los fundamentos en los cuales se basa el trabajo realizado. “Un sensor es un dispositivo que, a partir de la energía del medio donde se mide, da una señal de salida transducible en función de la variable medida” [9]. “La luz es una onda electromagnética y ocupa una zona determinada dentro del espectro electromagnético” [2] y “como una onda tiene dos características propias: una longitud de onda y frecuencia” [10]. “La región más apropiada para trabajar con la fibra óptica se encuentra dentro del infrarrojo cercano (0.8 μm y 1.7 μm) debido a que aquí se ven favorecidas sus propiedades de propagación” [2].

Tipos de presión. La medida de la presión se puede realizas en diferentes formas dependiendo la variable que se desee cuantificar. En primer lugar hablaremos de la PRESION ABSOLUTA, la cual es el valor de la presión en un determinado punto respecto al cero absoluto de presión (vacío). Un ejemplo de medida de presión absoluta es la medida de la presión atmosférica que establece la presión para un determinado lugar respecto al vacío. Algunas ocasiones, el valor de la presión absoluta no muestra interés alguno, sino que interesa más conocer la magnitud de la diferencia de presión entre dos puntos dados, a este tipo de medición se le conoce como PRESION DIFERENCIAL. Un caso típico es el de la pérdida de presión que hay en una línea de fluido que circule por una tubería. Otra forma de medir la magnitud de la presión es similar a la de la presión diferencial, solo que en uno de los puntos existe la presión atmosférica y el otro es un valor determinado; a este tipo de medición se le conoce como PRESION RELATIVA (gauge pressure). El uso más conocido de este tipo de presión es la de la presión sanguínea. Otra forma de medir presión es la del VACIO; el vacío se


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describe como una presión diferencial negativa respecto a la atmosférica. Los sensores que miden este tipo de presión suelen indicar el valor como positivo, en estos casos habrá que añadir la indicación de “vacío” para no dar lugar a equivocaciones [2]. La Figura 1 describe los tipos de presión previamente mencionados, tomando como referencia la presión atmosférica o el vacio perfecto.

Figura 1. Diferentes medidas de presión.

Clasificación de los sensores de fibra óptica. La clasificación de los sensores de fibra óptica puede hacerse atendiendo a los siguientes criterios [2, 3]: Según la función realizada por la fibra óptica: Extrínsecos: consisten únicamente en una guía onda que transporta la radiación electromagnética desde la fuente de radiación a la muestra y posteriormente, la radiación transmitida, reflejada o emitida por la propia muestra, la conducen al detector. No necesitan transductor y se utilizan para cuantificar especies que tengan alguna propiedad óptica característica, relacionadas directamente con su concentración. Esta circunstancia hace que sean los más sencillos de diseñar pero su campo de aplicación es limitado. Intrínsecos: en este tipo de sensores la fibra óptica ejerce la doble función de actuar de transductor y de conducir la radiación electromagnética. En los sensores intrínsecos algunas propiedades de las guías ópticas se modifican por la acción del medio ambiente. Las propiedades que se pueden modificar son: el índice de refracción, las características de absorción o fluorescencia de la fibra y la interface núcleo-revestimiento. Este tipo de sensores, con excepción de los de onda evanescente, tienen una mayor aplicación en el área de los sensores físicos (por ejemplo, determinación de la temperatura, presión y radiación ionizante). Según el tipo de modulación óptica empleada: Modulación de amplitud o intensidad: en este tipo de sensores la cantidad de luz detectada es función de las perturbaciones externas. Emplean óptica y circuitería simples. Puede emplearse una fuente de luz incoherente, tal comoun LED o una fuente de luz incandescente de alta intensidad junto con las fibras multimodo más baratas. Generalmente están asociados con desplazamiento o algunas perturbaciones físicas que interactúan con un transductor ligado a la fibra. Son los sensores de fibra óptica comerciales más extendidos. Modulación de fase: emplean técnicas interferométricas para detectar la magnitud a medir (presión, rotación, campo magnético, etc.). La fuente laser de luz tiene un rayo que sale y se divide, tal que la luz viaja a la fibra de referencia de modo simple y a la fibra de sensado, la cual está expuesta al ambiente perturbado. Si la luz en la fibra de sensado y la luz en la fibra de referencia están exactamente en fase una vez recombinadas, ellas interfieren de forma constructiva con el incremento de la intensidad de la luz. Si están fuera de fase, ocurre interferencia destructiva y la intensidad de luz recibida es baja. Tales dispositivos experimentan un cambio de fase si la fibra de sensado bajo la influencia de un ambiente perturbado tiene un cambio de longitud o de índice de refracción, o ambos. Presentan numerosas ventajas: flexibilidad geométrica, inmunidad a interferencias electromagnéticas, gran ancho de banda y gran resolución (por ejemplo, un sensor de desplazamiento basado en modulación de amplitud puede tener una resolución entre 10 -10 y 10-7

m, mientras que uno basado en técnicas interferométricas puede tener una resolución de 10-14 m). En función de la naturaleza del parámetro a cuantificar: Físicos: Son aquellos que determinan parámetros físicos como medida de temperatura, presión, desplazamiento, flujo, rotación, etc. Químicos: Son los que responden a una especie química en particular, medida de pH, análisis de gases, estudios


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espectroscópicos, etcétera. Biomédicos: medida de glucosa, análisis de sangre, etc. En función del tipo de interacción con el elemento: Reversibles: los que no consumen reactivo al interaccionar con el elemento, por ejemplo los sensores de pH. Irreversibles: los que consumen reactivo. Estos sensores pueden subdividirse en regenerables y no regenerables, según puedan o no recuperar su estado inicial con un reactivo adecuado. En función de la naturaleza de la propiedad óptica medida: de Absorbancia. de Reflectancia. de Luminiscencia (fluorescencia, fosforescencia, quimioluminiscencia y bioluminiscencia). de Dispersión Raman. de Índice de Refracción. En función de la configuración (forma externa del sensor): Tipo sonda: Estos dispositivos necesitan que exista una unión entre la fase sensora y la fibra óptica. Esta unión puede ser química mediante enlace químico, ó mecánica mediante su confinamiento por una membrana. Las sondas desar rolladas pueden trabajar tanto en forma continua como discreta. Tipo célula de flujo: Su principal característica es que están integrados en un sistema de flujo. La fase sensora se dispone en el sistema de detección, y por lo tanto los procesos de reacción sobre la fase reactiva y la detección son simultáneos, pero a diferencia de los sensores tipo sonda no hay unión entre la fase reactiva y la fibra óptica, e incluso pueden carecer de ésta. Los sensores de célula de flujo solo pueden trabajar en continuo.

Interferencia Multimodal (MMI). Se define como interferencia a la superposición de dos o más ondas y su combinación para formar una onda única. El principio fundamental del que parte la técnica MMI es del fenómeno de autoimagen (self-imaging). El cual se puede definir como: “la propiedad de las guías de onda multimodales en la cual un perfil de campo de entrada es reproducido en una o múltiples imágenes en intervalos periódicos de tiempo a lo largo de la dirección de propagación de la guía de onda” [11]. La reproducción de imágenes se debe tanto a la interferencia constructiva como destructiva que se hace presente a lo largo de la guía de onda. La generación de autoimágenes en guías de ondas planas pueden ser analizadas utilizando el análisis de modos de propagación (modal propagation analysis, MPA) [11], bajo un método hibrido [12], y mediante el método de propagación de haz (beam propagation methode, BPM) [13].

La Figura 2 muestra una estructura SMS típica, en donde el perfil de entrada que se produce en la interfaz entre la guía de onda monomodal y la guía de onda multimodal, se repetirá en la interfaz que hay en la guía de onda monomodal y la guía de onda multimodal.

Figura 2. Arreglo típico de una estructura SMS.

La sección de fibra multimodal (MMF) es capaz de soportar varios modos guiados, por lo tanto, un campo de entrada acoplado a la sección MMF puede reproducirse como una sola o múltiples auto-imágenes en intervalos periódicos a lo largo de la MMF. Con el fin de obtener una sola imagen, la diferencia de fase entre todos los modos de propagación tiene que ser un número entero múltiplo de 2π, de manera que todos los modos interfieran en fase y así el campo de entrada se pueda reproducir. Este efecto ha sido ampliamente investigado [14] y la distancia (longitud, L) en dónde las auto-imágenes se formarán está dada por:

(1)

donde Lπ es el ancho de pulso:

(2)


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En la ecuación (2) nMMF y DMMF corresponden respectivamente al índice de refracción y al diámetro del núcleo de la sección MMF, con λ0 como la longitud de onda específica a la cual se desea caracterizar la estructura SMS y p representa el número de la auto-imagen que se desea reproducir. En este caso p=0 (primer auto-imagen).

Durante el desarrollo de este proyecto se utilizó una fibra óptica con estructura SMS caracterizada para trabajar con una longitud de onda de 1555 nm, tanto la sección MMF como la SMF cuentan con un perfil de índice de refracción escalonado. Por otra parte, la sección MMF tiene un diámetro de núcleo de 125 µm (sin revestimiento), un “n” = 1.440 y una longitud de 14.55 mm para generar una auto-imagen; las secciones SMF tienen un diámetro de núcleo de ≈ 10 µm (1.461 I.R.) y un diámetro de revestimiento de 125 µm (1.450 I.R.).

En la Figura 3 se ejemplifica el tipo de fibra MMI utilizada en este trabajo, la cual está diseñada para que el haz se acople al núcleo de la fibra monomodo, cuando a la fibra MMI se ve sometida a alguna acción física (en negro), la auto- imagen se desplaza (en rojo) y como resultado de esta acción se obtienen diferentes valores en la intensidad transmitida.

Figura 3. Desplazamiento de la auto-imagen en un arreglo MMI.

En la Figura 4 se muestra el perfil de una fibra MMI a una longitud de onda de operación de 1555 nm, al ejercer acción física sobre la fibra se logra desplazar el perfil de intensidad hacia la dirección de propagación de la guía de onda y se obtienen lecturas de mayor intensidad.

Figura 4. Perfil de una fibra MMI modificado por acción física.

Elaboración de membranas. El material con el que se elaboraron las membranas es un elastómero transparente a base de silicón llamado Polidimetil Siloxano Sylgard 184 de la marca Dawn Corning, comúnmente llamado PDMS. La fabricación de membranas hechas de este material polimérico es relativamente fácil y su uso como material reduce el tiempo y complejidad en la elaboración de prototipos, evitando el uso de equipos sofisticados [15,16]. Además el PDMS tiene una alta transparencia, nula toxicidad y bajo costo [17], lo cual lo hace ideal para su empleo en el área de la tecnología óptica [18]. El PDMS viene acompañado de un catalizador (Sylgard 184 Silicone Elastomer Curing Agent), el cual se mezcla a razón de 10:1 (10


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gramos de PDMS y 1 gramo de catalizador por ejemplo),se mezclan ambos a razón de 1 minuto por gramo de mezcla (PDMS + catalizador) y se deja secar por 48 horas.

La fibra MMI se coloca a la mitad de la membrana antes de secar el PDMS, se utiliza un molde de plástico, ya que se dificulta retirar el PDMS de superficies de metal o vidrio.

Cuerpo del sensor. Partiendo de las dimensiones de la membrana se realiza el prototipo del sensor, encontrando como una opción al Nylamid (acero plástico), sus principales características son: peso liviano, resistencia a grandes esfuerzos y fácil maquinado. La Figura 5 describe el molde del sensor, el cual está conformado con dos entradas para las conexiones de aire y 8 barrenos roscados para sujetar la membrana al cuerpo del sensor.

Figura 5. Cuerpo del sensor.

III. ARREGLO EXPERIMENTAL

El arreglo experimental propuesto (Figura 6) para la medición de presión consta de lo siguiente: a) Driver ó controlador de corriente de alimentación para el diodo láser, b) Diodo emisor de luz láser (1555 nm), c) Cuerpo del sensor con membrana (Nylamid + PDMS), d) Adquisición de datos (fotodetector InGaAs, circuito amplificador de señal, tarjeta de adquisición de datos USB-6259 National Instruments), e) Fuente de alimentación doble para el circuito electrónico, f) Manómetro Crystal de 300 psi, g) Regulador de presión de la línea de alimentación de aire de 0 a 100 kg/cm2 (0 a 1422 psi) y h) Interfaz grafica diseñada en LabView.

Figura 6. Arreglo experimental propuesto.


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La finalidad del arreglo anterior es la de detectar los cambios de intensidad de la potencia a través de la fibra MMI producidos por la presión aplicada a la membrana. El extremo de la fibra monomodal se empalma a un fotodetector para finalmente conectarse al circuito amplificador para procesar los valores en una interfaz grafica con ayuda de LabView. Con (g) se controla la presión de aire que entra al cuerpo del sensor variando el rango entre 0 y 0.36 psi, en la salida del cuerpo del sensor se coloca (f) con el cual monitoreamos los cambios de presión, una válvula de aguja es conectada en la salida del cuerpo del sensor para vaciar el sistema; con lo anterior se logra que la membrana se deforme de acuerdo a las variaciones de presión y como consecuencia los valores de potencia transmitida cambien.

IV. RESULTADOS EXPERIMENTALES Y ANÁLISIS

El primer paso, es monitorear los valores de intensidad de la potencia sin aplicar presión sobre la fibra MMI colocada dentro de una fibra de 10 mm de espesor. Con esto, se asegura que la fibra no haya sufrido daños durante el manejo e instalación en el cuerpo del sensor. El valor de potencia transmitida por la fibra dentro de la membrana es de 1.038 mW antes de colocarla en el cuerpo del sensor. La Figura 7 muestra los valores obtenidos de tres pruebas realizadas que constan de 25 mediciones donde la fibra dentro de la membrana se encuentra sujeta al cuerpo del sensor , el intervalo entre cada medición es de 5 segundos; se obtiene una diferencia entre el valor más alto y más bajo de las tres pruebas de 0.021 mW, esta diferencia es muy pequeña por lo tanto la fibra MMI se encuentra en optimas condiciones para la realización de las pruebas

. Figura 7. Estabilidad de la fibra MMI.

Después de verificar la estabilidad de la membrana, se procede a realizar una prueba que servirá para obtener valores de referencia, después se realizan tres pruebas para verificar la repetibilidad del sensor, la presión de aire al sensor se encuentra dentro de un rango de 0 a 0.36 psi. La Figura 8 describe el comportamiento de las pruebas.

Figura 8. Pruebas realizadas.


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De la Figura 8, se observa que partiendo de un valor de presión 0 el valor de intensidad de referencia alcanza los 1059 μW y al aplicarle la máxima presión para este trabajo que es de 0.36 psi, el valor de la intensidad de refer encia decrece hasta los 987 μW, obteniendo así los valores máximo y mínimo de referencia. Se hacen tres pruebas, el sensor se desmonta y se vuelve a armar entre cada prueba. La prueba 1 (1060 μW) y 3 (1057 μW) empiezan en valores muy cercanos al valor de referencia máximo pero al final de las pruebas invierten su orden terminando con valores mayores la prueba 3 (996 μW) en comparación a la prueba 1 (990 μW). La prueba 2 empieza justo en el valor de referencia máximo y termina con un valor de intensidad mucho menor al de las otras dos pruebas realizadas (980 μW). De acuerdo a los valores de referencia, el error relativo de las tres pruebas se encuentra dentro de un rango de 0.18% a 0.91%.Los resultados obtenidos de las pruebas utilizando el arreglo propuesto muestran lecturas confiables con un porcentaje bajo de error, la flexibilidad del sensor nos permite variar el rango de operación en forma rápida y controlada, nos permite una buena movilidad para realizar mediciones in situ ya que no se necesita de equipo complejo y sofisticado esto a su vez se ve reflejado en un bajo costo tanto de operación como de construcción.

V. CONCLUSIONES

La variación de intensidad transmitida por la fibra MMI responde linealmente a la presión aplicada, al aumento de presión la potencia decrece y viceversa. Las pruebas aplicando presión de aire muestran mejores resultados deb ido a que la presión se concentra en la parte central de la fibra MMI (donde se localiza el elemento de sensado). Se logra su caracterización utilizando membranas.

El prototipo del sensor fabricado con Nylamid que utiliza una membrana de PDMS mostró buenos resultados al medir presión dentro de un rango de 0 a 0.36 psi utilizando la técnica de interferencia multimodal (MMI) ofreciendo una alternativa más a los sensores de presión comerciales, reduciendo el costo, facilitando su fabricación y disminuyendo equipo sofisticado. La utilización de fibra óptica ofrece la ventaja de instalar este tipo de sistemas en ambientes normales y de alto riesgo (ambientes corrosivos, gases inflamables, radiaciones electromagnéticas, etc.) cambiando el uso de electricidad para el envió de señales por luz.

Se establece un error en la calibración del sensor. El error relativo alcanzado es menor al 1% entre mediciones. El comportamiento de los datos obtenidos es de un ligero desfase a la derecha entre cada una de las pruebas, pero todas tienen el mismo comportamiento. Este desfase se atribuye a la unión entre la membrana y el cuerpo del sensor, al momento de flexionarse la membrana se deforma y al momento de retirar la presión del sensor la membrana no regresa a su posición original. Se estudia una nueva metodología para la fabricación de membranas a base de PDMS.

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