Fabricación y caracterización de sensores de fibra óptica tipo LPG: aplicación al estudio de materiales y medición de flujo

Abstract

Desde las primeras redes escritas en fibras de vidrio convencional; tales como, las de periodo corto o redes de Bragg, FBG (Hill, 1978), y las de periodo largo, Long-Period fiber Grating, LPG (Vengsarkar,1996), las técnicas de fabricación de redes y sus aplicaciones han logrado un gran y rápido desarrollo. En los últimos años, el desarrollo de la tecnología de fibras ópticas (FO) y su aplicación en el monitoreo de diversos parámetros físicos, químicos y biológicos, las han convertido en una herramienta de gran importancia. Dentro de las cuales los más estudiados son los sensores de FO de periodo corto (FBG) y pocos se han basado en redes de periodo largo (LPG). Actualmente, en el Perú existe la necesidad de implementar nuevas metodologías para la obtención de parámetros de materiales a bajo costo, siendo la tecnología de sensores de FO una buena opción debido a sus principales ventajas: tamaño pequeño y de bajo costo, utilizan materiales abundantes en la naturaleza (silicio) y la propiedad de ser básicamente inmunes a la radiación electromagnética. Sin embargo, el estudio relacionado a la tecnología de FO es limitado, lo que hace que sea una prioridad poder difundir su confiabilidad y definir una estrategia que permita analizar los datos; de manera que, la transmisión de información aportada por los sensores LPG ocurra en el momento y tiempo precisos, además de propiciar las condiciones necesarias para lograr una lectura adecuada. Con el objetivo de mostrar su viabilidad, en la presente tesis se busca validar la confiabilidad de la tecnología de los sensores LPG y su aplicación en el monitoreo de desplazamientos, vibraciones para el cálculo del MOE y curvaturas para la medición de caudales, mediante la comparación entre parámetros físicos conocidos por la literatura o algún método comercial y aquellos obtenidos con la metodología propuesta. Para la medición de desplazamientos se emplea un sensor de desplazamiento basado en fibra óptica afinada con estructura en forma de S (táper). Donde la fibra es colocada sobre dos motores de paso que la tensionan, de manera que esta pueda mostrar su señal a diferentes desplazamientos. La misma metodología se realizó con sensores LPG, mostrándose su sensibilidad al desplazamiento. Para el análisis del monitoreo de vibraciones se ha elegido la madera, la cual posee propiedades físicas ampliamente conocidas como el módulo de elasticidad (MOE), debido a su importancia en el diseño y cálculo de componentes estructurales de elementos que trabajan a flexión en sistemas estructurales de edificaciones. Por lo cual, se determinaron los MOE flexural de 5 tipos de madera: Cachimbo, Caoba, Cedro, Pino y Tornillo. Para desarrollar esta tecnología, se implementó un equipo de fabricación de sensores de FO basados en redes LPG en el laboratorio de Física de la Facultad de Ingeniería Civil de la UNI, donde se realizaron los ensayos. Para ello se caracterizó la respuesta dinámica de las barras de madera puestas en oscilación en donde se hizo un extremo fijo y el otro libre, para permitir la perturbación. Para tomar las medidas, se colocó el sensor LPG en la barra de madera y un fotodetector acoplado a un osciloscopio, el cual almacena la desviación de la barra de madera contado como un desplazamiento vertical del extremo de la barra libre. Se supervisaron las respuestas mediante la curvatura provocada por el movimiento del sensor LPG. Las frecuencias de vibración del movimiento se obtuvieron de la transformada de Fourier (FFT) del registro tiempo historia de oscilaciones flexurales. Posteriormente, el valor de los MOE flexural se determinaron a partir del ajuste de la frecuencia de datos experimentales del primer modo frente a la longitud del voladizo. Finalmente, los valores de los módulos de elasticidad (MOE) flexural determinados experimentalmente para los 5 tipos de madera analizados en el presente estudio, presentan una desviación promedio de 1.6 - 1.9 % con respecto al promedio de los valores reportados en la literatura, los cuales fueron obtenidos utilizando otras técnicas. Para la medición de velocidades de flujo en tuberías, el método utilizado también es el de la barra resonante; sin embargo, en este caso el sensor LPG es colocado en voladizo de manera perpendicular a la dirección de flujo. Para realizar las mediciones, se emplea un depósito vertical, con salida a la tubería a partir de la cual se toman las mediciones en por lo menos tres ciclos, los resultados son comparados con los datos de un medidor comercial de caudal como el sensor de flujo Arduino y se obtiene como resultado una tendencia semejante en ambos casos, además de un Índice de Desviación Estándar en un rango aceptable. Por lo tanto, la presente tesis tiene la intención de mostrar el uso de sensores LPG en la caracterización dinámica de las propiedades elásticas de un material y la caracterización de flujo de un fluido, a través del desarrollo de su aplicación e implementación en cada caso.

Since the first gratings written on conventional glass fibers, such as short-period or Bragg gratings, FBG (Hill, 1978), and long-period fiber gratings, LPG (Vengsarkar, 1996), grating fabrication techniques and their applications have achieved a great and rapid development. In recent years, the development of fiber optic (FO) technology and its application in the monitoring of various physical, chemical and biological parameters have made it a vitally important tool. Among which the most studied are the short period FO sensors (FBG) and few have been based on long period networks (LPG). Currently, in Peru there is a need to implement new methodologies for obtaining material parameters at low cost, being the FO sensor technology a good option due to its main advantages: small size and low cost, using abundant materials in nature (silicon) and the property of being basically immune to electromagnetic radiation. However, the study related to FO technology is limited, which makes it a priority to disseminate its reliability and define a strategy to analyze the data, so that the transmission of information provided by LPG sensors occurs at the right time and time, in addition to providing the necessary conditions to achieve an adequate reading. In order to show its feasibility, this thesis seeks to validate the reliability of LPG sensor technology and its application in the monitoring of displacements, vibrations for the calculation of MOE and curvatures for the measurement of flow rates, through the comparison between physical parameters known in the literature or a commercial method and those obtained with the proposed methodology. For the measurement of displacements, a displacement sensor based on tuned optical fiber with an S-shaped structure (táper) is used. Where the fiber is placed on two stepper motors that tension it, so that it can show its signal at different displacements. The same methodology was performed with LPG sensors, showing their sensitivity to displacement. For the analysis of vibration monitoring, wood has been chosen, which has widely known physical properties such as the modulus of elasticity (MOE), due to its importance in the design and calculation of structural components of flexural elements in structural systems of buildings. Therefore, the flexural MOE of 5 types of wood were determined: Cachimbo, Mahogany, Cedar, Pine and Tornillo. To develop this technology, an equipment for the fabrication of FO sensors based on LPG networks was implemented in the Physics Laboratory of the Faculty of Civil Engineering of UNI, where the tests were carried out. For this purpose, the dynamic response of the wooden bars placed in oscillation was characterized, where one end was fixed and the other free, to allow the perturbation. To take the measurements, the LPG sensor was placed on the wooden bar and a photodetector coupled to an oscilloscope, which stores the deflection of the wooden bar counted as a vertical displacement of the free bar end. The responses were monitored using the curvature caused by the movement of the LPG sensor. The vibration frequencies of the motion were obtained from the Fourier transform (FFT) of the time history record of flexural oscillations. Subsequently, the value of the flexural MOEs were determined from the fit of the first mode experimental data frequency versus cantilever length. Finally, the values of the flexural moduli of elasticity (MOE) determined experimentally for the 5 types of wood analyzed in the present study, present an average deviation of 1.6 - 1.9 % with respect to the average values reported in the literature, which were obtained using other techniques. For the measurement of flow velocities in pipes, the method used is also the resonant bar method; however, in this case the LPG sensor is cantilevered perpendicular to the flow direction. To perform the measurements, a vertical tank is used, with an outlet to the pipe from which the measurements are taken in at least three cycles, the results are compared with the data from a commercial flow meter such as the Arduino flow sensor and a similar trend is obtained as a result in both cases, also the SDI in an acceptable range. Therefore, this thesis intends to show the use of LPG sensors in the dynamic characterization of the elastic properties of a material and the flow characterization of a fluid, through the development of its application and implementation in each case.