Sensores Fotónicos

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Los sensores fotónicos han sido objeto de intensa investigación durante los últimos dos decenios para su uso en multiples aplicaciones, así como en entornos civiles y militares para la detección de una amplia variedad de factores biológicos, agentes químicos y nucleares. Los avances en el diseño de sensores fotónicos y sus grandes aplicaciones siguen creciendo a un ritmo rápido con los nuevos tipos de fibras ópticas y fotónicas. Dentro de este campo en rápido progreso, la investigación de este tipo de sensores da una visión futura de los desarrollos tecnológicos que en un futuro darán lugar a nuevas soluciones en diferentes campos como la medicina, ingeniería, química, etc.

Conceptos Teóricos

Concepto de Fotónica

La Fotónica es ampliamente reconocida como una importante innovación que permite la disciplina para el siglo XXI. Puede definirse como el campo de la ciencia y las tecnologías en las propiedades fundamentales de la luz y su interacción con la materia son estudiadas y aplicadas. Utiliza como elemento principal la luz procedente de un laser, lo que implica el envio de información (como puede ser imágenes, música, video, voz…) de un lugar a otro.

Concepto de Fibra Óptica

Los circuitos de fibra óptica son filamentos de vidrio (compuestos de cristales naturales) o plástico (cristales artificiales), del espesor de un pelo (entre 10 y 300 micrones). Llevan mensajes en forma de haces de luz que realmente pasan a través de ellos de un extremo a otro, donde quiera que el filamento vaya (incluyendo curvas y esquinas) sin interrupción.

Las fibras ópticas pueden ahora usarse como los alambres de cobre convencionales, tanto en pequeños ambientes autónomos (tales como sistemas de procesamiento de datos de aviones), como en grandes redes geográficas (como los sistemas de largas líneas urbanas mantenidos por compañías telefónicas).

El principio en que se basa la transmisión de luz por la fibra es la reflexión interna total, la luz que viaja por el centro o núcleo de la fibra incide sobre la superficie externa con un ángulo mayor que el ángulo crítico, de forma que toda la luz se refleja sin pérdidas hacia el interior de la fibra. Así, la luz puede transmitirse a larga distancia reflejándose miles de veces. Para evitar pérdidas por dispersión de luz debida a impurezas de la superficie de la fibra, el núcleo de la fibra óptica está recubierto por una capa de vidrio con un índice de refracción mucho menor, de tal forma que las reflexiones se producen en la superficie que separa la fibra de vidrio y el recubrimiento.

Por último, en la fibra óptica la señal no se atenúa tanto como en el cobre, ya que en las fibras no se pierde información por refracción o dispersión de luz consiguiéndose así buenos rendimientos, en el cobre, sin embargo, las señales se ven atenuadas por la resistencia del material a la propagación de las ondas electromagnéticas de forma mayor. Además, se pueden emitir a la vez por el cable varias señales diferentes con distintas frecuencias para distinguirlas, lo que se denomina multiplexar diferentes señales eléctricas.

Definición y Concepto

Fotónica es la tecnología encargada de aprovechar y manipular la luz para realizar funciones útiles. Los sensores fotónicos están basados, además de en esta técnica, en la fibra óptica y son empleados en diversos campos para medir los parámetros dominantes gracias a su reducido tamaño, en concreto su diámetro que apenas mide 125 micras lo que supone aproximadamente el grosor de un cabello humano.

Estos sensores además de presentar la característica de un tamaño casi minúsculo, tienen también un peso ligero, alta resolución, la inmunidad a las interferencias electromagnéticas, largo alcance al acceso [potencial], la capacidad de multiplexación de los diseños y la aplicación de sensores a ciertos atributos de bajo coste. Los sensores fotónicos pueden utilizar diferentes componentes de la señal óptica tales como intensidad en función, de interferometría, la polarización, espectroscopía, dando lugar a un gran número de diseños de sensores diferentes. Estas diferencias pueden surgir en las estructuras físicas empleadas, en la fuente óptica o los sistemas de detección, en la señal sistemas de demodulación, o en nuevas combinaciones de estos.

A diferencia de los sensores electrónicos, los sensores fotonicos son inmunes a la interferencia electromagnética y a los fallos en los componentes eléctricos en entornos adversos debido a su construcción puramente opto-mecánica. El cable de fibra óptica se utiliza para conectar el conjunto del sensor con un sistema de procesamiento de señales opto-electrónico (el interrogador).

Fundamentos

Los sensores fotónicos están basados en cuatro componentes:

• El sensor o transductor.
• La unidad de interrogador, o un acondicionador de señal óptica.
• El cable óptico.
• La fibra óptica interruptor (opcional).

El interrogador genera una onda de luz, que se guía por el cable óptico del sensor. Cuando la medición de una magnitud, como presión, temperatura, flujo, etc. se aplica al sensor, los parámetros fundamentales de la luz, tales como la intensidad o longitud de onda, se cambian. La luz se refleja modificada a través del cable para el interrogador, donde se mide cuidadosamente para determinar la cantidad de cambio en la onda de luz. Los algoritmos se utilizan para convertir la señal óptica en una señal electrónica de calibrado que puede estar conectado a un sistema de control de procesos, a un sistema de adquisición de datos, o para una visualización en tiempo real. Si es necesario una etapa de multiplexado es indispensable un cuarto componente, un conmutador de fibra óptica.

Aplicaciones

Los sensores fotónicos presentan múltiples aplicaciones que constituyen un sistema para medir cualquier parámetro, ya sea de temperatura, de tensión mecánica o parámetros químicos y biológicos. En Ingeniería civil se emplean especialmente para calcular las tensiones en estructuras como puentes o vigas, o en aerogeneradores, viendo las tensiones de las palas. Por otro lado, estos sensores se emplean en el diseño de las alas de los aviones; en la Biomedicina facilitan la detección de proteínas o la malformación en genes, permiten también la medida de parámetros químicos en aguas residuales, para medir la calidad del agua. Gracias a estos pequeños dispositivos se puede controlar qué cantidad de plomo o elementos orgánicos existen en ríos como el Ebro.

Otra de las aplicaciones en las que se utilizan los sensores de fibra óptica es para medir el movimiento. En Estados Unidos, se ha ideado una nueva herramienta, el giróscopo, capaz de detectar rotaciones mecánicas mediante la interferencia de haces de luz. El sensor consiste en una bobina en la que se enrolla un cable de fibra óptica. Permitiendo conocer el movimiento en cada instante, midiendo el desplazamiento y pudiendo así corregir la trayectoria. Esta tecnología es muy útil en aeronáutica y en la industria de defensa.

Véase también

Fibra óptica

Fotónica

Enlaces externos

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