ES2268329T3 - Sensor de presion dotado de guia de ondas de luz y procedimiento para la deteccion de presion. - Google Patents
Sensor de presion dotado de guia de ondas de luz y procedimiento para la deteccion de presion. Download PDFInfo
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Abstract
Sensor de presión dotado de un guía de ondas de luz (8) que tiene una fibra óptica (2) con un índice de refracción n1, caracterizado porque la fibra (2) se halla introducida en una envoltura tipo tubo flexible (6, 12A-C) fabricada mediante extrusión, sin revestimiento, estando la fibra (2) en ausencia de carga rodeada en todos los lados por un intersticio (10), en el que se encuentra un medio con un índice de refracción n2<n1 que rodea la fibra óptica (2), y apoyándose la envoltura (6, 12A-C) solamente en puntos de apoyo localmente limitados sobre la fibra (2), estando la envoltura (6, 12A-C) realizada de forma elástica de manera que al aplicar presión entra en contacto con la fibra óptica (2), atenuando la luz, que se propaga en la fibra óptica (2), incluso sin deformación de la mencionada fibra óptica (2).
Description
Sensor de presión dotado de guía de ondas de luz
y procedimiento para la detección de presión.
La invención se refiere a un sensor de presión
dotado de un guía de ondas de luz que presenta una fibra óptica con
un índice de refracción n1.
Sensores de presión de este tipo se conocen, por
ejemplo, de los documentos DE 197 21 341 C2, DE 42 36 742 A1, así
como DE 36 03 934 A1. En los sensores de presión conocidos se aplica
luz en el guía de ondas y se utiliza la atenuación de la luz para
medir la carga por compresión del mismo, aprovechando la
característica del guía de ondas de luz de curvarse o doblarse
cuando está sometido a una carga mecánica, de manera que se alteran
sus propiedades ópticas y, por lo tanto, su comportamiento de
atenuación. Lo que se aprovecha, en especial, es el efecto de que en
una situación de flexión crítica del guía de ondas ya no se da la
condición de entorno físico para una reflexión total interna de la
luz dentro del guía de ondas. En este caso, la mayor parte de la luz
queda desacoplada de la fibra. Esto provoca una atenuación, que es
detectada por un sensor apropiado y utilizada como medida para la
carga por compresión. Lo que resulta desventajoso es que el sensor
de presión sólo presenta una baja sensibilidad, ya que el sensor de
presión tan sólo responde cuando existe una flexión
predeterminada.
Sensores de presión del tipo en el que el guía
de ondas se deforma al aplicar presión, se conocen además por los
documentos US 4.915.473, JP 59128009, así como DE 34 33 949 A1.
Por el documento US 4,735,212 se conoce un
catéter de aplicación médica con un conductor de luz interno. Para
la captación de la presión están dispuestos en predeterminados
lugares de su envoltura, especialmente, fragmentos esponjados,
destinados a transmitir la presión al guía de ondas de luz que
solamente está desprovisto de revestimiento en estas áreas.
La invención tiene como objetivo dar a conocer
un sensor de presión fiable, así como un procedimiento fiable para
la detección de presión.
De acuerdo con la invención, este problema se
resuelve mediante un sensor de presión dotado de un guía de ondas de
luz, que presenta una fibra óptica con un índice de refracción n1,
la cual está incorporada, formando un intersticio, en una envoltura
en forma de tubo flexible, que constituye una guía de fibra. En el
intersticio se encuentra un medio que rodea la fibra óptica y que
presenta un índice de refracción n2. La guía de fibra está realizada
de tal manera que, al aplicar presión, entra en contacto con la
fibra óptica, atenuando la propagación de la luz en la misma. La
envoltura se apoya en puntos de apoyo en la fibra dejando libre un
espacio o intersticio. En ausencia de carga los puntos de apoyo
garantizan el mantenimiento del intersticio. Además, con esta medida
la producción del sensor de presión como tal resulta,
comparativamente, sencilla. Sobre todo, las condiciones de entorno
referentes a los índices de refracción y a la distancia entre fibra
y envoltura se dejan ajustar de forma segura y fiable. En adelante,
la envoltura se denominará también guía de fibra.
Este diseño se basa en la consideración de que
la condición física, para que haya una reflexión total interna en el
guía de ondas de luz, se cumple cuando el material o medio, que
rodea la fibra óptica, presenta un índice de refracción inferior al
de la fibra. Además, el diseño del sensor de presión se basa en el
conocimiento de que la reflexión necesaria para la propagación de la
luz no se produce exactamente en la superficie límite entre la fibra
óptica y el medio que envuelve la fibra, sino que las ondas de luz
penetran muy poco en el espacio exterior, que se encuentra
directamente adyacente a la fibra óptica, y que aquí se constituye
lo que se denomina el campo evanescente. Se entiende por fibra
óptica cualquier medio adecuado para la propagación de la luz. La
geometría de la sección no tiene que ser necesariamente redonda.
Partiendo de estas consideraciones, el sensor de
presión está realizado de tal manera que, al estar sometido a
presión, la guía de fibra entra en el área exterior con el campo
evanescente, de forma que este campo evanescente y, por lo tanto, la
luz que se propaga en la fibra es atenuada, y que un sensor
adecuado, en especial, un fotodiodo detecta esta atenuación como un
índice de la aplicación de presión evaluándola en un dispositivo de
evaluación asociado.
La ventaja decisiva, en comparación con los
sensores de presión convencionales, que están dotados de guía de
ondas de luz, se ha de ver en el hecho de que no ha de haber una
flexión del guía de ondas de luz, ni tampoco en especial una flexión
de la fibra óptica. Para que el sensor de presión funcione es
suficiente que la guía de fibra entre en contacto con la fibra
óptica. La deformación de la fibra óptica no tiene importancia. Es
decir, que el sensor de presión también funciona sin deformación de
la fibra óptica. De esta manera se consigue un comportamiento de
respuesta mejorado del sensor de presión, que puede detectar incluso
cargas por compresión reducidas en comparación. Además, se consigue
también un comportamiento de respuesta claramente más rápido
mediante un sensor de presión de este tipo, ya que dicho sensor de
presión reacciona nada mas entrar en contacto la guía de fibra con
la fibra óptica y no solamente cuando la misma fibra óptica queda
flexionada. Esto constituye una ventaja, sobre todo, en el ámbito de
la seguridad, por ejemplo, en un dispositivo de protección
antiatrapamiento en la ventana de un automóvil.
La guía de fibra tiene, preferentemente, un
índice de refracción superior a la fibra óptica, de manera que ya no
se da la condición para la reflexión total interna cuando la guía de
fibra está en contacto con la fibra. De esta manera, la luz, que se
propaga en la fibra óptica, queda prácticamente desacoplada y sufre
una atenuación.
De acuerdo con un desarrollo posterior oportuno,
el medio que se encuentra en el intersticio es gas y, en especial,
aire para favorecer una estructura sencilla.
En ausencia de carga, es decir, sin presión, la
fibra se encuentra, preferentemente, a una distancia de 5 hasta 20
\mum de la guía de fibra - al menos en amplias zonas parciales.
Esta distancia corresponde a la profundidad de penetración típica
del campo evanescente en el espacio exterior que rodea la fibra
óptica. Si la profundidad de penetración es menor, la distancia
puede ser también más pequeña hasta 1 \mum. Mediante unas
dimensiones de este tipo, la reflexión total interna está, por lo
tanto, absolutamente garantizada en ausencia de carga, al tiempo que
también queda asegurado el comportamiento de respuesta más rápido
posible. De esta manera se consigue, además, una estructura
comparativamente compacta.
Preferentemente, el sensor de presión está
realizado de manera que es sensible a la presión a lo largo de toda
la longitud de la fibra.
La envoltura presenta, preferentemente, una
sección rectangular. En este caso, la envoltura se apoya con sus
caras planas solamente en puntos localmente limitados de la fibra
óptica cuya sección transversal es redonda. En estos puntos locales,
ciertamente, ya no se da la condición para la reflexión total
interna, pero la superficie de contacto es suficientemente pequeña,
para que la atenuación resultante no altere el modo de acción del
sensor de presión. Mediante medidas de ajuste apropiadas, por
ejemplo, mediante medidas de calibrado, se puede especialmente tener
en cuenta la atenuación resultante en el dispositivo de evaluación.
En este caso, el intersticio se encuentra en las áreas de las
esquinas entre la fibra de sección redonda y la envoltura de sección
rectangular.
De forma ventajosa y como alternativa, la
envoltura rodea la fibra de forma concéntrica y está dotada de
distanciadores, que mantienen la distancia con respecto a la fibra y
asumen la función de puntos de apoyo. Estos distanciadores son, por
ejemplo, nervios longitudinales dispuestos al interior de la
envoltura tubular. A efectos de reducir al máximo la superficie de
contacto de la envoltura con la fibra a través de los
distanciadores, éstos se estrechan, preferentemente, en dirección a
la fibra. Sobre todo, vistos en sección transversal, están
conformados a modo de un triángulo. Debido a ello, la atenuación
provocada por los distanciadores es menor. Lo que resulta
ventajoso, generalmente, en la disposición de la envoltura es que,
en ausencia de carga, la envoltura sólo presenta una superficie de
contacto muy reducida con la fibra óptica, y que la envoltura sólo
se apoya, en la medida de lo posible, en forma de punto o línea, es
decir, localmente limitado, en la fibra. Según un desarrollo
preferente se ha previsto que los distanciadores estén hechos de un
material distinto al de la envoltura, presentando dicho material un
índice de refracción que cumple la condición para la reflexión total
interna, de manera que sólo se produce una pequeña o ninguna
atenuación en los distanciadores.
Como alternativa a la realización con la
envoltura, que rodea la fibra, la guía de fibra presenta,
preferentemente, una superficie rugosa y ya entra en contacto con la
fibra en áreas parciales, incluso en ausencia de carga, sin presión,
quedando asegurado el intersticio debido a dicha rugosidad
superficial. Este diseño se basa en la consideración de que una
rugosidad superficial adecuada, cuya profundidad debería situarse en
el ámbito de la profundidad de penetración del campo evanescente,
también garantiza la capacidad funcional del sensor de presión.
Dicho diseño facilita una estructura muy económica y sencilla del
sensor de presión.
De acuerdo con un desarrollo preferente, se ha
previsto que el guía de ondas de luz presenta en un extremo en una
zona de conexión un elemento intermedio dispuesto entre la fibra y
la guía de fibra, el cual impide que la guía de fibra presione sobre
la fibra. Dicha zona de conexión puede ser, por ejemplo, una zona de
acoplamiento entre dos guía de ondas de luz, o también la zona en la
que la luz se acopla en el guía de ondas o se desacopla del mismo.
Es en esta zona de conexión donde el guía de ondas de luz se acopla
a otro elemento óptico. Debido a que la guía de fibra ha de ser
necesariamente realizada de forma elástica, en dicha zona de
conexión podría existir el peligro de que la guía de fibra fuera
presionada contra la fibra óptica y que, por lo tanto, se diera una
atenuación elevada en la zona de conexión. Esto lo impide el
elemento intermedio.
El elemento intermedio presenta,
preferentemente, una capa reflectante y está formado, por ejemplo,
por una lámina metálica o una lámina de plástico revestida. El
elemento intermedio puede estar conformado también por aplicación de
una capa reflectante sobre la guía de fibra.
El elemento intermedio rodea la fibra, sobre
todo, completamente y su índice de refracción es menor que el índice
de refracción de la fibra óptica, de manera que se da la condición
para la reflexión total interna.
De acuerdo con un desarrollo oportuno de la
invención, se han dispuesto varias fibras para detectar la
aplicación de presión de forma local, pudiéndose detectar y evaluar
la propagación de la luz en cada una de las fibras de forma
independiente. Preferentemente, las fibras están colocadas a modo de
rejilla o matriz, entrecruzándose de manera que se puede conseguir
una definición precisa casi para cada punto. Utilizando varias
fibras independientes se puede realizar tanto una detección local
bidimensional como también tridimensional.
Para el caso de que no se desee una sensibilidad
a la presión a lo largo de toda la fibra, de acuerdo con un
desarrollo ventajoso de la invención, se ha dispuesto un elemento de
desactivación, que impide en caso de aplicación de presión la
sensibilidad a la presión en un área parcial. El elemento de
desactivación puede ser, por ejemplo, un tubito que se coloca sobre
la fibra a modo de funda. Si en lugar de la envoltura tipo tubito
flexible, según la invención, se utiliza una guía de fibra laminar,
por ejemplo, una placa de plástico celular, entonces se puede
aplicar un elemento de desactivación laminar tal como, por ejemplo,
una lámina de metal o una lámina de plástico revestida. El elemento
de desactivación está realizado de manera que impide en la medida de
lo posible una atenuación en el momento de la aplicación de presión,
garantizando una reflexión total interna.
Oportunamente, el sensor de presión está
realizado en forma de elemento de conmutación y, a tal efecto, está
dotado de un elemento de presión. Dicho elemento de presión puede
estar conformado como elemento guía, o bien presionar el elemento
guía contra la fibra al ser accionado. Si está conformado como
elemento guía, será suficiente que solamente una pequeña área
parcial de la fibra, sobre la que actúa dicho elemento de presión,
sea sensible a la presión. Es decir, que al accionar el elemento de
presión, la propagación de la luz en la fibra queda perturbada. La
unidad de evaluación detecta esta perturbación como una
"conmutación", mediante la cual se puede controlar otra función
tal como, por ejemplo, la de encender o apagar un consumo de energía
eléctrica.
Para la verificación óptica del proceso de
conmutación, al accionar el elemento de presión, una parte de la luz
se desacopla preferentemente de la fibra y se hace visible. En
especial, el mismo elemento de presión es presionado contra la fibra
y consta de un material transparente de manera que el mismo elemento
de presión da luz.
El sensor de presión se utiliza,
preferentemente, en un automóvil. En general, el sensor de presión
es apto para su aplicación en dispositivos de protección
antiatrapamiento en el ámbito del automóvil, en la construcción de
máquinas, en ascensores, para la detección de esfuerzos de
compresión realizados por personas, vehículos u otras ondas de
presión. El sensor de presión puede estar integrado, por ejemplo, en
asientos de coche como sistema de detección si el asiento está
ocupado por una persona o no. Asimismo, el sensor de presión puede
estar integrado, en especial, también en la zona del parachoques de
un automóvil para detectar un choque rápidamente, a tiempo para
disponer a continuación las medidas adecuadas. Dado que mediante el
sensor de presión se pueden detectar cargas por compresión
comparativamente pequeñas, éste puede ser utilizado para minimizar
el peligro en accidentes de personas. A tal efecto, se ha previsto,
por ejemplo, que al detectar un choque mediante el sensor de
presión, se eleva inmediatamente el capó del motor del vehículo para
formar una superficie de choque flexible, que absorbe energía.
Para que la disposición no requiera mucho
espacio, el sensor de presión está integrado, oportunamente, dentro
de un elemento de estanqueización, por ejemplo, un burlete para
ventanas como parte constituyente de un dispositivo de protección
antiatrapamiento.
El problema se resuelve, asimismo, mediante el
procedimiento según la reivindicación 19. Las ventajas y
realizaciones preferentes, que se han mencionado en relación con el
sensor de presión, valen análogamente también para el
procedimiento.
A continuación, se explican más detalladamente
ejemplos de realización de la invención por medio de los dibujos.
Las guías de fibra en forma de placa, que se muestran y se describen
en los dibujos, no se contemplan en las reivindicaciones
independientes. En los dibujos se muestran de forma esquemática y
muy simplificada las siguientes representaciones:
figuras 1A, B - una sección transversal a través
de un guía de ondas de luz, en el que una fibra óptica está
dispuesta entre dos elementos en forma de placa, una vez sin presión
y una vez con presión;
figuras 2A, B - una sección longitudinal a
través de un guía de ondas de luz, en el que la fibra óptica está
envuelta directamente por una guía de fibra, que presenta una gran
rugosidad superficial, una vez sin presión y una vez con
presión;
figura 3 - una sección transversal de un guía de
ondas de luz dotado de una envoltura que rodea de forma concéntrica
la fibra óptica;
figura 4 - una sección transversal de un guía de
ondas de luz dotado de una envoltura cuadrada que rodea la fibra
óptica;
figura 5 - un guía de ondas de luz dotado de una
guía de fibra, que presenta una gran rugosidad superficial y rodea
de forma concéntrica la fibra óptica;
figura 6 - una sección longitudinal a través de
un guía de ondas de luz en una zona de conexión;
figura 7 - una vista lateral de una puerta de un
automóvil dotada de un dispositivo de protección
antiatrapamiento;
figura 8 - una sección transversal a lo largo de
la línea VII-VII, según la figura 7, a través del
bastidor de la puerta del automóvil;
figura 9 - una sección transversal a través de
una realización del sensor de presión como elemento de
conmutación;
figura 10 - una realización del sensor de
presión con dos bucles de fibra y elementos de desactivación;
figura 10A - una vista en perspectiva de un
sensor de presión laminar con un bucle de fibra;
figura 11 - una sección transversal a través de
un sensor de presión de construcción sencilla con elementos de
desactivación;
figura 12 - la realización de un sensor de
presión con múltiples fibras dispuestas a modo de rejilla, y
figura 13 - un sensor de presión dotado de un
reflector dispuesto en un extremo de la fibra óptica.
Según las figuras 1A y 1B, una fibra óptica (2)
está dispuesta entre dos elementos (4) en forma de placa que
constituyen una guía de fibra elástica (6). La guía de fibra (6) y
la fibra óptica (2) forman conjuntamente el guía de ondas de luz
(8). En el estado mostrado en la figura 1A, en ausencia de carga,
sin presión, los elementos (4) en forma de placa están en contacto
con la fibra óptica (2), substancialmente, sólo de forma lineal, de
manera que la fibra óptica (2) queda envuelta por un espacio
exterior, que actúa como intersticio (10) y en el que se halla un
medio gaseoso, preferentemente aire. A diferencia de guía de ondas
de luz convencionales, la fibra óptica (2) no está, por lo tanto,
envuelta directamente por una envoltura, el denominado cladding o
revestimiento.
La fibra óptica (2) es, por ejemplo, una fibra
de vidrio o también una fibra sintética de polimetilmetacrilato
(PMMA) o poliuretano (PU). Los elementos (4) en forma de placa son,
por ejemplo, elementos de estanqueización formados de goma o un
material plástico adecuado. La fibra (2) presenta un índice de
refracción n1, que es ligeramente más alto que el índice de
refracción n2 del aire, que se encuentra en el intersticio (10). Al
mismo tiempo, el índice de refracción n3 de la guía de fibra (6), es
decir, de los elementos (4) en forma de placa, es más alto que el
índice de refracción n1 de la fibra (2). Sin embargo, la relación
n3>n1 no es obligatoria. Es suficiente que la guía de fibra (6)
conste de un material que amortigua o atenúa las ondas
electromagnéticas.
Cuando el sensor de presión está en
funcionamiento se acopla luz en un lado del guía de ondas de luz
(8). A tal efecto, se utiliza una fuente de luz adecuada,
preferentemente, un diodo luminiscente o un diodo láser. En un
extremo del guía de ondas de luz (8) está dispuesto un sensor de luz
adecuado, en especial, un fotodiodo, que está unido con una unidad
de evaluación. En el sensor de luz se detecta la luz, que es guiada
a través del guía de ondas de luz, y en la unidad de evaluación se
calcula la atenuación en comparación con la luz aplicada. En una
situación de ausencia de carga, tal como se muestra en la figura 1A,
se da la condición para la reflexión total interna en la superficie
límite entre la fibra óptica y el intersticio (10), de manera que la
luz se propaga, substancialmente, sin pérdidas a través del guía de
ondas de luz (8). Solamente en la zona de la superficie de contacto
con la guía de fibra (6) en forma de línea se produce una
atenuación. Sin embargo, es comparativamente menor.
En una situación bajo carga con aplicación de
presión, tal y como se muestra en la figura (1B), la guía de fibra
(6) es presionada contra la fibra (2) y, debido a su realización
elástica, entra en contacto íntimo con dicha fibra (2), de tal
manera que se produce un contacto con la misma en una superficie
comparativamente grande. Debido a ello, ya no se cumple la condición
para la reflexión total interna en la zona de la superficie de
contacto entre la fibra y la guía de fibra (6), y la luz o el campo
evanescente queda desacoplado o atenuado en la zona de esta
superficie de contacto. Esto ocasiona una atenuación adicional, que
es detectada por la unidad de evaluación. Lo que importa es que no
es necesario someter la fibra óptica a una carga mecánica y, en
especial, no es necesario doblar o curvar la fibra óptica (2) para
que funcione este principio. De esta manera se consigue un
comportamiento de respuesta muy rápida y sensible del sensor de
presión.
El principio de funcionamiento del sensor de
presión se muestra otra vez por medio de las figuras 2A y 2B, según
las cuales la fibra (2) está envuelta directamente por una guía de
fibra (6), que solamente presenta una alta rugosidad superficial con
una profundidad T. En este caso, la profundidad T indica,
especialmente, la profundidad media de la rugosidad superficial.
Debido a la rugosidad superficial se han constituido huecos
individuales entre la fibra (2) y la guía de fibra (6), que cumplen
la función del intersticio (10). En ausencia de carga, según la
figura 2A, se cumple, por lo tanto, la condición para la reflexión
total interna en amplias zonas, tal como se muestra esquemáticamente
mediante la trayectoria de los rayos de luz señalada por las
flechas. En este caso, por razones de simplicidad se ha prescindido
de mostrar el campo evanescente, es decir, que no se muestra la
penetración de la onda de luz en el intersticio (10). La profundidad
T de la rugosidad corresponde, en este caso, aproximadamente a la
profundidad de penetración del campo evanescente, que se sitúa
típicamente en el orden de entre 5 y 20 \mum. Bajo carga por
compresión, la guía de fibra (6) es presionada contra la fibra (2)
de manera que se vuelve a interrumpir la condición para la reflexión
total interna y la luz se desacopla de la fibra (2), lo cual provoca
la atenuación.
De acuerdo con la figura 3, la fibra (2) está
envuelta por una envoltura concéntrica (12A), dejando libre el
intersticio (10). La envoltura (12A) se apoya en tres distanciadores
(14), que están desplazados en aproximadamente 120º entre sí. La
distancia entre la envoltura (12A) y la fibra (2) se sitúa, por lo
menos, en el orden de la profundidad de penetración del campo
evanescente, es decir, que es como mínimo de 5 hasta 20 \mum.
Vistos en sección transversal, los distanciadores (14) tienen una
base triangular, cuya punta está dirigida hacia la fibra (2). Dichos
distanciadores (14) se extienden en dirección longitudinal a lo
largo de la envoltura (12A) a modo de nervios longitudinales
dispuestos sobre la cara interior superior de la misma. En la figura
3 se muestra esquemáticamente que los distanciadores (14) están
realizados en un material distinto al de la envoltura (12A). El
índice de refracción de los distanciadores (14) es inferior al de la
fibra (2). Alternativamente, los distanciadores (14) pueden estar
formados también por el mismo material que la envoltura (12A) y
estar fabricados, por ejemplo, en un proceso de extrusión.
El guía de ondas de luz, según la figura 4,
comprende una envoltura (12B) que, vista en sección transversal,
tiene una forma cuadrada y que, en ausencia de carga, se apoya en la
fibra óptica (2) de forma lineal en cuatro puntos. La envoltura
(12B) puede tener también una superficie de sección rectangular de
manera que en ausencia de carga solamente se apoya en la fibra en
dos líneas de contacto.
De acuerdo con la figura 5, la fibra (2) está
envuelta por una envoltura concéntrica (12C), que presenta una alta
rugosidad superficial.
Las variantes de realización, según las figuras
3 a 5, tienen en común que la envoltura (12A, B, C) constituye la
guía de fibra (6) y que presentan un índice de refracción n3, que es
mayor que el índice de refracción n1 de la fibra (2), o bien
presentan una atenuación óptica. Además, la envoltura (12A, B, C),
así como la guía de fibra (6), están formadas generalmente por un
material elástico, de manera que, bajo carga por compresión, la
envoltura (12A, B, C) es presionada contra la fibra (2), entrando en
contacto íntimo con la misma.
De acuerdo con la figura 6, en la zona del
extremo del guía de ondas de luz (8) se ha dispuesto una zona de
conexión (16), en el que el guía de ondas de luz (8) está conectado
a otro elemento óptico. Éste se muestra en la figura 6 con una línea
de trazos y puede ser, por ejemplo, un diodo luminiscente o también
un fotodiodo. El elemento óptico (18) puede ser también un elemento
de acoplamiento con un guía de ondas de luz convencional, no
realizado como sensor de presión. Este elemento óptico (18) está
generalmente fijado en el guía de ondas de luz (8) a modo de
enchufe. Para una fijación segura el guía de ondas de luz (8) suele
ser enclavado en el elemento (18). A efectos de evitar que la guía
de fibra (6) sea presionada contra la fibra óptica (2) en dicha zona
de conexión (16), de acuerdo con el ejemplo de realización mostrado
en la figura 6, la fibra (2) está rodeada por un elemento intermedio
(20). Este elemento intermedio (20) tiene un índice de refracción
n4, que es inferior al índice de refracción n1 de la fibra (2), de
manera que en esta zona también queda asegurada la reflexión total
interna y se evita en la medida de lo posible la atenuación. El
elemento intermedio (20) puede ser, por ejemplo, una funda de
teflón. También puede estar hecho de un metal o de un material
plástico metalizado.
De acuerdo con la figura 7, como campo de
aplicación preferente se ha previsto la utilización del sensor de
presión en un dispositivo de protección antiatrapamiento para una
puerta (22) de un automóvil. Tal como se desprende, sobre todo,
también en combinación con la figura 8, el guía de ondas de luz (8)
realizado como sensor de presión está dispuesto a ambos lados de una
luna (24) y, concretamente, el guía de ondas de luz (8) está
integrado en un elemento de estanqueización (26), que sirve para
sellar la luna (24) dentro del bastidor (28) de la puerta. En dicho
ejemplo de realización se ha previsto que el guía de ondas de luz
(8) sea dirigido por una unidad de control (30) primero en
alejamiento y luego en retorno a modo de un bucle dentro del
elemento de estanqueización (26). La unidad de control (30) puede
incluir, a tal efecto, la fuente de luz, el sensor de luz, así como
una unidad de evaluación para determinar el grado de atenuación. En
el momento en el que, al elevar la luna (24), un objeto queda
atrapado entre la luna (24) y el elemento de estanqueización (26) o
el bastidor (28) del automóvil, se produce una atenuación de la luz,
que pasa por el guía de ondas de luz (8), parando el proceso de
elevación de la luna a efectos de evitar posibles lesiones.
El sensor de presión puede estar también
introducido en un alojamiento abierto hacia arriba que tiene, por
ejemplo, una forma de V y está dispuesto en el lado frontal de una
luna. El sensor de presión es accesible desde afuera de manera que,
por ejemplo, en caso de presión manual se puede parar la elevación
de la luna con la mano. Por lo tanto, el sensor de presión actúa a
modo de un "sensor de inmersión".
De acuerdo con la figura 9, se ha dispuesto un
elemento de presión (32). El mismo se deja accionar en el sentido de
la doble flecha (34) y en este ejemplo de realización está realizado
como el elemento guía que, al accionar el elemento de presión (32),
es presionado en el espacio exterior (36) señalado con la línea de
trazos. En dicho espacio exterior (36) se encuentra el campo
evanescente de manera que éste es perturbado al accionar el elemento
de presión (32).
De ello resulta la atenuación de la luz, que se
propaga en la fibra (2), lo cual se detecta como "conmutación"
y origina una función asociada a la conmutación. En la realización
como elemento de conmutación el guía de ondas de luz sólo tiene que
estar conformado como sensor de presión en el área del elemento de
presión (32). En el área restante la fibra (2) puede estar rodeada
por una envoltura, el denominado "cladding" o revestimiento,
igual que en un guía de ondas de luz convencional.
Para el control óptico de si el sensor de
presión ha respondido, el elemento de presión (32) está realizado en
forma de un elemento, por lo menos, parcialmente transparente o
semitransparente, que interrumpe la reflexión total interna al ser
accionado, de manera que una parte de la luz, que se propaga en la
fibra (2), queda desacoplada y pasa por el elemento de presión (32),
haciéndose visible. Por esto el elemento de presión (32) se ilumina
al ser accionado. Para aumentar esta intensidad de la luz, una
superficie reflectante (37) está dispuesta en oposición al elemento
de presión (32) de manera que la luz, que se desacopla de la fibra
(2) hacia abajo, es reflectada hacia el elemento de presión
(32).
De acuerdo con la figura 10, el sensor de
presión comprende dos bucles de fibra (38) de manera que, en su
conjunto, queda constituido un elemento sensible laminar, que
presenta dos superficies sensibles a la presión, independientes la
una de la otra. Mediante una disposición de este tipo no solamente
se puede detectar, por ejemplo, si los asientos están ocupados, sino
también en qué punto del asiento se ha sentado cada persona. De
acuerdo con la figura 10A, el bucle de fibra (38) se encuentra
introducido entre dos guías de fibra laminares (6), en especial,
entre láminas de plástico.
Según el ejemplo de realización, los bucles de
fibra (38) están recubiertos en las zonas de entrada y salida de la
fibra por una lámina de metal reflectante dispuesta a ambos lados de
la fibra como elemento de desactivación (40). El elemento de
desactivación laminar (40) está dispuesto entre cada uno de los
bucles de fibra (38) y el elemento guía (6) que, en este caso,
también es laminar (para la estructura véase la figura 11).
La estructura del sensor de presión, que se
muestra en la figura 11, es muy fácil de realizar en lo que se
refiere a la fabricación. En esta estructura se ha previsto, como
guía de fibras (6), una banda o placa laminar de plástico celular,
es decir, un elemento laminar con buena deformabilidad elástica, que
recubre ampliamente la fibra (2) o también varias fibras (2) o
varios bucles de fibra (38). En zonas donde no se desea una función
sensitiva, el elemento de desactivación (40) también está dispuesto
como elemento laminar entre la guía de fibra (6) y la fibra (2). Al
ser sometida a un esfuerzo de compresión, la guía de fibra entra en
contacto íntimo con la fibra (2) debido a sus buenas propiedades
elásticas en la zona exterior al elemento de desactivación (40),
perturbando el campo evanescente. En la zona del elemento de
desactivación (40) éste es presionado contra la fibra y no se
produce ninguna perturbación del campo evanescente.
Para poder detectar un efecto de compresión con
la máxima precisión por cada punto, de acuerdo con la figura 12, se
ha previsto una rejilla de fibras (42) con fibras entrecruzadas (2),
que se evalúan de forma independiente. Como elemento guía (no
mostrado) resulta adecuado un elemento laminar, en especial, de gran
superficie, sobre todo, una banda de plástico celular.
Preferentemente, se genera una imagen impresa
virtual en relación con la rejilla de fibras (42), es decir, que la
distribución de la presión sobre una superficie es detectada,
procesada de forma digital y visualizada, por ejemplo, en una
pantalla o impresa. La definición para cada zona con la ayuda de la
rejilla de fibras (42) se puede aplicar, sobre todo, en el ámbito de
la automatización, por ejemplo, para determinar en un proceso de
producción automatizado la posición exacta de un elemento a tratar
sobre una cinta transportadora dotada de una rejilla de fibras (42).
Esta posición conocida puede servir, a continuación, para dirigir
exactamente un brazo de robot, que ha de recoger dicho elemento.
En todos los ejemplos de realización se ha
previsto una fuente de luz, por ejemplo, un diodo luminiscente, a
través de la que se acopla la luz en la fibra óptica (2). Además, se
ha previsto un sensor, respectivamente, para la detección de la
intensidad de luz transmitida por la fibra (2). La fuente de luz y
el sensor pueden estar dispuestos en los respectivos extremos de la
fibra (2). Alternativamente, en un extremo de la fibra (2) puede
estar dispuesto también un reflector (44), que reflecta la luz hacia
la fibra de manera que el sensor (46) y la fuente de luz (48) pueden
estar dispuestos en el mismo extremo de la fibra. De esta manera, se
aumenta la sensibilidad (figura 13). Para evaluar la señal del
sensor se ha dispuesto, asimismo, una unidad de evaluación. En el
caso de que se utilicen varias fibras (2) (figuras 10 y 12), la
evaluación se realiza de forma separada para cada fibra (2).
\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\+#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
2 \+ Fibra óptica\cr 4 \+ Elemento en forma de placa\cr 6 \+ Guía
de fibra\cr 8 \+ Guía de ondas de luz\cr 10 \+ Intersticio\cr
12A, B, C \+ Envoltura\cr 14 \+ Distanciador\cr 16 \+ Zona de
conexión\cr 18 \+ Elemento óptico\cr 20 \+ Elemento intermedio\cr
22 \+ Puerta de automóvil\cr 24 \+ Luna\cr 26 \+ Elemento de
estanqueización\cr 28 \+ Bastidor de la puerta\cr 30 \+ Unidad de
control\cr 32 \+ Elemento de presión\cr 34 \+ Flecha doble\cr 36
\+ Espacio exterior\cr 37 \+ Superficie reflectante\cr 38 \+ Bucle
de fibra\cr 40 \+ Elemento de desactivación\cr 42 \+ Rejilla de
fibra\cr 44 \+ Reflector\cr 46 \+ Sensor\cr 48 \+ Fuente de
luz\cr}
Claims (19)
1. Sensor de presión dotado de un guía de ondas
de luz (8) que tiene una fibra óptica (2) con un índice de
refracción n1, caracterizado porque la fibra (2) se halla
introducida en una envoltura tipo tubo flexible (6,
12A-C) fabricada mediante extrusión, sin
revestimiento, estando la fibra (2) en ausencia de carga rodeada en
todos los lados por un intersticio (10), en el que se encuentra un
medio con un índice de refracción n2<n1 que rodea la fibra óptica
(2), y apoyándose la envoltura (6, 12A-C) solamente
en puntos de apoyo localmente limitados sobre la fibra (2), estando
la envoltura (6, 12A-C) realizada de forma elástica
de manera que al aplicar presión entra en contacto con la fibra
óptica (2), atenuando la luz, que se propaga en la fibra óptica (2),
incluso sin deformación de la mencionada fibra óptica (2).
2. Sensor de presión, según la reivindicación 1,
caracterizado porque la envoltura (6, 12A-C)
presenta un índice de refracción n3 y porque se cumple la relación
n3>n1>n2.
3. Sensor de presión, según la reivindicación 1
ó 2, caracterizado porque el medio es gas, en especial,
aire.
4. Sensor de presión, según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en ausencia
de carga, sin presión, la envoltura (6, 12A-C) está
distanciada de la fibra (2) en aproximadamente 5-20
\mum.
5. Sensor de presión, según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque a lo largo
de prácticamente toda la fibra (2) existe sensibilidad a la
presión.
6. Sensor de presión, según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la
envoltura (6, 12B) tiene un área de sección transversal
rectangular.
7. Sensor de presión, según una de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque la envoltura
(6, 12A) rodea la fibra (2) de forma concéntrica y está dotada de
distanciadores (14) con respecto a la fibra (2).
8. Sensor de presión, según una de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque la envoltura (6,
12C) presenta una rugosidad superficial, garantizando en ausencia de
carga, sin presión, la constitución de un intersticio (10) mediante
dicha rugosidad superficial.
9. Sensor de presión, según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la
envoltura (6, 12A-C) está realizada como un elemento
de estanqueización (26).
10. Sensor de presión, según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el guía de
ondas de luz (8) está dotado en su extremo de un elemento intermedio
(20), en una zona de conexión (16) entre la fibra (2) y la envoltura
(6), estando dicho elemento intermedio (20) conformado de tal manera
que, al aplicar presión, la propagación de la luz en la fibra óptica
(2) no sufre ninguna atenuación en dicha zona de conexión (16).
11. Sensor de presión, según la reivindicación
10, caracterizado porque el elemento intermedio (20) está
dotado de una capa reflectante y presenta, en especial, un índice de
refracción n4<n1.
12. Sensor de presión, según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se han
previsto varias fibras ópticas (2) separadas entre sí para una
detección local (ortsaufgelöste Erfassung) de las cargas por
compresión.
13. Sensor de presión, según la reivindicación
12, caracterizado porque las fibras (2) están entrecruzadas y
dispuestas a modo de una rejilla.
14. Sensor de presión, según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque, a efectos
de impedir la sensibilidad en un área parcial de la fibra (2), se ha
dispuesto un elemento de desactivación (40), en especial, una lámina
reflectante, que impide una atenuación de la propagación de la luz
en este área parcial al aplicar presión.
15. Sensor de presión, según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque está
realizado como elemento de conmutación y, a tal efecto, está dotado
de un elemento de presión (32).
16. Sensor de presión, según la reivindicación
15, caracterizado porque el elemento de presión (32) está
conformado de tal manera que, al ser accionado, una parte de la luz,
que se propaga en la fibra (2), queda desacoplado y se hace
visible.
17. Automóvil dotado de un sensor de presión,
según una de las reivindicaciones anteriores.
18. Automóvil, según la reivindicación 17, en el
que el sensor de presión está incorporado en un elemento de
estanqueización (26), siendo parte de un dispositivo de protección
antiatrapamiento.
19. Procedimiento para la detección de la
presión mediante un guía de ondas de luz (8), que comprende una
fibra óptica (2) con un índice de refracción n1,
caracterizado porque la fibra (2) se halla introducida en una
envoltura tipo tubo flexible (6, 12A-C) fabricada
mediante extrusión, sin revestimiento, estando la fibra (2) en
ausencia de carga rodeada en todos los lados por un intersticio
(10), en el que se encuentra un medio con un índice de refracción
n2<n1 que rodea la fibra óptica (2), y apoyándose la envoltura
(6, 12A-C) solamente en puntos de apoyo localmente
limitados sobre la fibra (2), acoplándose luz en la fibra (2) de
manera que en la zona exterior directamente adyacente a la fibra (2)
se genera un campo evanescente dentro del intersticio, y llegando la
envoltura (6, 12A-C), al aplicar presión, a la zona
exterior con el campo evanescente, de manera que dicho campo
evanescente y, por lo tanto, la propagación de la luz en la fibra
(2) ya queda atenuada sin que se deforme la fibra (2) y que dicha
atenuación es detectada.
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