ES2293786B2 - Escaner de deformadas dinamicas. - Google Patents

Abstract

Escáner de deformadas dinámicas. Procedimiento y aparato de inspección no destructiva para la medida de desplazamientos dinámicos de estructuras, con la finalidad añadida de determinar la existencia y localización de defectos que pudieran afectar a la integridad de dichas estructuras, utilizando técnicas ópticas geométricas. La combinación de un tipo de iluminación por barrido de un haz láser (3) emitido por un emisor-receptor (1), en un rango de direcciones de iluminación cercanas a la de incidencia rasante sobre la superficie de la estructura a inspeccionar (2), utilizando una distribución uniforme de retrorreflectores (5.i) sobre la línea de control (4) y una dirección de observación próxima a la dirección de retrorreflexión, permite adquirir información sobre los desplazamientos dinámicos de la estructura según la dirección normal (8). Aparato para la generación y adecuación del haz láser (3), generación del barrido y adquisición de información sobre la dirección del haz láser.

Description

Escáner de deformadas dinámicas.

Campo de aplicación de la invención

La invención está relacionada con los aparatos y procedimientos para la inspección de estructuras y más específicamente para la medida de desplazamientos dinámicos en una estructura usando técnicas ópticas geométricas. Mediante el escáner de deformadas dinámicas objeto de la invención se detectan defectos en estructuras como forjados, puentes o chasis mediante la medida de sus deformaciones dinámicas.

Antecedentes de la invención

Las cargas de servicio y las acciones del ambiente degradan la resistencia de las estructuras, pudiendo llegar a causar daños que comprometan su integridad. La evaluación y control de durabilidad de estructuras civiles como forjados, puentes, cubiertas, etc, así como otro tipo de elementos estructurales de medios de transporte tales como chasis, cascos, etc, se centra todavía fundamentalmente en el control de calidad de los materiales en las fases de proyecto y ejecución. En las últimas décadas, los avances en cuanto al conocimiento de los materiales han permitido aumentar sus exigencias mientras que los procedimientos de cálculo de estructuras, incluyendo los estados límite de fisuración y deformación, se han perfeccionado. Sin embargo, es notoria la necesidad de unos medios que permitan controlar el estado estructural de las construcciones en los años posteriores a su ejecución, de forma que el control de durabilidad pueda seguir desarrollándose durante la vida útil de la construcción. La inspección regular y la evaluación del estado estructural son necesarias para la detección temprana de defectos a fin de determinar la seguridad y fiabilidad de las estructuras. La detección temprana de defectos permite programar adecuadamente los trabajos de mantenimiento y reparación, lo cual minimiza los costes de reparación y evita paradas imprevistas en el servicio para el que está destinada la estructura.

La medida de vibraciones y desplazamientos dinámicos en general es una técnica de gran utilidad para la evaluación del estado estructural. Diferentes trabajos (véase, por ejemplo: G. de Roeck, B. Peeters y J. Maeck, "Dynamic monitoring of civil engineering structures", Computational Methods for Shell and Spatial Structures, IASS-IACM, M. Papadrakakis, A. Samartin and E. Onate, eds., Greece 2000 (26 pages); G. Fu, A. G. Moosa, J. Peng, "Optical nondestructive evaluation for structures", Res. Nondestr. Eval. (2001), 37-59; J. Maeck and G. de Roeck, "Damage assessment using vibration analysis on the Z24-bridge", Mechanical Systems and Signal Processing (2003) 17 (1), 133-142; A. Samartin, P. Tabuenca and J. García-Palacios, "Structural damage identification using dynamic numerical models", Proceedings of IASS Int. Symposium Shell and Spatial Structures, from Models to Realization, R.Motro, ed., pp. 6-7, full text in CD (26 pages), Montpellier, 2004) demuestran la factibilidad de los métodos de inspección no destructiva basados en medidas dinámicas.

Una primera aproximación al problema de la detección de defectos en las estructuras, sencilla y de bajo coste, es la realización de medidas de desplazamiento, velocidad o aceleración en un punto de la estructura durante un cierto intervalo de tiempo (existe para ello diferente instrumentación en el mercado como acelerómetros, velocímetros láser, transductores inductivos, etc.). La señal así adquirida permite obtener el espectro de vibración, que contiene información integrada sobre los diferentes modos de vibración y fuentes de excitación presentes. Puede diseñarse la toma de datos bajo excitación controlada (tanto impulsional como periódica), o incluso empleando como fuente de energía las propias cargas que actúan sobre la estructura en su operación habitual (por ejemplo, el tráfico en un puente). Aunque la evolución histórica del espectro de vibración de la estructura puede dar una primera idea sobre su integridad estructural, no es una técnica lo suficientemente sensible como para detectar la presencia (ni mucho menos la localización) de defectos incipientes (grietas, corrosión, etc.). Además, si existen defectos importantes de fabricación o montaje, su "firma" o efecto sobre el espectro ya aparecerá desde la primera inspección, con lo que los defectos pudieran pasar desapercibidos al no tener un espectro de referencia (el de la misma estructura pero sin defectos) contra el que efectuar una comparación.

Una segunda aproximación al problema consiste en la medida, como en la solución anterior, del desplazamiento, velocidad o aceleración pero realizada ahora simultáneamente en varios puntos de la estructura. En este caso se obtiene información, además de sobre la evolución temporal de los corrimientos, sobre su distribución espacial, lo cual permite una sensibilidad mayor a los defectos que las técnicas de punto y su mejor localización. Los métodos de medida de desplazamientos (estáticos o dinámicos) mediante transductores de contacto actualmente utilizados exigen la instalación de anclajes o estructuras de referencia, lo cual es costoso y poco operativo para estructuras poco accesibles o grandes. Otros métodos de ensayo (sólo dinámicos) combinan la salida de varios acelerómetros, permitiendo extraer información modal además de información en los dominios temporal y espectral del movimiento de cada uno de los puntos de la estructura en que se haya instalado un acelerómetro. Sin embargo, no suministran información sobre deformaciones estáticas o de frecuencia muy lenta y exigen la fijación de una red de acelerómetros a la estructura. En estas aplicaciones, además, el análisis modal adolece de la precisión necesaria en el perfil de los modos para determinar la existencia y localización de defectos incipientes.

Una tercera alternativa consiste en la medida de las deformaciones inducidas en la estructura en un determinado número de puntos de control. En los últimos años se han instalado redes de sensores embebidos o fijados exteriormente a estructuras tales como puentes, que permiten la medida en tiempo real de las deformaciones en un gran número de puntos y el ulterior cálculo del estado tensional y la detección de fallos y defectos en el material. Sin embargo, este tipo de instalaciones no siempre puede realizarse sobre estructuras ya construidas y, en cualquier caso, supone un coste importante que solamente se justifica en estructuras de cierta entidad y/o con un alto riesgo de aparición de fallos.

En cualquiera de las tres metodologías antedichas ha cobrado fuerza en las últimas décadas el empleo de métodos ópticos automáticos para la realización de las medidas. A continuación se ofrece una panorámica del estado del arte en este campo, centrada en las técnicas de medición en varios puntos de la estructura, por tratarse de técnicas con mucha mayor capacidad de medida que las de un solo punto.

Actualmente existe una variedad de técnicas ópticas para la medida de desplazamientos y deformaciones de objetos (véase: Gary Cloud, "Optical Methods of Engineering Analysis", Cambridge University Press, 1995; P. Cielo, "Optical Techniques for Industrial Inspection", Academic Press, 1988). Ateniéndonos al principio de medida empleado, podemos clasificarlas como: técnicas moiré, técnicas interferométricas (principalmente, basadas en velocímetros), técnicas basadas en el "speckle" (principalmente, de fotografía de patrones de speckle y de interferometria de patrones de speckle u holografía TV) y técnicas geométricas (incluyendo telemetría por tiempo de vuelo). Lógicamente, cada uno de los grupos de técnicas anteriores presenta una serie de ventajas y limitaciones genéricas, que las hacen más adecuadas a un espectro de aplicaciones dado. En el campo concreto de la inspección y medida de desplazamientos y deformaciones de estructuras, cabe reseñar los siguientes aspectos de interés para cada uno de los antedichos grupos:

Las técnicas moiré (véase: O. Kafri, I. Glatt, "The Physics of Moiré Metrology", John Wiley & Sons, 1990) son técnicas de imagen que permiten el control simultáneo de la zona de la estructura a inspeccionar contenida en el campo de visión del instrumento de medida. Resultan especialmente adecuadas para obtener campos bidimensionales de contornos (mapas topográficos), de desplazamientos o de deformaciones, de objetos de tamaño desde el rango de milímetros hasta de decenas de metros. Permiten una gran densidad de muestreo y una sensibilidad media (entre 10^{-3} y 10^{-4} del campo de visión para las técnicas más comunes) pero a costa de una profundidad de campo reducida y la necesidad de emplear equipamiento específico para la generación o proyección de las redes y para el subsecuente procesamiento de imagen, lo cual encarece sustancialmente los equipos. Recientemente se desarrollaron, bajo la denominación de técnicas de luz estructurada, variantes de estos métodos que emplean diferentes morfologías de iluminación-detección.

Las técnicas interferométricas (véase: D. Malacara, "Optical Shop Testing", John Wiley & Sons, 1992, segunda edición) presentan, en general, una enorme capacidad metrológica y una sensibilidad muy grande (relacionada con la longitud de onda luminosa), lo cual las hace muy adecuadas para el estudio de desplazamientos submicrométricos, tanto en puntos discretos como en un campo completo de visión, pero precisamente su elevada sensibilidad las hace muy susceptibles a diversas fuentes de ruido ambiental (sísmico, acústico, gradientes térmicos, etc.) lo cual repercute negativamente en su capacidad de operar en ambientes no controlados tales como los que se encuentran en línea de producción o en campo. Además, exigen una fuente de iluminación coherente (habitualmente láseres) lo cual, para las técnicas de imagen, supone un incremento sustancial del coste de la fuente de luz a medida que se aumenta el área a inspeccionar simultáneamente y las hace prácticamente inviables para la inspección de estructuras en campo de un tamaño del orden de la decena de metros o mayor. Existen, no obstante, sistemas de medida puntuales capaces de monitorear secuencialmente, en un conjunto de puntos preseleccionados, los desplazamientos dinámicos (vibraciones) de estructuras grandes, pero son poco adecuados tanto para medidas estáticas como para medidas en campo (ya sean estáticas o dinámicas) porque su precisión se ve enormemente degradada por las variaciones espacio-temporales del índice de refracción del aire.

Las técnicas de fotografía de patrones de speckle (véase: R. S. Sirohi, "Speckle Metrology", Marcel Dekker, 1993) comparten un rango de sensibilidad y aplicaciones similar al de las técnicas moiré, con la ventaja de que no es necesario generar una red, ya que se emplea la propia microtopografia superficial del objeto a inspeccionar para realizar el seguimiento del campo de desplazamientos. Son, como las moiré, fundamentalmente técnicas de campo de visión y exigen un registro y procesamiento masivo de datos.

Por otra parte, las técnicas de interferometria de patrones de speckle (véase: A.F. Doval, "A systematic approach to TV holography", Measurement Science and Technology, 11, pp. R1-R36, 2000) suponen una extensión de las técnicas interferométricas a objetos de superficie ópticamente rugosa siendo, por tanto, de naturaleza coherente por lo que presentan las mismas limitaciones que las ya comentadas técnicas interferométricas.

De entre la variedad de técnicas geométricas existentes (véase: D.C. Williams, "Optical Methods in Engineering Metrology", Chapman & Hall, 1993; R.S. Sirohi, M.P. Kothiyal, "Optical components, systems and measurement techniques", Marcel Dekker, 1991), podemos señalar las siguientes:

Técnicas geométricas de punto (control secuencial en el tiempo de varios puntos de la estructura a medir mediante barrido o "scanning" del punto de medida): sistemas de detección de alineación por láser, sistemas por triangulación, sistemas de telemetría por barrido de un haz láser y sistemas de telemetría por tiempo de vuelo de un haz láser.

Técnicas geométricas de imagen (control simultáneo de un conjunto de puntos de la estructura a medir): telescopios de alineación, fotogrametría (tanto en soporte fotográfico como electrónico mediante sensor de imagen), teodolitos y estaciones totales de medida (eventualmente, dotados de digitalización y procesamiento de imagen), y proyección de sombras.

Es reseñable que las técnicas de imagen, aún siendo las más poderosas en términos de cantidad de información adquirida en paralelo, implican una adquisición y un ulterior tratamiento masivo de datos que conllevan una ralentización considerable de la tasa de muestreo en cada punto, perdiéndose rapidez y precisión. Además, exigen una potencia de iluminación proporcional al campo de visión. Por ello conviene el limitar el número de puntos de medida a los estrictamente necesarios. En los casos en que las variaciones del mensurando sean suficientemente lentas, los métodos basados en el muestreo secuencial punto a punto constituyen una alternativa muy interesante por su economía de medios de iluminación y de adquisición.

Para medidas de estructuras de toda clase de tamaños desde milímetros hasta cientos de metros, las técnicas geométricas ofrecen prestaciones muy interesantes: haciendo uso de láseres, fotodetectores y técnicas de adquisición y procesamiento digital de las señales adquiridas, es factible el alcanzar precisiones en medidas de punto y en condiciones favorables del orden del microradián (\murad) para desplazamientos transversales (lo que equivale a detectar un desplazamiento de 0,01 mm a una distancia de 10 m) y del orden de 10^{-5} veces la distancia entre el sensor y el punto de medida para desplazamientos longitudinales. Dependiendo de la técnica concreta, pueden proporcionar una profundidad de campo muy grande y permitir una gran flexibilidad para conjugar los requerimientos de sensibilidad, precisión, resolución espacial, número de puntos de medida y ancho de banda temporal. Sus principios de medida están basados, fundamentalmente, en las características direccionales de propagación de la radiación luminosa a través del medio entre la fuente de luz y el sistema de detección (en el caso de la telemetría por tiempo de vuelo, también en la velocidad de propagación). Aunque en condiciones ambientales muy controladas puede llegar a alcanzarse una precisión limitada por fenómenos de naturaleza fundamental (límite de difracción, ruido en la detección, etc.), en el caso de medidas en campo o en ambientes no controlados suele suceder que las variaciones espaciales y temporales del índice de refracción a lo largo del camino óptico constituyen la magnitud de influencia que limita en último término la precisión alcanzable. Estos efectos crecen típicamente con el cuadrado de la distancia y se estima que, en una distancia de 100 m, un gradiente térmico vertical de 0,2ºC/m provoca un desplazamiento del haz luminoso
de 1 mm.

Descripción de la invención

La presente invención consiste en un procedimiento y aparato de medida remota de desplazamientos dinámicos de estructuras. Su principio de medida combina una iluminación por barrido de un haz láser emitido por un emisor-receptor, en un rango de direcciones de iluminación cercanas a la de incidencia rasante sobre la superficie de la estructura a inspeccionar, con una geometría de observación próxima a la dirección de retrorreflexión. La finalidad de la invención es obtener, en un conjunto de puntos de control de la estructura aproximadamente alineados entre sí y aproximadamente equiespaciados, una componente del desplazamiento de dichos puntos. Para ello se fija en cada uno de los puntos de control un elemento retrorreflector aproximadamente perpendicular a la dirección de iluminación. Cada vez que la luz láser emitida alcanza uno de los retrorreflectores, parte de la luz reflejada es detectada por el emisor-receptor. Utilizando la detección en el dominio temporal de los pulsos de luz reflejada por los retrorreflectores, el instrumento permite determinar con precisión, en cada barrido del láser de iluminación, tanto la posición angular absoluta de cada retrorreflector en el plano de barridi, vista desde el emisor-receptor, como la variación de dicha posición angular en los sucesivos barridos del láser de iluminación. Conocida la distancia de cada uno de los retrorreflectores al emisor-receptor y utilizando retrorreflectores de área rectangular con dos lados perpendiculares al plano de barrido, se puede entonces determinar la componente del desplazamiento de cada retrorreflector según una dirección perpendicular a la dirección de iluminación y contenida en el plano de1iarrido del láser.

En muchas aplicaciones de estructuras con morfología de viga o placa, los desplazamientos tienen lugar predominantemente según una cierta dirección definida por un vector unitario a_{z} perpendicular al eje de la viga o, en el caso de la placa, perpendicular al plano de la placa. Entonces es conveniente disponer los retrorreflectores aproximadamente alineados según una línea recta, que denominaremos recta base, de dirección a_{x} perpendicular a la dirección a_{z} de los desplazamientos predominantes. El plano de barrido debe orientarse de modo que contenga a las direcciones a_{x} y a_{z}. En esta configuración y para estos tipos de estructuras, la presente invención permite estimar la componente u_{z} del desplazamiento de cada retrorreflector según la dirección a_{z} perpendicular a la recta base y contenida en el plano de barrido del láser.

El instrumento propuesto proporciona, por tanto, un muestreo de la deformada de la estructura con una cierta densidad espacial, que es el número de puntos de control o retrorreflectores por unidad de longitud, y una densidad temporal, que es el número de barridos por unidad de tiempo.

El instrumento propuesto proporciona una densidad de muestreo temporal optimizada y una precisión máxima en la medida de una sola de las componentes del desplazamiento de los puntos de control, a costa de minimizar el número de componentes medidas y de reducir el rango de barrido a aproximadamente 20º. La precisión alcanzable por el sistema es del orden de \pm0,1 mm en el desplazamiento normal de cada punto de control, con un rango de medida de unos \pm15 mm para cada punto, sobre distancias 30 m a 50 m o incluso superiores si las condiciones ambientales son favorables. La densidad espacial de puntos de control será del orden de un punto por metro. Cada barrido se lleva a cabo en un tiempo mucho menor que el periodo de los modos de vibración de interés. Se alcanza una tasa temporal del orden de 100 barridos por segundo, con un tiempo total de adquisición continua del orden de 10 s, en el que se pueden adquirir secuencias de unas 1000 deformadas, cubriendo la zona del espectro de frecuencias de oscilación de la estructura comprendida entre 0,1 Hz y varias decenas de Hz. A partir de las deformadas instantáneas se extrae información para realizar un ulterior análisis modal de la estructura que permite la localización de fallos de forma más sensible que los métodos basados exclusivamente en la captación puntual del espectro vibracional o los métodos de análisis modal mediante acelerómetros.

La presente invención permite realizar medidas sin contacto y sin necesidad de acercamiento a la zona a inspeccionar. El emisor-receptor se sitúa habitualmente a una distancia del punto de control más próximo de entre 2 y 10 metros y alineado con la recta base. El rango de longitudes de la zona controlada de la estructura es amplio, pudiendo alcanzarse longitudes de hasta 50 m y, en condiciones ambientales favorables, longitudes superiores aunque con un valor inferior de precisión. El transporte del equipo es simple y su fácil instalación a pie de la estructura a medir permite una preparación y ejecución de las mediciones en tiempos cortos.

Descripción detallada de la invención

La Figura 1 representa el principio de medida y la instalación del aparato en la estructura donde se llevará a cabo la inspección.

La Figura 2 presenta el modelo geométrico, incluyendo los puntos, líneas, distancias y ángulos relevantes.

La Figura 3 muestra el desplazamiento normal u_{zi} del retrorreflector i-ésimo y su estimación v_{zi} dada por el instrumento.

La Figura 4 muestra un modo de realización preferente del aparato objeto de invención.

La Figura 5 muestra un modo de realización preferente del aparato objeto de la invención en el que los medios de generación de luz son exteriores.

En la Figura 1 se muestra el emisor-receptor (1) situado sobre la estructura sometida a ensayo (2). Supondremos que la zona a inspeccionar de la estructura tiene una geometría aproximadamente rectilínea según una cierta dirección definida por un vector unitario a_{x}, y que sus desplazamientos en dicha zona tienen lugar predominantemente según una cierta dirección definida por un vector unitario a_{z}, perpendicular a a_{x}; en las Figuras 2 y 3 se muestran los ejes de referencia eje x y eje z. El emisor-receptor (1) es emplazado en un punto cercano a la zona a inspeccionar, punto cuyos desplazamientos dinámicos lineales y angulares son presumiblemente despreciables, como podría ser en algunos casos un punto situado encima de un pilar. Durante la operación, el emisor-receptor (1) se mantiene en una posición fija mediante un sistema de fijación a la estructura como puede ser un trípode robusto.

El emisor-receptor (1) emite un haz láser (3). El eje de dicho haz láser oscila en un plano, denominado plano de barrido, con una amplitud angular \alpha_{a} alrededor de una posición angular central, que denominaremos eje de barrido. El emisor-receptor. (1) se orienta de modo que el plano de barrido contiene a las direcciones a_{x} y a_{z} y las direcciones de iluminación son cercanas a la dirección a_{x}, formando con ésta un ángulo que típicamente es menor de 20º. Denominaremos línea de control (4) a la descrita por el eje del haz láser emitido (3) sobre la zona a inspeccionar de la estructura.

A lo largo de la línea de control (4) se sitúa un cierto número N de retrorreflectores, con N comprendido entre 10 y 50, de los cuales se representan tres (5.1), (5.i), (5.N). Utilizaremos la notación (5.i), donde i puede tomar cualquier valor entero entre 1 y N, para referirnos de forma genérica a uno de los retrorreflectores. Como la línea de control no será en general recta debido a una posible curvatura o a irregularidades de la superficie de la estructura sobre la que se fijan los retrorreflectores (véase la Figura 2), se define, a efectos de referencia, una recta base (6) paralela a la dirección a_{x} y ubicada de modo que aproximadamente intercepte a los retrorreflectores. Asimismo se define desplazamiento normal de un punto de la línea de control como la componente u_{z} del desplazamiento de dicho punto según la dirección a_{z} perpendicular a la recta base (6) y contenida en el plano de barrido. El desplazamiento normal del retrorreflector (5.i) se denotará por u_{zi} (véase la Figura 3). La presente invención permite medir directamente el desplazamiento angular, \alpha_{i}^{j+1} - \alpha_{i}^{j} en el plano de barrido del retrorreflector (5.i) entre dos barridos consecutivos, que denotamos por los índices j+1 y j. Partiendo de ese desplazamiento angular y conocida la geometría del barrido del haz láser y la distancia del retrorreflector (5.i) al emisor-receptor (1), se calcula el desplazamiento normal estimado v_{zi}, que es una aproximación del desplazamiento normal u_{zi} tanto mejor cuanto más próxima a la dirección a_{z} sea la dirección del desplazamiento u_{i} del retrorreflector (5.i). Utilizando retrorreflectores de área rectangular con dos de sus lados perpendiculares en todo momento al plano de barrido, el instrumento es insensible a desplazamientos de los retrorreflectores en la dirección a_{y} perpendicular al plano de barrido.

Una línea (8), representada en la Figura 1, muestra la dirección a_{z} del desplazamiento normal cuyo valor se pretende medir. La longitud de la línea de control (4), definida por la posición de los retrorreflectores extremos (5.1) y (5.N), es variable entre 5 y 50 m y determina la longitud monitorizada de la estructura (2). Se define el vértice de barrido (7) como la posición aparente, vista desde el exterior del emisor- receptor, del punto del eje de barrido en que convergen los ejes de los haces emitidos en las restantes posiciones del barrido. Se representa dicho vértice de barrido en la Figura 2. Dependiendo de las características del dispositivo deflector del haz utilizado, es posible que los antedichos haces no converjan a un punto sino que sus puntos de intersección con el eje de barrido estén distribuidos sobre un segmento. En ese caso se tomará como vértice de barrido un punto representativo de dicho segmento, por ejemplo su centro. Se define la altura del emisor-receptor, h, como la distancia del vértice de barrido a la recta base. En la mayoría de las aplicaciones, h toma valores entre 0,2 y 2 m sobre la superficie de la estructura (2). Se define distancia base, x, de un punto dado de la línea de control como la distancia entre las proyecciones normales sobre la recta base de dicho punto y del vértice de barrido. La distancia base del retrorreflector (5.i) se denotará por x_{i}.

Según la representación mostrada en la Figura 1, durante el barrido efectuado por el haz láser emitido (3) sobre la línea de control (4), los retrorreflectores (5.i) reflejan dicho haz láser emitido (3) y la luz reflejada (9) es detectada en el dominio temporal por medios internos al emisor-receptor (1). Unos medios de tratamiento y análisis de señal (10) reciben los datos de la medición proporcionados por el emisor-receptor (1) para su posterior análisis.

La separación entre retrorreflectores consecutivos será en lo posible uniforme con objeto de obtener una densidad espacial de muestreo constante. Los retrorreflectores tienen forma rectangular, la dimensión normal al plano de barrido es de, al menos, dos veces el diámetro del haz láser emitido (3). La dimensión de los retrorreflectores en la dirección a_{z} del desplazamiento normal que se pretende medir, dirección de la línea (8), es aproximadamente igual al diámetro en la cintura del haz láser emitido (3); se define el diámetro del haz láser como el diámetro en los puntos del frente de onda cuya intensidad es 1/e^{2} veces la intensidad máxima del haz láser emitido (3), siendo "e" la base de los logaritmos neperianos. Las dimensiones mencionadas de los retrorreflectores repercuten en que la señal fotoeléctrica producida por la luz reflejada (9) en el emisor-receptor (1) presente un perfil optimizado en cuanto a la determinación de los instantes en que el haz láser emitido (3) se encuentra o bien centrado en la superficie del retrorreflector, o bien en uno de los extremos de la superficie del retrorreflector. El haz láser emitido (3) emerge del emisor-receptor (1) focalizado por medios internos, de forma que la cintura de dicho haz láser está ubicada a una distancia base igual al valor medio de las distancias base del retrorreflector (5.1) más cercano y del retrorreflector (5.N) más alejado de dicho emisor-receptor (1). El sistema óptico del emisor-receptor (1) está diseñado de forma que dicha distancia es aproximadamente igual a la distancia de Rayleigh del haz láser emitido (3). Por lo tanto, el diámetro del haz láser y su focalización son tales que, manteniendo un diámetro en la cintura adecuado a la aplicación, la variación del diámetro del haz es inferior al 40% a lo largo de la línea de control (4). Para una distancia base de 50 m, el haz láser emitido (3) tiene un diámetro en la cintura de unos 5 mm y se utilizan retrorreflectores de área rectangular de dimensiones 5 mm x 20 mm orientados con sus lados largos perpendiculares al plano de barrido.

El rango de medida varía a lo largo de la línea de control (4), disminuyendo hacia las distancias base crecientes a causa del solapamiento entre las señales producidas por la luz reflejada (9) por dos retrorreflectores consecutivos. El rango de medida mínimo depende de la longitud y forma de la línea de control (4), del diámetro del haz láser emitido (3), del tamaño de los retrorreflectores, de la altura h del emisor-receptor (1) y de la distancia entre retrorreflectores consecutivos. Se puede aumentar el rango de medida bien aumentando la altura del emisor-receptor (1), o bien aumentando la distancia entre retrorreflectores consecutivos. Para una línea de control (4) recta y de longitud 50 m, un diámetro de la cintura del haz láser emitido (3) de 5 mm, retrorreflectores de dimensiones 5 mm x 20 mm orientados con sus lados largos perpendiculares al plano de barrido, una altura h de 1,5 m y un espaciamiento entre retrorreflectores consecutivos de 1,5 m, se alcanza un rango de medida mínimo de \pm15 mm.

Los elementos que constituyen el emisor-receptor se muestran en la Figura 4. Una fuente de haz láser (11) es alimentada por una fuente de alimentación (35), dicha fuente de haz láser genera el haz láser emitido (3). La fuente de haz láser (11) puede ser de muy diversos tipos y longitudes de onda en el rango visible o infrarrojo como, por ejemplo, un láser de Nd:YAG, de Nd:YVO_{4}, de He-Ne, de HeCd, de Ar^{+}, de diodo o de fibra óptica. La interrupción del haz láser emitido (3) como medida de seguridad cuando el sistema no está en operación es garantizada por medio de un obturador (37) cuyo sistema de actuación es controlado por una fuente de alimentación (39). Un expansor de haz (12) adecua el tamaño del haz láser emitido (3) y permite focalizar o colimar dicho haz láser emitido en función de la longitud de la línea de control (4) y de la distancia base del retrorreflector (5.1) más cercano al emisor-receptor (1), mostrados en la Figura 1. El expansor de haz (12) es, por lo tanto, de factor de expansión variable, de forma que se pueden obtener diferentes diámetros del haz láser emitido (3) a la salida del emisor-receptor (1) y diferentes posiciones de su cintura. En este modo de realización preferente se utiliza una fuente láser (11) de He-Ne de 5 mW con
haz linealmente polarizado, en conjunto con un expansor de haz (12) de factor de expansión variable entre 2,5 y 10.

Otro modo de realización en el que la fuente láser es exterior se muestra en la Figura 5. Una fuente de alimentación (43) controla una fuente láser (42) que genera el haz láser. La fuente láser (42) mencionada puede ser un láser de cualquiera de los tipo. citados para la fuente láser (11) del modo de realización representado en la Figura 4, un ejemplo de utilización seria un láser Nd:YAG de 1 W. El haz láser que proviene de la fuente láser (42) se acopla a una fibra óptica (40) monomodo mantenedora de la polarización mediante un acoplador de fibra óptica (41). El emisor-receptor (1) dispone de un conector de fibra óptica (19), el haz láser que proviene de la fibra óptica (40) ya dentro del emisor-receptor (1) forma el haz láser emitido (3), es desviado por un espejo (20) y colimado por una lente (21). Para poder obtener diferentes diámetros del haz láser emitido (3) a la salida del emisor-receptor (1) y diferentes posiciones de su cintura, la lente de colimación (21) puede ser de distancia focal variable entre 15 mm y 50 mm. Típicamente, para una longitud de la línea de control de 50 m y una longitud de onda de 532 nm, la lente de colimación deberá tener una distancia focal de 35 mm y un diámetro de 30 mm.

El plano de polarización del haz láser emitido (3) se controla mediante un rotador de polarización (38) motorizado cuyo ángulo de rotación está controlado por una fuente de alimentación (34), estos elementos se muestran en la Figura 4 y la Figura 5. En ambos modos de realización preferente representados en la Figura 4 y la Figura 5 se utiliza una placa retardadora de media onda como elemento rotador de polarización (38). A continuación se indican los restantes elementos que se incluyen tanto en el modo de realización preferente mostrado en la Figura 4, como el modo de realización preferente mostrado en la Figura 5.

Un espejo (13) refleja el haz láser emitido (3) de manera que se hace incidir dicho haz láser emitido sobre un sistema deflector (14) como, por ejemplo, un espejo oscilante, el cual está formado por un sistema resonante que gira de forma alternativa respecto a un eje normal al plano que contiene al dibujo. La excitación del espejo oscilante es controlada por una fuente de alimentación (36) que permite regular la amplitud angular de las oscilaciones mecánicas del espejo, de esta forma la amplitud angular de oscilación, \alpha_{a}, del haz láser emitido (3) después de la reflexión producida en el espejo oscilante (14) es el doble de la amplitud angular de las oscilaciones mecánicas. La cara reflectante de los espejos (13) y (14) es circular de diámetro 30 mm y tiene un recubrimiento altamente uniforme y reflectante como, por ejemplo, un recubrimiento dieléctrico multicapa. Otras alternativas para construir el sistema deflector (14) pueden ser un espejo rotatorio, bien de una cara o bien poligonal, o un escáner holográfico. Independientemente del sistema deflector (14) que se utilice, el barrido del haz láser emitido (3) debe tener una excursión angular óptica pico a pico, o ángulo total de barrido, menor o igual a 20º y una frecuencia comprendida entre 50 Hz y 500 Hz. En el caso particular de que se emplee un espejo oscilante, su amplitud angular mecánica será menor o igual a 5º.

Un divisor de haz (15) del tipo plano-paralelo se sitúa de tal modo que la normal a la superficie de incidencia de dicho divisor de haz forma un ángulo de unos 35º con el eje de barrido. Mediante reflexión en el divisor de haz se obtiene un haz láser de referencia (22) que proporciona información sobre la dirección del haz láser emitido (3). La mayor parte de la potencia del haz láser emitido (3) se transmite a través del divisor de haz (15) y abandona el emisor-receptor (1) a través de una ventana (16) plano-paralela. Dicha ventana de salida tiene el mismo espesor e índice de refracción que el divisor de haz (15) y forma un ángulo con el eje de barrido opuesto al que forma el divisor de haz (15), con el fin de compensar la desviación lateral que experimenta el haz (3) al atravesar el divisor de haz (15). La relación entre la potencia del haz láser de referencia (22) y la potencia del haz láser emitido (3) al emerger del emisor-receptor (1) depende fundamentalmente de: los recubrimientos del divisor de haz (15) y de la ventana de salida (16), la dirección del haz láser emitido (3) después de la reflexión en el sistema deflector (14) y el estado de polarización de dicho haz láser emitido (3). Mediante la modificación del estado de polarización del haz láser emitido (3) se obtienen diferentes relaciones entre potencia del haz láser de referencia (22) y la potencia del haz láser emitido (3) al emerger del emisor-receptor (1). Los dos modos de realización preferente de la invención incorporan un divisor de haz (15) de sílice de cara rectangular de dimensiones mínimas 30 mm x 75 mm, en dirección normal y paralela al plano de la Figura 2, respectivamente, y de grosor 15 mm, con únicamente un recubrimiento antirreflectante en la cara de salida del haz láser emitido. La ventana de salida (16) presenta las mismas dimensiones que el divisor de haz (15), con recubrimiento antirreflectante en ambas caras.

Los pulsos de luz producidos por las reflexiones del haz láser emitido (3) en los retrorreflectores (5.i) mostrados en la Figura 1 son focalizados por la lente colectora (18) sobre un fotodetector principal (17). Este fotodetector principal (17) genera una señal principal (30) en el tiempo constituida por una secuencia de pulsos, en la que la posición temporal del centro (o del extremo) de cada pulso corresponde a la dirección del haz láser emitido (3) que intercepta el centro (o el extremo) del retrorreflector que ha originado dicho pulso. Para llevar al límite la precisión del instrumento, conviene considerar el retardo o tiempo necesario para la propagación del haz láser desde el divisor de haz (15) hasta el fotodetector principal (17) pasando por cada retrorreflector (5.i), retardo que se puede estimar a partir de la distancia base de dicho retrorreflector. Dicha señal principal (30) es amplificada por un amplificador (31). El fotodetector principal (17) se sitúa en el punto focal de la lente colectora (18) y debe ser de alta velocidad de respuesta y alta sensibilidad; por ejemplo, puede ser un fotodiodo de avalancha, un tubo fotomultiplicador o un fotodiodo PIN. Con el fin de rechazar la luz ambiente que pudiera alcanzar al fotodetector principal (17), es conveniente dotarlo en su apertura de entrada de un filtro de banda estrecha, típicamente un filtro interferométrico, centrado en la longitud de onda del láser emitido (3). Opcionalmente puede interponerse delante del fotodetector un elemento concentrador (44) que concentra todavía más la luz sobre el fotodetector principal (17).

El haz láser de referencia (22) permite conocer en cada instante la posición angular del haz láser emitido (3) a la salida del emisor-receptor (1). La oscilación del haz láser de referencia (22) es la imagen especular de la oscilación del haz láser principal (3) por lo que la posición angular instantánea de ambos haces respecto a sus respectivos ejes de barrido es idéntica. El haz láser de referencia (22) se transmite a través de una lente de focalización (23), la cual focaliza el haz láser de referencia (22) sobre una regla patrón (24). El haz láser de referencia (22) focalizado incide sobre una cara plana de la regla patrón (24) que ha sido recubierta con una capa reflectante, en la que se ha practicado un rayado en forma de líneas o rayas normales al plano de barrido del haz láser de referencia (22) que permiten la transmisión de la luz. Cada raya tiene asociado un pequeño intervalo de ángulos de oscilación del haz láser de referencia (22) y, por lo tanto, de haz láser emitido (3), dentro del cual se transmite luz por dicha raya y dicho intervalo de ángulos puede ser conocido a través de la calibración del instrumento. Para obtener la máxima precisión y estabilidad en las medidas realizadas por el instrumento, el material sustrato de la regla patrón (24) debe tener una alta estabilidad mecánica y térmica. Además, para conseguir un efecto de homogeneización de la luz transmitida por las rayas, dicho material sustrato de la regla patrón (24) es parcialmente difusor de modo que produce el esparcimiento del haz láser de referencia (22). Por tanto, la luz que se transmite primero a través de cada raya practicada en el recubrimiento y después a través del material del sustrato de la regla patrón (24) emerge difusa, habiendo perdido en gran medida el carácter altamente direccional que presentaba el haz incidente sobre la regla patrón (24). Esta luz que emerge de la cara de salida de la regla patrón (24) es focalizada por una lente colectora (25) sobre un fotodetector de referencia (28), previa reflexión en un espejo (26) rectangular. Este fotodetector de referencia (28) genera una señal de referencia (29) en el tiempo constituida por una secuencia de pulsos, en la que la posición temporal del centro (o del extremo) de cada pulso corresponde a una dirección determinada del haz láser emitido (3), conocida con precisión mediante la calibración del instrumento. Dicha señal de referencia (29) es amplificada por un amplificador (32). El carácter difuso de la radiación óptica que emerge de la cara de salida de la regla patrón (24) facilita la obtención de una respuesta similar para todos los pulsos en la señal de referencia (29). El fotodetector de referencia (28) se sitúa en el punto focal de la lente colectora (25) y debe ser de alta velocidad de respuesta y alta sensibilidad; por ejemplo, puede ser un fotodiodo de avalancha, un tubo fotomultiplicador o un fotodiodo PIN. Con el fin de rechazar la luz ambiente que pudiera alcanzar al fotodetector de referencia (28), es conveniente dotarlo en su apertura de entrada de un filtro de banda estrecha, típicamente un filtro interferométrico, centrado en la longitud de onda del láser emitido (3). Opcionalmente puede interponerse delante del fotodetector de referencia (28) un elemento concentrador (27) que concentra todavía más la luz sobre el fotodetector (28). En los modos de realización preferente mostrados por las Figuras 4 y 5, la lente colectora (18) tiene una distancia focal comprendida entre 200 mm y 500 mm y un diámetro comprendido entre 75 mm y 160 mm. La lente de focalización (23) es un doblete acromático de distancia focal 400 mm; la regla patrón (24) es una barra rectangular de sección 20 mm x 20 mm y longitud 120 mm, cuya cara de incidencia del haz de referencia (22), de tamaño 120 mm x 20 mm, presenta un recubrimiento de aluminio rayado. Las rayas, de longitud 5 mm, siguen la dirección normal al plano de barrido del haz láser de referencia (22) y se distribuyen a intervalos de 2 mm en la dirección del barrido sobre la regla patrón (24), con un grosor del orden de 50 \mum. La lente colectora (25) tiene una distancia focal comprendida entre 250 mm y 500 mm y un diámetro comprendido entre 100 mm y 160 mm. El espejo (26) es plano, de cara rectangular de dimensiones mínimas 150 mm x 30 mm. Los fotodetectores (17) y (28) son idénticos, del tipo de fotodiodo de avalancha y con un tiempo de subida del orden de 10 ns. Los dos elementos concentradores (27 y 44) se construyen de plástico moldeado o de vidrio pulido.

La señal principal (30) y la señal de referencia (29) son muestreadas a una tasa muy superior a la frecuencia de barrido, típicamente de decenas de millones de muestras por segundo, por un conversor analógico-digital (33) dotado eventualmente de una memoria para el almacenamiento de los datos digitalizados y, a continuación, se envían éstos a unos medios de tratamiento y análisis de señal (10), que puede ser un computador. En ese caso, el control de las fuentes de alimentación (35), (36) y (39) puede ser efectuado por el mismo computador (10).

El computador tiene la función de analizar los datos digitalizados provenientes de las dos señales temporales, la señal principal (30) y la señal de referencia (29) para, mediante su comparación sobre la misma base de tiempos y teniendo en cuenta que es conocida la posición angular del haz láser emitido (3) correspondiente a cada uno de los pulsos de la señal de referencia (29), obtener la posición angular del haz láser emitido (3) correspondiente a cada uno de los pulsos de la señal principal (30), lo cual a su vez permite calcular el desplazamiento normal estimado de los puntos de control donde se han situado los retrorreflectores (5.i) mostrados en la Figura 1. Repitiendo esta operación en cada uno de los sucesivos barridos, se obtiene información de la deformada de la línea de control a lo largo del tiempo, lo cual permite analizar el comportamiento dinámico de la estructura bajo inspección.

Claims (8)

1. Un procedimiento de inspección no destructiva para la medida de desplazamientos normales dinámicos de estructuras, con la finalidad añadida de determinar la existencia y localización de defectos que pudieran afectar a la integridad de dichas estructuras, caracterizado por las siguientes etapas:

ubicación de un emisor-receptor (1) alineado con una línea de control (4) situada sobre la superficie de la estructura (2) cuyos desplazamientos normales se pretende medir;

ubicación de un conjunto de N retrorreflectores (5.i) sobre una línea de control (4) situada sobre la superficie de la estructura (2) cuyos desplazamientos normales se pretende medir, con espaciamiento aproximadamente uniforme y de tal forma que sus superficies reflectoras sean aproximadamente perpendiculares a la dirección de iluminación;

emisión de un haz láser (3) oscilante de modo que su eje se mantenga en un plano de barrido, siendo la dirección del eje del haz láser conocida en cada instante, dicha emisión producida por el emisor-receptor (1) describiendo un rango de direcciones próximas a la de incidencia rasante sobre la superficie de la estructura (2) a inspeccionar y con el plano de barrido conteniendo la dirección de los desplazamientos normales de la estructura, de tal forma que el haz láser (3) incide ordenadamente en los retrorreflectores y se refleja;

detección en el dominio temporal de los pulsos de la luz reflejada (9) por los retrorreflectores en direcciones cercanas a las direcciones de retrorreflexión, dicha detección llevada a cabo por el emisor-receptor (1);

transmisión de la señal con información del desplazamiento dinámico de la línea de control desde el emisor-receptor (1) a unos medios de tratamiento y análisis de señal (10).

2. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual el ángulo total de barrido del haz láser emitido (3) es menor o igual a 20º.

3. Un procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones anteriores, en el cual los retrorreflectores utilizados presentan una superficie de reflexión rectangular, orientada con dos de sus lados perpendiculares al plano de barrido y de dimensiones entre 3 mm y 10 mm en la dirección del desplazamiento normal a medir y entre 10 mm y 100 mm en la dirección perpendicular al plano de barrido, su espaciamiento tiene un valor entre 0,2 m y 5 m, el número de retrorreflectores utilizado está comprendido entre 10 y 50, la longitud de la línea de control (4) está comprendida entre 5 m y 50 m y el emisor-receptor (1) se sitúa a una altura entre 0,2 m y 2 m sobre la superficie de la estructura a inspeccionar (2).

4. Un procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones anteriores, en el cual el barrido del haz láser (3) se efectúa a una frecuencia entre 50 Hz y 500 Hz.

5. Un aparato para la inspección no destructiva de estructuras que opera según el procedimiento de la reivindicación 1, comprendiendo los siguientes elementos:

un obturador (37) que permite el bloqueo y desbloqueo de un haz láser (3);

un rotador de polarización (38) que permite variar el plano de polarización de un haz láser (3) polarizado linealmente;

un sistema deflector (14) que produce la oscilación del haz láser emitido (3) con una amplitud angular de unos 10º (lo que equivale a un ángulo total de barrido de unos 20º) y una frecuencia del orden de 100 Hz; sin que suponga una restricción, puede utilizarse, por ejemplo, un espejo oscilante que oscila angularmente según una sinusoide con una amplitud angular mecánica de 5º;

un espejo (13) situado después del rotador de polarización que refleja el haz láser (3) para hacerlo incidir sobre el sistema deflector;

un divisor de haz (15) plano-paralelo situado después del sistema deflector (14) que permite crear un haz láser de referencia (22) de potencia dependiente del estado de polarización incidente y que contiene información de la dirección del haz láser que se transmite (3);

una ventana de salida (16) plano-paralela situada después del divisor de haz, a través de la cual se transmite el haz láser (3) hacia el exterior;

una lente de focalización (23) situada después del divisor de haz en el camino del haz láser de referencia (22) para focalizar dicho haz de referencia;

una regla patrón (24) cuya superficie de incidencia presenta un recubrimiento reflectante rayado de manera que por cada raya sólo se transmite el haz láser de referencia dentro de un pequeño intervalo de direcciones, y cuyo sustrato es de un material parcialmente difusor que produce un esparcimiento del haz láser de referencia generando una pérdida del carácter direccional en la luz que emerge de la regla patrón (24);

una lente colectora (25) para recoger la luz difusa que proviene de la regla patrón y focalizarla;

un fotodetector (28) que capta la luz que proviene de la regla patrón y genera una señal de referencia (29) con información de la posición angular del haz láser que emite el emisor-receptor (1) a través de la ventana de salida (16);

un elemento concentrador (27) opcional, formado por un elemento de plástico o vidrio en forma de cono y antepuesto al fotodetector (28) para concentrar todavía más la luz sobre dicho fotodetector;

un espejo (26) situado después de la lente colectora (25) que refleja la luz hacia el fotodetector (28);

una lente (18) para recoger y focalizar parte de la luz reflejada por los retrorreflectores (9);

un fotodetector (17) situado en el plano focal de la lente (18) para detectar la luz reflejada por los retrorreflectores (9) recogida por dicha lente y generar una señal principal (30) con información de la posición de los retrorreflectores.

un elemento concentrador (44) opcional, formado por un elemento de plástico o vidrio en forma de cono y antepuesto al fotodetector (17) para concentrar todavía más la luz sobre dicho fotodetector.

6. Un aparato según la reivindicación 5, en el cual la señal de referencia (29) es amplificada por un amplificador (32), la señal principal (30) es amplificada por otro amplificador (31) y las señales de ambos amplificadores (31 y 32), digitalizadas mediante un conversor analógico-digital (33), son enviadas a unos medios de tratamiento y análisis de señal (10).

7. Un aparato según las reivindicaciones 5 y 6, en el cual los medios de generación de luz láser son interiores, por lo que se incluyen los siguientes elementos: una fuente de luz láser (11) para la generación de un haz láser (3) polarizado linealmente;

un expansor de haz (12) de relación de expansión variable para aumentar el

tamaño del haz láser (3) y focalizar o colimar dicho haz láser en función de la longitud y distancia al emisor-receptor de la línea de control (4).

8. Un aparato según las reivindicaciones 5 y 6, en el cual los medios de generación de luz láser son exteriores, por lo que se incluyen los siguientes elementos:

un conector de fibra óptica (19) destinado a conectar la fibra óptica a través de la cual se guía la luz láser al interior del aparato;

una lente de colimación (21) destinada a colimar el haz láser que emerge del extremo de fibra óptica conectada al conector de fibra óptica (19);

un espejo (20) para reflejar el haz láser que emerge del extremo de fibra óptica conectada al conector de fibra óptica (19) y dirigirlo hacia la lente de colimación (21).