ES2343607A1 - Optical fiber optic sensor for the detection of liquid and/or measurement of liquid level. (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents

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ES2343607A1 ES200701937A ES200701937A ES2343607A1 ES 2343607 A1 ES2343607 A1 ES 2343607A1 ES 200701937 A ES200701937 A ES 200701937A ES 200701937 A ES200701937 A ES 200701937A ES 2343607 A1 ES2343607 A1 ES 2343607A1
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Abstract

Self-referenced fiber optic sensor for liquid detection and/or liquid level measurement. Self-referenced plastic fiber optic sensor for detecting liquid and/or liquid level measurement, comprising an emitter system configured to generate an optical signal, and a power meter receiver system comprising at least two simultaneous inputs, comprising a coupler comprising two sections of optical fiber that are arranged in opposition to a critical radius of curvature rc, having eliminated the protective cover and partially eliminated the core in a coupling area between said two sections of optical fiber, which are separated by a liquid with a refractive index n, so that a coupling constant k of the sensor depends on said refractive index n, which makes it possible to detect the presence of said liquid, as well as its level. (Machine-translation by Google Translate, not legally binding)

Description

Sensor de fibra óptica autoreferenciado para la detección de líquido y/o medida de nivel de líquido.Self-referenced fiber optic sensor for liquid detection and / or liquid level measurement.

Objeto de la invenciónObject of the invention

La presente invención se refiere a un sensor de fibra óptica autoreferenciado para la detección de líquido y/o medida de nivel de líquido, estando dicho líquido confinado en un depósito, que tiene aplicación en la industria de dispositivos sensores.The present invention relates to a sensor self-referenced optical fiber for the detection of liquid and / or liquid level measurement, said liquid being confined in a deposit, which has application in the device industry sensors

El dispositivo sensor que la invención propone comprende un acoplador, mediante el cual se consigue autoreferencia, basado en la medición o detección de pérdidas de potencia por curvatura y por pulido de parte de un núcleo de una fibra óptica, para la medida de intensidad de la potencia óptica en un receptor. La constante de acoplo varía según el tipo de líquido en el que se encuentra inmerso el sensor, permitiendo detectar la presencia de líquido, así como el tipo de líquido en el que se encuentra inmerso el sensor.The sensor device that the invention proposes it comprises a coupler, by which self-reference is achieved,  based on the measurement or detection of power losses by curvature and polishing of part of a core of an optical fiber, for measuring the intensity of the optical power in a receiver. The coupling constant varies according to the type of liquid in which it is the sensor is immersed, allowing to detect the presence of liquid, as well as the type of liquid in which it is immersed the sensor.

El acoplador comprende una guía de entrada y dos guías de salida de forma que la cantidad de luz acoplada a cada guía de salida varía cuando la zona de acoplo se encuentra sumergida en un líquido, siendo dicha variación tal que la diferencia de potencia entre ambas guías es sensible al nivel y no es sensible a variaciones en la potencia emitida por el emisor o a curvaturas en la guía que se conecta con el depósito que contiene el líquido, consiguiéndose un sensor de intensidad con auto-referencia, que permite su utilización para la medida de nivel de líquido no corrosivo en depósitos en general, como por ejemplo depósitos de combustible de vehículos con requerimientos de bajo peso, tales como ultraligeros.The coupler comprises an input guide and two exit guides so that the amount of light coupled to each output guide varies when the coupling area is submerged in a liquid, said variation being such that the difference in power between both guides is level sensitive and not sensitive to variations in the power emitted by the emitter or to curvatures in the guide that connects to the reservoir that contains the liquid, getting an intensity sensor with self-reference, which allows its use for measurement of non-corrosive liquid level in deposits in general, such as fuel tanks of vehicles with low weight requirements, such as ultralight.

Antecedentes de la invenciónBackground of the invention

Durante los últimos años se han desarrollado multitud de sensores ópticos para medir parámetros tanto físicos como químicos debido a que presentan innumerables ventajas frente a sensores eléctricos o sensores mecánicos, tales como inmunidad a interferencias electromagnéticas además de una fácil manipulación, lo que les permite ser ubicados en lugares tanto inaccesibles como hostiles.In recent years they have developed multitude of optical sensors to measure both physical parameters as chemists because they have innumerable advantages over electrical sensors or mechanical sensors, such as immunity to electromagnetic interference in addition to easy handling, which allows them to be located in places that are both inaccessible and hostile

Igualmente resulta conocido el uso de sensores de fibra óptica para la medida de nivel en entornos críticos, tales como depósitos de combustibles, quedando de manifiesto las características idóneas de la fibra óptica para este tipo de medidas por su carácter inerte e intrínsecamente seguras, entre otras.The use of sensors is also known fiber optic for level measurement in critical environments, such as fuel tanks, showing the suitable characteristics of the fiber optic for this type of measures by its inert and intrinsically safe character, between others.

Entre los sensores actualmente utilizados, se encuentran los denominados sensores de intensidad en los que la magnitud a medir, en este caso el nivel de un depósito, producen variaciones de la potencia óptica que llega al detector o receptor.Among the sensors currently used, it find the so-called intensity sensors in which the magnitude to be measured, in this case the level of a deposit, produce variations in the optical power that reaches the detector or receiver.

Dentro de este tipo de sensores existen diversas subclasificaciones, atendiendo al tipo de medida según sea continua o discreta, o atendiendo al tipo de sensor según sea intrusivo, es decir, en contacto con el líquido, o no intrusivo.Within this type of sensors there are several subclassifications, according to the type of measurement as continuous or discrete, or according to the type of sensor as intrusive, is say, in contact with the liquid, or not intrusive.

En todos estos casos es común la utilización de fibra óptica, cuyas partes principales se han representado en la figura 1, que está constituida por al menos un filamento que habitualmente comprende un núcleo central, en inglés denominado "core", y una cubierta, en inglés denominada "cladding", a modo de cilindros concéntricos de distinto material, que permiten el guiado de la luz por reflexión total como consecuencia de la diferencia de índices de refracción de ambos materiales. El conjunto anterior se suele proteger con un recubrimiento adicional, denominado en inglés "coating".In all these cases, the use of optical fiber is common, whose main parts have been represented in Figure 1, which is constituted by at least one filament that usually comprises a central core, in English called " core ", and a cover, in English called " cladding ", as concentric cylinders of different material, which allow the guidance of light by total reflection as a result of the difference in refractive indexes of both materials. The previous set is usually protected with an additional coating, called " coating " in English.

El núcleo central de cada filamento puede ser de plástico o de cristal y tiene un índice de refracción elevado, estando rodeado dicho núcleo central por una cubierta, de un material similar al del núcleo, que tiene un índice de refracción ligeramente inferior al del núcleo.The central core of each filament can be of plastic or glass and has a high refractive index, said central core being surrounded by a cover, of a core-like material, which has an index of refraction slightly lower than the core.

Así, cuando la luz llega a una superficie límite con un índice de refracción inferior, se refleja casi en su totalidad. Dicha reflexión es mayor cuanto mayor sea la diferencia de índices de refracción de ambos materiales y cuanto mayor sea el ángulo de incidencia en la intercara, teniéndose en tales casos un fenómeno de reflexión interna total que se rigen por las leyes de la óptica geométrica, y más concretamente por la ley de la reflexión, o principio de reflexión interna total, y la ley de Snell.Thus, when the light reaches a boundary surface with a lower refractive index, it is reflected almost in its whole. This reflection is greater the greater the difference of refractive indexes of both materials and the higher the angle of incidence in the interface, having in such cases a phenomenon of total internal reflection that are governed by the laws of geometric optics, and more specifically by the law of reflection, or principle of total internal reflection, and the law of Snell

El funcionamiento de la fibra óptica se basa en transmitir por el núcleo de la fibra un haz de luz, de forma que dicho haz no atraviese el núcleo, sino que se refleje y se siga propagando por el núcleo, lo cual se consigue siempre que el índice de refracción del núcleo sea superior al índice de refracción de la cubierta o revestimiento, siempre y cuando el ángulo de incidencia sea superior a un ángulo límite.The operation of the optical fiber is based on transmit a beam of light through the fiber core, so that said beam does not cross the nucleus, but is reflected and followed propagating through the nucleus, which is achieved whenever the index core refraction exceeds the refractive index of the cover or lining, as long as the angle of incidence exceed a limit angle.

En el ámbito de los dispositivos sensores ópticos, las fibras ópticas de plástico, denominadas en inglés "Plastic Optical Fibres (POFs)", llevan experimentando un gran crecimiento y auge frente a las fibras ópticas de vidrio, debido a que presentan ventajas tales como mayor facilidad de manipulación, mayor flexibilidad, mayor robustez y un coste notablemente inferior. La mayoría de este tipo de sensores se basa en la intensidad de potencia óptica en recepción.In the field of optical sensing devices, plastic optical fibers, referred to in English as " Plastic Optical Fibers (POFs " ) , have been experiencing great growth and growth compared to optical glass fibers, because they have advantages such as greater ease of handling, greater flexibility, greater robustness and a noticeably lower cost. The majority of this type of sensors is based on the intensity of optical power at reception.

En la actualidad, con el objetivo de aumentar la sensibilidad de los sensores de fibras ópticas de plástico frente a un determinado parámetro se realizan curvaturas en la fibra, lo que produce pérdidas por curvatura en la potencia óptica de recepción, las cuales han sido ampliamente estudiadas e investigadas por diversos autores. Además, diferentes tipos de radios de curvatura han sido estudiados para la evaluación de dichas pérdidas de potencia.Currently, with the aim of increasing the Sensitivity of plastic optical fiber sensors against a certain parameter curves are made in the fiber, which produces losses due to curvature in the optical power of reception, which have been extensively studied and investigated by various authors In addition, different types of radii of curvature have been studied for the evaluation of said losses of power.

Si además de introducir curvaturas en la fibra se elimina la cubierta y se pule el núcleo de la fibra óptica, eliminando una parte de éste, las pérdidas debidas a curvaturas aumentan, haciendo más sensible el sensor respecto del parámetro a medir.If besides introducing curvatures in the fiber the cover is removed and the fiber optic core is polished, eliminating a part of it, the losses due to curvatures increase, making the sensor more sensitive with respect to parameter a to size.

El inconveniente que presenta este tipo de sensores es que tienen escasa robustez, y por lo tanto fiabilidad, puesto que el parámetro sensible, que es la constante de acoplo del sensor no permanece invariante ante fluctuaciones de potencia a la entrada o a pérdidas de potencia no deseadas en el enlace, lo cual lleva a falsas estimaciones del tipo de líquido que rodea al sensor.The inconvenience of this type of sensors are that they have poor robustness, and therefore reliability, since the sensitive parameter, which is the coupling constant of the sensor does not remain invariant before power fluctuations to the input or unwanted power losses in the link, which leads to false estimates of the type of liquid surrounding the sensor.

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Descripción de la invenciónDescription of the invention

La presente invención se refiere a un sensor de fibra óptica, preferentemente de plástico, autoreferenciado para la detección de líquido y/o medida de nivel de líquido, en este último caso una vez sumergido el sensor en el seno de dicho líquido.The present invention relates to a sensor fiber optic, preferably plastic, self-referenced for liquid detection and / or liquid level measurement, in the latter case once the sensor has been submerged in said liquid.

El sensor comprende un acoplador configurado para variar o modificar una constante de acoplo K en función de un índice de refracción del líquido en el que se encuentra inmerso el sensor, obteniéndose así una variación de dicha constante de acoplo K según el tipo de líquido de que se trate.The sensor comprises a configured coupler to vary or modify a coupling constant K based on a refractive index of the liquid in which the sensor, thus obtaining a variation of said coupling constant K according to the type of liquid in question.

Frente a anteriores esquemas propuestos, la utilización de un acoplador con pérdidas por curvaturas en sensores de intensidad para detección de nivel o presencia de líquidos que la invención propone presenta la ventaja de estar autoreferenciado. Mediante esta técnica se dota de mayor robustez al sensor puesto que el parámetro sensible a medir, esto es la constante de acoplo K del sensor permanece invariante ante fluctuaciones de potencia a la entrada o pérdidas de potencia no deseadas en el enlace, evitándose la obtención de falsas estimaciones sobre el tipo de líquido que rodea al sensor, presentando dependencia únicamente según el tipo de líquido presente en el medio exterior.Against previous proposed schemes, the use of a coupler with sensor curvature losses of intensity for detection of level or presence of liquids that the The proposed invention has the advantage of being self-referenced. This technique gives the sensor greater robustness since the sensitive parameter to be measured, this is the coupling constant K of the sensor remains invariant before power fluctuations to the unwanted input or loss of power in the link, avoiding obtaining false estimates on the type of liquid that surrounds the sensor, presenting dependence only according to the type of liquid present in the outside environment.

Así, diferentes líquidos con diferentes índices de refracción pueden ser discriminados con el sensor de la invención.Thus, different liquids with different indexes of refraction can be discriminated with the sensor of the invention.

Además la medida de la intensidad de potencia óptica está sujeta a variaciones imprevistas debidas a degradación de componentes, condiciones ambientales diferentes o a fluctuaciones en las fuentes ópticas, para lo cual el sensor de la invención tiene una corrección mediante medios de autoreferencia, lo que dota de una mayor robustez al enlace entre el emisor, el sensor y el receptor, debido a la utilización de dichos medios de autoreferencia.In addition the measurement of the power intensity optics are subject to unforeseen variations due to degradation of components, different environmental conditions or fluctuations in the optical sources, for which the sensor of the invention it has a correction by means of self-reference, which endows of greater robustness to the link between the transmitter, the sensor and the receiver, due to the use of said means of self-reference

En el sensor de la invención la constante de acoplo K presenta variaciones de hasta un 4% respecto de su valor nominal, lo que permite discriminar el tipo de líquido que rodea al sensor en cada caso como consecuencia de dicha variación.In the sensor of the invention the constant of coupling K presents variations of up to 4% with respect to its value nominal, which allows to discriminate the type of liquid that surrounds the sensor in each case as a result of said variation.

Al generar una curvatura sobre un determinado tramo de una fibra multimodo, por ejemplo de plástico, los modos de orden más elevado que por ella circulan son refractados, debido a que el ángulo de incidencia aumenta en la interfaz o intercara entre el núcleo y el revestimiento o cubierta, produciéndose un aumento de las pérdidas de potencia en recepción.When generating a curvature over a given section of a multimode fiber, for example plastic, the modes of higher order circulating through it are refracted, due to that the angle of incidence increases at the interface or intercalates between the core and the lining or cover, producing a increase in power losses at reception.

Dichas pérdidas por curvatura se producen para un radio de curvatura crítico R_{C}, cuyo valor puede estimarse según la siguiente ecuación:These curvature losses occur for a critical radius of curvature R_ {C}, whose value can be estimated according to the following equation:

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donde l es la longitud de onda de operación, n_{co} es el índice de refracción del núcleo, también referenciado como n_{1}, y n_{cl} es el índice de refracción de la cubierta de la fibra óptica, también referenciado como n_{2}.where l is the wavelength of operation, n_ {co} is the core refractive index, also referenced as n_ {1}, and n_ {cl} is the refractive index of fiber optic cover, also referenced as n_ {2}.

De la expresión anterior se deduce que dicho radio de curvatura crítico R_{C} es directamente proporcional a la longitud de onda de operación l, e inversamente proporcional a la diferencia relativa entre los índices de refracción del núcleo n_{co} y de la cubierta n_{cl}.From the previous expression it follows that said critical radius of curvature R_ {C} is directly proportional to the operating wavelength l, and inversely proportional to the relative difference between core refractive indices n_ {co} and cover n_ {cl}.

Las pérdidas producidas en una fibra multimodo por curvatura serán menores a menor valor del radio de curvatura crítico R_{C}. Las pérdidas transitorias a(dB), a la entrada de una fibra multimodo para un radio de curvatura R aplicado a la fibra se pueden expresar mediante:Losses produced in a multimode fiber by curvature they will be less than less value of the radius of curvature Critical R_ {C}. Transient losses at (dB), at multimode fiber input for a radius of curvature R Applied to the fiber can be expressed by:

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no siendo el valor del radio de curvatura R demasiado próximo al radio de curvatura crítico R_{C}. El estudio de las pérdidas por curvaturas en fibras multimodo puede basarse en el estudio del trazado de los rayos por el interior de la fibra en condiciones de curvatura.not being the radius value of curvature R too close to the radius of critical curvature R_ {C}. The study of curvature losses in multimode fibers can be based on the study of ray tracing inside the fiber in conditions of curvature.

Si el índice de refracción del núcleo n_{co} es aproximadamente igual al índice de refracción de la cubierta n_{cl}, entonces puede considerarse que el coeficiente de transmisión de Fresnel T para los rayos refractados en una fibra óptica es independiente de la polarización de la luz. El coeficiente de transmisión de Fresnel T indica las pérdidas debidas a la radiación de los rayos y tiene la siguiente expresión:If the core refractive index n_ {co} is approximately equal to the refractive index of the roof n_ {cl}, then the coefficient of Fresnel T transmission for refracted rays in a fiber Optics is independent of the polarization of light. The coefficient of Fresnel T transmission indicates losses due to radiation of the rays and has the following expression:

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donde q es el ángulo de incidencia de un determinado rayo respecto de la normal al núcleo de la fibra y q_{C} el ángulo crítico definido como q_{C} = sen^{-1}(n_{cl}/n_{co}), tal que si el ángulo de incidencia q tuviera aproximadamente el mismo valor que el ángulo crítico q_{C}, dicho rayo será refractado del núcleo perdiéndose potencia.where q is the angle of incidence of a certain ray from the normal to the fiber core and q_ {C} the critical angle defined as q_ {C} = sin ^ {1} (n_ {cl} / n_ {co}), such that if the angle of incidence that had approximately the same value as the angle critical q_ {C}, said ray will be refracted from the core losing power.

De la expresión anterior se deduce que cuanto mayor es el valor del ángulo crítico q_{C}, mayor es el valor del coeficiente de transmisión de Fresnel T que se obtiene. En tal caso, la potencia refractada P_{\gamma} hacia el exterior de la fibra óptica, es decir el valor de las pérdidas por radiación, viene dada por la siguiente expresión:From the previous expression it follows that how much the greater the value of the critical angle q_ {C}, the greater the value of the Fresnel T transmission coefficient obtained. In that case, the refracted power P γ out of the fiber optics, that is the value of radiation losses, is given by the following expression:

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donde P_{i} es la potencia óptica a la entrada de la curvatura creada en la fibra.where P_ {i} is the optical power at the entrance of the curvature created in the fiber.

Así, en una disposición en la que el acoplador comprende un puerto o fibra de entrada p_{1}, un puerto o fibra de salida directo p_{2} y un puerto o fibra de salida acoplado p_{4}, el valor de la constante de acoplo K, en tanto por ciento, se determina mediante la siguiente expresión:Thus, in an arrangement in which the coupler comprises a port or input fiber p_ {1}, a port or fiber direct output p_ {2} and a coupled output port or fiber p_ {4}, the value of the coupling constant K, as a percentage, It is determined by the following expression:

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Así, las pérdidas de potencia óptica radiada en una rama del acoplador dependen del índice de refracción del líquido que rodea al sensor, lo cual es detectado mediante la variación de la constante de acoplo K.Thus, the losses of radiated optical power in a branch of the coupler depend on the refractive index of the liquid surrounding the sensor, which is detected by the variation of coupling constant K.

Al propagarse la luz a través de la fibra, la potencia óptica en el acoplador se ve atenuada a la salida debida tanto a la curvatura producida como por el pulido realizado sobre la cubierta y parte del núcleo de dicha fibra, de forma que se tiene una mayor cantidad de potencia óptica que es transferida y guiada en la cubierta de la fibra. Si el sensor se introduce en el seno de un líquido, las pérdidas variarán debido a que el índice de refracción del medio exterior cambia según el tipo de líquido existente en el entorno del acoplador modificándose la potencia radiada al medio exterior y la potencia de nuevo guiada por el núcleo de la fibra óptica a través del coeficiente de transmisión de Fresnel T, lo que implica una variación de la potencia acoplada por el puerto de salida acoplado P_{4}.As the light propagates through the fiber, the optical power in the coupler is attenuated at the output due both to the curvature produced and by the polishing performed on the cover and part of the core of said fiber, so that you have a greater amount of optical power that is transferred and guided in The fiber cover. If the sensor is inserted into a liquid, the losses will vary because the refractive index of the external environment changes according to the type of liquid existing in the environment of the coupler modifying the power radiated to the medium exterior and power again guided by the fiber core optics through the Fresnel T transmission coefficient, which it implies a variation of the power coupled by the port of coupled output P4.

Así, cuando se tienen diferencias en el índice de refracción del medio exterior, es decir cuando se tienen diferentes líquidos, hacen que el coeficiente de transmisión de Fresnel T se modifique y, por tanto, se modifique la cantidad de luz acoplada por el puerto de salida acoplado P_{4}, con lo que se produce una variación de la constante de acoplo K del sensor.Thus, when there are differences in the index of refraction of the external environment, that is when they have different liquids, make the transmission coefficient of Fresnel T is modified and, therefore, the amount of light coupled by the output port coupled P4, whereby produces a variation of the coupling constant K of the sensor.

Por ejemplo, si el medio exterior es aceite, que tiene un índice de refracción n_{aceite} igual a 1,46, su índice de refracción se hace comparable con el de la cubierta de la fibra n_{cl} con un valor igual a 1,417 y la totalidad de los modos guiados en la cubierta de la fibra se refractan hacia el exterior, aumentando el coeficiente de transmisión de Fresnel T y perdiéndose potencia por el puerto de salida acoplado P_{4} respecto de la potencia en el puerto de salida directo p_{2}, provocando un aumento en la constante de acoplo K, es decir el acoplador se hace más directivo.For example, if the outside medium is oil, which It has an index of refraction n_ {oil} equal to 1.46, its index of refraction becomes comparable with that of the fiber cover n_ {cl} with a value equal to 1,417 and all modes guided on the fiber cover are refracted outward, increasing the Fresnel T transmission coefficient and losing power through the coupled output port P4 with respect to the power at the direct output port p_ {2}, causing a increase in coupling constant K, ie the coupler is made more directive

Conforme el índice de refracción del medio exterior disminuye , por ejemplo n_{agua} es igual a 1,33 y n_{aire} es igual a 1, los rayos guiados por la cubierta de la fibra son cada vez más reflejados de nuevo hacia el núcleo, y por lo tanto el coeficiente de transmisión de Fresnel T disminuye, aumentando la potencia recibida en el puerto de salida acoplado P_{4} respecto de la potencia recibida en el puerto de salida directo p_{2}, por lo que el acoplador se hace menos directivo y la constante de acoplo K disminuye.According to the refractive index of the medium exterior decreases, for example n_ {water} is equal to 1.33 and n_ {air} is equal to 1, the rays guided by the cover of the fiber are increasingly reflected back towards the core, and by therefore the Fresnel T transmission coefficient decreases, increasing the power received at the coupled output port P_ {4} with respect to the power received at the output port direct p_ {2}, so the coupler becomes less directive and the coupling constant K decreases.

Esta variación de la constante de acoplo K del acoplador es medida y evaluada produciéndose la detección del líquido en el que se encuentra inmerso el sensor.This variation of the coupling constant K of coupler is measured and evaluated producing the detection of liquid in which the sensor is immersed.

Descripción de los dibujosDescription of the drawings

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:To complement the description that is being performing and in order to help a better understanding of the characteristics of the invention, according to a preferred example of practical realization of it, is accompanied as an integral part of said description, a set of drawings where with character Illustrative and not limiting, the following has been represented:

La figura 1.- Muestra dos vistas esquemáticas, de acuerdo con una sección transversal y una sección longitudinal, de una fibra óptica, en la que pueden apreciarse sus principales partes constitutivas.Figure 1.- Shows two schematic views, according to a cross section and a longitudinal section, of an optical fiber, in which its main ones can be appreciated constituent parts.

La figura 2.- Muestra una representación esquemática de la zona de acoplo del sensor, en la que pueden apreciarse el puerto de entrada p_{1}, el puerto de salida directo p_{2} y el puerto de salida acoplado p_{4}.Figure 2.- Shows a representation schematic of the sensor coupling area, where they can appreciate the input port p_ {1}, the output port direct p_ {2} and the output port coupled p_ {4}.

La figura 3.- Muestra una representación esquemática del sensor de la invención, en el que la zona de acoplo se encuentra inmersa en un líquido.Figure 3.- Shows a representation schematic of the sensor of the invention, in which the coupling area It is immersed in a liquid.

La figura 4.- Muestra una sección longitudinal de la zona de acoplo y sensado del sensor de la invención, donde se ha representado de manera esquemática la propagación de la luz por reflexión en el núcleo de la fibra óptica.Figure 4.- Shows a longitudinal section. of the coupling and sensing zone of the sensor of the invention, where has schematically represented the propagation of light by reflection in the nucleus of the optical fiber.

Realización preferente de la invenciónPreferred Embodiment of the Invention

A la vista de las figuras reseñadas puede observarse como en una de las posibles realizaciones de la invención se refiere a un sensor de fibra óptica de plástico autoreferenciado para la detección de líquido y/o medida de nivel de líquido que comprende un acoplador configurado para variar una constante de acoplo K en función de un índice de refracción n del líquido en el que se encuentra inmerso el sensor, obteniéndose así una variación de dicha constante de acoplo K según el tipo de líquido de que se trate.In view of the figures outlined you can be observed as in one of the possible embodiments of the invention  refers to a self-referenced plastic fiber optic sensor for liquid detection and / or liquid level measurement that it comprises a coupler configured to vary a constant of coupling K as a function of a refractive index n of the liquid in the that the sensor is immersed, thus obtaining a variation of said coupling constant K according to the type of liquid from which try.

El sensor está configurado para que la constante de acoplo K permanezca invariante ante fluctuaciones de potencia a la entrada del sensor o pérdidas de potencia no deseadas, presentando dependencia únicamente según el tipo de líquido presente en el medio exterior.The sensor is set so that the constant of coupling K remain invariant before power fluctuations at sensor input or unwanted power losses, presenting dependence only according to the type of liquid present in the outside environment.

La constante de acoplo K presenta variaciones de hasta un 4% respecto de su valor nominal, lo que permite discriminar el tipo de líquido que rodea al sensor en cada caso como consecuencia de dicha variación.The coupling constant K shows variations of up to 4% with respect to its nominal value, which allows discriminate the type of liquid surrounding the sensor in each case as consequence of said variation.

Tal y como puede apreciarse en las figuras 2 y 4, el acoplador tiene un radio de curvatura crítico R_{C} que es directamente proporcional a la longitud de onda de operación l, e inversamente proporcional a la diferencia relativa entre los índices de refracción del núcleo n_{1} y de la cubierta n_{2}. El acoplador comprende un puerto de entrada p_{1}, un puerto de salida directo p_{2} y un puerto de salida acoplado p_{4}, de forma que el valor de la constante de acoplo K, en tanto por ciento, se determina mediante la siguiente expresión:As can be seen in figures 2 and 4, the coupler has a critical radius of curvature R_ {C} which is directly proportional to the operating wavelength l, e inversely proportional to the relative difference between refractive indexes of core n_ {1} and cover n_ {2}. The coupler comprises an input port p_ {1}, a port of direct output p_ {2} and a coupled output port p_ {4}, of so that the value of the coupling constant K, in percent, It is determined by the following expression:

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Así, las pérdidas de potencia óptica radiada en una rama del acoplador dependen del índice de refracción del líquido que rodea al sensor, lo cual es detectado mediante la variación de la constante de acoplo K.Thus, the losses of radiated optical power in a branch of the coupler depend on the refractive index of the liquid surrounding the sensor, which is detected by the variation of coupling constant K.

De acuerdo con un ejemplo de realización preferente de la invención, el sensor comprende fibra óptica de plástico de metacrilato (PMMA) de salto de índice, cuyo núcleo tiene un diámetro de 980 \mum y la cubierta tiene un diámetro de 10 \mum. El índice de refracción de núcleo n_{co} es igual a 1,492 y el índice de refracción de la cubierta n_{cl} es igual a 1,417.According to an embodiment example Preferred of the invention, the sensor comprises optical fiber of plastic methacrylate (PMMA) index jump, whose core it has a diameter of 980 µm and the cover has a diameter of 10 µm. The core refractive index n_ {co} is equal to 1,492 and the cover refractive index n_ {cl} is equal to 1,417.

De acuerdo con la realización preferente se tiene un acoplador 2x2 que comprende dos tramos de fibra óptica sobre parte de los cuales se ha eliminado la cubierta de protección y se ha realizado un pulido de parte de su núcleo mediante procedimientos mecánicos.According to the preferred embodiment, It has a 2x2 coupler comprising two fiber optic sections on part of which the protective cover has been removed and a part of its core has been polished by mechanical procedures

Los núcleos de ambos tramos se han unido entre sí mediante un pegamento especial obteniéndose el acoplador y su correspondiente zona de sensado que tiene aproximadamente 3 cm de longitud.The nuclei of both sections have joined yes by means of a special glue obtaining the coupler and its corresponding sensing zone that has approximately 3 cm of length.

El sensor de la invención comprende una fuente de luz, que puede consistir en un diodo láser de longitud de onda 650 nm y un medidor de potencia de dos entradas simultáneas.The sensor of the invention comprises a source of light, which may consist of a wavelength laser diode 650 nm and a power meter with two simultaneous inputs.

El sensor se excita con una señal óptica proveniente de la fuente de luz, que típicamente es un LED o un láser de semiconductor.The sensor is excited with an optical signal from the light source, which is typically an LED or a semiconductor laser.

El dispositivo comprende un sistema emisor, configurado para generar la señal óptica, y un sistema receptor, configurado para convertir la señal óptica de nuevo al dominio electrónico. Adicionalmente en el receptor se pueden incorporar sistemas para la visualización gráfica del nivel de líquido en un display o un LED.The device comprises an emitting system, configured to generate the optical signal, and a receiving system, configured to convert the optical signal back to the domain electronic. Additionally in the receiver can be incorporated systems for the graphic visualization of the liquid level in a display or an LED.

La ventaja del sensor de la invención es que en el caso de producirse pérdidas de potencia indeseadas en cualquier tramo del enlace emisor-sensor-receptor éstas serían transparentes en la medida, pues la hipotética disminución de potencia afectaría por igual tanto al puerto de salida directo P_{2} como al puerto de salida acoplado P_{4}, permaneciendo la relación entre ambas, es decir la constante de acoplo K, invariante. Por esta misma causa tampoco es necesario realizar modulación en la fuente para eliminar los efectos de la luz ambiental, lo cual permite reducir el coste del sensor.The advantage of the sensor of the invention is that in the case of unwanted power losses in any link section emitter-sensor-receiver these would be transparent to the extent, since the hypothetical decrease in power would affect both the direct output port equally P_ {2} as to the coupled output port P_ {4}, the relationship between the two, that is to say the constant of coupling K, invariant. For this same reason it is not necessary to perform modulation in the source to eliminate the effects of ambient light, which It allows to reduce the cost of the sensor.

La constante de acoplo K del sensor es invariante a posibles pérdidas introducidas en el enlace, con variaciones del orden de \DeltaK=\pm0,005, entre distintas configuraciones de pérdidas y presenta estabilidad para una pluralidad de medidas en cada configuración, con una variación del orden de \DeltaK=\pm0,002.The coupling constant K of the sensor is invariant to possible losses introduced in the link, with variations of the order of ΔK = \0.005, between different loss configurations and presents stability for a plurality of measurements in each configuration, with a variation of order of ΔK = pm0.002.

Se han simulado pérdidas por curvatura sobre el enlace, con un el radio de la curvatura igual a 10 mm. La pérdida total de potencia obtenida fue de 4.2 dB, permaneciendo idéntica en cada caso la constante de acoplo.Curvature losses have been simulated on the link, with a radius of curvature equal to 10 mm. Loss Total power obtained was 4.2 dB, remaining identical in each case the coupling constant.

Igualmente se ha experimentado para obtener la constante de acoplo K en función del tipo de líquido sobre el que se encuentra inmerso el sensor para un determinado número de muestras y un radio de curvatura variable. Los resultados muestran que la constante de acoplo K del acoplador-sensor varía en función del tipo de material en el medio exterior. Para cualquier valor del radio de curvatura se obtiene una incremento de \DeltaK=1%, para el caso de medio exterior aire o agua, y un incremento de \DeltaK=3.5% para el caso de medio exterior aire o aceite. Esta diferencia puede ser perfectamente discriminada en el receptor mediante una electrónica de control.It has also been experienced to obtain the coupling constant K depending on the type of liquid on which the sensor is immersed for a certain number of samples and a variable radius of curvature. The results show that the coupling constant K of the sensor coupler It varies depending on the type of material in the outside environment. For any value of the radius of curvature an increase of ΔK = 1%, in the case of outside air or water, and a ΔK increase = 3.5% in the case of outside air or oil. This difference can be perfectly discriminated in the receiver through a control electronics.

Además se puede observar que conforme aumenta el radio de curvatura, el acoplador se hace más directivo, pudiendo establecerse una discriminación del tipo de líquido en el medio exterior en función del valor de la constante de acoplo K obtenido.It can also be seen that as the radius of curvature, the coupler becomes more directive, being able to establish discrimination of the type of liquid in the medium external depending on the value of the coupling constant K obtained.

A la vista de esta descripción y juego de figuras, el experto en la materia podrá entender que las realizaciones de la invención que se han descrito pueden ser combinadas de múltiples maneras dentro del objeto de la invención. La invención ha sido descrita según algunas realizaciones preferentes de la misma, pero para el experto en la materia resultará evidente que múltiples variaciones pueden ser introducidas en dichas realizaciones preferentes sin exceder el objeto de la invención reivindicada.In view of this description and game of figures, the expert in the field may understand that the Embodiments of the invention that have been described may be combined in multiple ways within the object of the invention. The invention has been described according to some embodiments. Preferred, but for the person skilled in the art it will be clear that multiple variations can be introduced in said preferred embodiments without exceeding the purpose of the claimed invention.

Claims (7)

1. Sensor de fibra óptica de plástico autoreferenciado para la detección de líquido y/o medida de nivel de líquido, que comprende un sistema emisor configurado para generar una señal óptica, y un sistema receptor medidor de potencia que comprende al menos dos entradas simultáneas, caracterizado porque comprende un acoplador que comprende dos tramos de fibra óptica que están dispuestos en oposición con un radio de curvatura crítico R_{C}, teniendo eliminada la cubierta de protección y parcialmente eliminado el núcleo en una zona de acoplo entre dichos dos tramos de fibra óptica, que están separados por un medio con un índice de refracción n, de forma que una constante de acoplo K del sensor depende de dicho índice de refracción n.1. Self-referenced plastic fiber optic sensor for the detection of liquid and / or liquid level measurement, comprising a transmitter system configured to generate an optical signal, and a power meter receiver system comprising at least two simultaneous inputs, characterized in that it comprises a coupler comprising two fiber optic sections that are arranged in opposition to a critical radius of curvature R C, the protective cover being removed and the core partially removed in a coupling area between said two fiber sections optics, which are separated by means with a refractive index n, such that a coupling constant K of the sensor depends on said refractive index n. 2. Sensor de fibra óptica de plástico autoreferenciado para la detección de líquido y/o medida de nivel de líquido, según la reivindicación 1, caracterizado porque la constante de acoplo K permanece invariante ante fluctuaciones de potencia a la entrada del sensor.2. Self-referenced plastic fiber optic sensor for the detection of liquid and / or liquid level measurement, according to claim 1, characterized in that the coupling constant K remains invariant before power fluctuations at the sensor input. 3. Sensor de fibra óptica de plástico autoreferenciado para la detección de líquido y/o medida de nivel de líquido, según cualquiera de las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque el acoplador comprende un puerto de entrada p_{1} y un puerto de salida directo p_{2}, que se encuentran en un primer tramo de fibra óptica, comprendiendo un puerto de salida acoplado p_{4}, que se encuentra en el segundo tramo de fibra óptica, estando situado dicho puerto de salida acoplado p_{4} en correspondencia con el puerto de salida directo p_{2}.3. Self-referenced plastic fiber optic sensor for liquid detection and / or liquid level measurement, according to any of claims 1 and 2, characterized in that the coupler comprises an input port p1 and an output port direct p2, which are in a first fiber optic segment, comprising a coupled output port p4, which is in the second fiber optic segment, said coupled output port p4 being located in correspondence with the direct output port p_ {2}. 4. Sensor de fibra óptica de plástico autoreferenciado para la detección de líquido y/o medida de nivel de líquido, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los dos tramos de fibra óptica están separados por un líquido en el que se encuentra inmerso el sensor, teniéndose una variación de dicha constante de acoplo K según el tipo de líquido de que se trate.4. Self-referenced plastic fiber optic sensor for liquid detection and / or liquid level measurement, according to any one of the preceding claims, characterized in that the two fiber optic sections are separated by a liquid in which the sensor, having a variation of said coupling constant K according to the type of liquid in question. 5. Sensor de fibra óptica de plástico autoreferenciado para la detección de líquido y/o medida de nivel de líquido, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los tramos de fibra óptica comprenden un núcleo que tiene un índice de refracción del núcleo n_{1} ligeramente superior a un índice de refracción de una cubierta n_{2} de dichas fibras ópticas.5. Self-referenced plastic fiber optic sensor for the detection of liquid and / or liquid level measurement, according to any of the preceding claims, characterized in that the fiber optic sections comprise a core having a core refractive index n_ { 1} slightly higher than a refractive index of a cover n2 of said optical fibers. 6. Sensor de fibra óptica de plástico autoreferenciado para la detección de líquido y/o medida de nivel de líquido, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el radio de curvatura crítico R_{C} es directamente proporcional a una longitud de onda de operación l, e inversamente proporcional a la diferencia relativa entre el índice de refracción del núcleo n_{1} y el índice de refracción de la cubierta n_{2}.6. Self-referenced plastic fiber optic sensor for the detection of liquid and / or liquid level measurement, according to any of the preceding claims, characterized in that the critical radius of curvature R C is directly proportional to a wavelength of operation 1, and inversely proportional to the relative difference between the refractive index of the core n_ {1} and the refractive index of the cover n_ {2}. 7. Sensor de fibra óptica de plástico autoreferenciado para la detección de líquido y/o medida de nivel de líquido, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la zona de acoplo tiene aproximadamente 3 cm de longitud.7. Self-referenced plastic fiber optic sensor for liquid detection and / or liquid level measurement, according to any of the preceding claims, characterized in that the coupling area is approximately 3 cm in length.
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Sensor de nivel de líquido multipunto basado en pérdidas de curvatura basadas en FOP (M. LOMER, D. BLANCO, JOSEBA ZUBÍA, C. JAUREGUI, J.M. LÓPEZ-HIGUERA) (http://www.teisa.unican.es/gif/index.php?option=com_content& task=view&id=283&Itemid=57) XX Simposium Nacional de la Unión Científica Internacional de Radio (URSI 2005), GANDÍA, ESPAÑA, 14.09.2005, todo el documento. *

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