ES2354946T3 - Sistema y método para medir distancias, desplazamientos y acciones mecánicas. - Google Patents

Abstract

Transductor óptico adaptado para detectar acciones mecánicas externas que actúan sobre dicho transductor, comprendiendo dicho transductor al menos una trayectoria óptica de detección (5) adaptada para transmitir al menos una señal óptica periódica de detección (b'), comprendiendo dicha al menos una trayectoria óptica de detección (5) medios de emisión ópticos (3) adaptados para recibir al menos una señal eléctrica periódica de detección de entrada (b) y para convertir dicha al menos una señal eléctrica periódica de detección de entrada (b) en dicha al menos una señal óptica periódica de detección (b') junto con medios de recepción ópticos (6) adaptados para recibir dicha al menos una señal óptica periódica de detección (b') y para convertir dicha al menos una señal óptica (b') en dicha al menos una señal eléctrica periódica de detección (d); al menos una trayectoria de referencia (4) adaptada para recibir una señal eléctrica periódica (c) y para emitir al menos una señal de referencia eléctrica de salida periódica (e); caracterizándose dicho transductor óptico porque dicho transductor comprende medios de generación (1) adaptados para generar una primera señal eléctrica periódica (a) de una frecuencia predefinida, junto con medios de división (2) adaptados para dividir dicha primera señal eléctrica periódica (a) en dicha señal eléctrica periódica de detección de entrada (b) y dicha señal eléctrica periódica (c) que entran en dichos medios de emisión ópticos (3) y dicha trayectoria de referencia (4), respectivamente, de modo que dichas señales eléctricas periódicas (b) y (c) tengan la misma frecuencia; y porque dicha trayectoria óptica de detección (5) comprende dos partes rectilíneas dispuestas en paralelo entre sí y unidas por una parte curva, comprendiendo al menos una parte (5') de cada una de dichas partes rectilíneas de dicha al menos una trayectoria óptica (5) una fibra óptica adaptada para exponerse a acciones mecánicas externas, dando como resultado la modificación de la longitud Ls de dichas fibras ópticas y la transmisión de dicha señal (b') óptica periódica de detección a través de dicha trayectoria óptica de detección, dando como resultado la generación de un desplazamiento de fase entre dicha señal eléctrica periódica de detección (d) y dicha señal eléctrica periódica de referencia (e); y porque dicha al menos una trayectoria (4) de referencia comprende medios (11) de desplazamiento de fase que mantienen el desplazamiento de fase entre dicha al menos una señal eléctrica de detección periódica de salida (d) y dicha al menos una señal eléctrica de referencia periódica de salida (e) a un valor constante en ausencia de cualquier acción mecánica ejercida sobre dicha fibra óptica.

Description

CAMPO DE LA PRESENTE INVENCIÓN

La presente invención se refiere a la medición de distancias, desplazamientos y fuerzas. En particular, la presente invención se refiere a la medición de desplazamientos provocados por fuerzas mecánicas, tales como, por 5 ejemplo, tracciones o compresiones y las fuerzas relativas que producen dichos desplazamientos. Más detalladamente, la presente invención se refiere a la medición de desplazamientos y fuerzas usando transductores ópticos. Más detalladamente aún, la presente invención se refiere a la medición de desplazamientos y fuerzas usando transductores ópticos y/o sensores que comprenden componentes de fibra óptica de bajo coste. Finalmente, la presente invención se refiere a un método, un dispositivo y un sistema para medir distancias, desplazamientos y 10 fuerzas, comprendiendo dicho dispositivo y sistema transductores ópticos y/o sensores de bajo coste.

DESCRIPCIÓN DE LA TÉCNICA ANTERIOR

Durante los últimos años, se ha dedicado gran cantidad de trabajo de desarrollo a la provisión de dispositivos adaptados para medir y/o detectar fuerzas y desplazamientos mecánicos de manera muy fiable. De entre los dispositivos y sistemas desarrollados y propuestos, los sistemas y dispositivos basados en conjuntos 15 electrónicos muy sofisticados se convirtieron en los dispositivos y sistemas usados de manera más generalizada. Esto se debió, en particular, al hecho de que el desarrollo en el sector de los circuitos integrados y la correspondiente reducción en tamaño de circuitos que ponen en práctica funciones muy complicadas, permitió la provisión de transductores electrónicos muy pequeños, adaptados para usarse con diferentes fines y en condiciones muy difíciles. Por ejemplo, se conocen transductores electrónicos, cuyo tamaño se mantiene por debajo de unos 20 pocos milímetros cúbicos. Además, los últimos desarrollos en el campo de los medios informáticos, en particular, en el campo del software adaptado para el tratamiento de enormes cantidades de datos en cada vez menos tiempo, permitieron tratar los datos detectados por los transductores electrónicos de una manera automática y fiable. Finalmente, los costes cada vez menores de los sistemas electrónicos, permitieron contener los costes de producción de transductores electrónicos, permitiendo así usar dichos transductores electrónicos para diversos fines 25 y aplicaciones.

Sin embargo, a pesar de todas las ventajas citadas anteriormente que ofrecían los transductores electrónicos, dichos transductores electrónicos no carecen de inconvenientes. El inconveniente más relevante que afecta a los transductores electrónicos surge del hecho de que es necesaria corriente eléctrica para hacer funcionar los transductores electrónicos. Se aprecia que en el caso de la fuerza que actúa sobre un transductor electrónico, la 30 corriente eléctrica que fluye a través del transductor se ve influenciada por la fuerza que actúa sobre el mismo, de modo que las variaciones en el flujo de corriente pueden detectarse y usarse para obtener una indicación de la intensidad de la fuerza que actúa sobre el transductor. Sin embargo, la corriente eléctrica que fluye a través de los transductores electrónicos también puede verse influenciada por el entorno externo, haciendo así los transductores electrónicos menos fiables para aplicaciones en entornos críticos, tales como en estructuras expuestas a descargas 35 electrostáticas durante tormentas eléctricas o en instalaciones industriales con ruido electromagnético. Además, puede resultar difícil o arriesgado usar transductores electrónicos en áreas de almacenamiento de materiales sumamente inflamables. Finalmente, algunos transductores electrónicos tampoco son adecuados para aplicaciones biomédicas debido a que puede darse un riesgo de electrocución.

Por consiguiente, en vista de los problemas explicados anteriormente, sería deseable proporcionar una 40 tecnología que pueda resolver o reducir estos problemas. En particular, sería deseable proporcionar transductores adecuados para usarse en estructuras expuestas a descargas electrostáticas y/o en instalaciones industriales con ruido, o incluso en áreas de almacenamiento de materiales sumamente inflamables. Del mismo modo, sería deseable proporcionar transductores para medir y/o detectar fuerzas, adecuados para usarse para aplicaciones biomédicas. Además, sería deseable proporcionar transductores caracterizados por un bajo coste, peso ligero, 45 tamaño reducido y mínima invasividad. También sería deseable proporcionar transductores con el fin de medir de manera fiable fuerzas y desplazamientos, que sea posible usarlos en combinación con equipos de bajo coste, sencillos y ampliamente conocidos.

En los últimos años se han realizado varios intentos por superar los inconvenientes que afectan a los sistemas electrónicos de medición de fuerzas. En particular, en los últimos años, se han dedicado algunos esfuerzos 50 al desarrollo de transductores ópticos para medir fuerzas y los desplazamientos que provocan. Muchos de estos transductores ópticos se basan en la consideración de que pueden medirse y/o detectarse fuerzas usando evaluaciones de los efectos sobre la luz transmitida a través de una trayectoria óptica provocados por las fuerzas que actúan, ya sea directa o indirectamente, sobre dicha trayectoria óptica. En particular, el principio de funcionamiento de muchos transductores ópticos se basa en la variación en la fotocorriente detectada en la salida de 55 una trayectoria óptica como consecuencia de una variación en la atenuación del empalme debido a la fuerza que está sometiéndose a prueba. De hecho, se ha observado que puede establecerse una relación entre la fotocorriente detectada en la salida de una trayectoria óptica y el esfuerzo mecánico que actúa sobre dicha trayectoria mecánica. Por desgracia, sin embargo, los transductores ópticos conocidos tampoco carecen de inconvenientes y algunos de ellos tampoco son tan fiables como se desearía. Finalmente, el ensamblaje y fabricación de muchos de los 60 transductores ópticos conocidos es bastante dificultoso y, por tanto, bastante caro.

Ejemplos de transductores ópticos de la técnica anterior pueden encontrarse en los documentos US-B-6236 488 y EP-A-1152 259, respectivamente.

Un dispositivo para modificar la longitud de la trayectoria de transmisión de ondas electromagnéticas se conoce por el documento EP1274680.

Por tanto sería deseable proporcionar transductores ópticos que permitan superar los inconvenientes que 5 afectan a los transductores ópticos de la técnica anterior tales como, por ejemplo, fiabilidad reducida, gama de aplicaciones reducida, y costes elevados, manteniendo al mismo tiempo una sensibilidad satisfactoria.

SUMARIO DE LA PRESENTE INVENCIÓN

En general, la presente invención se basa en la consideración de que pueden detectarse y/o medirse fuerzas, en particular, fuerzas y/o acciones mecánicas tales como tracciones y/o compresiones usando las 10 variaciones de la luz a través de una trayectoria óptica provocadas por dichas acciones mecánicas que actúan, ya sea directa o indirectamente, sobre dicha trayectoria óptica. En particular, el principio de funcionamiento de la presente invención se basa en la consideración de que la variación de la longitud de una trayectoria óptica debido a una fuerza mecánica que actúa sobre dicha trayectoria mecánica hace que la fase de una señal óptica transmitida a través de dicha trayectoria óptica se desplace y/o se modifique de modo que, si dicha señal óptica, al salir de dicha 15 trayectoria óptica, se convierte en una señal eléctrica, la variación de la longitud de la trayectoria óptica da como resultado que la fase de dicha señal eléctrica también se desplaza y/o modifica, difiriendo así de la fase que esta señal eléctrica habría tenido en ausencia de cualquier acción mecánica que actuara sobre la misma. Por consiguiente, si se usa una segunda trayectoria, pongamos una trayectoria de referencia, estando dicha segunda trayectoria adaptada para emitir una señal eléctrica de referencia y no estando sujeta a las acciones mecánicas que 20 actúan sobre la trayectoria óptica (la trayectoria de detección), la señal eléctrica que sale de la trayectoria óptica de detección tendrá una fase diferente a la de la señal eléctrica que sale de la trayectoria de referencia, estando dicha diferencia relacionada con la variación de la longitud provocada por una acción mecánica que actúa sobre la trayectoria óptica de detección. Por consiguiente, comparando las fases de las señales en la salida de las trayectorias de detección y de referencia, es posible determinar la variación de la longitud de la trayectoria de 25 detección y relacionar esta variación con la acción mecánica que actúa sobre la trayectoria óptica de detección. Aunque este enfoque de detección puede parecer bastante general en principio, se ha descubierto que es muy fiable para detectar y/o medir fuerzas, en particular, fuerzas mecánicas, tales como, por ejemplo, tracciones o compresiones. Además, este enfoque de detección permite la implementación de componentes adecuados para mejorar la resolución, la sensibilidad, la precisión y la fiabilidad de las medidas. Además, cuando se usan fibras, 30 tales como, por ejemplo, fibras ópticas poliméricas (POF) con el fin de materializar la trayectoria óptica de detección, surgen ventajas adicionales en cuanto a los costes, además de las ventajas comunes con los otros tipos de fibras ópticas tales como, por ejemplo, peso ligero, invasividad mínima, inmunidad a interferencias electromagnéticas e imposibilidad de provocar un incendio o una explosión. Finalmente, también surgen ventajas adicionales debido a las tolerancias mecánicas menos exigentes y a la posibilidad de usar fuentes y fotodetectores de bajo coste. Un enfoque 35 de detección y/o medición según la presente invención puede usarse en el caso de entornos críticos tales como en instalaciones industriales con ruido electromagnético, en áreas de almacenamiento de materiales sumamente inflamables, en estructuras expuestas a descargas electrostáticas durante tormentas eléctricas y en la monitorización de monumentos u obras de arte en general. La ausencia de corrientes eléctricas fluyendo a través de la zona de detección del sensor según la presente invención hace que este transductor también sea ideal para 40 aplicaciones biomédicas al evitar el riesgo de electrocución. También es posible controlar varios puntos o zonas de detección (y los correspondientes transductores) simultáneamente, por medio de redes de sensores complejas pero aún así bastante baratas según la presente invención. Además, si se usa un software adecuado, también es posible controlar los sensores a través de la web usando protocolos normalizados tales como, por ejemplo, el protocolo TCP/IP. 45

Ha de apreciarse también que el enfoque de detección según la presente invención (y, por consiguiente, los transductores de detección según la presente invención), a diferencia de algunos transductores ópticos de la técnica anterior, no requiere interrumpir las fibras ópticas (tal como, por ejemplo, en el caso de transductores ópticos basados en la reflexión y/o absorbancia de luz) de modo que los transductores y medios y/o dispositivos de detección en su conjunto según la presente invención pueden aislarse mejor del polvo, la lluvia o similares, haciendo 50 así los transductores y/o dispositivos de detección según la presente invención particularmente adecuados para aplicaciones en exteriores.

Tomando como base las consideraciones indicadas anteriormente, se da a conocer un transductor óptico adaptado para detectar acciones mecánicas externas que actúan sobre dicho transductor, comprendiendo dicho transductor al menos una trayectoria óptica de detección adaptada para transmitir al menos una señal óptica de 55 detección y para emitir al menos una señal eléctrica de salida de detección y al menos una trayectoria de referencia adaptada para emitir al menos una señal de referencia eléctrica de salida. Además, al menos una parte de dicha al menos una trayectoria óptica está adaptada para exponerse a acciones mecánicas externas, de modo que la transmisión de dicha señal óptica de detección a través de dicha trayectoria óptica de detección puede modificarse, dando como resultado un desplazamiento de fase entre dicha señal eléctrica de detección y dicha señal eléctrica de 60 referencia.

En particular, una primera realización de la presente invención se refiere a un transductor óptico según la reivindicación 1.

Realizaciones adicionales de la presente invención se definen en las reivindicaciones dependientes.

extremos opuestos de dicha al menos una parte de dicha al menos una trayectoria óptica para medios de fijación de modo que dichas acciones mecánicas que actúan sobre dicha parte dan como resultado la modificación 5 de la longitud Ls, generando así un desplazamiento de fase entre dicha al menos una señal eléctrica de detección de salida y dicha al menos una señal eléctrica de referencia de salida.

A continuación se dará a conocer un método de medición que comprende medir el desplazamiento de fase entre dicha señal de detección eléctrica de salida y dicha al menos una señal de referencia eléctrica de salida en ausencia de cualquier acción mecánica que actúa sobre dicha al menos una parte de dicha al menos una trayectoria de 10 detección óptica.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Ventajas, objetos y características así como realizaciones adicionales de la presente invención se definen en las reivindicaciones adjuntas y resultarán más evidentes con la siguiente descripción detallada cuando se considera con referencia a los dibujos adjuntos, en los que características y/o partes componentes similares se 15 identifican mediante números de referencia similares. En particular, en los dibujos:

la figura 1 se refiere a una vista esquemática de un transductor óptico y un dispositivo de medición según una primera realización de la presente invención;

la figura 2 se refiere a una vista esquemática de una segunda realización de un transductor óptico y un dispositivo de medición según la presente invención; 20

la figura 3 se refiere a una vista esquemática de medios de medición adaptados para usarse en combinación con un transductor óptico según la presente invención y adaptados para implementarse en un dispositivo de medición según la presente invención;

la figura 4 representa esquemáticamente la dependencia de la señal de salida del transductor óptico y el dispositivo de medición según la presente invención respecto a la diferencia de fase  entre la señal de detección y 25 la señal de referencia;

la figura 5 representa esquemáticamente una realización adicional de un transductor óptico y un dispositivo de medición según la presente invención;

la figura 6 se refiere a una vista esquemática de una realización adicional de un transductor óptico y un dispositivo de medición según la presente invención; 30

la figura 7 representa esquemáticamente una realización adicional de un transductor óptico y un dispositivo de medición según la presente invención;

la figura 8 se refiere a una vista esquemática de una realización adicional de un transductor óptico y un dispositivo de medición según la presente invención;

la figura 9 representa esquemáticamente una realización de un dispositivo de medición según la presente 35 invención que implementa una pluralidad de transductores ópticos y que permite, por tanto, detectar una pluralidad de acciones mecánicas que actúan sobre una correspondiente pluralidad de zonas de detección.

DESCRIPCIÓN DETALLADA

Aunque la presente invención se describe con referencia a las realizaciones según se ilustran tanto en la siguiente descripción detallada como en los dibujos, ha de entenderse que la siguiente descripción detallada, así 40 como los dibujos, no pretenden limitar la presente invención a las realizaciones ilustrativas particulares dadas a conocer, sino que más bien las realizaciones ilustrativas descritas meramente ejemplifican los diversos aspectos de la presente invención, cuyo alcance se define por las reivindicaciones adjuntas.

Se entiende que la presente invención es particularmente ventajosa cuando se usa para detectar y/o medir acciones mecánicas tales como, por ejemplo, tracción y/o compresiones. Por este motivo, se darán ejemplos a 45 continuación en los que las correspondientes realizaciones del transductor óptico y el dispositivo de medición según la presente invención se usan para detectar tanto tracciones como compresiones así como desplazamientos provocados por dichas tracciones y/o compresiones. Sin embargo, ha de observarse que el uso de los transductores ópticos según la presente invención no se limita a la detección y/o medición de tracciones y compresiones y los desplazamientos resultantes; por el contrario, el transductor óptico y el dispositivo de medición según la presente 50 invención también pueden usarse para medir y/o detectar diferentes fuerzas así como distancias. La presente invención es, por tanto, útil también para la medición de todas estas fuerzas, acciones mecánicas, distancias y desplazamientos, y las fuerzas, desplazamientos y distancias que se describen a continuación sirven para representar cualquier fuerza, distancia y desplazamiento.

La primera realización de un transductor óptico y un dispositivo de medición según la presente invención se 55

describirá a continuación con referencia a la figura 1.

En la figura 1, la referencia 100 identifica un dispositivo de medición equipado con un transductor óptico según la presente invención. Todavía en la figura 1, los números de referencia 5 y 4 identifican una primera y una segunda trayectoria, respectivamente, denominadas a continuación también trayectoria de detección y trayectoria de referencia, respectivamente. La trayectoria de detección 5 comprende una trayectoria óptica adaptada para 5 transmitir una señal de detección óptica b’ y para emitir una señal de referencia de salida d; con este fin, se proporcionan medios 6, adaptados para recibir la señal óptica b’ que entra en la trayectoria óptica 5 y para convertir la señal óptica b’ en una señal eléctrica d. El número de referencia 8 identifica dos medios de fijación fijados a la trayectoria óptica 5 de modo que definen una parte 5’ de dicha trayectoria óptica 5 de una longitud predefinida Ls. Los medios de fijación o bloqueos 8 se usan para fijar la parte de detección 5’ de la trayectoria óptica 5 en una 10 región cuyo desplazamiento ha de monitorizarse; en particular, la parte de detección 5’ está adaptada para exponerse a una acción mecánica que da como resultado la modificación de la longitud Ls de dicha parte de detección 5’. A modo de ejemplo, estas acciones mecánicas pueden comprender fuerzas de tracción o compresión. Todavía en la figura 1, el número de referencia 1 identifica medios de generación adaptados para generar una señal eléctrica, por ejemplo una señal de RF a. Además, el número de referencia 2 identifica medios de división adaptados 15 para dividir (no necesariamente de manera uniforme) la señal eléctrica a en dos correspondientes señales eléctricas b y c que entran en las trayectorias de detección y en la trayectoria de referencia 4, respectivamente. Finalmente, la referencia e identifica una señal eléctrica que sale de la trayectoria de referencia 4, mientras que el número de referencia 7 identifica medios de medición adaptados para medir la diferencia o desplazamiento de fase entre las señales eléctricas d y e, estando dichos medios de medición 7 adaptados para recibir las señales eléctricas d y e y 20 para emitir una señal f. Además, el número de referencia 3 identifica medios de emisión de luz adaptados para recibir la señal eléctrica b y para convertir dicha señal eléctrica b en una correspondiente señal óptica b’.

El principio de funcionamiento de la realización de la presente invención representada en la figura 1 se basa en la medición de la variación de la diferencia de fase entre las dos señales d y e, debido a una variación de la longitud de la trayectoria (en particular, de la longitud Ls de la parte de detección 5’) recorrida por la señal óptica b’ y 25 puede resumirse de la siguiente manera.

Los medios de generación de señal 1 producen una señal de RF a, a una frecuencia f, que ha determinarse basándose en consideraciones generales tales como, por ejemplo, el equilibrio entre costes y rendimientos. En general, cuanto mayor sea la frecuencia usada, mejor será la resolución de la deformación medida aunque pueden surgir problemas de ambigüedad con desplazamientos grandes; por consiguiente, en el caso de desplazamientos 30 bruscos o relevantes, pueden preferirse frecuencias inferiores. Alternativamente, también es posible usar un generador variable en frecuencia, que permita realizar mediciones tanto a una frecuencia suficientemente baja para evitar ambigüedades como a una frecuencia suficientemente alta para obtener la resolución alcanzada. La señal de RF generada por los medios de generación 1 se divide en dos subseñales b y c (no necesariamente de un modo uniforme) mediante los medios de división 2. Una salida del divisor de potencia 2 alimenta los medios de emisión de 35 luz 3 mientras que la otra salida está conectada a la trayectoria de referencia 4 de modo que las señales b y c entran en los medios de emisión ópticos 3 y en la trayectoria de referencia 4, respectivamente. Por ejemplo, los medios de emisión de luz 3 pueden comprender un LED, un diodo láser o similar. La señal b se convierte por los medios de emisión de luz 3 en una correspondiente señal óptica b’ que entra en la trayectoria óptica de detección 5, en particular, en la parte de detección 5’ de la trayectoria óptica 5. La señal óptica b’ se transmite a través de la parte de 40 detección 5’ de la trayectoria óptica 5 y entra a continuación en los medios de recepción ópticos 6 en los que dicha señal óptica b’ se convierte en una correspondiente señal eléctrica d. En las salidas tanto de la trayectoria de detección óptica 5 como de la trayectoria de referencia 4, las correspondientes señales d y e se recogen por los medios de medición 7 adaptados para medir o determinar la diferencia de fase entre las señales d y e. Con este fin, los medios de medición 7 están adaptados para emitir una señal f que a continuación se recoge por medios 45 informáticos (no representados en la figura 1); por ejemplo, dichos medios informáticos pueden comprender una tarjeta de adquisición digital (DAQ) adaptada para convertir la señal eléctrica f en una señal digital y una unidad informática tal como, por ejemplo, un PC equipado con software adaptado para analizar los datos que salen de los medios de medición 7.

Pueden usarse diferentes fibras ópticas con el fin de implementar la trayectoria óptica de detección 5; por 50 ejemplo, dependiendo de las circunstancias, pueden usarse fibras ópticas poliméricas (POF) o, alternativamente, fibras de silicato. Los medios de recepción ópticos 6 pueden comprender fotodiodos seguidos de un amplificador de ruido bajo. El brazo de referencia 4 puede implementarse por cualquier medio adecuado para conectar el divisor de potencia 2 con el medidor de fase 7. Normalmente, la trayectoria de referencia comprende un cable coaxial o un circuito de microcinta, aunque también puede comprender, por ejemplo, otra fibra óptica. En este caso, la trayectoria 55 de referencia 4 comprenderá medios de emisión ópticos adaptados para recibir la señal de referencia eléctrica c y para convertir dicha señal de referencia eléctrica c en una correspondiente señal de referencia óptica, así como medios de recepción ópticos adaptados para recibir dicha señal de referencia óptica y para convertir dicha señal de referencia óptica en la señal de referencia eléctrica e.

Considerando ahora un generador sinusoidal 1, la señal de RF emitida por dicho generador 1 puede 60 describirse mediante

siendo A una constante.

Suponiendo un comportamiento ideal para el divisor de potencia 2, las señales b y c emitidas por dicho divisor de potencia 2 pueden describirse, respectivamente, mediante

5

donde las constantes B y C están relacionadas con A mediante la relación de separación del divisor de potencia 2. Por consiguiente, las señales d y e que entran en los medios de medición 7 (el medidor de fase) pueden describirse mediante

estando las constantes D y E relacionadas con B y C por las atenuaciones de la trayectoria de detección 5 y la 10 trayectoria de referencia 4, respectivamente. Los desplazamientos de fase  y  en la ecuación (3) dependen de la velocidad de propagación v de las señales en la trayectoria de detección y en la de referencia y de sus longitudes así como del retardo de fase introducido por algún dispositivo a lo largo de la trayectoria.

Parece evidente, por tanto, a partir de la ecuación (3) que una variación de la longitud de la trayectoria de detección 5 (en particular, de la longitud de la parte de detección 5’) debido a una acción mecánica externa tal como, 15 por ejemplo, una tracción o una compresión, producirá una variación de  y, por tanto, una variación de (-), y, a su vez, una variación de la señal de salida f que sale del medidor de fase.

Por consiguiente, si se detecta el desplazamiento de fase natural del transductor óptico y el dispositivo de medición representados en la figura 1, concretamente la diferencia o el desplazamiento de fase entre las dos señales d y e en ausencia de cualquier acción mecánica que actúe sobre la trayectoria óptica (en la parte de 20 detección 5’ de la trayectoria óptica 5), cualquier acción mecánica que actúe sobre la trayectoria óptica 5 (en la parte de detección 5’ de la trayectoria óptica 5) y que dé como resultado una variación de la longitud de la trayectoria óptica 5 (de la longitud Ls de la parte de detección 5’ de la trayectoria óptica) también producirá una variación del valor del desplazamiento de fase  entre la señal eléctrica de detección d y la señal eléctrica de referencia e; por consiguiente, detectar dicha variación de la diferencia de fase  permite detectar las acciones mecánicas que actúan 25 sobre la trayectoria óptica así como cualquier desplazamiento tal como, por ejemplo, desplazamientos de los medios de fijación o bloqueos 8. Por ejemplo, con el fin de medir la elongación de una viga de acero u hormigón, la parte de detección 5’ se fijará directamente por toda su longitud a la viga usando un tipo adecuado de cola. En cambio, en aquellas aplicaciones en las que ha de medirse la distancia entre dos puntos de referencia, las partes de extremo opuestas de la parte 5’ se fijarán a estos puntos de referencia. Del mismo modo, en otras aplicaciones en las que es 30 necesario medir la tensión en regiones cortas predefinidas únicamente, la trayectoria óptica se hará de fibras que se dejan sueltas dentro una funda protectora y sólo se pegará de algún modo la parte correspondiente a las regiones predefinidas.

Parece evidente a partir de la descripción facilitada anteriormente que la resolución del transductor óptico y el correspondiente dispositivo de medición representados en la figura 1 se refiere a la dependencia de la variación 35 de la diferencia de fase  respecto a la variación de la longitud de la parte de detección 5’ generada por una acción mecánica que actúa sobre dicha parte 5’. Es decir, que si una pequeña variación de las longitudes corresponde a una variación relevante del desplazamiento de fase , también pueden detectarse acciones mecánicas ligeras que producen pequeñas variaciones en la longitud de la parte de detección 5’; en cambio, si sólo una variación grande o relevante de la longitud de la parte de detección 5’ produce variaciones relevantes en el desplazamiento de fase  40 entre las dos señales d y e, sólo pueden detectarse acciones mecánicas relevantes que producen variaciones relevantes en la longitud, por consiguiente. En otras palabras, la sensibilidad del transductor óptico y el dispositivo de medición representados en la figura 1 depende de la relación entre la variación de la longitud de trayectoria óptica 5 (de la parte de detección 5’) y la correspondiente variación en el desplazamiento de fase .

A continuación se describirá una realización adicional de un transductor óptico y un dispositivo de medición 45 según la presente invención y que ofrece una sensibilidad mejorada, con referencia a la figura 2, en la que características y/o partes componentes similares ya descritas con referencia a la figura 1 se identifican mediante números de referencia similares.

La realización de la presente invención representada en la figura 2 es sustancialmente similar a la representada en la figura 1 y descrita anteriormente, pero difiere de la realización de la figura 1 en que la parte de 50 detección 5’ tiene una longitud correspondiente al doble de la longitud Ls de la parte de detección 5’ de la realización representada en la figura 1. En particular, como resulta evidente a partir de la figura 2, esto se obtiene proporcionando una trayectoria óptica 5 que comprende dos partes rectilíneas unidas por una parte curva. Por consiguiente, si los medios de fijación 8 están dispuestos según se representa en la figura 2, concretamente de modo que se fijan a las partes de extremo opuestas de dichas dos partes de detección 5’, parece evidente que una 55 acción mecánica que actúa sobre el transductor (en estas dos partes de detección 5’) producirá una variación de la

longitud de cada parte de detección 5’, dando como resultado una variación total de la longitud de la trayectoria óptica 5 más relevante que la variación de la longitud que la misma acción mecánica habría producido en la parte de detección 5’ del transductor óptico representado en la figura 1. En particular, la variación de la longitud producida por una acción mecánica que actúa sobre las dos partes de detección rectilíneas 5’ del transductor de la figura 2 puede producir una variación total de la longitud de estas dos partes de detección 5’ correspondiente al doble o más de la 5 variación de la longitud que la misma acción mecánica habría producido en la parte de detección 5’ del transductor de la figura 1. Por tanto, el resultado es que en el caso del transductor óptico de la figura 2, incluso acciones mecánicas ligeras darán como resultado una variación de la diferencia de fase entre las dos señales d y e suficientemente relevante para detectarse y medirse por los medios de medición (el medidor de fase) 7. Además, la configuración descrita en la figura 2 simplifica la distribución del suministro de potencia ya que tiene la ventaja 10 práctica de tener todos los dispositivos optoelectrónicos y eléctricos en el mismo lado.

A continuación se describirá un ejemplo de medios de medición adaptados para usarse en combinación con el transductor óptico según la presente invención y adaptados para implementarse en el dispositivo de medición según la presente invención, con referencia a la figura 3, en la que, como es habitual, características y/o partes componentes similares se identifican mediante números de referencia similares. 15

En la figura 3, el número de referencia 9 identifica medios de mezclado, mientras que el número de referencia 10 identifica un filtro de paso bajo. Los medios de mezclado 9 (en lo sucesivo también denominados mezclador) están adaptados para recibir la señal eléctrica de detección de salida d que sale de la trayectoria de detección 5 y la señal eléctrica de referencia de salida e que sale de la trayectoria de referencia 4. El mezclador 9 puede ser de cualquier tipo, concretamente pasivo o activo. Alternativamente, según las circunstancias, pueden 20 usarse multiplicadores analógicos con el fin de mezclar las dos señales d y e. Sin embargo ha de entenderse que, a la luz de la presente invención, mezclar las señales d y e significa recibir dichas señales d y e y emitir una señal g que entra a continuación en el filtro de paso bajo 10, desde el que se emite una señal de salida f adicional. La forma en que puede detectarse la variación en el desplazamiento de fase entre las señales d y e por los medios de medición 7 de la figura 3 puede resumirse de la siguiente manera. 25

Las señales d y e representadas en la figura 3 tienen las mismas expresiones ya escritas anteriormente. Suponiendo un comportamiento ideal para el mezclador 9, la señal g que sale de dicho mezclador 9 puede describirse por

de modo que, si el filtro de paso bajo 10 tiene un comportamiento ideal, la señal f que sale de dicho filtro de paso 30 bajo 10 puede describirse por

donde  es igual a - y k es proporcional a las amplitudes de señal. Esto muestra claramente que la señal que sale de los medios de medición 7 es proporcional a la diferencia o desplazamiento de fase  que, a su vez, depende de las longitudes de las trayectorias de detección y de referencia, aunque con una dependencia no lineal. 35

Al inicio de la sesión de medición, y en ausencia de cualquier acción mecánica sobre el transductor, se registra el valor de f, pongamos fz. Por consiguiente, si se aplica una acción mecánica al transductor, por ejemplo, una tracción o compresión que actúa sobre la parte de detección 5’ de la trayectoria óptica 5, el valor de f cambia, permitiendo así la medición del desplazamiento que puede entonces describirse por

40

Por tanto, el resultado es que si se recoge la señal f, las variaciones de dicha señal f pueden relacionarse con la variación de la longitud de la parte de detección 5’ de la trayectoria óptica 5 y, a su vez, con la acción mecánica que actúa sobre el transductor. Con este fin, la señal f se envía a medios informáticos, por ejemplo, a un ordenador personal (normalmente a través de una tarjeta DAQ) para el tratamiento de las señales y la recuperación de la amplitud de la acción mecánica a partir de la información de variación de fase. 45

Puesto que la variación de fase es proporcional también a , una resolución en el desplazamiento del orden de décimas de micras requiere el uso de frecuencias en el intervalo de los GHz, mientras que una resolución de décimas de milímetro es posible usando una frecuencia de unos pocos MHz.

A pesar de todas las ventajas previamente descritas, los transductores ópticos y los dispositivos de medición representados en las figuras 1 y 2 no carecen por completo de inconvenientes. En particular, el primer 50 inconveniente que afecta a los transductores ópticos y a los dispositivos de medición de las figuras 1 y 2 se refiere al hecho de que la sensibilidad tanto del transductor óptico como del dispositivo de medición depende del valor de  en ausencia de cualquier acción mecánica que actúe sobre el transductor, es decir, de la diferencia de fase entre las señales d y e que entran en los medios de medición 7. Esto parece evidente, en particular, a partir de la figura 4 en la que se ha representado la relación entre la señal f que sale de los medios de medición 7 (en particular, el filtro de 55

paso bajo 10) y la variación en la diferencia de fase entre las señales d y e que entran en los medios de medición 7 (en particular, el mezclador 9) de la figura 3. De hecho, como resulta evidente a partir de la figura 4, puesto que la relación entre la señal f y  puede representarse como un coseno, si el valor de  en ausencia de cualquier acción mecánica aproximadamente corresponde a 0, el “punto de trabajo” del transductor estará ubicado en la región de menor sensibilidad representada en la figura 4, de modo que variaciones de  en el intervalo de 30º darán como 5 resultado pequeñas variaciones de la señal de salida f, de modo que será difícil apreciar y/o recuperar la acción mecánica a la que se deben estas variaciones de . En cambio, si el desplazamiento de fase entre las dos señales d y e en ausencia de cualquier acción mecánica que actúe sobre el transductor sustancialmente corresponde a 90º, el “punto de trabajo” del transductor estará ubicado en la región de más sensibilidad representada en la figura 4, de modo que incluso pequeñas variaciones de  debidas a acciones menos relevantes que actúan sobre el transductor 10 darán como resultado una variación relevante de la salida f, permitiendo así detectar dicha variación de  y recuperar la correspondiente variación de la longitud de la parte de detección 5’ o incluso la acción mecánica.

Un ejemplo de una realización adicional de un transductor óptico y un dispositivo de medición adaptados para mantener el “punto de trabajo” del transductor centrado en aproximadamente 90º se describirá a continuación con referencia a la figura 5, en la que, como es habitual, características o partes componentes similares ya descritas 15 con referencia a las figuras anteriores se identifican mediante los mismos números de referencia.

El transductor óptico y el dispositivo de medición de la figura 5 comprenden adicionalmente un desplazador de fase 11. En particular, dicho desplazador de fase 11, en el ejemplo representado en la figura 5 se añade a la trayectoria de referencia 4; sin embargo, según las circunstancias, dicho desplazador de fase 11 también podría añadirse a la trayectoria óptica de detección 5. La finalidad del desplazador de fase 11 es la de ajustar, en ausencia 20 de cualquier acción mecánica que actúe sobre el transductor (sobre la parte de detección 5’), la diferencia de fase  entre la señal eléctrica de detección d y la señal eléctrica de referencia e para mantener dicha diferencia de fase  aproximadamente correspondiente a 90º. De este modo, como resulta evidente a partir de la figura 4, el punto de trabajo del transductor se mantiene en la región de máxima sensibilidad, concretamente en la región centrada en aproximadamente 90º. La sencilla solución representada en la figura 5 permite mejorar drásticamente la sensibilidad 25 del transductor y el dispositivo de medición según la presente invención de modo que incluso acciones mecánicas menos relevantes tales como, por ejemplo, tracciones o compresiones o un pequeño desplazamiento dado, pueden detectarse y medirse.

Un inconveniente adicional que afecta a las realizaciones de la presente invención descritas anteriormente con referencia a las figuras 1 a 5 se refiere al hecho de que, como resulta evidente a partir de la ecuación (5), la 30 salida del filtro de banda de paso bajo 10 no sólo depende de la diferencia de fase entre las dos señales d y e, sino también de la amplitud de estas dos señales. Esto implica que cualquier variación en la potencia recibida (en la potencia de una o las dos señales d y e) que entra en el medidor de fase 7 y que no se debe a una acción mecánica que actúa sobre el transductor, sino por ejemplo, a una variación de la atenuación óptica en la trayectoria óptica o de la atenuación eléctrica en la trayectoria de referencia 4, no podrá distinguirse de una variación en las longitudes de 35 trayectoria relativas. En otras palabras, no será posible apreciar si una variación en la salida f que sale de los medios de medición 7 se debe realmente a una variación en la diferencia de fase entre las señales d y e (como resultado de una acción mecánica que actúa sobre el transductor) o a un motivo diferente que genera una variación en la potencia de entrada de una o ambas de las dos señales d y e. Por consiguiente, una realización adicional de un transductor óptico y un dispositivo de medición según la presente invención y adaptados para superar o al menos 40 minimizar este inconveniente adicional se describirá a continuación con referencia a la figura 6 en la que, como es habitual, características y/o partes componentes similares ya descritas anteriormente con referencia a las figuras anteriores se identifican mediante los mismos números de referencia.

En la figura 6, el número de referencia 14 identifica un desplazador de fase adaptado para introducir un desplazamiento de fase de la señal de referencia c que sale del divisor de potencia 2 de aproximadamente 90º. Sin 45 embargo, la diferencia más importante entre la realización de la figura 6 y las realizaciones de las figuras 1, 2 y 5 se refiere al hecho de que, en la realización de la figura 6, se usan dos medios de medición 7’ y 7” del tipo representado en la figura 3. En particular, los medios de medición 7’ comprenden un primer mezclador 9 y un primer filtro de banda de paso bajo 10; el mezclador 9 está adaptado para recoger las dos señales d y e y para emitir una correspondiente señal g que se recoge, a su vez, por el filtro de banda de paso bajo 10, desde el que se emite 50 entonces una correspondiente señal f. Los segundos medios de medición 7” comprenden un segundo mezclador 12 adaptado para recoger la señal de detección d y una señal de referencia h que sale del desplazador de fase 14, concretamente la señal de referencia c desplazada 90º. La señal i que sale del segundo mezclador 12 entra en el segundo filtro de banda de paso bajo 13, desde el que se emite la señal l.

El principio de funcionamiento de la realización representada en la figura 6 puede resumirse de la siguiente 55 manera.

Suponiendo un comportamiento ideal para el desplazador de fase 14, la señal de referencia h que sale de dicho desplazador de fase 14 puede describirse mediante

de modo que la señal de salida i del mezclador 12 puede describirse mediante

Según el filtro de banda de paso bajo 13 ideal, la señal de salida l puede describirse mediante

Por consiguiente, cuando la sensibilidad de uno de los dos medios de medición 7’ y 7” está en su mínimo, la 5 otra está en el máximo y viceversa. En otras palabras, el “punto de trabajo” de al menos uno de los dos medios de medición 7’ y 7” se mantiene siempre en la región de máxima sensibilidad representada en la figura 4, concretamente en una región centrada en aproximadamente 90º. Además, las salidas f y l pueden usarse también para evitar la dependencia de la medida respecto a la potencia recibida ya que la potencia puede estimarse considerando que 10

Sin embargo, existe un inconveniente adicional que afecta a las realizaciones descritas anteriormente con referencia a las figuras 1, 2, 5 y 6, concretamente el inconveniente relacionado con el hecho de que la salida de los medios de medición 7, 7’ y 7” (en particular, la salida del filtro de banda de paso bajo 10 y 13) es un valor de CC, lo que significa que esta salida es sensible a las desviaciones introducidas en las diversas etapas que componen el 15 transductor óptico y el dispositivo de medición. Por consiguiente, con la realizaciones representadas en las figuras 1, 2, 5 y 6, puede resultar difícil apreciar si una variación en una de las señales de salida f y l se debe a una variación en la diferencia de fase entre o bien las señales d y e entrantes o bien las señales d y h entrantes debido a una acción mecánica que actúa sobre el transductor, o si la variación detectada en una de las señales de salida f y l se debe más bien a una variación en la diferencia de fase entre o bien las señales d y e o bien las señales d y h, que 20 sin embargo no se debe a ninguna acción mecánica que actúa sobre el transductor, sino por ejemplo a una desviación introducida por una de las etapas que componen la configuración. Por consiguiente, una realización adicional de un transductor y un dispositivo de medición según la presente invención y que permiten superar tanto este inconveniente adicional como los otros inconvenientes mencionados anteriormente se describirá a continuación con referencia a la figura 7, en la que, de nuevo, características y/o partes componentes similares ya descritas 25 anteriormente con referencia a las figuras anteriores se identifican mediante los números de referencia similares.

La diferencia más importante entre la realización representada en la figura 7 y las descritas anteriormente con referencia a las figuras anteriores se refiere al hecho de que la realización de la figura 7 comprende adicionalmente segundos medios de generación (un segundo generador de señal 16 y un segundo divisor de potencia 15); la señal a’ generada por el segundo generador 16 entra en el divisor de potencia 15 desde el que se 30 emiten dos señales m y n. La señal m, junto con la señal eléctrica de detección d entra en los primeros medios de medición 7’ que comprenden un primer mezclador 9 y un primer filtro paso banda 17 centrado en una frecuencia f0. Del mismo modo, la segunda señal n y la señal eléctrica de referencia e entran en los segundos medios de medición 7” que comprenden un segundo mezclador 12 y un segundo filtro paso banda 18 centrado en la misma frecuencia f0.

La finalidad de la realización representada en la figura 7 es siempre la de percibir y/o detectar una acción 35 mecánica o un desplazamiento o una fuerza que actúa sobre el transductor a través de una variación en las trayectorias que siguen la señal de detección d(t) y la señal de referencia e(t); sin embargo, en el presente caso, la variación en las trayectorias que siguen las dos señales d y e no se considera una variación del desplazamiento de fase entre dichas dos señales d y e sino como el retardo en el tiempo entre las mismas. Además, para mejorar la resolución, este retardo en el tiempo no se mide directamente entre las dos señales d y e sino entre dos señales f(t) 40 y l(t) que salen de los primeros medios de medición 7’ y los segundos medios de medición 7”, respectivamente.

Los primeros medios de generación 1 (el primer generador) generan una señal a a una frecuencia f1, mientras que los segundos medios de generación 16 (el segundo generador) generan una señal a’ a una frecuencia f2 que difiere de la frecuencia f1 en una pequeña cantidad f0. El segundo generador 16 se bloquea con el primer generador 1 para garantizar que la diferencia de frecuencia f0 se mantiene sustancialmente constante. Por 45 consiguiente, o bien

La señal a que sale del oscilador 1 se separa mediante el divisor de potencia 2 en dos señales b y c, dirigiéndose la señal b a los medios de emisión ópticos 3, mientras que la señal c actúa como la señal de referencia y se conecta directamente a los medios de medición 7”; en particular, según se representa en la figura 7, la señal de 50 referencia e entra en los segundos medios de mezcla 12 junto con la señal n, concretamente junto con una fracción de la señal a’ procedente del segundo generador 16 a través del segundo divisor de potencia 15. Del mismo modo,

la señal eléctrica de detección d que sale de la trayectoria óptica 5 que comprende los medios de generación ópticos 3, la parte de detección 5’ y los medios de generación eléctricos 6, se introduce en los primeros medios de mezclado 9 junto con la señal m, concretamente con una fracción de la señal a’ generada por el segundo generador 16.

Considerando las señales de RF sinusoidales, las señales que entran en el mezclador 9 pueden escribirse como 5

siendo D y M constantes que tiene en cuenta las atenuaciones a lo largo de las trayectorias respectivas y  el desplazamiento de fase relativo de la señal d(t) con respecto a la señal m(t). La señal g(t) que sale del primer mezclador 9 entra en un filtro paso banda 17 centrado en una frecuencia f0. En particular, es importante observar que, en las realizaciones descritas anteriormente con referencia a las figuras anteriores, se usó un filtro de banda de 10 paso bajo, mientras que en el presente caso se usa un filtro paso banda centrado en una frecuencia f0.

Suponiendo un comportamiento ideal de los componentes, la señal f que sale del filtro paso banda 17 puede describirse mediante

es decir, una señal que tiene el mismo desplazamiento de fase que la señal de detección d pero a una frecuencia 15 angular 0, correspondiente a la frecuencia f0.

Las mismas consideraciones que las expuestas anteriormente también se aplican a la trayectoria de referencia 4; de hecho, en este caso, las señales e y n que entran en el segundo mezclador 12 pueden describirse mediante

20

siendo E y N constantes que tienen en cuenta la atenuación a lo largo de las trayectorias y  el desplazamiento de fase de la señal e(t) con respecto a la señal m(t) o la señal n(t).

De nuevo suponiendo un comportamiento ideal, a la salida del filtro paso banda 18 centrado en la frecuencia f0, la señal l que sale de dicho filtro paso banda 18 puede describirse mediante

25

Es decir, una señal que tiene el mismo desplazamiento de fase que la señal de referencia e pero a una frecuencia angular 0.

Parece evidente a partir de las ecuaciones 11 y 13 y 12 y 14, respectivamente, que las señales f y l que salen del primer filtro paso banda 17 y el segundo filtro paso banda 18, respectivamente, son señales sinusoidales que mantienen los mismos desplazamientos de fase que la señal de detección d y la señal de referencia e, 30 respectivamente; sin embargo, su frecuencia cambia de f1 a f0. Por consiguiente, la fase puede medirse fácilmente ahora con buena precisión porque la frecuencia operativa es baja. Además, debido a que las señales f y l son ahora señales de CA (mientras que en la realización anterior las señales que salen de los medios de medición eran señales de CC), las señales f y l ya no son sensibles a ninguna desviación introducida por las diversas etapas que componen la configuración. En otras palabras, la realización de la figura 7 permite superar el inconveniente que 35 afecta a la realización representada en la figura 6.

Considerando que las fases también pueden escribirse en términos de retardos en el tiempo, la diferencia de fase  también puede describirse mediante

La ecuación (15) implica que la misma diferencia de fase  a la frecuencia f0 da como resultado un retardo 40

en el tiempo correspondiente a f1/f0 x el retardo en el tiempo a la frecuencia f1. En otras palabras, la misma variación de la longitud de la trayectoria de detección 5 (de la longitud de la parte de detección 5’) produce un efecto mucho más fuerte en la señal f(t) que en la señal d(t). Por ejemplo, considerando POF convencionales para las trayectorias tanto de detección como de referencia 5 y 4, f1 = 20 MHz y f0 = 1 kHz, una variación de longitud de 1 cm produce una diferencia de fase  de alrededor de 0,36º, correspondiente a un retardo en el tiempo de solamente 50 ps a f1 5 pero de un microsegundo a f0.

Según las circunstancias, la realización de la figura 7 puede modificarse con el fin de mejorar su fiabilidad y/o su sensibilidad. Por ejemplo, puede introducirse un tercer oscilador (no mostrado en la figura 7), bloqueándose dicho tercer oscilador con los otros dos generadores y trabajando exactamente a la frecuencia f0. Este tercer generador puede proporcionarse para generar una señal para un filtro sincronizado u otros filtros de banda estrecha 10 (que tampoco se muestran en la figura 7) que pueden implementarse o bien en forma de hardware o bien a través de software para recuperar las señales f(t) y l(t) en caso de señales particularmente ruidosas.

La medición de la fase entre las señales f(t) y l(t) puede realizarse de diversas maneras ya que las señales implicadas son señales de baja frecuencia. Por ejemplo, esto puede realizarse mediante un PC conectado al circuito a través de una tarjeta de adquisición digitalizadora. Entonces, también puede usarse un programa fácil de manejar 15 para controlar todo el procedimiento de medición y calcular el desplazamiento. En este caso el programa debería realizar las operaciones descritas a continuación.

 Obtiene las señales f(t) y l(t).

 Opcionalmente obtiene la señal de referencia a f0 del tercer generador.

 Reconstruye señales ideales libres de ruido a partir de las obtenidas. Si se usa el tercer generador, 20 esto puede realizarse recuperando los parámetros de señal usando una técnica de sincronización digital (es decir una especie de detección sincrónica) u otras técnicas de filtrado de banda estrecha, o de otro modo puede usarse un ajuste senoidal de tres parámetros o de cuatro parámetros.

 Mide el retardo en el tiempo entre las señales libres de ruido reconstruidas y estima la variación de 25 la longitud de la fibra de detección con respecto a una medida previamente almacenada tomada como el valor cero.

Todo el procedimiento se repite cientos de veces y se calculan el valor promedio y la desviación estándar para dar al usuario una estimación de la confianza del proceso de medición.

En todas las realizaciones descritas anteriormente con referencia a las figuras 1 a 7, la parte de detección 5’ 30 de la trayectoria de detección óptica se ha descrito como aquella parte de la trayectoria óptica incluida entre los dos bloqueos 8. Sin embargo, se ha puesto de manifiesto que es difícil en todas estas realizaciones garantizar que el resto de la trayectoria de detección (aquella parte de la trayectoria de detección fuera de los dos bloqueos 8) no esté influenciada por una acción mecánica que actúa sobre el transductor. En la práctica, también la transmisión de la señal óptica y/o eléctrica a través de partes de la trayectoria de detección distintas de la parte de detección 5’ está 35 influenciada y/o modificada por una acción mecánica que actúa sobre el transductor; en otras palabras, en todas las realizaciones descritas anteriormente, toda la longitud de la trayectoria de detección puede de algún modo afectar a la salida del transductor, incluso si la parte fuera de la parte de detección 5’ se mantiene suelta y dentro de un alojamiento protector.

Este efecto no deseado puede superarse considerando un esquema de dos longitudes de onda tal como se 40 muestra en la figura 8, en el que, como es habitual, características o partes componentes similares ya descritas con referencia a las figuras anteriores se identifican mediante números de referencia similares.

Como resulta evidente a partir de la figura 8, el enfoque de dos longitudes de onda mencionado anteriormente se ha aplicado a una realización similar a la representada en la figura 2; resultará evidente para los expertos en la técnica que el enfoque de dos longitudes de onda puede aplicarse a cualquiera de las realizaciones 45 descritas anteriormente, incluyendo la realización representada en la figura 7.

La diferencia más importante entre la realización de la figura 8 y la realización de la figura 2 se refiere al hecho de que en la realización de la figura 8 se usan primeros y segundos medios de emisión ópticos 3a y 3b, así como primeros y segundos medios de recepción ópticos 6a y 6b; además, se usan un primer y un segundo divisor o separador de potencia insensible a la longitud de onda 19 y 19’ y un primer y segundo divisor o separador de 50 potencia sensible a la longitud de onda 20 y 20’. Además, en la realización de la figura 8, los medios de medición 21 están adaptados para procesar las dos señales eléctricas de detección d’ y d’’ que se derivan de dos señales de detección ópticas G y R a diferentes longitudes de onda. En particular, en la figura 8, estas dos señales a diferentes longitudes de onda se identifican mediante G (verde) y R (rojo); sin embargo, puede usarse cualquier otra longitud de onda, según las circunstancias. 55

En la realización de la figura 8, la señal a generada por los medios de generación 1 se separa mediante el separador de potencia 2 en una señal de detección b y una señal de referencia c. La señal de referencia c va directamente a la unidad de procesamiento de fase 21 a través de la trayectoria de referencia 4; en particular, la

unidad de procesamiento de fase 21 recibe la señal de referencia c como una señal de referencia e. La señal de detección b se alimenta a primeros y segundos medios de emisión ópticos 3a y 3b, respectivamente, adaptados para convertir la señal b en una primera señal óptica a una longitud de onda predefinida (la señal R) y una segunda señal óptica de detección a una segunda longitud de onda predefinida (la señal G). Las señales ópticas roja y verde R y G se introducen juntas en la parte de detección 5 a través de un primer combinador 19 (es decir un separador de 5 potencia insensible a la longitud de onda usado como un combinador); entonces, justo antes del primer bloqueo 8, un primer separador sensible a la longitud de onda 20 libera la señal roja R que se recombina inmediatamente mediante otro combinador de potencia 19’ con la señal verde R que estaba pasando a través de la parte de detección 5’. Además, un separador sensible a la longitud de onda 20’ adicional demultiplexa las dos señales roja y verde R y G y las encamina a dos medios de recepción ópticos 6a y 6b, respectivamente; las señales eléctricas 10 resultantes d’ y d’’ que salen de los medios de recuperación ópticos 6a y 6b entran entonces en la unidad de procesamiento de fase 21. Mediante la comparación de la variación de desplazamiento de fase de las señales eléctricas d’ y d’’ procedentes de las señales ópticas roja y verde R y G, es posible, por tanto, compensar las deformaciones no deseadas y medir solamente el desplazamiento en la región de detección delimitada por los dos bloqueos 8. En particular, si se miden la variación en el desplazamiento de fase entre, por un lado, la señal de 15 referencia e y la primera señal de detección d’ y, por otro lado, la variación en el desplazamiento de fase entre la señal de referencia e y la segunda señal de detección d’’, puede obtenerse una indicación de la variación en el desplazamiento de fase  que se deriva de influencias distintas a la acción mecánica que actúa sobre la parte de detección 5’, de modo que esta acción mecánica puede detectarse y medirse con precisión.

Además, también es posible recuperar no sólo la variación de la longitud Ls de la parte de detección 5’ sino 20 también su valor absoluto sin necesidad de una calibración previa; en particular, esto es posible combinando la técnica de dos longitudes de onda con un generador de frecuencia variable (o un generador de 2 frecuencias) para realizar mediciones tanto a una frecuencia suficientemente baja para no tener ambigüedades en la longitud de fibra como a una frecuencia suficientemente alta para obtener la resolución deseada. También puede implementarse una variación del esquema mostrado en la figura 8 en el que sólo son necesarios medios de recepción únicos. En este 25 caso, las dos señales R y G que salen del combinador 19’ se encaminan directamente a los medios de recepción 6a. Entonces, la separación entre las dos longitudes de onda puede realizarse en el tiempo, encendiendo y apagando alternativamente las dos fuentes 3a y 3b a un ritmo apropiado. De este modo es posible tener una señal de salida d’ que alternativamente representa la lectura asociada con las señales R y G de modo que puede completarse la compensación de las deformaciones no deseadas o la medición de la distancia absoluta usando el mismo 30 procedimiento descrito anteriormente.

Todas las realizaciones descritas anteriormente con referencia a las figuras 1 a 8 permiten detectar y/o medir las acciones mecánicas que actúan sobre el transductor; por consiguiente, si se proporciona una pluralidad de transductores, puede obtenerse un dispositivo de medición que permite detectar simultáneamente una pluralidad de acciones mecánicas, desplazamientos, esfuerzos o similares. Un ejemplo de un dispositivo de medición de este tipo 35 se describirá a continuación con referencia a la figura 9, en la que, de nuevo, características y/o partes componentes similares ya descritas con referencia a las figuras anteriores se identifican mediante números de referencia similares.

En la realización de la figura 9, se usa una pluralidad de trayectorias de detección ópticas tal como se ha descrito anteriormente con referencia a la figura 1; sin embargo, los expertos en la técnica entenderán que la solución representada en la figura 9 también puede realizarse implementando una de las trayectorias ópticas 40 descritas anteriormente con referencia a cualquiera de las figuras 2 a 8.

Como resulta evidente a partir de la figura 9, la señal eléctrica a generada por los medios de generación 1 se separa mediante el divisor de potencia 2 en una pluralidad de señales eléctricas b1-bn y en una única señal de referencia c. La señal de referencia c entra en la trayectoria de referencia 4, al final del cual, la señal de referencia c se recoge por los medios de medición 7 como una señal eléctrica de referencia e. Las señales eléctricas de 45 detección b1 a bn se convierten mediante los medios de emisión ópticos 31 a 3n en una correspondiente pluralidad de señales ópticas de detección b’1 a b’n que, a su vez, entran en una pluralidad de partes de detección 5’1 a 5’n. Una vez hayan pasado a través de las partes de detección 5’1 a 5’n, y tras haberse modificado eventualmente mediante acciones mecánicas que actúan sobre dichas partes de detección, las señales ópticas b’1 a b’n se convierten en correspondientes señales de detección eléctricas d1 a dn mediante una correspondiente pluralidad de medios de 50 recepción ópticos 61 a 6n. Las señales de detección d1 a dn y la señal de referencia e se recogen por los medios de medición 7 (que comprenden por ejemplo una pluralidad de mezcladores y filtros paso bajo tal como se representa en la figura 3) de modo que se emite una pluralidad de señales de salida f1 a fn. Dichas señales, por tanto, se recogen por una tarjeta de adquisición 30 y se envían a una unidad informática 31 tal como, por ejemplo, un ordenador personal. 55

El dispositivo de medición representado en la figura 9 ha demostrado ser particularmente ventajoso cuando se usa para la detección de acciones mecánicas que actúan sobre diferentes regiones de, por ejemplo, un edificio o similar. De hecho, con el dispositivo de medición de la figura 9, cada una de las trayectorias de detección 51 a 5n pueden proveerse en correspondencia con cada región crítica que debe detectarse, permitiendo así detectar y/o apreciar las acciones mecánicas que actúan sobre una pluralidad de regiones separadas. 60

En resumen, de la descripción anterior se deduce que los transductores ópticos y los dispositivos de medición según la presente invención permiten superar o al menos minimizar los inconvenientes que afectan a los

transductores conocidos en la técnica; en particular, los transductores ópticos y los dispositivos de medición según la presente invención permiten detectar de manera fiable acciones mecánicas tales como, por ejemplo, tracciones y/o compresiones, así como esfuerzos, desplazamientos, choques o similares. Además, los transductores ópticos y los dispositivos de medición según la presente invención permiten detectar tanto acciones mecánicas, esfuerzos, desplazamientos o similares que actúan sobre o surgen en una única región, como múltiples acciones mecánicas, 5 esfuerzos, desplazamientos o similares, que actúan sobre o surgen en múltiples regiones correspondientes.

Los transductores ópticos y los dispositivos de medición según la presente invención pueden aplicarse a las inspecciones de daño en estructuras, y especialmente a estructuras compuestas. Pueden aplicarse, por ejemplo, a la comprobación de trabajos de construcción y a la medición de tensiones. La comprobación de daños y/o desplazamientos en estructuras puede realizarse insertando uno o más de los transductores ópticos según la 10 presente invención en la estructura que debe comprobarse, por ejemplo fijando las trayectorias ópticas de detección en las regiones que deben inspeccionarse, mientras se deja la trayectoria de referencia no expuesta a ninguna acción mecánica. En particular, los transductores ópticos según la presente invención han demostrado ser útiles para la medición de la evolución de las deformaciones de vigas de hierro usadas para mejorar la estabilidad estructural de muros (especialmente en edificios antiguos o tras terremotos). También es posible la medición de la 15 evolución de desprendimientos de tierras, por ejemplo fijando el transductor entre postes en el suelo. Además, los transductores ópticos según la presente invención permiten la medición de la deformación en materiales compuestos incorporando la trayectoria óptica de detección en la estructura. Del mismo modo, también son posibles la medición de distancias y desplazamientos en entornos hostiles (entornos sumamente inflamables, explosivos o con ruido electromagnético), así como la medición de fuerzas en bioingeniería. 20

Pueden obtenerse implementaciones útiles de los transductores ópticos según la presente invención conectando los transductores a un PC equipado con una tarjeta digitalizadora (DAQ) a través de un amplificador multicanal de bajo ruido; naturalmente, el PC puede controlar varios transductores simultáneamente, de modo que es posible diseñar redes de sensores complejas aunque bastante económicas. Además, usando software adecuado, también es posible controlar los sensores a través de web usando protocolos normalizados tales como TCP/IP. 25

Los transductores ópticos según la presente invención se caracterizan por un intervalo operativo bastante amplio (desde 10 m hasta varios centímetros) al tiempo que mantienen una buena resolución. Además, no es necesario cortar la trayectoria óptica (la fibra óptica), dando como resultado así un mejor aislamiento del polvo, la lluvia o similar, haciendo estos transductores particularmente adecuados para aplicaciones en exteriores.

Los transductores según la presente invención se han sometido a prueba usando POF comerciales 30 convencionales con el fin de mantener los costes lo más bajos posible. Entonces, considerando el ancho de banda de modulación de los led normalmente disponibles, se usó una frecuencia f1, correspondiente a 20 MHz, con f2 = f1 + 1 kHz, así como generadores de señal comerciales. Sin embargo, también pueden implementarse otras soluciones basadas en chips DDS y microcontroladores.

Debe observase por último que, en los transductores ópticos según la presente invención, pueden 35 implementarse tanto fibras ópticas poliméricas como de vidrio, dependiendo de las circunstancias. En particular, si los requisitos de resolución son del orden de milímetros y la temperatura operativa lo permite, pueden usarse fibras ópticas poliméricas para la trayectoria de detección. Esto implica costes muy bajos en cuanto a fuentes, detectores y conectores, aparte de las ventajas comunes para todos los tipos de sensores de fibra óptica tales como un peso ligero, mínima invasividad, inmunidad a interferencias electromagnéticas e imposibilidad de provocar un incendio o 40 una explosión. Las dos últimas propiedades son particularmente interesantes porque permiten usar los transductores en entornos críticos tales como en instalaciones industriales con ruido electromagnético, en áreas de almacenamiento de materiales sumamente inflamables, en estructuras expuestas a descargas electrostáticas durante tormentas eléctricas y en la monitorización de monumentos u obras de arte en general. La ausencia de corrientes eléctricas fluyendo a través del transductor hace que este transductor también sea ideal para aplicaciones 45 biomédicas al evitar un riesgo de electrocución. Además, gracias a sus fibras ópticas poliméricas de mayor deformabilidad, permiten medir desplazamientos más largos con respecto a configuraciones basadas en fibras de silicato comerciales.

También debe observarse que el principio de funcionamiento del transductor óptico según la presente invención se basa en el desplazamiento de fase relativo de señales eléctricas y no en la interferencia de señales 50 ópticas.

Aunque la presente invención se ha descrito con referencia a realizaciones particulares, debe entenderse que la presente invención no se limita a la realización particular descrita sino que, en lugar de ello, pueden introducirse diversas modificaciones en las realizaciones descritas sin apartarse del alcance de la presente invención, que se define mediante las reivindicaciones adjuntas. 55

Claims (16)

1. REIVINDICACIONES

   1. Transductor óptico adaptado para detectar acciones mecánicas externas que actúan sobre dicho transductor, comprendiendo dicho transductor

   al menos una trayectoria óptica de detección (5) adaptada para transmitir al menos una señal óptica periódica de detección (b’), comprendiendo dicha al menos una trayectoria óptica de detección (5) medios 5 de emisión ópticos (3) adaptados para recibir al menos una señal eléctrica periódica de detección de entrada (b) y para convertir dicha al menos una señal eléctrica periódica de detección de entrada (b) en dicha al menos una señal óptica periódica de detección (b’) junto con medios de recepción ópticos (6) adaptados para recibir dicha al menos una señal óptica periódica de detección (b’) y para convertir dicha al menos una señal óptica (b’) en dicha al menos una señal eléctrica periódica de detección (d); 10

   al menos una trayectoria de referencia (4) adaptada para recibir una señal eléctrica periódica (c) y para emitir al menos una señal de referencia eléctrica de salida periódica (e);

   caracterizándose dicho transductor óptico porque

   dicho transductor comprende medios de generación (1) adaptados para generar una primera señal eléctrica periódica (a) de una frecuencia predefinida, junto con medios de división (2) adaptados para dividir dicha 15 primera señal eléctrica periódica (a) en dicha señal eléctrica periódica de detección de entrada (b) y dicha señal eléctrica periódica (c) que entran en dichos medios de emisión ópticos (3) y dicha trayectoria de referencia (4), respectivamente, de modo que dichas señales eléctricas periódicas (b) y (c) tengan la misma frecuencia; y porque

   dicha trayectoria óptica de detección (5) comprende dos partes rectilíneas dispuestas en paralelo entre sí y 20 unidas por una parte curva,

   comprendiendo al menos una parte (5’) de cada una de dichas partes rectilíneas de dicha al menos una trayectoria óptica (5) una fibra óptica adaptada para exponerse a acciones mecánicas externas, dando como resultado la modificación de la longitud Ls de dichas fibras ópticas y la transmisión de dicha señal (b’) óptica periódica de detección a través de dicha trayectoria óptica de detección, dando como resultado la 25 generación de un desplazamiento de fase entre dicha señal eléctrica periódica de detección (d) y dicha señal eléctrica periódica de referencia (e); y porque

   dicha al menos una trayectoria (4) de referencia comprende medios (11) de desplazamiento de fase que mantienen el desplazamiento de fase entre dicha al menos una señal eléctrica de detección periódica de salida (d) y dicha al menos una señal eléctrica de referencia periódica de salida (e) a un valor constante en 30 ausencia de cualquier acción mecánica ejercida sobre dicha fibra óptica.

2. 2. Transductor óptico según la reivindicación 1, caracterizado porque dichos medios de desplazamiento de fase se ajustan para mantener el desplazamiento de fase entre dicha al menos una señal eléctrica de detección periódica (d) y dicha al menos una señal de referencia eléctrica periódica (e) a un valor constante correspondiente a aproximadamente 90 grados. 35

3. 3. Transductor óptico según una de las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque dichos medios de recepción ópticos (6) comprenden un fotodiodo.

4. 4. Transductor óptico según una de las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque dichos medios de recepción ópticos (6) comprenden un fototransitor o similar.

5. 5. Transductor óptico según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque dichos medios de emisión 40 ópticos (3) comprenden un led.

6. 6. Transductor óptico según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque dichos medios de emisión ópticos comprenden un diodo láser.

7. 7. Transductor óptico según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque dichas fibras ópticas son fibras ópticas poliméricas POF. 45

8. 8. Transductor óptico según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque dicha al menos una trayectoria (4) de referencia comprende un hilo de cobre.

9. 9. Transductor óptico según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque dicha al menos una trayectoria (4) de referencia comprende un cable coaxial.

10. 10. Transductor óptico según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque dicha al menos una 50 trayectoria de referencia (4) comprende una trayectoria óptica de referencia adaptada para transmitir al menos una señal óptica periódica de referencia y medios de recepción ópticos adaptados para recibir dicha al menos una señal de referencia óptica periódica y para convertir dicha al menos una señal de referencia óptica periódica en dicha al menos una señal eléctrica periódica de referencia (e).

11. 11. Transductor óptico según la reivindicación 10, caracterizado porque dicha al menos una trayectoria de 55

    referencia comprende medios de emisión ópticos adaptados para recibir al menos una señal de referencia periódica eléctrica (c) y para convertir dicha al menos una señal de referencia periódica eléctrica (c) en dicha al menos una señal óptica periódica de referencia.

12. 12. Transductor óptico según una de las reivindicaciones 10 y 11, caracterizado porque dicha trayectoria óptica de referencia comprende una fibra óptica. 5

13. 13. Transductor óptico según una de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque dicho transductor óptico comprende una pluralidad de trayectorias ópticas de detección (51 - 5n) adaptada cada una para transmitir al menos una correspondiente señal óptica periódica de detección (b’1 - b’n) y para emitir al menos una correspondiente señal eléctrica periódica de salida de detección (d1 - dn) y comprendiendo cada una al menos dos partes rectilíneas dispuestas en paralelo entre sí y unidas por una parte curva y adaptadas para 10 exponerse a acciones mecánicas externas, y porque dicho transductor óptico comprende una trayectoria de referencia (4) adaptada para emitir al menos una señal eléctrica periódica (e).

14. 14. Dispositivo de medición para medir y/o detectar acciones mecánicas; caracterizado porque comprende al menos un transductor óptico según una de las reivindicaciones 1 a 13 y medios de medición (7) adaptados para medir el desplazamiento de fase entre dicha al menos una señal eléctrica periódica de detección (d) y 15 dicha al menos una señal eléctrica periódica de referencia (e).

15. 15. Dispositivo de medición según la reivindicación 14, caracterizado porque dichos medios de medición (7) están adaptados para recoger dicha al menos una señal de referencia eléctrica periódica de salida (e) y dicha al menos una señal eléctrica de detección periódica de salida (d) y para emitir una señal eléctrica periódica de salida (f) de modo que el desplazamiento de fase entre dicha al menos una señal eléctrica de 20 referencia de salida (e) y dicha al menos una señal eléctrica de detección de salida (d) puedan medirse como una función de la amplitud de dicha señal eléctrica de salida (f).

16. 16. Dispositivo de medición según una de las reivindicaciones 14 a 15, caracterizado porque comprende primeros medios de medición (7’) y segundos medios de medición (7’’), estando dichos primeros medios de medición adaptados para recoger dicha al menos una señal eléctrica periódica de detección (d) y dicha al 25 menos una señal eléctrica periódica de referencia (e) y para emitir una primera señal eléctrica periódica de salida (f), estando dichos segundos medios de medición (7’’) adaptados para recoger dicha al menos una señal eléctrica periódica de detección de salida (d) y una señal eléctrica periódica de referencia (h) desplazadas en fase 90 grados con respecto a dicha señal eléctrica periódica de referencia (e) y para emitir una segunda señal eléctrica periódica de salida (l) de modo que el desplazamiento de fase entre dicha al 30 menos una señal eléctrica periódica de referencia (e) y dicha al menos una señal eléctrica periódica de detección (d) pueda medirse como una función de la amplitud de una o ambas de dichas señales eléctricas periódicas de salida (f) y (l).