ES2622092T3 - Aparato de detección de vibración y procedimiento de detección de vibración - Google Patents

Abstract

Un aparato de detección de vibración (1), que comprende: un resonador de láser de anillo que genera un rayo láser que propaga un trayecto de luz en forma de anillo una red de Bragg en fibra de cambio de fase (6) que está dispuesta en el resonador de láser de anillo de manera tal que el rayo láser ingresa a la red, y de la cual la característica de distribución de transmitancia de luz transmitida en una dirección de longitud de onda cambia de acuerdo con la vibración de un objeto (O); y un sistema de detección (3) que detecta la vibración en base a un cambio de intensidad de la luz transmitida a través de la red de Bragg en fibra de cambio de fase (6).

Description

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DESCRIPCION

Aparato de deteccion de vibracion y procedimiento de deteccion de vibracion

La implementacion de la presente invencion se refiere a un aparato de deteccion de vibracion y un procedimiento de deteccion de vibracion. Se conoce una tecnica para detectar vibracion, tal como vibracion ultrasonica, que utiliza una red de Bragg en fibra (FBG) o una red de gma de ondas en matriz (AWG), (vease JP-2011-196744 A y JP-2007-232371 A).

HIROSHI TSUDA "Fiber Bragg grating vibration-sensing system, insensitive to Bragg wavelength and employing fiber ring laser", OPTICS LETTERS, volumen 35, no. 14, 15 de julio de 2010, pagina 2349, XP055182332 describe un sistema de deteccion de vibracion de red de Bragg en fibra (FBG) que emplea un laser de anillo de fibra que utiliza un sensor FBG como espejo de cavidad anular. El documento EP 2 549 247 A1 se refiere a un sistema para detectar la vibracion de vibracion de baja frecuencia a vibracion ultrasonica por Red de Bragg en fibra usando un laser de fibra, y un aparato y un procedimiento de deteccion de vibracion usando el sistema. El documento US 6 122 305 A describe un sistema para interrogar una o mas redes de Bragg en fibra separadas de la fuente optica por una fibra optica dispersiva. El documento US 5 488 475 A esta dirigido a una cavidad que usa una seccion de fibra dopada activa para establecer multiples modos de oscilacion en la cavidad que crean frecuencias de golpes usadas para determinar la tension de fibra y que incluye una seccion de la fibra que es insensible a la tension aparente creada termicamente. D. GATTI ET AL "Fiber strain sensor based on a [pi]-phase-shifted Bragg grating and the Pound-Drever-Hall technique", OPTICS EXPRESS, volumen 16, No. 3, 4 de febrero de 2008, pagina 1945, El documento XP 055182537 describe un sensor de tension de fibra basado en una red de Bragg desplazada en fase-[pi] y un laser de diodo de cavidad extendida. El documento EP 2 259 037 A2 se refiere a sensores opticos que utilizan redes de Bragg en fibra y luz lenta.

Asrul Izam Azami et al "Performance Enhancement of Vibration Sensing Employing Multiple Phase-Shifted Fiber Bragg Grating", Journal of Lightwave Technology, Volumen 29, No. 22, 15 de noviembre de 2011, paginas 3453-3460, XP011391692, describe un dispositivo de deteccion de vibraciones que utiliza 17 redes de Bragg en fibras desplazadas en fase.

Un objeto de la presente invencion es proporcionar un aparato de deteccion de vibracion y un procedimiento de deteccion de vibracion que permitan detectar una vibracion, un ultrasonido, una emision acustica (Ae) o similar, con una buena relacion de senal - ruido (SNR).

Un aspecto de la presente invencion proporciona un aparato de deteccion de vibracion incluyendo un resonador de laser de anillo, una red de Bragg en fibra y un sistema de deteccion. El resonador de laser de anillo genera un rayo laser que propaga un trayecto de luz en forma de anillo. La red de Bragg en fibra esta dispuesta en el resonador de laser de anillo de manera tal que el rayo laser ingresa a la red, y tiene una caractenstica de distribucion de transmitancia de luz transmitida en una direccion de longitud de onda, que cambia de acuerdo con la vibracion de un objeto El sistema de deteccion detecta la vibracion en base a la luz transmitida a traves de la red de Bragg en fibra.

Otro aspecto de la presente invencion proporciona un procedimiento de deteccion de vibracion que incluye una etapa para genera un haz laser que propaga un trayecto de luz en forma de anillo, una etapa para permitir que el rayo laser entre en una red de Bragg en fibra cuya caractenstica de distribucion de transmitancia de luz transmitida en una direccion de longitud de onda cambia de acuerdo con la vibracion de un objeto, y una etapa para detectar la vibracion en base a la luz transmitida a traves de la red de Bragg en fibra.

Se describira un aparato de deteccion de vibracion y un procedimiento de deteccion de vibracion de acuerdo a una implementacion de la presente invencion con referencia a los dibujos adjuntos.

La FIG. 1 es un diagrama de bloques que representa un aparato de deteccion de vibracion de acuerdo a una implementacion de la presente invencion;

La FIG. 2 es un diagrama que ilustra un ejemplo de un espectro de longitud de onda de luz transmitida a traves de un PS-FBG usado como fBg en la FIG. 1, y un espectro de longitud de onda de luz reflejada de un AFBG utilizado como el filtro optico en la FIG. 1;

La FIG. 3 es un diagrama que ilustra un resultado de simulacion de un modo longitudinal principal Lm, que es extrafdo por la PS-FBG que tiene el espectro de transmision ilustrado en la FIG. 2;

La FIG. 4 es un diagrama que representa una funcion de autoajuste para un rango de medicion de rayo laser en PS-FBG;

Las Figs. 5A a 5C son diagramas que ilustran un ejemplo cuando se genera el autoajuste para el rango de medicion en PS-FBG;

Las Figs. 6A a 6D son diagramas que ilustran una comparacion entre una vibracion ultrasonica detectada por el aparato de deteccion de vibracion en la FIG. 1 y un resultado de deteccion por otro aparato de deteccion;

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La FIG. 7 es un diagrama que ilustra la comparacion entre la ene^a de una senal de deteccion que tiene diferentes frecuencias detectadas por el aparato de deteccion de vibracion en la Fig. 1, y un resultado cuando se utiliza un sensor PZT; y

La FIG. 8 es un diagrama que ilustra la comparacion entre la SNR de una senal de deteccion que tiene frecuencias diferentes detectadas por el aparato de deteccion de vibracion en la Fig. 1, y un resultado cuando se utiliza un sensor PZT.

(Configuracion y funciones)

La FIG. 1 es un diagrama de bloques del aparato de deteccion de vibracion 1 de acuerdo con una implementacion de la presente invencion.

El aparato de deteccion de vibracion 1 es un sistema que detecta la vibracion generada en un objeto O constituido por un metal tal como aluminio o un material mixto como el plastico reforzado con fibra de carbono (CFRP). Para activar esta funcion, el aparato de deteccion de vibracion 1 incluye un sistema optico 2 y un sistema de deteccion 3.

El sistema optico 2 puede configurarse conectando un amplificador de fibra optica 5, un FBG 6, un circulador optico 7, un acoplador optico (OC) 8 y un primer controlador de polarizacion (PC) 9 a una fibra optica en forma de anillo 4. Un filtro optico de tipo reflexion 10 esta conectado a un borde de una fibra optica, que se ramifica desde la fibra optica en forma de anillo 4 a traves del circulador optico 7. En otras palabras, es preferible que el filtro optico 10 este conectado a la fibra optica en forma de anillo 4 a traves del circulador optico 7. Si es necesario, una segunda PC 11 tambien esta conectada entre el circulador optico 7 y el filtro optico 10.

Para la fibra optica en forma de anillo 4, se puede utilizar, por ejemplo, una fibra optica de modo simple que transmite luz en un modo unico, por ejemplo. La fibra optica en forma de anillo 4 funciona como el resonador de laser de anillo de la presente invencion, que genera un rayo laser amplificado que propaga un trayecto de luz en forma de anillo.

Si el rayo laser entra en la fibra optica en forma de anillo 4 que funciona como un resonador de anillo, una pluralidad de modos longitudinales, de acuerdo con la frecuencia de resonancia del resonador de anillo, es generada de forma discontinua por los fenomenos de resonancia del rayo laser. El modo longitudinal es un modo de un campo electromagnetico en la direccion del eje optico (direccion de propagacion de la luz), y corresponde a una pluralidad de espectros lineales en una direccion de longitud de onda, cuyo ancho de la mitad del valor es extremadamente estrecho. Particularmente en el resonador de laser de anillo, se generan muchos modos longitudinales.

Un ejemplo tfpico del amplificador de fibra optica 5 es un amplificador de fibra dopada con erbio (EDFA), como se ilustra en la FIG. 1. EDFA es el amplificador de fibra optica 5 creado por la inyeccion de iones de erbio en el nucleo de una fibra optica.

La FBG 6 esta dispuesta sobre la fibra optica en forma de anillo 4 que funciona como un resonador de laser de anillo, de modo que un rayo laser fuerte entra en la FBG 6. La FBG 6 esta idealmente constituida por una FBG de desplazamiento de fase (PS-FBG) . La PS-FBG es una FBG en la que se usa localmente un desplazamiento de fase para la fluctuacion periodica del mdice de refraccion. Por ejemplo, la PS-FBG se puede crear conectando dos FBG de las cuales las fases para la fluctuacion periodica del mdice de refraccion se desplazan entre sf 180°.

El espectro de la luz transmitida a traves de la PS-FBG en el dominio de longitud de onda es un espectro del cual el ancho de banda es extremadamente estrecho y la pendiente es aguda. Por lo tanto, si se usa la PS-FBG como FBG 6, solo puede transmitirse un modo longitudinal espedfico, de una pluralidad de modos longitudinales generados por la resonancia del rayo laser que propaga una fibra optica en forma de anillo 4. En otras palabras, la PS-FBG funciona como un elemento de filtro optico para extraer un modo longitudinal espedfico de una pluralidad de modos longitudinales.

La FBG 6 esta unida al objeto O para vibrar a medida que el objeto O vibra. Por ejemplo, la FBG 6 puede ponerse en contacto con el objeto O usando un acoplador ultrasonico que tiene una alta impedancia acustica. Entonces si el objeto O se hace vibrar mediante una onda ultrasonica o AE, la vibracion se propaga a la FBG 6.

Cuando se aplica la vibracion al objeto O y el objeto O se desplaza por deformacion, la FBG 6, a la que se propaga la vibracion, se estira junto con el objeto O. Si la FBG 6 se estira, la longitud de onda de Bragg de la FBG 6 cambia. Como resultado, el espectro de longitud de onda de la luz transmitida a traves de la FBG 6 cambia en la direccion de longitud de onda de acuerdo con la cantidad de estiramiento de la FBG 6. En otras palabras, el espectro de longitud de onda de la luz transmitida a traves de la FBG 6 cambia en la direccion de la longitud de onda en una cantidad de desplazamiento de acuerdo con la amplitud de la vibracion del objeto O. Esto significa que la caractenstica de distribucion de transmitancia de la luz transmitida a traves de la FBG 6 en la direccion de la longitud de onda cambia de acuerdo con la vibracion del objeto O.

Por lo tanto, la intensidad del modo longitudinal que se transmite a traves de la FBG 6 cambia en la cantidad de acuerdo con la intensidad de la vibracion del objeto O. Esto significa que la vibracion del objeto O puede detectarse

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observando el cambio temporal de la intensidad del modo longitudinal transmitida a traves de la FBG 6. Por lo tanto, es preferible que la FBG 6, constituida por la PS-FBG, tenga una funcion de sensor optico para detectar la vibracion del objeto O, ademas de la funcion como un elemento de filtro optico que selecciona un modo longitudinal espedfico a partir de una pluralidad de modos longitudinales generados por la resonancia del rayo laser. Por lo tanto, en el caso de aplicar la vibracion ultrasonica al objeto O, la FBG 6 puede utilizarse como un sensor de recepcion ultrasonico.

La luz incidente a la FBG 6 es generada por el amplificador de fibra optica 5. La luz transmitida a traves de la FBG 6 propaga la fibra optica en forma de anillo 4, y es amplificada por el amplificador de fibra optica 5. Entonces la luz transmitida a traves de la FBG 6, amplificada por el amplificador de fibra optica 5, propaga de nuevo la fibra optica en forma de anillo 4 y entra en la FBG 6. De esta manera, el amplificador de fibra optica 5 desempena un papel de amplificacion de la luz transmitida a traves de la FBG 6 que tiene un espectro de longitud de onda de acuerdo con la vibracion del objeto O, generado por la luz que entra en la FBG 6, y permite que la luz transmitida entre de nuevo en la FBG 6.

El circulador optico 7 es un elemento optico que emite un rayo laser que entra desde la fibra optica en forma de anillo 4 hacia el filtro optico 10 y pasa el rayo laser reflejado en el filtro optico 10 de nuevo a la fibra optica en forma de anillo 4.

El OC 8 es un elemento optico que ramifica una parte del rayo laser que entra desde la fibra optica en forma de anillo 4. El rayo laser ramificado por el OC 8 se emite al sistema de deteccion 3 como luz de deteccion.

El primer PC 9 y el segundo PC 11 son elementos opticos que controlan el estado de polarizacion del rayo laser respectivamente. En terminos concretos, se controla el estado de polarizacion de manera que la directividad del rayo laser sea mejorada por el primer PC 9 y el segundo PC 11.

El filtro optico 10 es un elemento optico que quita los componentes en una banda de longitud de onda innecesaria de la luz transmitida que pasa a traves de la FBG 6. El filtro optico 10 puede estar constituido por una FBG apodizada de tipo reflexion (AFBG), segun lo ilustrado. La AFBG es una FBG en la que se suprime el lobulo lateral que aparece en el espectro de longitud de onda de luz transmitida o luz reflejada

Si se utiliza una AFBG para el filtro optico 10, se puede obtener una senal optica limpia. Esto permite usar la luz transmitida limpia a traves de la FBG 6 como luz incidente para la proxima FBG 6.

La FIG. 2 es un diagrama que ilustra un ejemplo de un espectro de longitud de onda de luz transmitida que pasa a traves de la PS-FBG usada como la FBG 6 en la FIG. 1, y un espectro de longitud de onda de luz reflejada desde la AFBG utilizada como filtro optico 10 en la FIG. 1.

En la Fig. 2, la abscisa indica la longitud de onda de la luz, y la ordenada indica la intensidad de la luz. La lmea discontinua en la FIG. 2 indica un espectro de transmision de la PS-FBG, y la lmea continua indica el espectro de reflexion de la AFBG. Como se ilustra en la FIG. 2, el espectro de transmision de la PS-FBG tiene un pico que tiene una banda extremadamente estrecha. Si la longitud de onda de Bragg de la AFBG que tiene el espectro de reflexion de la banda que es mas ancha que la PS-FBG se convierte en una longitud de onda de Bragg equivalente de la PS-FBG, entonces el pico del espectro de reflexion de la AFBG cubre el pico del espectro de transmision de la PS-FBG, como se ilustra en la FIG. 2.

Por lo tanto, la luz transmitida de la PS-FBG en la banda de longitud de onda que corresponde a la longitud de onda central del espectro de transmision de la PS-FBG se refleja en la AFBG. Por otro lado, los componentes innecesarios de longitudes de onda largas y los componentes de longitudes de onda cortas, que como se transmiten a traves de la PS-FBG, estan fuera de la banda de longitud de onda del espectro de reflexion de la AFBG. Por lo tanto, la AFBG puede eliminar los componentes innecesarios de longitud de onda de la luz transmitida a traves de la PS-FBG. En otras palabras, el rayo laser que es transmitido a traves de la PS-FBG y es reflejado por la AFBG es un rayo laser que tiene una longitud de onda en la banda de longitud de onda pico del espectro de transmision de la PS-FBG. Mediante la combinacion de la PS-FBG y la AFBG de esta manera, se puede crear un filtro optico que tiene un ancho de banda extremadamente estrecho, y que se utiliza para detectar un rayo laser que tiene una longitud de onda espedfica

Por otra parte, una pluralidad de modos longitudinales (modos L) indicados por la lmea discontinua en la FIG. 2 es generada en la direccion de la longitud de onda por la resonancia del rayo laser que se propaga a traves de la fibra optica en forma de anillo 4 que tiene una longitud de trayecto optico larga. La pluralidad de modos longitudinales entra en la PS-FBG, pero el modo longitudinal que se transmite a traves de la PS-FBG se convierte en el modo longitudinal que tiene una longitud de onda en la banda de longitud de onda pico del espectro de transmision de la PS-FBG. Por lo tanto, un modo longitudinal principal Lm, que tiene una amplitud o longitud de onda espedfica, puede ser transmitido selectivamente ajustando apropiadamente la caractenstica de transmision de la PS-FBG.

La FIG. 3 es un diagrama que ilustra un resultado de simulacion de un modo longitudinal principal Lm, que es extrafdo por la PS-FBG que tiene un espectro de transmision ilustrado en la FIG. 2.

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En la Fig. 3, la abscisa indica la longitud de onda de la luz, y la ordenada indica la intensidad relativa de la luz. Como se ilustra en la FIG. 3, muchos modos longitudinales que tienen diferentes longitudes de onda son generados por el resonador de laser de anillo. A partir de esto, un modo longitudinal principal Lm, que tiene una longitud de onda espedfica, puede ser transmitido selectivamente a traves de la PS-FBG que tiene un espectro de transmision agudo.

La longitud de onda de Bragg de la PS-FBG cambia dependiendo de factores ambientales, tales como un cambio de temperature y un cambio en la tension cuasi-estatica. Por lo tanto, si la longitud de onda de Bragg de la PS-FBG esta desplazada en gran parte por un cambio dramatico de temperatura o similar, es probable que la longitud de onda del modo longitudinal principal Lm, seleccionado por la PS-FBG este fuera de la banda del espectro de transmision de la PS-FBG. En otras palabras, es probable que la longitud de onda del modo longitudinal principal Lm este fuera del intervalo de medicion. En la fibra optica en forma de anillo 4, sin embargo, se genera una pluralidad de modos longitudinales, como se ilustra en la Fig. 2. Por lo tanto, el rango de medicion puede ajustarse automaticamente en la direccion de longitud de onda del rayo laser utilizando la PS-FBG.

La FIG. 4 es un diagrama que representa una funcion de autoajuste para un rango de medicion de rayo laser en la PS-FBG.

En la Fig. 4, la abscisa indica la longitud de onda, y la ordenada indica la intensidad relativa. Las lrneas continuas de la FIG. 4 indican el espectro de transmision de la PS-FBG y el modo longitudinal principal Lm que es transmitido a traves de la PS-FBG correspondiente al espectro de transmision. La lmea discontinua indica la perdida optica.

Cuando se aplica vibracion a la PS-FBG, el espectro de transmision de la PS-FBG se desplaza ligeramente en la direccion de la longitud de onda. Sin embargo, si se produce un cambio importante en un factor ambiental, tal como la temperatura, el espectro de transmision del PS-FBg se desplaza en gran medida a la direccion de la longitud de onda. Como resultado, el espectro de transmision de la PS-FBG se convierte en el espectro indicado por la lmea de puntos.

Entonces el modo longitudinal principal que se transmite a traves de la PS-FBG se convierte en un modo longitudinal Lm', que es adyacente al modo longitudinal principal Lm que ha sido transmitido a traves de la PS-FBG antes del cambio causado por el cambio de un factor ambiental. En otras palabras, el rayo laser tiene una longitud de onda de la cual el modo longitudinal principal que se transmite a traves de la PS-FBG es diferente. Esto significa que incluso si cambia un factor ambiental, tal como la temperatura, en el lugar donde esta dispuesta la PS-FBG,, la longitud de onda del modo longitudinal principal que es transmitida a traves de la PS-FBG es auto-ajustada y el laser fuerte siempre se transmite a traves de la PS-FBG.

Si la luz de deteccion se genera de esta manera mediante el metodo de seleccion de un modo longitudinal principal que tiene una longitud de onda espedfica de una pluralidad de modos longitudinales que tienen longitudes de onda diferentes utilizando la PS-FBG, puede crearse un sensor que puede rastrear un cambio ambiental, tal como cambio de temperatura.

Las Figs. 5A a 5C son diagramas que ilustran un ejemplo cuando se genera auto ajuste para el rango de medicion en la PS-FBG.

En la Fig. 5A y la FIG. 5B, cada abscisa indica el tiempo, y cada ordenada indica la tension relativa de una senal electrica de CC que corresponde a la intensidad del modo longitudinal principal que se transmite a traves de la PS-FBG. En la Fig. 5C, la abscisa indica la frecuencia de la senal electrica en las Figs. 5A y 5B, y la ordenada indica la intensidad relativa de la senal electrica en las Figs. 5A y 5B.

La FIG. 5A ilustra un cambio en la tension de la senal electrica que corresponde a la luz de transmision a traves de la PS-FBG cuando la temperatura cambia temporalmente. Como se ilustra en la FIG. 5A, la intensidad del modo longitudinal principal que se transmite a traves de la PS-FBG cae de forma estable y gradualmente de una manera lineal aproximada de acuerdo con el cambio de temperatura. Esto es probablemente debido a que el espectro de transmision de la PS-FBG cambia gradualmente en la direccion de la longitud de onda y la perdida optica aumenta de acuerdo con el cambio de temperatura.

Si la cantidad de cambio de temperatura excede el umbral, la intensidad del modo longitudinal principal que se transmite a traves de la PS-FBG cambia repentinamente. Esto se debe a que el espectro de transmision de la FBG se desplazo en gran medida en la direccion de la longitud de onda por el cambio de temperatura y el modo longitudinal principal como el objetivo de medicion de la intensidad se desplazo al modo longitudinal adyacente.

La FIG. 5B es una vista ampliada de la porcion discontinua de la senal electrica ilustrada en la FIG. 5A. Como se ilustra en la FIG. 5A y la FIG. 5B, la amplitud del modo longitudinal principal puede ser medida de forma estable por el autoajuste de la longitud de onda del modo longitudinal que se transmite a traves de la PS-FBG, incluso si la temperatura cambia considerablemente. En otras palabras, la amplitud del modo longitudinal principal se puede medir de forma estable sin realizar control de realimentacion para ajustar el estrecho rango dinamico de la PS-FBG.

La FIG. 5C ilustra el resultado de la transformada de Fourier rapida (FFT) de la parte de la FIG. 5A en el estado en que la senal electrica es estable. De acuerdo a la FIG. 5C, aparece un pico en la region de baja frecuencia debido a

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la oscilacion de relajacion del rayo laser.

El modo longitudinal principal Lm, que ha sido transmitido a traves de la PS-FBG y reflejado por la AFBG, puede amplificarse como se ha descrito anteriormente, mediante la resonancia del amplificador de fibra optica 5 y el laser de anillo. El modo longitudinal principal amplificado Lm entra de nuevo en la PS-FBG. Como consecuencia, la amplitud del modo longitudinal principal Lm puede amplificarse a una amplitud predeterminada repitiendo la amplificacion del modo longitudinal principal Lm una pluralidad de veces.

El sistema de deteccion 3 es un sistema que detecta la vibracion del objeto O en base a la luz transmitida a traves de la FBG 6, que ha sido amplificada por el amplificador de fibra optica 5 al menos una vez, y cuya intensidad ha alcanzado una intensidad predeterminada. Por lo tanto, el sistema de deteccion 3 esta conectado al lado de salida de la fibra optica, que se ramifica desde la fibra optica en forma de anillo 4 a traves del OC 8.

Para detectar la vibracion del objeto O, es preferible, en terminos de mejorar la sensibilidad y la precision, referirse a la amplitud del modo longitudinal principal Lm extrafdo por la PS-FBG, como en el ejemplo mencionado anteriormente. En otras palabras, se puede detectar la vibracion del objeto O en base al cambio de la intensidad del modo longitudinal Lm que tiene la intensidad mas alta que es transmitida a traves de la PS-FBG, a partir de una pluralidad de modos longitudinales generados en la fibra optica en forma de anillo 4. Si la caractenstica de distribucion de transmision de la PS-FBG se desplaza en la direccion de la longitud de onda en una cantidad de desplazamiento que excede el umbral debido a un factor ambiental (por ejemplo, temperatura) distinto de la vibracion del objeto O, se detecta la vibracion del objeto O en base al cambio de la intensidad de otro modo longitudinal que corresponde a la cantidad de desplazamiento.

En este caso, la amplitud del modo longitudinal principal Lm se cambia en un cambio sutil en el espectro de transmitancia de la PS-FBG en la direccion de longitud de onda debido a la vibracion del objeto O. Por lo tanto, el cambio temporal en la amplitud del modo longitudinal principal Lm corresponde a la forma de onda de la vibracion del objeto O. Como resultado, se puede detectar la vibracion del objeto O como el cambio temporal de la amplitud del modo longitudinal principal Lm. Ademas, se puede prever una tabla o funciones para indicar la relacion entre la amplitud de la vibracion del objeto O y la amplitud del modo longitudinal principal Lm, de manera que el cambio temporal de la amplitud del modo longitudinal principal Lm sea convertido en forma de onda de la vibracion del objeto O.

Por ejemplo, el sistema de deteccion 3 puede ser configurado por un analizador de espectro optico (OSA) 12, un fotodetector (PD) 13, un analizador electrico de espectro (ESA) 14, un osciloscopio 15 y un detector de defectos 16. En terminos concretos, la lmea de transmision optica puede configurarse de tal modo que la luz de deteccion emitida desde el OC8 al sistema de deteccion 3 se introduce en uno o ambos del OSA 12 y el PD 13. La luz de deteccion detectada por el PD 13 se convierte en una senal electrica que tiene una forma de onda de amplitud que corresponde a la forma de onda de amplitud de la luz de deteccion, y es emitida al ESA 14, el osciloscopio 15 y el detector de defectos 16 respectivamente.

El OSA 12 se utiliza para observar opticamente el espectro de longitudes de onda de la luz de deteccion. En otras palabras, en la pantalla del OSA 12 se muestra un grafico bidimensional cuya abscisa es la longitud de onda y la ordenada es la intensidad de la luz de deteccion. El ESA 14, por otra parte, se utiliza para observar el espectro de frecuencia de la senal electrica que corresponde a la luz de deteccion. En otras palabras, en la pantalla del ESA 14 se muestra un grafico bidimensional cuya abscisa es la frecuencia y la ordenada es la intensidad de la senal electrica que corresponde a la luz de deteccion.

El osciloscopio 15 se utiliza para observar el cambio temporal de la intensidad de la senal electrica que corresponde a la luz de deteccion. En otras palabras, el grafico bidimensional cuya abscisa es el tiempo y la ordenada es la intensidad de la senal electrica que corresponde a la luz de deteccion se muestra en la pantalla del osciloscopio 15. Aqrn se puede observar el cambio temporal de la amplitud de la luz transmitida, como el modo longitudinal principal Lm, a traves de la FBG 6.

El cambio temporal de la amplitud de la luz transmitida, tal como el modo longitudinal principal Lm, a traves de la FBG 6, indica que el objeto O vibro como se ha mencionado anteriormente. Por lo tanto, en el osciloscopio 15, se puede detectar la vibracion del objeto O, debido a tales ondas ultrasonicas como una onda de lampante ultrasonica o la vibracion debido al AE generada en el objeto O.

El detector de defectos 16 puede detectar un defecto en el objeto O. El defecto del objeto O puede detectarse en base a la vibracion detectada usando el osciloscopio 15 o por la forma de onda de amplitud de la luz de deteccion.

Por ejemplo, el patron de forma de onda de la luz de deteccion cuando se aplica la vibracion ultrasonica a un objeto O no defectuoso se puede almacenar de antemano. Entonces se puede detectar que el objeto O es defectuoso cuando un error cuadratico mmimo o una divergencia de funciones de correlacion cruzada entre el patron de forma de onda observado de la luz de deteccion y el patron de forma de onda almacenado de la luz de deteccion excede un umbral predeterminado. En su lugar, se puede detectar que el objeto O es defectuoso cuando la vibracion s detectada por AE.

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Ademas de estos elementos de composicion, el aparato de deteccion de vibracion 1 puede incluir un sistema de transmision de ondas ultrasonicas 17 y un sistema de recepcion de ondas ultrasonicas 18 como elementos de composicion adicionales. El sistema de transmision de ondas ultrasonicas 17 es un sistema para aplicar la vibracion ultrasonica al objeto O. El sistema de recepcion de ondas ultrasonicas 18, por otra parte, es un sistema para recibir la vibracion ultrasonica que se propaga a traves del objeto O. El sistema de transmision de ondas ultrasonicas 17 y el sistema de recepcion de ondas ultrasonicas 18 pueden ser elementos piezoelectricos constituidos por titanato de zirconato de plomo (PZT) o similares.

Si el sistema de transmision de ondas ultrasonicas 17 esta dispuesto en el aparato de deteccion de vibracion 1, el aparato de deteccion de vibracion 1 puede ser utilizado como un dispositivo de deteccion ultrasonico de fallas, que aplica vibracion ultrasonica al objeto O y detecta si existe un defecto . Si el sistema de recepcion de ondas ultrasonicas 18 esta dispuesto en el aparato de deteccion de vibracion 1, el sistema optico 2 y el sistema de deteccion 3 pueden calibrarse comparando la forma de onda ultrasonica recibida por el sistema de recepcion de ondas ultrasonicas 18 y la forma de onda ultrasonica detectada opticamente como la forma de onda de amplitud de la luz de deteccion por el sistema de deteccion 3.

(Operacion y funcion)

A continuacion se describira el funcionamiento y la funcion del aparato de deteccion de vibracion 1.

Cuando se realiza la inspeccion de deteccion de fallos no destructivos utilizando el aparato de deteccion de vibracion 1, se aplica una vibracion ultrasonica al objeto O desde el sistema de transmision de ondas ultrasonicas 17. Debido a esto, la vibracion ultrasonica se propaga desde el objeto O hasta la FBG 6, tal como una PS-FBG, dispuesta en la fibra optica en forma de anillo 4. Entonces la caractenstica de distribucion de transmision de la luz transmitida a traves de la FBG 6 en la direccion de longitud de onda cambia de acuerdo con la forma de onda de vibracion del objeto O. Esto es tambien lo mismo cuando la vibracion generada por el AE se propaga al objeto O.

Por otro lado, el rayo laser entra en la FBG 6 desde el amplificador de fibra optica 5. De esta manera la luz transmitida de la FBG 6 que tiene un espectro de longitud de onda de acuerdo con la forma de onda de la vibracion del objeto O, generada por la entrada de luz en la FBG 6, se emite desde la FBG 6. La luz transmitida emitida desde la FBG 6 entra en el filtro optico 10, constituido por la AFBG o similar, a traves del circulador optico 7. Como resultado, la luz reflejada desde el filtro optico 10, generada a partir de la luz transmitida a traves de la FBG 6, entra en la fibra optica en forma de anillo 4 a traves del circulador optico 7.

Por lo tanto, la luz transmitida a traves de la FBG 6 despues de que los componentes de ruido se eliminan entra en el amplificador de fibra optica 5 y se amplifica. La luz transmitida a traves de la FBG 6, que es amplificada por el amplificador de fibra optica 5, vuelve a entrar a la FBG 6. A continuacion, la eliminacion de los componentes de ruido de la luz transmitida a traves de la FBG 6 y la amplificacion de la luz transmitida a traves de la FBG 6 despues de que los componentes de ruido son eliminados se repiten durante un numero adecuado de veces. En concreto, se repite la amplificacion de la luz transmitida a traves de la FBG 6 hasta que la intensidad de la luz transmitida a traves de la FBG 6 alcance una intensidad suficiente.

La luz transmitida a traves de la FBG 6, cuya intensidad ha alcanzado una intensidad predeterminada por amplificacion una o mas veces, se envfa al sistema de deteccion 3. Entonces se detecta la vibracion del objeto O mediante el osciloscopio 15 del sistema de deteccion 3 en base a la luz transmitida a traves de la FBG 6. En

particular, cuando se utiliza la PS-FBG como FBG 6, se puede extraer el modo longitudinal principal como la luz

transmitida a traves de la PS-FBG. Esto significa que la vibracion del objeto O puede ser detectada como un cambio temporal de la amplitud del modo longitudinal principal debido a un desplazamiento en el espectro de transmision de la PS-FBG. En el OSA 12, se puede observar el espectro de transmision de FBG 6.

El detector de defectos 16 determina si el objeto O es defectuoso en base al patron de onda de la vibracion

detectado en el osciloscopio 15, o a la vibracion de la luz transmitida a traves de la FBG 6. Por ejemplo, se puede

detectar un defecto en base a la diferencia entre la vibracion ultrasonica aplicada al objeto O y la vibracion ultrasonica detectada en el osciloscopio 15. Si se detecta una vibracion con el osciloscopio 15 cuando la vibracion ultrasonica no se aplica al objeto O, se determina que existe un defecto en el objeto O. De este modo, la inspeccion de deteccion de fallos puede realizarse para el objeto O.

En otras palabras, el mencionado aparato de deteccion de vibracion 1 incluye la FBG 6, tal como la PS-FBG, como sensor optico, y el filtro optico 10, tal como la AFBG, en el resonador de laser de anillo, y la vibracion del objeto O se mide observando la amplitud del modo longitudinal principal de la luz transmitida a traves de la FBG 6 generada por el laser de anillo.

(Efectos)

Por lo tanto, de acuerdo a el aparato de deteccion de vibracion 1, la vibracion del objeto O puede detectarse con una buena SNR. Como resultado, promediar es innecesario, y el tiempo de medicion y un numero de tiempos de medicion pueden disminuirse en comparacion con las tecnicas anteriores. Ademas, la vibracion del objeto O puede detectarse con alta precision. Estos efectos son particularmente llamativos cuando se utiliza la PS-FBG como FBG 6,

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

y cuando el filtro optico 10, como AFBG, esta dispuesto en el aparato de deteccion de vibracion 1.

Como resultado, se puede detectar incluso una vibracion cuyo nivel de energfa es bajo, tal como una vibracion debida a AE, generada cuando se genera un defecto dentro de un material compuesto utilizado como material para un avion.

Las Figs. 6A a 6D son diagramas que ilustran la comparacion entre una vibracion ultrasonica detectada por el aparato de deteccion de vibracion 1 en la FIG. 1, y un resultado de deteccion por otro aparato de deteccion.

En las Figs. 6A, 6B, 6C y 6D, cada abscisa indica el tiempo, y la ordenada indica la tension de una senal electrica. La FIG. 6A ilustra una forma de onda de tension de una senal de entrada aplicada a un vibrador ultrasonico como una senal electrica de CA para aplicar la vibracion ultrasonica al objeto. Como se ilustra en la FIG. 6A, una senal sinusoidal de 5 ciclos se convierte en una senal ultrasonica y se transmite al objeto.

La FIG. 6B ilustra una forma de onda de tension de una senal de deteccion de vibracion ultrasonica por un sistema de deteccion de vibracion ultrasonica cuyo sensor es un PZT. La FIG. 6C ilustra una forma de onda de voltaje de una senal de deteccion de vibracion ultrasonica que se adquirio promediando las senales de deteccion adquiridas 128 veces usando otro sistema de deteccion de vibracion ultrasonica cuyo sensor es una PS-FBG que no esta dispuesta sobre un laser de anillo de fibra (FRL). La lmea de puntos en la FIG. 6C indica la forma de onda de tension de la senal de deteccion de vibracion ultrasonica cuando no se realiza el promedio.

La FIG. 6D ilustra una forma de onda de tension de una senal de deteccion de vibracion ultrasonica que se adquiere sin realizar el promedio por el aparato de deteccion de vibracion 1, en el que la PS-FBG esta dispuesta en el FRL.

De acuerdo a las FIGs. 6A a 6D, se confirma que la vibracion ultrasonica se detecta aproximadamente a la misma hora de llegada independientemente de cual de los siguientes sistemas se utilice: el sistema de deteccion de vibracion ultrasonica cuyo sensor es un PZT; el sistema de deteccion de vibracion ultrasonica cuyo sensor es PS-FBG; Y el aparato de deteccion de vibracion 1 en el que la PS-FBG esta dispuesta sobre el FRL.

Tambien se confirma que la amplitud de la senal de deteccion de vibracion ultrasonica detectada por el aparato de deteccion de vibracion 1 es mayor que la amplitud de la senal de deteccion de vibracion ultrasonica detectada por el sistema de deteccion de vibracion ultrasonica, cuyo sensor es una PS-FBG o un PZT. Esto indica que la sensibilidad del aparato de deteccion de vibracion 1 es mayor que la sensibilidad del sistema del cual el sensor es una PS-FBG o un PZT. En otras palabras, la sensibilidad de deteccion de la vibracion puede mejorarse mediante el metodo de deteccion de luz transmitida que selecciona el modo longitudinal principal utilizando la PS-FBG que tiene un pico agudo en el espectro de transmision y mide la amplitud.

La FIG. 7 es un diagrama que ilustra la comparacion entre la energfa de una senal de deteccion que tiene diferentes frecuencias detectadas por el aparato de deteccion de vibracion 1 en la FIG. 1, y un resultado cuando se utiliza el sensor PZT.

En la FIG. 7, la abscisa indica la frecuencia de la senal de deteccion y la ordenada indica la energfa de la senal de deteccion. En la FIG. 7, un punto negro indica la energfa de la senal de deteccion del aparato de deteccion de vibracion 1, un cuadrado negro indica la energfa de la senal de deteccion del sistema que utiliza el sensor PZT, un cfrculo blanco indica la energfa del ruido superpuesta en la senal de deteccion por el aparato de deteccion de vibracion 1 y un cuadrado blanco indica la energfa del ruido superpuesta en la senal de deteccion del sistema que utiliza el sensor PZT.

Como se ilustra en la FIG. 7, se confirma que cuando se detecta la vibracion ultrasonica como la senal de deteccion utilizando el aparato de deteccion de vibracion 1 en el que la PS-FBG esta dispuesta sobre el FRL, la energfa del componente de ruido es mayor que el caso en el que se utiliza el sistema basado en sensores PZT, pero la energfa de la senal de deteccion es mayor cuando se utiliza el aparato de deteccion de vibracion 1. Ademas, la energfa de la senal de deteccion de vibracion ultrasonica es mayor a cualquier frecuencia en comparacion con el caso del sistema que utiliza el sensor PZT.

En particular, en el caso del sistema que utiliza el sensor PZT, la energfa de la senal de deteccion desciende a ciertas frecuencias, pero en el caso del aparato de deteccion de vibracion 1 en el que la PS-FBG esta dispuesta en el FRL, la energfa de la senal de deteccion no cae en ninguna frecuencia.

La FIG. 8 es un diagrama que ilustra la comparacion entre la SNR de una senal de deteccion que tiene diferentes frecuencias detectadas por el aparato de deteccion de vibracion 1 en la FIG. 1, y un resultado cuando se utiliza el sensor PZT.

En la FIG. 8, la abscisa indica la frecuencia de la senal de deteccion y la ordenada indica la SNR de la senal de deteccion. El cfrculo blanco en la FIG. 8 indica la SNR de la senal de deteccion del aparato de deteccion de vibracion 1, el cuadrado blanco indica la SNR de la senal de deteccion del sistema que utiliza el sensor PZT y las dos lmeas continuas indican las curvas adquiridas al suavizar los datos del diagrama de cada SNR respectivamente.

Como se ilustra en la FIG. 8, se confirma que la SNR de la senal de deteccion tiene una tendencia similar a la energfa de la senal de deteccion. En otras palabras, en el caso del aparato de deteccion de vibracion 1, la SNR de la senal de deteccion de vibracion ultrasonica es mas alta a cualquier frecuencia en comparacion con el caso del sistema que utiliza el sensor PZT. Ademas, el cambio de frecuencia de la SNR es mas suave cuando se utiliza el 5 aparato de deteccion de vibracion 1 en comparacion con el caso del sistema que utiliza el sensor PZT.

De acuerdo a los resultados en la FIG. 7 y FIG. 8, se confirma que la caractenstica de respuesta de frecuencia del aparato de deteccion de vibracion 1 es mejor que el sistema que utiliza el sensor PZT.

Ademas de estos efectos, el aparato de deteccion de vibracion 1 no necesita un componente tan costoso como un laser sintonizable. Por lo tanto, la vibracion del objeto O puede ser detectada usando una configuracion poco 10 costosa.

Ademas, si se usa la PS-FBG como FBG 6, y se selecciona un modo longitudinal espedfico de una pluralidad de modos longitudinales, entonces se puede disminuir la influencia de cambios ambientales, tales como un cambio de temperatura. En otras palabras, el aparato de deteccion de vibracion 1 se vuelve fuertemente resistente a las influencias ambientales. En terminos concretos, el modo laser de la luz transmitida puede ajustarse automaticamente 15 a un modo laser que tenga una longitud de onda apropiada.

Como resultado, se puede implementar simultaneamente una medicion de vibracion altamente sensible usando la PS-FBG que tiene un pico agudo en el espectro de transmision y una banda ancha de rango de medicion. Esto hace mas facil un ajuste que responda a los cambios ambientales, tal como un cambio de temperatura.

Claims (11)

1. 5

   10

   15

   20

   25

   30

   35

   40

   45

   REIVINDICACIONES

   1. Un aparato de deteccion de vibracion (1), que comprende: un resonador de laser de anillo que genera un rayo laser que propaga un trayecto de luz en forma de anillo

   una red de Bragg en fibra de cambio de fase (6) que esta dispuesta en el resonador de laser de anillo de manera tal que el rayo laser ingresa a la red, y de la cual la caractenstica de distribucion de transmitancia de luz transmitida en una direccion de longitud de onda cambia de acuerdo con la vibracion de un objeto (O); y

   un sistema de deteccion (3) que detecta la vibracion en base a un cambio de intensidad de la luz transmitida a traves de la red de Bragg en fibra de cambio de fase (6).
2. 2. El aparato de deteccion de vibracion de acuerdo a la reivindicacion 1, en el que el sistema de deteccion (3) esta configurado para detectar la vibracion en base a un cambio de intensidad de un modo longitudinal que tiene la mayor intensidad de luz que es transmitida a traves de la red de Bragg en fibra de cambio de fase (6), de multiples modos longitudinales generados en el resonador de laser de anillo.
3. 3. El aparato de deteccion de vibracion de acuerdo a la reivindicacion 2, en el que el sistema de deteccion (3) esta configurado de manera tal que, cuando la caractenstica de distribucion de transmitancia es desplazada en la direccion de longitud de onda por una cantidad de desplazamiento que excede un umbral debido a un factor ambiental distinto de la vibracion, la vibracion se detecta en base a un cambio de intensidad de otro modo longitudinal correspondiente a la cantidad de desplazamiento.
4. 4. El aparato de deteccion de vibracion de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, que ademas comprende un filtro optico (10) que remueve componentes en una banda de frecuencia innecesaria de la luz transmitida a traves de la red de Bragg en fibra de cambio de fase (6) .
5. 5. El aparato de deteccion de vibracion de acuerdo a la reivindicacion 4, en el que el filtro optico (10) esta conectado al resonador de laser de anillo a traves de un circulador optico (7).
6. 6. El aparato de deteccion de vibracion de acuerdo a la reivindicacion 4 o la reivindicacion 5 en el que el filtro optico (10) esta constituido por una red de Bragg en fibra apodizada.
7. 7. El aparato de deteccion de vibracion de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, que ademas comprende un amplificador optico que esta dispuesto en el resonador de laser de anillo, y que amplifica la luz transmitida a traves de la red de Bragg en fibra de cambio de fase (6) y permite que la luz entre en la red de Bragg en fibra de cambio de fase (6) otra vez, en el que el sistema de la deteccion (3) esta configurado para detectar la vibracion en base a la luz transmitida a traves de la red de Bragg en fibra de cambio de fase (6), cuya intensidad ha alcanzado una intensidad predeterminada amplificando la luz transmitida por el amplificador optico al menos una vez.
8. 8. El aparato de deteccion de vibracion de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, que ademas comprende un sistema de transmision ultrasonica que aplica vibracion por una onda de ultrasonido al objeto (0), en el que el sistema de deteccion (3) esta configurado para detectar la vibracion del objeto (0) generada por el sonido ultrasonico.
9. 9. El aparato de deteccion de vibracion de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que el sistema de deteccion (3) esta configurado para detectar la vibracion debido a emisiones acusticas generadas en el objeto (0).
10. 10. El aparato de deteccion de vibracion de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que el sistema de deteccion (3) esta configurado para detectar un defecto en el objeto (0) en base a la vibracion detectada.
11. 11. Un procedimiento de deteccion de vibracion, que comprende las etapas de: generar un rayo laser que propaga un trayecto de luz en forma de anillo

    permitir que el rayo laser ingrese a una red de Bragg en fibra de cambio de fase (6) de la cual la distribucion de transmitancia caractenstica de luz transmitida en una direccion de longitud de onda cambia de acuerdo con la vibracion de un objeto (0); y

    detectar la vibracion en base a un cambio de intensidad de la luz transmitida a traves de la red de Bragg en fibra de cambio de fase (6).