ES2920476T3 - Dispositivo de detección de fibra óptica que tiene una disposición simétrica de fibra óptica - Google Patents

Abstract

La invención se relaciona con un dispositivo de detección de fibra óptica (9), que comprende una base (1), un actuador (3) que tiene un eje del actuador (x), una bisagra elástica (2) que conecta el actuador con la base, lo que permite que el actuador Mover o desviar en un plano de movimiento (d) con respecto a la base, un par de porciones de fibra óptica (4) que se extiende en el plano de movimiento, contactando al actuador en un par de posiciones de contacto (11), en el que el actuador (3) Comprende un plano (s) de simetría, en el que el par de porciones de fibra óptica (4) están organizadas simétricamente con respecto al plano de simetría, de modo que el movimiento del actuador causa un cambio proporcional o igual en la tensión en las porciones de fibra óptica (4). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Dispositivo de detección de fibra óptica que tiene una disposición simétrica de fibra óptica

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un dispositivo de detección de fibra óptica, que comprende:

- una base,

- un actuador conectado a la base y que tiene un eje actuador,

- una bisagra elástica que conecta el actuador a la base, en donde la bisagra elástica permite que el actuador se mueva o se desvíe en un plano de movimiento con respecto a la base a partir de un estado inmóvil a un estado móvil,

un par de porciones de fibra óptica que se extienden en el plano de movimiento a partir de la base paralelas al eje del actuador en el estado inmóvil, el par de porciones de fibra óptica en contacto con el actuador en múltiples posiciones de contacto, en donde el par de porciones de fibra óptica están pretensadas y las porciones de fibra óptica comprenden estructuras de modulación de luz.

Antecedentes de la invención

Por diversas razones, se necesitan parámetros mecánicos como el desplazamiento, las vibraciones o los movimientos angulares de los objetos. Estos parámetros se pueden medir usando por ejemplo, una o más rejillas de Fibra Bragg (FBG) unidas a un sustrato, tales como una viga de flexión metálica. Si, por ejemplo, la viga se va a utilizar para medir la deflexión en la punta de la viga con gran precisión, el ancho o el espesor requerido de la viga para lograr la precisión requerida puede ser tal que se requiera una gran fuerza para desviar la punta de la viga. Este efecto puede introducir errores intolerables en el desplazamiento de la punta medido y la distorsión de la desviación original.

Para una sensibilidad determinada de los sensores de tensión, la viga debe tener un espesor adecuado para lograr la precisión requerida en la deflexión medida. La rigidez de la viga se escala a la tercera potencia de su espesor, lo que da como resultado una gran fuerza para desviar la viga. Se requieren sensores de tensión en ambos lados de la viga para compensar la expansión térmica de la viga. La desviación de la punta de la viga introduce una forma curva de la viga.

Mediante el uso de una bisagra elástica, la fuerza requerida del elemento de medición externo para desviar la viga se reduce considerablemente, y es independiente del espesor de la viga. Esto permite aumentar el espesor de la viga para aumentar la precisión de la medición a la vez que se conserva una fuerza baja para desviar la viga.

Los dispositivos sensores de fibra óptica que utilizan el principio anterior son conocidos por la técnica anterior. Por ejemplo, WO 2009/114955 A1 divulga un elemento de medición óptico para medir fuerzas en al menos una dirección. El elemento de medición tiene una estructura de una sola pieza que comprende una pared exterior y muescas introducidas en ella, en donde las muescas definen zonas más o menos elásticamente flexibles en la estructura y constituyen la conexión individual entre una primera y una segunda región de la estructura. Para mediciones de distancia óptica entre las dos regiones de la estructura, una o más fibras ópticas están unidas cada una con un extremo de la misma a una región de la estructura de tal manera que cerca de los extremos se ubican superficies reflectantes, las cuales están firmemente conectadas a otra región. De acuerdo con la divulgación, las fibras ópticas están dispuestas en la pared exterior. Además, de acuerdo con la divulgación, cada muesca comprende bordes paralelos.

La EP 2990755 A1 divulga un sensor de tensión y un método para fabricar un sensor de tensión. En una base se proporciona una pluralidad de soportes sobresalientes. Una fibra óptica se enrolla alrededor de los soportes. La fibra óptica comprende partes alineadas con diferentes direcciones entre los soportes. Los materiales de fijación fijan la fibra óptica a los soportes en un estado en el cual se aplica tensión a las partes de fibra entre los soportes.

El documento US 2013/139606 A1 además, divulga anclajes de fibra óptica que logran un confinamiento o fijación de baja fluencia de una sección de fibra óptica en un conjunto lo suficientemente compacto para ser utilizado convenientemente como un anclaje o como parte habilitadora de un sensor de tensión o temperatura a la vez que retiene bajas pérdidas ópticas y el revestimiento tapón original para impedir que la fibra quede expuesta a la abrasión y otras influencias que podrían provocar la rotura. Se utiliza un cuerpo rígido que es mecánicamente rígido y suficientemente duro para impedir que dicha fibra lo corte o distorsione dicho medio o sustrato cuando se somete a tensión, incluso durante un largo período de tiempo.

Sin embargo, un problema con los dispositivos de detección de fibra óptica conocidos es que la precisión de la medición se ve comprometida debido a las diferencias de temperatura: una variación de la temperatura de la viga introducirá un cambio en sus dimensiones a través de la expansión térmica del material de la viga y, por lo tanto, en la señal como medida por la FBG. Esto se puede solucionar pegando un FBG a ambos lados de la viga. Este método se puede utilizar para eliminar la influencia de la temperatura en el resultado de la medición, suponiendo que la viga de flexión tenga la misma temperatura en ambas superficies a las cuales se unen los FBGs. Especialmente esta última condición es difícil de cumplir, por ejemplo, ambientes con temperatura variable, también en vista de la masa térmica de la viga introducida por el espesor de la viga de flexión necesaria para mediciones de alta precisión de, por ejemplo, desviación de la punta de la viga.

Objeto de la invención

Por lo tanto, un objeto de la invención es proporcionar un dispositivo de detección de fibra óptica, en donde se eliminen las imprecisiones de medición debidas a las diferencias de temperatura.

Otro objeto de la invención es proporcionar un dispositivo de detección de fibra óptica, en donde se consigue una alta sensibilidad con una rigidez baja.

Otro objeto más de la invención es proporcionar un dispositivo de detección de fibra óptica, en donde se hace un uso óptimo de la relación de energía entre las dos fibras del par de porciones de fibra óptica.

Descripción de la invención

La invención consiste en un dispositivo de detección de fibra óptica como se define en la reivindicación 1 y un sistema de detección de fibra óptica como se define en la reivindicación 15.

Para ello, de acuerdo con la invención, se proporciona un dispositivo de detección de fibra óptica, caracterizado porque en el estado inmóvil el actuador comprende un plano de simetría perpendicular al plano de movimiento, en donde el par de porciones de fibra óptica están dispuestas simétricamente con respecto al plano de simetría, de tal modo que el movimiento o desviación del actuador provoca un cambio de tensión en una de las porciones de fibra óptica y un cambio de tensión proporcional o igual de signo opuesto en la otra porción de fibra óptica.

La disposición anterior compensa la influencia de la temperatura en los resultados de medición del dispositivo de detección de fibra óptica. Debido al signo opuesto (proporcional o igual) del cambio en la tensión de las porciones opuestas de fibra óptica, el dispositivo de detección de fibra óptica proporciona un principio de detección diferencial con compensación de temperatura altamente ventajoso.

Además, se consigue así una alta sensibilidad con una rigidez baja.

Además, se hace un uso óptimo de la relación de energía entre las dos fibras del par de porciones de fibra óptica debido a una tensión previa idéntica.

En el contexto de la presente solicitud de patente, 'simétrico' debe entenderse en general como: el actuador es simétrico con respecto al plano de simetría, el par de posiciones de contacto están dispuestas en posiciones axiales iguales a lo largo del eje del actuador, el par de porciones de fibra óptica están dispuestas a distancias iguales del plano de simetría, con orientaciones similares, y las porciones de fibra óptica como tales son idénticas, con un pretensado previa idéntica.

Además, el pretensado permite ventajosamente afinar o alterar las características de las estructuras de modulación de luz, por ejemplo, la longitud de onda FBG, en o con respecto a un estado relajado.

Una realización se refiere a un dispositivo de detección de fibra óptica mencionado anteriormente, en donde el eje del actuador se extiende alejándose de la base y el par de porciones de fibra óptica se extienden paralelamente al eje del actuador.

Una realización se refiere a un dispositivo de detección de fibra óptica mencionado anteriormente, en donde la bisagra elástica tiene una forma para proporcionar una transición suave y gradual a la base por un lado y al actuador por el otro, por ejemplo, con lados redondeados (convexos).

Una realización se refiere a un dispositivo de detección de fibra óptica mencionado anteriormente, en donde las estructuras de modulación de luz están dispuestas para no coincidir con las posiciones de contacto, de lo contrario, el rendimiento de las estructuras de modulación de luz puede volverse poco fiable.

Una realización se refiere a un dispositivo de detección de fibra óptica mencionado anteriormente, en donde las estructuras de modulación de luz comprenden rejillas de Fibra Bragg (FBG). En algunas situaciones, el dispositivo de detección de fibra óptica se puede utilizar en entornos hostiles, tales como entornos con interferencias electromagnéticas. Mediante el uso de FBGs, el dispositivo de detección de fibra óptica ofrece inmunidad a la interferencia electromagnética y aislamiento galvánico entre el dispositivo de detección de fibra óptica y el equipo de lectura.

Una realización se refiere a un dispositivo de detección de fibra óptica mencionado anteriormente, en donde una o ambas porciones del par de fibras ópticas están suspendidas en un líquido. Por ejemplo, cuando se trabaja con productos químicos, se puede montar un material químicamente sensible entre la base y la punta del actuador, respondiendo dicho material al parámetro de interés con un cambio dimensional, accionando así la punta del actuador. Ejemplos de estos parámetros químicos son los líquidos (que incluyen, por ejemplo, agua, aceite, ácidos, etc.). Sin embargo, también es concebible que se realicen mediciones asociadas con todo tipo de gases. Cuando se utiliza una de las porciones de fibra óptica del par, el dispositivo de detección de fibra óptica puede utilizarse con fines de detección, en donde el uso de dos porciones de fibra óptica del par puede utilizarse con fines (uso) generales.

Una realización se refiere a un dispositivo de detección de fibra óptica mencionado anteriormente, en donde el actuador es un cuerpo monolítico o formado integralmente para obtener una expansión térmica y un rendimiento mecánico predecibles del actuador.

Una realización se refiere a un dispositivo de detección de fibra óptica mencionado anteriormente, en donde el actuador está hecho de materiales no magnéticos o tiene un revestimiento de materiales no magnéticos, tales como metales o plásticos no magnéticos para aplicaciones eléctricas y entornos específicos de alto voltaje.

Una realización se refiere a un dispositivo de detección de fibra óptica mencionado anteriormente, en donde se aplica un revestimiento piezoeléctrico a la bisagra elástica o al par de porciones de fibra óptica para mediciones adicionales, por ejemplo, de fuerza mecánica o vibraciones.

Una realización se refiere a un dispositivo de detección de fibra óptica mencionado anteriormente, en donde una del par de porciones de fibra óptica y la otra del par de porciones de fibra óptica son parte de una fibra óptica individual, en donde la fibra óptica individual comprende una tercera porción de fibra óptica que conecta el par de porciones de fibra óptica entre el par de posiciones de contacto. Allí, la tercera porción de fibra óptica que corre responde únicamente a la temperatura. Esto ofrece el principio básico de compensación de la influencia de la temperatura en los resultados de medición del dispositivo de detección de fibra óptica.

Una realización se refiere a un dispositivo de detección de fibra óptica mencionado anteriormente, en donde el actuador comprende unas porciones de actuador redondeada, convexa o en forma de campana y la tercera porción de fibra óptica pasa sobre la porción de actuador redondeada para conectar el par de porciones de fibra óptica entre el par de posiciones de contacto.

Una realización se refiere a un dispositivo de detección de fibra óptica mencionado anteriormente, en donde el ancho del actuador (W1) es mayor que el ancho de la bisagra elástica (W2), siendo 5-30, preferiblemente 10-20, veces el ancho de la bisagra elástica (W2), para lograr relaciones óptimas de rigidez/sensibilidad.

Una realización se refiere a un dispositivo de detección de fibra óptica mencionado anteriormente, en donde la bisagra elástica se conecta a la base bajo un ángulo diferente de 90°, tal como 45°.

De este modo, una realización se refiere a un dispositivo de detección de fibra óptica mencionado anteriormente, en donde se proporcionan dos bisagras elásticas para conectar el actuador a la base, en donde las dos bisagras elásticas están situadas en lados opuestos del eje del actuador. Por lo tanto, es posible ajustar aún más la dirección de las mediciones.

Una realización se refiere a un dispositivo de detección de fibra óptica mencionado anteriormente, en donde una del par de porciones de fibra óptica está dispuesta perpendicular al plano de simetría y la otra del par de porciones de fibra óptica está dispuesta en el plano de simetría o paralela al plano de simetría, de tal modo que el par de porciones de fibra óptica estén dispuestas perpendiculares entre sí.

Preferiblemente, las bisagras elásticas y el actuador están configurados para permitir que la tensión creada en una de las porciones de fibra óptica debido al movimiento se atenúe o amplifique en el otro par de porciones de fibra óptica.

Una realización se refiere a un dispositivo de detección de fibra óptica mencionado anteriormente, en donde:

- la bisagra elástica permite que el actuador se desvíe en un primer plano de movimiento con respecto a la base, así como en un segundo plano de movimiento, perpendicular al primer plano de movimiento,

- un primer par de porciones de fibra óptica se extiende en el primer plano de movimiento, estando dispuesto el primer par de porciones de fibra óptica en lados opuestos del eje del actuador y en contacto con el actuador en un primer par de posiciones de contacto en lados opuestos del eje del actuador,

- un segundo par de porciones de fibra óptica se extiende en el segundo plano de movimiento, estando dispuesto el segundo par de porciones de fibra óptica en lados opuestos del eje del actuador y en contacto con el actuador en un segundo par de posiciones de contacto en lados opuestos del eje del actuador,

- el dispositivo de detección de fibra óptica comprende un primer plano de simetría perpendicular al primer plano de movimiento, en donde el primer par de porciones de fibra óptica están dispuestas simétricamente con respecto al primer plano de simetría, de tal modo que un movimiento del actuador en el primer plano de movimiento provoca un cambio de tensión en una de las porciones de fibra óptica del primer par y un cambio de tensión proporcional o igual de signo opuesto en la otra porción del primer par de porciones de fibra óptica, y

- el dispositivo de detección de fibra óptica comprende un segundo plano de simetría perpendicular al segundo plano de movimiento, en donde el segundo par de porciones de fibra óptica están dispuestas simétricamente con respecto al segundo plano de simetría, de tal modo que un movimiento del actuador en el segundo plano de movimiento provoca un cambio de tensión en una de las porciones de fibra óptica del segundo par y un cambio de tensión proporcional o igual de signo opuesto en la otra de las porciones de fibra óptica del segundo par.

De este modo, se hacen posibles las mediciones en dos planos o direcciones ortogonales.

Una realización se refiere a un dispositivo de detección de fibra óptica mencionado anteriormente, en donde:

- la bisagra elástica permite que el actuador se desvíe en un tercer plano de movimiento con respecto a la base, perpendicular al primer y segundo plano de movimiento,

- un tercer par de porciones de fibra óptica se extiende en el tercer plano de movimiento, perpendicular al eje del actuador, estando dispuesto el tercer par de porciones de fibra óptica en posiciones separadas a lo largo del eje del actuador y en contacto con el actuador en un tercer par de posiciones de contacto en posiciones separadas del eje del actuador,

- el dispositivo de detección de fibra óptica comprende un tercer plano de simetría perpendicular al primer y segundo plano de movimiento, en donde el tercer par de porciones de fibra óptica están dispuestas simétricamente con respecto al tercer plano de simetría, de tal modo que un movimiento del actuador en el tercer plano de movimiento provoca un cambio de tensión en una de las porciones del tercer par de fibras ópticas y un cambio de tensión proporcional o igual de signo opuesto en el otro tercer par de porciones de fibra óptica.

De este modo, se hacen posibles las mediciones en tres planos o direcciones ortogonales.

Alternativamente, para medir en tres planos o direcciones ortogonales, se omite el tercer par de porciones de fibra óptica y en su lugar se une una porción de fibra óptica a la punta del actuador, dispuesta para alinearse con el eje del actuador. Preferiblemente, la porción de fibra óptica está provista con medios de medición de la tensión con compensación de temperatura para medir la tensión con compensación de temperatura.

Otro aspecto de la invención se refiere a un sistema de detección de fibra óptica que comprende uno o más dispositivos de detección de fibra óptica mencionados anteriormente.

Una realización se refiere a un sistema de detección de fibra óptica mencionado anteriormente, que comprende una o más fuentes de luz para transmitir luz a través del par de porciones de fibra óptica.

Una realización se refiere a un sistema de detección de fibra óptica mencionado anteriormente, en donde múltiples dispositivos de detección de fibra óptica están conectados en serie, en donde múltiples pares de porciones de fibra óptica forman parte de una fibra óptica individual, en donde la fibra óptica individual está conectada a una fuente de luz individual.

Una realización se refiere a un sistema de detección de fibra óptica mencionado anteriormente, que comprende un marco que encierra el dispositivo de detección de fibra óptica al menos en el plano de movimiento.

Breve descripción de los dibujos

La presente invención se explicará a continuación con referencia a realizaciones de ejemplo de un dispositivo de detección de fibra óptica de acuerdo con la invención y con referencia a los dibujos. En esto:

La Figura 1 muestra una primera realización de ejemplo de un dispositivo de detección de fibra óptica de acuerdo con la invención, en donde el par de porciones de fibra óptica forman parte de una fibra óptica individual;

las Figuras 2a-2b muestran una segunda realización de ejemplo de un dispositivo de detección de fibra óptica de acuerdo con la invención;

la Figura 3 muestra otra realización de ejemplo de un dispositivo de detección de fibra óptica de acuerdo con la invención, con base en la primera realización, en donde se proporcionan tres pares de fibras ópticas, lo que permite que se realicen mediciones en tres planos ortogonales;

las Figuras 4a-4e muestran cinco modos operativos diferentes de la primera realización del dispositivo de detección de fibra óptica de acuerdo con la invención; y

Las Figuras 5a-5g muestran siete modos operativos diferentes de la segunda realización del dispositivo de detección de fibra óptica de acuerdo con la invención.

Descripción detallada

Las Figuras 1-5g se discutirán en conjunto. La Figura 1 muestra un dispositivo 9 de detección de fibra óptica, que comprende una base 1 y un actuador 3 que se extiende alejándose de la base a lo largo de un eje actuador X. El actuador 3 es preferiblemente un cuerpo formado integralmente o monolítico.

Una bisagra 2 elástica conecta el actuador 3 a la base 1. La bisagra 2 elástica permite que el actuador se desvíe en un plano de movimiento D con respecto a la base 1 a partir de un estado inmóvil a un estado móvil (no se muestra). La elasticidad de la bisagra 2 elástica se logra preferiblemente al proporcionar una rigidez a la flexión relativamente baja en el plano de movimiento D, y una rigidez (más) relativamente alta en los planos perpendiculares al plano de movimiento D. Se muestra un par de porciones 4 de fibra óptica que se extienden en el plano de movimiento D a partir de la base 1 paralelo al eje del actuador X en el estado inmóvil. Las porciones 4 de fibra óptica están dispuestas en lados opuestos del eje del actuador X y hacen contacto con el actuador en un par de posiciones 11 de contacto en lados opuestos del eje del actuador X. Las porciones 4 de fibra óptica están pretensadas de forma idéntica.

El actuador 3 comprende un plano de simetría S perpendicular al plano de movimiento D. El actuador 3 y el par de porciones 4 de fibra óptica están dispuestos simétricamente con respecto al plano de simetría S, de tal modo que el movimiento del actuador 3 provoca un cambio de tensión en una de las porciones 4 de fibra óptica y un cambio igual en la tensión de signo opuesto en la otra porción 4 de fibra óptica. Aunque la invención busca proporcionar simetría del actuador 3 y las porciones 4 de fibra óptica, el experto en la técnica comprenderá que no siempre se requiere una simetría absoluta y que son posibles pequeñas desviaciones con respecto al diseño del actuador 3 y las porciones 4 de fibra óptica, a la vez que aún conseguir las ventajas de la invención.

De hecho, la Figura 1 muestra un sistema 20 de detección de fibra óptica que comprende un dispositivo 9 de detección de fibra óptica, pero también se pueden proporcionar múltiples dispositivos 9 de detección de fibra óptica, que comprenden una o más fuentes 21 de luz para transmitir luz a través del par de porciones 4 de fibra óptica. Se pueden conectar múltiples dispositivos 9 de detección de fibra óptica en serie, donde múltiples pares de porciones 4 de fibra óptica son parte de una sola fibra 6 óptica, en donde la fibra 6 óptica individual está conectada a una sola fuente 21 de luz. La Figura 1 muestra además el marco 1 que forma la base 1 que encierra el dispositivo 9 de detección de fibra óptica al menos en el plano de movimiento D. El marco 1 puede ser rectangular, pero también podría tener otras formas. El marco 1 también podría tener la forma de una carcasa (por ejemplo, cúbica), que esencialmente abarca por completo el dispositivo 9 de fibra óptica.

Las porciones 4 de fibra óptica, como se muestra, comprenden además estructuras 10 de modulación de luz en forma de rejillas de Fibra Bragg (FBG). Las estructuras 10 de modulación de luz están dispuestas para no coincidir con las posiciones 11 de contacto.

En una realización, una o ambas del par de porciones 4 fibras óptica también pueden suspenderse en un líquido (no se muestra).

El actuador 3 está hecho preferentemente de materiales no magnéticos, tales como metales o plásticos no magnéticos. Se puede aplicar un revestimiento piezoeléctrico a la bisagra 2 elástica o al par de porciones 4 de fibra óptica.

En la Figura 1, una del par de porciones 4 de fibra óptica y la otra del par de porciones 4 de fibra óptica son parte de una fibra 6 óptica individual. La fibra 6 óptica individual comprende una tercera porción 5 de fibra óptica que conecta el par de porciones 4 de fibra óptica entre el par de posiciones 11 de contacto.

El actuador 3, como se muestra en la Figura 1, comprende una porción de actuador 8 redondeada o en forma de campana y la tercera porción 5 de fibra óptica pasa sobre la porción 8 de actuador redondeada para conectar el par de porciones 4 de fibra óptica entre el par de posiciones 11 de contacto. Alternativamente, se puede crear un espacio (no se muestra) en la porción del actuador para suspender la tercera porción 5 de fibra óptica “en el aire”.

El actuador 3 tiene una porción 12 de extremo y una porción 13 central, en donde la porción 13 central está conectada a la bisagra 2 elástica y la porción 12 de extremo está conectada a la porción 13 central. Allí, el ancho de la porción de extremo es más grande que el ancho de la porción central. El ancho W1 del actuador 3 es además más grande que el ancho W2 de la bisagra 2 elástica, siendo 5-30, preferiblemente 10-20, veces el ancho W2 de la bisagra 2 elástica.

La Figura 1 muestra más concretamente un actuador 3 de estructura monolítica en el cual una bisagra 2 elástica soporta un actuador 3, cuya posición angular en el plano del marco o base 1 es modificada por el parámetro externo a medir.

En la realización de la Figura 1, una fibra 6 óptica individual que contiene tres rejillas de Fibra Bragg (FBG) 4, 5 se extiende a partir de un primer punto 7 de fijación en el marco 1, sobre la superficie del actuador 3 preferiblemente redondeada, de vuelta a un segundo punto 7 de fijación en el marco 1

Los tres FBGs 10 están escritos en el núcleo de la fibra 6 óptica y distribuidos a lo largo de la fibra 6 óptica de tal manera que dos de los FBGs 10 están posicionados aproximadamente a la mitad de la distancia entre la base o marco 1 y el borde lateral plano de la parte en forma de campana (porción 12 de extremo) del actuador 3. Durante el ensamblaje del dispositivo 9 de detección de fibra óptica, los tramos de fibra 6 óptica entre el actuador 3 y el marco 1 (es decir, las porciones 4 de fibra óptica) se pretensan al mismo nivel, por lo que se pretensan los FBG 10 en estos tramos a la misma cantidad. Los dos FBGs 10 pretensados están básicamente suspendidos libremente en el aire y fijados en posiciones fuera del área del FBG 10, conservando así el espectro óptico intrínseco del FBG 10 bajo la excitación del FBG 10, siendo un requisito previo para la medición precisa de las propiedades espectrales de FBG 10.

Como se indicó anteriormente, los FBGs 10 pueden suspenderse en un líquido si la aplicación o los requisitos de rendimiento así lo exigen.

Por la naturaleza de los FBGs 10, los FBGs 10 pretensados entre el actuador 3 y el marco 1 responden a la tensión y la temperatura, a la vez que el FBG 10 “medio” que corre sobre la porción 12 de extremo responde únicamente a la temperatura. Esto ofrece el principio básico para la compensación de la influencia de la temperatura en los resultados de medición del dispositivo 9 de detección de fibra óptica. El movimiento de la punta 8 del actuador 3 por el parámetro externo a medir da como resultado un cambio de la posición angular del actuador 3 y por lo tanto una variación antisimétrica en la tensión de los dos FBGs 10 que se colocan opuestos entre sí con respecto al plano de simetría del actuador S. Debido al signo opuesto del cambio en la tensión de los dos FBGs opuestos, el dispositivo 9 de detección de fibra óptica refleja un principio de detección diferencial con compensación de temperatura con base en FBG.

Como se muestra en las Figuras 2a y 2b, en una realización la bisagra 2 elástica puede conectarse a la base 1 bajo un ángulo diferente de 90°, tal como 45°. En él, se pueden proporcionar dos bisagras 2 elásticas (en pares) para conectar el actuador 3 a la base 1, en donde las dos bisagras 2 elásticas están colocadas en lados opuestos del eje del actuador X. En total, cuatro (en pares) se pueden proporcionar bisagras 2 elásticas, como se muestra. La selección de la base 1 es relativamente arbitraria y también puede seleccionarse para que esté formada por uno de los otros segmentos actuadores (cuatro en total, como se muestra). Una del par de porciones 4 de fibra óptica está dispuesta perpendicular al plano de simetría S y la otra del par de porciones 4 de fibra óptica está dispuesta en el plano de simetría S o paralela al plano de simetría S, de tal modo que las porciones 4 de fibra óptica están dispuestas perpendiculares entre sí. La fibra 6 óptica (individual) se puede disponer en el dispositivo 9 de detección de fibra óptica como se muestra, estando la fibra 6 óptica doblada o dispuesta a lo largo de elementos 27 curvos, como se muestra.

Las bisagras 2 elásticas y el actuador 3 de la segunda realización están esencialmente configurados para permitir que la tensión creada en una de las porciones 4 de fibra óptica debido al movimiento se atenúe o amplifique en el otro par de porciones 4 de fibra óptica. Las porciones 4 de fibra óptica son de nuevo pretensadas o pretensionadas al mismo nivel, pretensando así las estructuras 10 de modulación de luz en el mismo grado. Otro beneficio del tensado uniforme es la eliminación de los efectos no deseados introducidos, por ejemplo, por la humedad o contenido de humedad de la longitud de onda reflejada, por ejemplo, por el FBG. Debido al signo opuesto del cambio resultante en la tensión de las dos porciones 4 de fibra óptica ortogonales y estructuras de modulación de luz/FBGs 10, la segunda realización ofrece un principio de detección diferencial con compensación de temperatura con base en FBG. Debido a que las porciones de fibra óptica se cruzan 'encima/debajo' entre sí, también es posible realizar mediciones de curvatura, es decir, el dispositivo 9 de detección de fibra óptica está 'doblado' fuera del plano de movimiento D.

En la realización como se muestra en la Figura 3, la bisagra 2 elástica permite que el actuador se desvíe en un primer plano de movimiento D1 con respecto a la base, así como en un segundo plano de movimiento D2, perpendicular al primer plano de movimiento D1.

Un primer par 14 de porciones de fibra óptica se extiende en el primer plano de movimiento D1, estando dispuesto el primer par 14 de porciones de fibra óptica en lados opuestos del eje del actuador X y en contacto con el actuador en un primer par 16 de posiciones de contacto en lados opuestos del actuador del eje X.

Un segundo par 15 de porciones de fibra óptica se extiende en el segundo plano de movimiento D2, estando dispuesto el segundo par 15 de porciones de fibra óptica en lados opuestos del eje del actuador X y en contacto con el actuador en un segundo par 17 de posiciones de contacto en lados opuestos del actuador del eje X.

Para medir en dos direcciones ortogonales, el dispositivo 9 de detección de fibra óptica como se muestra en la Figura 3 comprende un primer plano de simetría S1 perpendicular al primer plano de movimiento D1, en donde el primer par 14 de porciones de fibra óptica están dispuestas simétricamente con respecto al primer plano de simetría S1, de tal modo que un movimiento del actuador 3 en el primer plano de movimiento D1 provoca un cambio de tensión en uno del primer par 14 de porciones de fibra óptica y un cambio igual de tensión de signo opuesto en el otro del primer par 14 de porciones de fibra óptica.

El dispositivo 9 de detección de fibra óptica también comprende un segundo plano de simetría S2 perpendicular al segundo plano de movimiento D2, en donde el segundo par 15 de porciones de fibra óptica están dispuestas simétricamente con respecto al segundo plano de simetría S2, de tal modo que un movimiento del actuador en el segundo plano de movimiento D2 provoca un cambio de tensión en uno del segundo par 15 de porciones de fibra óptica y un cambio igual de tensión de signo opuesto en el otro segundo par 15 de porciones de fibra óptica.

Para medir en tres direcciones ortogonales, la bisagra 2 elástica permite que el actuador 3 se desvíe en un tercer plano de movimiento D3 con respecto a la base 1, perpendicular a los planos de movimiento primero D1 y segundo D2.

Un tercer par 18 de porciones de fibra óptica se extiende en el tercer plano de movimiento D3, perpendicular al eje del actuador X, estando dispuesto el tercer par 18 de porciones de fibra óptica en posiciones separadas a lo largo del eje del actuador X y en contacto con el actuador en un tercer par 19 de posiciones de contacto en posiciones separadas del eje del actuador X.

El dispositivo 9 de detección de fibra óptica comprende un tercer plano de simetría S3 perpendicular al primer y segundo plano de movimiento D1, D2, en donde el tercer par 19 de porciones de fibra óptica están dispuestas simétricamente con respecto al tercer plano de simetría S3, de tal modo que un movimiento del actuador 3 en el tercer plano de movimiento D3 provoca un cambio de tensión en uno del tercer par 19 de porciones de fibra óptica y un cambio igual de tensión de signo opuesto en el otro tercer par 19 de porciones de fibra óptica. Alternativamente, para medir en tres planos o direcciones ortogonales, se omite el tercer par 19 de porciones 4 de fibra óptica y, en su lugar, se une una porción de fibra óptica a la punta del actuador (no se muestra), dispuesta para alinearse con el eje del actuador X. Preferiblemente, la parte de fibra óptica está provista con medios de medición de la tensión con compensación de temperatura (no se muestran) para medir la tensión con compensación de temperatura.

Las Figuras 4a-4e muestran que la excitación del actuador 3 puede ser el resultado de diversos modos operativos del dispositivo 9 de detección de fibra óptica.

La Figura 4a muestra la medición de un desplazamiento 1D de objetos o posiciones distantes. Para esto, se puede usar una cuerda 24 principal de Plástico Reforzado con Fibra de Vidrio (GFRP), que tenga una longitud de, por ejemplo, 0. 5.- 30 m, o incluso más. El tensado de la cuerda 24 principal tiene lugar por la elasticidad inherente del material de la cuerda. Con el movimiento distal del extremo derecho de la cuerda 24 principal, el elemento 26 de conexión se mueve, moviendo a su vez la cuerda 23 auxiliar y la punta de la cuerda 22 y, por lo tanto, el actuador 3.

La Figura 4b muestra un modo de rotación de objetos 1D, en donde una masa 25 pesada, que tiene un peso de, por ejemplo, 0.5 - 10 kg, está suspendida de la cuerda 24 principal en una construcción similar a un péndulo. Tras el movimiento horizontal de la masa 25 pesada, se inicia un movimiento pendular. El elemento 26 de conexión luego transfiere este movimiento al actuador 3 a través de la cuerda 22 de punta horizontal.

La Figura 4c muestra un modo de rotación de objetos 1D, en donde una masa 25 más ligera, que tiene un peso de, por ejemplo, 0.05 - 0.5 kg, está suspendida de la cuerda 24 principal en una construcción similar a un péndulo. La masa 25 más ligera está suspendida directamente del actuador 3 a través de la cuerda 22 de punta.

La Figura 4d muestra un modo de rotación de objetos 1D, con el dispositivo 9 de detección de fibra óptica en un modo de péndulo 'interno'. El actuador 3 responde a un movimiento angular por su propia masa, aunque también es concebible añadir una masa externa.

La Figura 4e muestra el modo de vibración de un objeto 1D. El actuador 3 responde a las vibraciones laterales con su propia masa (o una masa externa).

Teniendo el dispositivo 9 de detección de fibra óptica equipado con una fibra de entrada y salida, se pueden conectar en serie dos o más dispositivos 9 de detección de fibra óptica. Este es un gran beneficio con respecto a los sensores con base en FBG que solo tienen una conexión de fibra de un solo extremo. Para mediciones que requieren más de un dispositivo 9 de detección de fibra óptica, los dispositivos 9 de detección de fibra óptica de un solo extremo deben conectarse a un nodo o canal común de una unidad de lectura.

Dado que el accionamiento del dispositivo 9 de detección de fibra óptica resulta del movimiento angular del actuador 3, cualquier fenómeno capaz de introducir dicho movimiento puede, en principio, ser detectado por el dispositivo 9 de detección de fibra óptica de acuerdo con la invención. Esto abre todo un abanico de posibilidades de detección para los siguientes parámetros y fenómenos:

1. Desplazamiento, introduciendo una desviación angular del actuador 3. Esta aplicación incluye, pero no se limita a, sensores para la detección de movimientos muy pequeños de objetos, dicha configuración del dispositivo 9 de detección de fibra óptica podría implicar, por ejemplo, un estilo apropiado, conectado por un lado al actuador 3 y con el extremo libre tocando el objeto a medir.

2. Deflexión angular de una cuerda tensada como resultado del movimiento lateral de un punto distal, como se muestra en la Figura 4a.

3. Rotación del dispositivo 9 de detección de fibra óptica el vector de gravedad, como se muestra en las Figuras 4b-4d.

4. Vibración del dispositivo 9 de detección de fibra óptica en la dirección del movimiento angular de la punta del actuador 3, como se muestra en la Figura 4e.

5. Corrientes eléctricas, mediante la adición de un material ferromagnético a la punta del actuador 3 y una bobina de geometría adecuada para accionar la punta del dispositivo de detección de fibra óptica como resultado del flujo magnético generado por la bobina. Para estas aplicaciones, donde se debe conservar la geometría del campo original o donde el sensor debe funcionar en un entorno de alto voltaje, el dispositivo 9 de detección de fibra óptica se puede fabricar con un metal no magnético o un plástico de alta ingeniería.

6. Los campos eléctricos, como los generados, por ejemplo, (altos) voltajes mediante la aplicación de un material de respuesta adecuado a la punta del actuador 3.

7. Voltajes eléctricos, colocando un elemento entre el marco 1 monolítico del dispositivo 9 de detección de fibra óptica y la punta del actuador 3, en el cual el elemento responde al voltaje con un cambio de dimensión (resultante, por ejemplo, del efecto piezoeléctrico) que provoca un movimiento de la punta del actuador 3.

8. Productos químicos, montando un material químicamente sensible entre el marco monolítico y la punta del actuador 3, respondiendo dicho material al parámetro de interés con un cambio dimensional, accionando así la punta 8 del actuador 3. Ejemplos de estos parámetros químicos son los líquidos (que incluyen, por ejemplo, agua, aceite, ácidos, etcétera), gases de diferente naturaleza, etcétera.

Las Figuras 5a-5g muestran siete modos operativos diferentes de la segunda realización del dispositivo 9 de detección de fibra óptica de acuerdo con la invención. Las Figuras 5a-5g muestran respectivamente una medición 1D del ángulo entre una cuerda 24 tensada por masa y el dispositivo 9 de detección de fibra óptica, una medición 1D del desplazamiento de una masa u objeto 25, un sensor de desplazamiento 1D, en donde un elemento 28 auxiliar se desplaza verticalmente, un modo de vibración 1D, con una masa 25 para mejorar la sensibilidad a las vibraciones, un sensor de pesaje para pesar una masa 25, un modo accionado por modulador (Figuras = 5f: modulador 28 externo y Figura 5g: modulador 28 interno), en donde el dispositivo 9 de detección de fibra óptica es accionado por un modulador, por ejemplo, respondiendo a interacciones químicas/térmicas/piezoeléctricas/magnéticas/electrostáticas.

Lista de numerales de referencia

1. Base

2. Bisagra elástica

3. Actuador

4. Porción de fibra óptica

5. Tercera porción de fibra óptica

6. Fibra óptica

7. Posición de fijación

8. Punta de actuador

9. Dispositivo de detección de fibra óptica

10. Estructura de modulación de luz

11. Posición de contacto

12. Porción de extremo

13. Porción central

14. Primer par de porciones de fibra óptica

15. Segundo par de porciones ópticas

16. Primer par de posiciones de contacto

17. Segundo par de posiciones de contacto

18. Tercer par de porciones de fibra óptica

19. Tercer par de posiciones de contacto

20. Sistema de detección de fibra óptica

21. Fuente de luz

22. Cuerda de punta

23. Cuerda auxiliar

24. Cuerda principal

25. Masa

26. Elemento de conexión

27. Elemento curvo

28. Elemento auxiliar

X = Eje actuador

D = Plano de movimiento (D1, D2, D3)

S = Plano de simetría (S1, S2, S3)

W1 = Ancho del actuador

W2 = Ancho de bisagra elástica

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Dispositivo (9) de detección de fibra óptica, que comprende:

- una base (1),

- un actuador (3) conectado a la base y que tiene un eje actuador (X),

- una bisagra (2) elástica que conecta el actuador con la base, en donde la bisagra elástica permite que el actuador se mueva o se desvíe en un plano de movimiento (D) con respecto a la base a partir de un estado inmóvil a un estado móvil,

-un par de porciones (4) de fibra óptica que se extienden en el plano de movimiento, el par de porciones de fibra óptica en contacto con el actuador en múltiples posiciones (11) de contacto, en donde el par de porciones (4) de fibra óptica están pretensadas y las porciones (4) de fibra óptica comprenden estructuras (10) de modulación de luz, que preferiblemente comprenden rejillas de Fibra Bragg (FBG), caracterizado porque

- en estado inmóvil, el actuador (3) comprende un plano de simetría (S) perpendicular al plano de movimiento (D), en donde el par de porciones (4) de fibra óptica están dispuestas simétricamente con respecto al plano de simetría, de tal modo que el movimiento o la desviación del actuador provoca un cambio de tensión en una de las porciones (4) de fibra óptica y un cambio de tensión proporcional o igual de signo opuesto en la otra porción (4) de fibra óptica.

2. Dispositivo (9) de detección de fibra óptica de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el eje del actuador (X) se extiende alejándose de la base y el par de porciones de fibra óptica se extienden paralelamente al eje del actuador.

3. Dispositivo (9) de detección de fibra óptica de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde las estructuras (10) de modulación de luz están dispuestas para no coincidir con las posiciones (11) de contacto.

4. Dispositivo (9) de detección de fibra óptica de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde una o ambas del par de porciones (4) de fibra óptica están suspendidas en un líquido.

5. Dispositivo (9) de detección de fibra óptica de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el actuador (3) es un cuerpo monolítico o formado integralmente.

6. Dispositivo (9) de detección de fibra óptica de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el actuador (3) está hecho de materiales no magnéticos o tiene un revestimiento de materiales no magnéticos, tales como metales o plásticos no magnéticos.

7. Dispositivo (9) de detección de fibra óptica de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde se aplica un revestimiento piezoeléctrico a la bisagra elástica o al par de porciones de fibra óptica.

8. Dispositivo (9) de detección de fibra óptica de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde una del par de porciones de fibra óptica y la otra del par de porciones de fibra óptica forman parte de una fibra (6) óptica individual, en donde la fibra óptica individual comprende una tercera porción (5) de fibra óptica que conecta el par de porciones (4) de fibra óptica entre el par de posiciones (11) de contacto, en donde el actuador (3) comprende preferiblemente una porción (8) de actuador redondeada y la tercera porción (5) de fibra óptica corre sobre la porción de actuador redondeada para conectar el par de porciones (4) de fibra óptica entre el par de posiciones (11) de contacto.

9. Dispositivo (9) de detección de fibra óptica de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el ancho (W1) del actuador (3) es mayor que el ancho (W2) de la bisagra elástica, siendo 5-30, preferiblemente 10-20 veces el ancho de la bisagra elástica (W2).

10. Dispositivo (9) de detección de fibra óptica de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la bisagra (2) elástica se conecta a la base (1) bajo un ángulo diferente de 90°, tal como 45°.

11. Dispositivo (9) de detección de fibra óptica de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde se proporcionan dos bisagras (2) elásticas para conectar el actuador (3) a la base (1), en donde las dos bisagras elásticas están posicionadas en lados opuestos del eje del actuador (X).

12. Dispositivo (9) de detección de fibra óptica de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde una del par de porciones (4) de fibra óptica está dispuesta perpendicular al plano de simetría (S) y la otra del par de porciones de fibra óptica está dispuesta en el plano de simetría o paralela al plano de simetría, de tal manera que el par de porciones de fibra óptica están dispuestas perpendiculares entre sí, en donde las bisagras (2) elásticas y el actuador (3) están configurados preferentemente para permitir que la tensión creada en una de las porciones (4) de fibra óptica debido al movimiento para atenuar o amplificar en el otro del par de porciones (4) de fibra óptica.

13. Dispositivo (9) de detección de fibra óptica de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde:

- la bisagra (2) elástica permite que el actuador se desvíe en un primer plano de movimiento (D1) con respecto a la base, así como en un segundo plano de movimiento (D2), perpendicular al primer plano de movimiento (D1),

- un primer par (14) de porciones de fibra óptica se extiende en el primer plano de movimiento, estando dispuesto el primer par de porciones de fibra óptica en lados opuestos del eje del actuador y en contacto con el actuador en un primer par (16) de posiciones de contacto en lados opuestos del eje del actuador,

- un segundo par (15) de porciones de fibra óptica se extiende en el segundo plano de movimiento (D2), estando dispuesto el segundo par de porciones de fibra óptica en lados opuestos del eje del actuador (X) y en contacto con el actuador en un segundo par (17) de posiciones de contacto en lados opuestos del eje del actuador (X),

- el dispositivo (9) de detección de fibra óptica comprende un primer plano de simetría (S1) perpendicular al primer plano de movimiento (D1), en donde el primer par (14) de porciones de fibra óptica están dispuestas simétricamente con respecto al primer plano de simetría (S1), tal que un movimiento del actuador en el primer plano de movimiento (D1) provoca un cambio de tensión en uno del primer primer par (14) de porciones de fibra óptica y un cambio de tensión proporcional o igual de signo opuesto en la otra del primer par (14) de porciones de fibra óptica, y

- el dispositivo (9) de detección de fibra óptica comprende un segundo plano de simetría (S2) perpendicular al segundo plano de movimiento (D2), en donde el segundo par (15) de porciones de fibra óptica están dispuestas simétricamente con respecto al segundo plano de simetría (S2), de tal modo que un movimiento del actuador en el segundo plano de movimiento (D2) provoca un cambio de tensión en uno del segundo par (15) de porciones de fibra óptica y un cambio de tensión proporcional o igual de signo opuesto en la otra del segundo par (15) de porciones de fibra óptica.

14. Dispositivo (9) de detección de fibra óptica de acuerdo con la reivindicación 13, en donde:

- la bisagra (2) elástica permite que el actuador se desvíe en un tercer plano de movimiento (D3) con respecto a la base, perpendicular al primer (D1) y segundo plano de movimiento (D2),

- un tercer par (18) de porciones de fibra óptica se extiende en el tercer plano de movimiento (D3), perpendicular al eje del actuador (X), estando dispuesto el tercer par (18) de porciones de fibra óptica en posiciones separadas a lo largo del actuador (X) y haciendo contacto con el actuador en un tercer par (19) de posiciones de contacto en posiciones separadas del eje del actuador (X),

- el dispositivo (9) de detección de fibra óptica comprende un tercer plano de simetría (S3) perpendicular al primer y segundo planos de movimiento (D1, D2), en donde el tercer par (19) de porciones de fibra óptica están dispuestas simétricamente con respecto al tercer plano de simetría (S3), tal que un movimiento del actuador (3) en el tercer plano de movimiento (D3) provoca un cambio en la tensión en uno del tercer par (19) de porciones de fibra óptica y un cambio de tensión proporcional o igual de signo contrario en la otra del tercer par (19) de porciones de fibra óptica.

15. Sistema (20) de detección de fibra óptica que comprende uno o más dispositivos (9) de detección de fibra óptica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende una o más fuentes (21) de luz para transmitir luz a través del par de porciones (4) de fibra óptica.