ES2921259T3 - Sensor de presión de fibra óptica y procedimiento - Google Patents

Abstract

Se revela un sensor de presión de fibra óptica (110) que tiene una guía de onda óptica (112) con un extremo, una unidad de deflexión óptica (301) que está conectada a la guía de onda óptica (112) y un cuerpo del sensor (300), en la cual una El resonador óptico (302) se forma mediante una membrana del sensor (303). La guía de onda óptica (112) y/o la unidad de deflexión (301) se unen al cuerpo del sensor (300) por medio de un adhesivo curable o una conexión de soldadura. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Sensor de presión de fibra óptica y procedimiento

Campo técnico

Las formas de realización de la presente invención se refieren en general a un sensor de presión, en particular a un sensor de presión de fibra óptica que, por ejemplo, es apropiado para la detección de presión, de variaciones de presión, de señales acústicas y de estáticas, para la medición en fluidos y/o para el control y la regulación de turbinas eólicas.

Estado de la técnica

Los sensores de presión están diseñados en general como equipos de medición que convierten una presión como fuerza por unidad de superficie en una variable de salida eléctrica. Estos sensores de presión se utilizan para diversos fines de control y regulación, para medir el sonido en el aire, por ejemplo, sonido transmitido por estructuras, presión estática, etc., en diferentes medios. En muchos casos, la medición de la presión se basa en una desviación medible de una membrana de presión. Además de una detección eléctrica de dicha desviación, por ejemplo, mediante galgas extensométricas, se dispone de una detección óptica de membrana.

El documento WO 2014/142958 A1 presenta una disposición de sensor de presión óptico para aplicaciones médicas, en particular para su uso con catéteres o un sistema de imagen, que presenta una carcasa alargada y hueca en la que se extiende una fibra óptica cuyo extremo está alineado con una membrana elástica. La luz emitida desde el extremo de la fibra óptica se refleja en la membrana parcialmente y se acopla de regreso a la fibra óptica. El documento US 2012/210797 A1 describe un sensor de presión de fibra óptica ultraminiaturizado que está diseñado en particular para aplicaciones biomédicas con espacio limitado. El sensor de presión presenta una cavidad óptica que está configurada directamente en un extremo de una fibra óptica en su pared lateral. El extremo de la fibra óptica está cortado de tal modo que la luz en la superficie final de la fibra óptica es guiada a la cavidad óptica. La cavidad óptica está formada por una cavidad rellena de un polímero cuya superficie limítrofe es muy reflectante debido a la elevada diferencia de índice de refracción entre el polímero y el aire del ambiente, o la cavidad óptica presenta una membrana reflectante que se extiende paralelamente a la pared lateral de la fibra óptica. El documento CN 104739377 se ocupa de un dispositivo para la realización simultánea de una imagen OCT y una medición de presión en un vaso sanguíneo. El dispositivo presenta un envoltorio cilíndrico en el que está guiada una fibra óptica. La luz que sale del extremo de la fibra óptica se refleja en una membrana que está configurada en la superficie de cubrición del envoltorio cilíndrico. Una detección de base óptica de una desviación de membrana para determinar una presión aplicada a la membrana presenta, entre otras cosas, la propiedad de que se eliminan o al menos se reducen las interferencias eléctricas y de que se garantiza la compatibilidad electromagnética. Por lo tanto, es deseable mejorar los sensores de fibra óptica para la detección de presión.

Sumario de la invención

Para solucionar el anterior objetivo se propone un sensor de presión de fibra óptica con las características de la reivindicación 1.

Diseños ventajosos de la invención se desprenden de las reivindicaciones dependientes.

El experto en la materia comprobará que algunos elementos de la siguiente descripción no entran dentro del alcance de la protección de las reivindicaciones. En el caso de que exista una discrepancia de este tipo, esta divulgación ha de entenderse como una mera información de apoyo que no es parte de la invención. La invención está definida exclusivamente por las reivindicaciones.

Breve descripción de los dibujos

En los dibujos se representan ejemplos de realización y se explican con más detalle en la siguiente descripción. En los dibujos, muestran:

la Figura 1A muestra esquemáticamente un sensor de presión de fibra óptica con una cavidad en una sección longitudinal a lo largo de un eje de conductor de luz de acuerdo con una forma de realización;

la Figura 1B muestra más detalladamente el posicionamiento de una unidad de desviación óptica en relación con la cavidad de acuerdo con una forma de realización;

la Figura 2A muestra esquemáticamente el sensor de presión de fibra óptica mostrado en las figuras 1A, 1B en una vista en perspectiva desde el lado de un acoplamiento de conductor de luz;

la Figura 2B muestra esquemáticamente el sensor de presión de fibra óptica mostrado en las figuras 1A, 1B en una vista en perspectiva desde el lado de una membrana de presión;

la Figura 3A muestra esquemáticamente un sensor de aceleración de fibra óptica con un resonador óptico;

la Figura 3B muestra el sensor de aceleración de fibra óptica mostrado en la figura 3A en una vista en perspectiva;

la Figura 4 muestra esquemáticamente una parte de un aerogenerador con palas de rotor y sensores de presión instalados en estas;

la Figura 5 muestra esquemáticamente una configuración de medición para un sensor de presión de fibra óptica de acuerdo con formas de realización descritas en este documento;

la Figura 6 muestra esquemáticamente una configuración de medición para un sensor de presión de fibra óptica de acuerdo con formas de realización descritas en este documento;

la Figura 7 muestra un diagrama de flujo para ilustrar un procedimiento de medición de presión por medio de un sensor de presión de fibra óptica; y

la Figura 8 muestra un diagrama de flujo para ilustrar un procedimiento para la fabricación de un sensor de presión de fibra óptica.

En los dibujos, referencias iguales se refieren a componentes o etapas iguales o con la misma función.

Modos de realización de la invención

A continuación, se hace referencia detallada a diferentes formas de realización de la invención, estando ilustrados en los dibujos uno o varios ejemplos.

La figura 1A muestra esquemáticamente un sensor de presión de fibra óptica 110 en una sección longitudinal a lo largo de un eje de conductor de luz de un conductor de luz 112 de acuerdo con una forma de realización. Como se muestra en la figura 1A, el conductor de luz 112 se extiende por debajo de un cuerpo de sensor 300. En el cuerpo de sensor 300, está configurada una cavidad 302 que está cubierta con una membrana de sensor 303. El cuerpo de sensor 300 está provisto en su totalidad de una cubierta 304 de tal modo que se consigue un espesor de sensor total 305 ajustable.

En la posición longitudinal por debajo de la cavidad 302, la envoltura protectora exterior del conductor de luz 112 se ha retirado de tal modo que una superficie envolvente de conductor de luz 115 y/o un núcleo de conductor de luz 113 discurren a lo largo del lado inferior del cuerpo de sensor 300.

En un extremo o cerca del extremo del conductor de luz 112, está instalada una unidad de desviación óptica 301 que sirve para desviar luz que sale del conductor de luz aproximadamente 90° hacia el cuerpo de sensor 300, por ejemplo, entre 60° y 120°, y, por tanto, hacia la cavidad 302. El extremo del conductor de luz 112 sirve en este sentido como superficie de salida de luz para la emisión de luz hacia la unidad de desviación óptica 301 y también como superficie de entrada de luz para la absorción de luz que es reflejada de regreso desde la cavidad 302.

El cuerpo de sensor 300, configurado, por ejemplo, como un sustrato, es atravesado por la radiación de tal modo que la luz puede entrar en la cavidad 302 y se puede reflejar en la membrana de sensor 303. El lado superior y el lado inferior de la cavidad constituyen, por tanto, un resonador óptico como, por ejemplo, un resonador Fabry-Perot. El espectro de la luz reflejada de regreso en la fibra óptica muestra un espectro de interferencia, en particular máximos de interferencia o mínimos de interferencia, cuya posición depende del tamaño del resonador óptico. Mediante un análisis de la posición de los máximos y los mínimos en el espectro reflejado se puede detectar un cambio en el tamaño del resonador o una desviación dependiente de la presión de la membrana de sensor 303.

Para proporcionar un sensor de presión de fibra óptica como el que se representa, por ejemplo, en la figura 1A, de manera especialmente sencilla en una pala de rotor, en particular en una zona radial externa, es ventajoso si el sensor de presión de fibra óptica presenta en una sección transversal perpendicularmente al conductor de luz 112 en la figura 1A una menor dimensión 305. Por ejemplo, una dimensión máxima 305 en una sección transversal perpendicularmente al eje del conductor de luz 112 puede ascender a 10 mm o menos, y puede ascender en particular a 5 mm o menos. Mediante la configuración, como se muestra en relación con la figura 1A, este dimensionamiento puede realizarse fácilmente.

Para la realización de una medición de presión, se expone la membrana de sensor 303 a la presión que se ha de detectar. En función de la presión aplicada, la membrana se abomba, por medio de lo cual se reducen las dimensiones de sección transversal de la cavidad 302 y, por tanto, del resonador óptico.

De acuerdo con una forma de realización adicional, que se puede combinar con sus formas de realización descritas, la unidad de sensor 110 se puede utilizar, además, para medir una aceleración aproximadamente en perpendicular a la superficie de la membrana de sensor 303. Para ello, es ventajoso si se proporciona una masa unida con el lado superior de la membrana de sensor como se describe más abajo con referencia a las figuras 3A y 3B.

La figura 1B muestra más detalladamente un procedimiento para el posicionamiento de una unidad de desviación óptica 301 con respecto a la cavidad 302. Como se muestra en la figura 1B, la cavidad 302 presenta a lo largo de la extensión longitudinal del conductor de luz 112 una longitud 401. La longitud 401 de la cavidad 302 determina el espectro de reflexión del resonador óptico 302. De esta manera, se determina la posición de los máximos y los mínimos de interferencia de la luz emitida por el resonador. De acuerdo con otra forma de realización descrita, que se puede combinar con otras formas de realización descritas en el presente documento, se detecta un espectro de interferencia.

En el detalle, el procedimiento para la fabricación de un sensor de presión de fibra óptica incluye las etapas: puesta a disposición de un cuerpo de sensor 300, formación de un resonador óptico 302 en el cuerpo de sensor 300, presentando el cuerpo de sensor 300 al menos una membrana de sensor 303, posicionamiento de un conductor de luz 112 en el cuerpo de sensor en una posición de medición 402 de tal modo que una radiación transmitida a través del conductor de luz 112 atraviese el resonador óptico 302 en una posición espacial que se corresponda con una longitud de onda de transmisión predeterminada. Finalmente se efectúa una fijación del conductor de luz 112 y/o de la unidad de desviación 301 en el cuerpo de sensor 300 en la posición de medición 402.

De acuerdo con una forma de realización, que puede combinarse con otras formas de realización descritas en el presente documento, el extremo del conductor de luz 112 o la unidad de desviación 301 se posiciona de tal modo que una radiación óptica transmitida por el conductor de luz 112 atraviesa el resonador óptico 302 en una posición espacial que se corresponde con una longitud de onda de transmisión predeterminada. En este sentido, la formación del resonador óptico 302 incluye la formación de un resonador que presenta una longitud 401 variable paralelamente a la membrana de sensor 303. Si se ajusta la longitud de onda de transmisión deseada, se fija el conductor de luz 112 y/o la unidad de desviación 301 al cuerpo de sensor 300 en la posición de medición 402 (mostrada en la figura 1B). En particular, el posicionamiento del conductor de luz 112 puede incluir un posicionamiento de una unidad de desviación óptica 301 unida con un extremo del conductor de luz 112 en el cuerpo de sensor 300 en una posición de medición 402, de tal modo que una radiación óptica transmitida a través del conductor de luz 112 y desviada por medio de la unidad de desviación 301 atraviesa el resonador óptico 302 en una posición espacial que se corresponde con la longitud de onda de transmisión predeterminada. De acuerdo con una forma de realización adicional, que puede combinarse con otras formas de realización descritas en el presente documento, el posicionamiento puede incluir un desplazamiento de la unidad de desviación 301 junto con el conductor de luz 112 en una dirección 112 esencialmente en paralelo a la membrana de sensor 303.

De acuerdo con una forma de realización, que puede combinarse con otras formas de realización descritas en el presente documento, la fijación del conductor de luz 112, 115, 113 y/o de la unidad de desviación 301 en el cuerpo de sensor 300 en la posición de medición 402 se puede realizar mediante adhesión o soldadura.

De acuerdo con otra forma de realización, el sensor de presión de fibra óptica 110 y/o el extremo del conductor de luz 112 presenta al menos un componente de conformación del haz óptico, por ejemplo, en el extremo del núcleo de conductor de luz 113 para formar el haz de luz que sale del núcleo de conductor de luz 113, por ejemplo, para ampliarlo. El componente de conformación del haz óptico presenta al menos uno de los siguientes elementos: una lente de índice en gradiente (lente GRIN), un microespejo, un prisma, una lente esférica, y cualquier combinación de estas.

De acuerdo con una forma de realización adicional, que puede combinarse con otras formas de realización descritas en el presente documento, la unidad de desviación 301 puede estar configurada integralmente con uno de los siguientes elementos: una lente de índice en gradiente (lente GRIN), un microespejo, un prisma, una lente esférica, y cualquier combinación de estos.

De esta manera, se obtiene un sensor de presión de fibra óptica 110 que presenta un conductor de luz 112 con un extremo, una unidad de desviación óptica 301 conectada al extremo del conductor de luz 112 y el cuerpo de sensor 300, en el que está configurada por medio de la membrana de sensor 303 un resonador óptico 302, estando instalado el conductor de luz 112 y/o la unidad de desviación 301 en el cuerpo de sensor 300 por medio de un adhesivo curable o una unión soldada. De acuerdo con una forma de realización, el adhesivo curable puede proporcionarse como adhesivo curable mediante luz UV.

De acuerdo con una forma de realización adicional, que puede combinarse con otras formas de realización descritas en el presente documento, el cuerpo de sensor 300 y/o la cavidad 302 y/o la membrana de sensor 303 y/o la cubierta 304 pueden estar configurados monolíticamente, en particular como un cuerpo de vidrio monolítico. De acuerdo con formas de realización que se pueden combinar con otras formas de realización descritas en el presente documento, la cubierta 304 puede estar fusionada, por ejemplo, sobre el cuerpo de sensor 300.

De acuerdo con formas de realización que se pueden combinar con otras formas de realización descritas en el presente documento, el resonador óptico 302 puede estar configurado como interferómetro Fabry-Perot que forma una cavidad con la al menos una membrana de sensor 303. De esta manera, se puede conseguir una elevada resolución al detectar una desviación dependiente de la presión de la membrana de sensor 303.

De acuerdo con formas de realización que se pueden combinar con otras formas de realización descritas en el presente documento, el resonador óptico 302 puede formar una cavidad que esté cerrada de manera hermética al aire con respecto al entorno y presente una presión interna predeterminada. De esta manera, se proporciona la posibilidad de realizar una medición de referencia referida a la presión interna. Para una medición de una presión estática, la zona del resonador óptico 302 puede estar separada de la presión ambiental de tal modo que, si hay un cambio en la presión ambiental, tenga lugar un movimiento de la membrana. Para la medición de un nivel de presión sonora, la membrana está diseñada para realizar, si se da una correspondiente presión, un movimiento, en particular un movimiento oscilante que se transfiere por medio del resonador óptico a una señal óptica.

De acuerdo con formas de realización adicionales, que se pueden combinar con formas de realización descritas en el presente documento, el resonador óptico 302 puede formar una cavidad que esté cerrada de manera hermética al aire y evacuada.

Con tal sensor de presión de fibra óptica 110 es posible realizar un medición de presión óptica por medio de las siguientes etapas: puesta a disposición del cuerpo de sensor 300 con al menos una membrana de sensor 303 sensible a la presión, formación del resonador óptico 302 con la membrana 303, radiación al resonador óptico 302 de luz desacoplada del extremo del conductor de luz 112, solicitación de la membrana 303 con una presión que se ha de medir, detección de un espectro de interferencia óptica emitido por el resonador óptico, y evaluación del espectro de interferencia para determinar la presión que se ha de medir. En la evaluación, se puede valorar la posición de fase del espectro de interferencia. Para este fin, se recurre, por ejemplo, a un espectro de interferencia sinusoidal por medio de un filtro de borde. De acuerdo con un ejemplo de realización que puede combinarse con otros ejemplos de realización descritos en el presente documento, se puede seleccionar el espectro de tal modo que algunos periodos del espectro de interferencia sean cubiertos por la fuente de luz. Con otras palabras, es posible de manera general proporcionar un periodo de interferencia de 20 nm, mientras que el ancho de la fuente de luz es de 50 nm. Debido a la evaluación espectral, la longitud de coherencia de la radiación incidente puede no ser tenida en cuenta en este caso.

De acuerdo con formas de realización que se pueden combinar con otras formas de realización descritas en el presente documento, el sensor de presión de fibra óptica 110 puede utilizarse además para la medición de una aceleración en una dirección aproximadamente perpendicular a la superficie del resonador óptico 302.

Las figuras 2A y 2B muestran otras vistas del sensor de presión de fibra óptica 110 desde diferentes perspectivas, para aclarar una forma de realización típica.

La figura 2A muestra esquemáticamente el sensor de presión de fibra óptica mostrado en la figura 1B en una vista en perspectiva desde el lado de un acoplamiento de conductor de luz. Como se muestra en la figura 2A, el conductor de luz 112 está incrustado en el lado inferior del cuerpo de sensor 300, pudiendo extenderse el conductor de luz 112 en una dirección aproximadamente paralela a la superficie del resonador óptico 302. El cuerpo de sensor tiene, por ejemplo, en el lado contrario a la membrana, una escotadura para el alojamiento del conductor de luz. El núcleo de conductor de luz 113 presenta en su extremo la unidad de desviación 301, que, de acuerdo con una forma de realización, está configurada en forma de prisma deflector. Para facilitar el posicionamiento del conductor de luz 112 en la posición de medición 402 (véase figura 1B), el cuerpo de sensor 300, de acuerdo con formas de realización, puede presentar en su lado inferior una escotadura, por ejemplo, una ranura con forma de V, para el alojamiento del conductor de luz 112, como se representa en las figuras 1A, 2A y 2B.

De acuerdo con una forma de realización adicional, que puede combinarse con otras formas de realización descritas en el presente documento, puede proporcionarse la fijación del conductor de luz 112 y/o la unidad de desviación 301 en el cuerpo de sensor 300 por medio de un adhesivo curable o por medio de una unión soldada.

De acuerdo con una forma de realización adicional, que puede combinarse con otras formas de realización descritas en el presente documento, la unidad de desviación 301 puede estar configurada monolíticamente junto con el extremo del conductor de luz 112.

La figura 2B muestra esquemáticamente el sensor de presión de fibra óptica mostrado en la figura 1A en una vista en perspectiva desde el lado de la membrana de sensor 303. Como se muestra en la figura 2B, el sensor de presión de fibra óptica 110 está cubierto por medio de la cubierta 304, pudiendo configurar el cuerpo de sensor 300 junto con la cubierta 304 una unidad integral. Por ejemplo, la cubierta puede colocarse sobre el cuerpo de sensor y, a continuación, unirse o fundirse con esta mediante calentamiento, en particular es útil una unión adhesiva.

La figura 3A muestra esquemáticamente un sensor de presión de fibra óptica o sensor de aceleración 910 con un resonador óptico 930. El principio de un sensor de aceleración de fibra óptica 910 se basa en un efecto similar al del sensor de presión de fibra óptica, es decir, una desviación de una membrana modifica la longitud de un resonador. De acuerdo con algunas formas de realización de sensores de presión y/o aceleración, como se muestra a modo de ejemplo en la figura 3A sobre la base de un sensor de aceleración con una masa 922, el resonador óptico 930 también puede formarse en una zona entre la superficie de salida del conductor de luz 112 y una superficie de reflexión de una membrana 914. Para reforzar la desviación de la membrana 914 con una aceleración predeterminada, de acuerdo con algunas formas de realización que se pueden combinar con formas de realización descritas en el presente documento, se puede aplicar a la membrana una masa adicional 922.

De acuerdo con formas de realización que se pueden combinar con otras formas de realización descritas en el presente documento, el sensor de fibra óptica 910 puede utilizarse para la medición de una aceleración en una dirección aproximadamente perpendicular a la superficie del resonador óptico. En este sentido, el sensor de fibra óptica 910 puede ponerse a disposición como un sensor de aceleración del siguiente modo. El sensor de fibra óptica 910 contiene un conductor de luz 112 o una fibra óptica con una superficie de salida de luz. Además, el sensor de fibra óptica 910 incluye una membrana 914 y una masa 922 que está en conexión con la membrana 303. En este sentido, la masa 922 puede ponerse a disposición adicionalmente a la masa de la membrana o la membrana puede estar diseñada con una masa adecuada suficientemente grande. El sensor de aceleración de fibra óptica 910 así proporcionado incluye un resonador óptico 930 que está configurado entre la superficie de salida de luz del conductor de luz 112 y la membrana 914 a lo largo de una extensión 901,903. Por ejemplo, el resonador puede ser un resonador Fabry-Perot. Además, el sensor de aceleración de fibra óptica 910 contiene una unidad de desviación óptica 916 en la trayectoria del haz entre la superficie de salida de luz y la membrana 914, pudiendo estar dispuesta la unidad de desviación óptica 916 como un prisma o un espejo en un ángulo de 30° a 60° relativamente a un eje óptico del conductor de luz o de la fibra óptica. Por ejemplo, el espejo puede estar configurado en un ángulo de 45°.

Formas de realización como las que se han explicado con referencia a las figuras 3A y 3B, es decir, formas de realización que proporcionan un resonador entre la superficie de salida de luz del conductor de ondas de luz 112 y la membrana, también pueden estar configuradas como sensores de presión o sensores de nivel sonoro, pudiendo prescindirse en este sentido en particular de una masa 922 colocada sobre la membrana o pudiendo seleccionarse de manera adecuada la masa de la membrana.

De acuerdo con formas de realización adicionales, que pueden combinarse con otras formas de realización, el sensor de aceleración 910 es un sensor de aceleración de fibra óptica. Para sensores de aceleración de fibra óptica, se transmite una señal óptica por medio del conductor de luz 112, por ejemplo, una fibra óptica, a una unidad de evaluación (no mostrada). En un sensor de aceleración de fibra óptica, el propio elemento sensor puede proporcionarse fuera de una fibra óptica. La figura 3B muestra el sensor de aceleración de fibra óptica mostrado en la figura 3A en una vista en perspectiva.

Como muestran las figuras 3A y 3B, el sensor de aceleración de fibra óptica 910 funciona de tal modo que se alimenta una señal óptica primaria por medio de un conductor de luz 112 al sensor de aceleración 910. Por ejemplo, el conductor de luz puede conectarse a un sustrato 912. El sustrato 912 puede componerse de un material no metálico. Sobre el sustrato 912 o junto al sustrato 912, está configurada la membrana 914. La señal óptica primaria que sale del conductor de luz 112 se desvía por medio de un espejo 916 hacia la membrana 912.

De acuerdo con formas de realización típicas, que pueden combinarse con otras formas de realización, el espejo 916 puede proporcionarse como una superficie conformada en el sustrato 912. Por ejemplo, el sustrato 912 puede componerse de un material que refleje en un rango de longitudes de onda predeterminado, normalmente el rango de longitudes de onda de la señal óptica primaria. El espejo puede presentar relativamente al eje del conductor de luz un ángulo en el intervalo de 30° a 60°, por ejemplo, un ángulo de 45°.

La señal óptica primaria, como indica la flecha 901, es desviada por el espejo 916 y dirigida hacia la membrana 914. En la membrana 914, tiene lugar una reflexión de la señal óptica primaria. La luz reflectante representada por la flecha 903 es reflejada de regreso a la fibra óptica, o el conductor de luz 112. Por tanto, entre la superficie de salida de luz para la luz de la señal óptica primaria y la membrana 914, se configura el resonador óptico 930. En este sentido debe tenerse en cuenta que, en general, la superficie de salida de luz de la señal óptica primaria es igual a la superficie de entrada de luz para la señal secundaria reflejada. El resonador óptico 930 puede estar configurado, por tanto, como resonador Fabry-Perot. Para un sensor de aceleración de fibra óptica 910 de acuerdo con formas de realización descritas en este documento, la masa 922 puede proporcionarse en la membrana 914. Alternativamente, la propia masa de la membrana puede servir como masa para la detección de una aceleración. Si se produce una aceleración, la membrana 914 es desviada por la inercia de la masa 922. Esto conduce a una señal ópticamente medible en el resonador óptico 930.

De acuerdo con formas de realización descritas en este documento, el sensor de aceleración de fibra óptica 910 está diseñado para detectar una aceleración con un componente de dirección aproximadamente perpendicular a la fibra o el conductor de luz 112. Mediante el componente de dirección aproximadamente perpendicular al eje del conductor de luz 112, el sensor de aceleración de fibra óptica 912, puede utilizarse, por ejemplo, para procedimientos para la vigilancia de palas de rotor, o montarse en palas de rotor de aerogeneradores o turbinas eólicas para hacer posible una vigilancia.

Los componentes representados en las figuras 3A y 3B de un sensor extrínseco de aceleración de fibra óptica 910 pueden estar compuestos, de acuerdo con formas de realización de ejemplo, de los siguientes materiales. El conductor de luz 112 puede ser, por ejemplo, una fibra de vidrio, una fibra óptica o un conductor de ondas de luz, en donde pueden emplearse materiales como polímeros ópticos, polimetilmetacrilato, policarbonato, vidrio cuarzoso, etilenotetrafluoretileno, que dado el caso están dopados. El sustrato 912 o el espejo 916 diseñado en él puede ser, por ejemplo, de silicio. La membrana puede proporcionarse de plástico o un semiconductor que sea apto para configurarse como membrana fina. La masa 922 puede ponerse a disposición de cualquier material no metálico, siendo apropiados en particular materiales con una elevada densidad. Mediante una elevada densidad se puede reducir la dimensión de la masa 922.

Si se reduce o suprime la masa 922, la membrana 914 se puede utilizar tanto para medir una presión estática como para medir un nivel de presión sonora. Para la medición de una presión estática, la zona del resonador óptico 930 se separa de la presión ambiental de tal modo que, si hay un cambio en la presión ambiental, tiene lugar un movimiento de la membrana. Para la medición de un nivel de presión sonora, la membrana está diseñada de tal modo que, si se da una correspondiente presión, realiza un movimiento, en particular un movimiento oscilante que se transfiere por medio del resonador óptico 930 a una señal óptica.

Para utilizar un sensor de aceleración de fibra óptica 910, por ejemplo, en un aerogenerador, el sensor de fibra óptica, tal como se representa, por ejemplo, en las figuras 3A y 3B, se puede proporcionar en una pala de rotor, en particular en una zona radial externa. En este sentido es ventajoso cuando el sensor de aceleración de fibra óptica 910 presenta en una sección transversal perpendicularmente al conductor de luz 112 en la figura 3A o 3B una dimensión reducida. Por ejemplo, una dimensión máxima en una sección transversal perpendicularmente al eje del conductor de luz 112 puede ascender a 10 mm o menos, y puede ascender en particular a 5 mm o menos. Mediante la configuración, que se representa en relación con las figuras 3A y 3B, este dimensionamiento puede realizarse fácilmente.

La figura 4 muestra un aerogenerador 200. El aerogenerador 200 contiene una torre 202 y una góndola 203. A la góndola 203 está fijado el rotor 500. El rotor 500 contiene un buje 205, al que están fijadas las palas de rotor 100. De acuerdo con formas de realización típicas, el rotor 500 tiene al menos dos palas de rotor, en particular tres palas de rotor. En el funcionamiento del aerogenerador o de la turbina eólica, el rotor 500, es decir, el buje 205, rota con las palas de rotor 100 alrededor de un eje. A este respecto, un generador se acciona para generar corriente. Como se representa en la figura 4, se facilita al menos un sensor de presión 110 en una pala de rotor 100. El sensor de presión 110 está conectado a través de una línea de señal o un conductor de luz 112 con una unidad de evaluación 114. La unidad de evaluación 114 suministra, por ejemplo, una señal a una unidad de control 204 del aerogenerador 200.

En este sentido, por ejemplo, para la utilización en palas de rotor de aerogeneradores, o para los procedimientos para la monitorización de aerogeneradores es especialmente favorable que se mida la presión o la aceleración en una dirección en perpendicular a la extensión longitudinal del conductor de luz 112. Los aerogeneradores están sometidos a un control complejo que puede ser necesario, por ejemplo, debido a condiciones de funcionamiento cambiantes. En la monitorización de estados de funcionamiento de aerogeneradores se emplea una pluralidad de sensores. Por ejemplo, se pueden realizar mediciones de presión para la determinación de una presión en una pala de rotor, mediciones de extensión para la medición de una flexión de una pala de rotor, mediciones de aceleración para medir una aceleración de una pala de rotor u otras variables. Un grupo de sensores que parecen prometedores para el éxito de futuras aplicaciones son lo sensores de fibra óptica.

Mediante las condiciones vinculadas al funcionamiento de un aerogenerador, por ejemplo, oscilaciones de presión y temperatura, clima y condiciones meteorológicas, pero también en particular condiciones del viento muy cambiantes, así como mediante la pluralidad de medidas de seguridad prescritas legalmente, la monitorización y los sensores necesarios para la monitorización están sometidos a una pluralidad de condiciones límite. Por ejemplo, durante el funcionamiento puede producirse un cambio de presión en las palas de rotor. En este sentido, puede tener lugar una inestabilidad a lo largo del eje de la pala de rotor que perturbe el funcionamiento del aerogenerador y reduzca el rendimiento energético. Además, existe la posibilidad de que en palas de rotor individuales tenga lugar una variación de presión y con ello vibraciones u oscilaciones. Esto lleva en muchos casos a estados de funcionamiento críticos que requieren medidas de control y/o regulación complejas. Además, mediante una medición de la presión directamente en la pala de rotor puede encontrarse un ajuste eficiente de un ángulo de paso de pala para un rendimiento energético.

De acuerdo con algunas formas de realización que pueden combinarse con otras formas de realización descritas en el presente documento, el sensor de presión 110 es un sensor de fibra óptica, en particular un sensor de presión de fibra óptica. Para sensores de presión de fibra óptica, se transmite una señal óptica como, por ejemplo, un espectro de interferencia por medio de un conductor de luz 112 como, por ejemplo, una fibra óptica, a la unidad de evaluación 114. En un sensor de presión de fibra óptica 110, el propio elemento sensor puede proporcionarse fuera de una fibra óptica. Un ejemplo se describe detalladamente con referencia a las figuras 1A, 1B, 2A y 2B. Cada pala de rotor 100 puede presentar independientemente una distribución de presión individual. Por lo tanto, de acuerdo con algunas formas de realización, que pueden combinarse con otras formas de realización, se facilita al menos un sensor de presión de fibra óptica 110 en cada pala de rotor 100.

De acuerdo con algunas de las formas de realización descritas en este documento, que pueden combinarse con otras formas de realización, la unidad de evaluación 114 permite determinar una presión ambiental del resonador óptico, que actúa sobre la membrana de sensor 303, sobre la base de la señal de interferencia óptica.

De acuerdo con algunas de las formas de realización descritas en el presente documento, que pueden combinarse con otras formas de realización, los sensores de presión de fibra óptica 110 en los que se transmite una señal ópticamente a través de un conductor de luz 112, permiten una posición de montaje radial considerada anteriormente desfavorable en la práctica a lo largo de una extensión longitudinal de la pala de rotor 100, dado que la transmisión mediante un conductor de luz 112 o una fibra óptica conlleva un riesgo reducido de un daño por radio. Por lo tanto, pueden facilitarse sensores de presión de fibra óptica 110 de tal modo que permitan un montaje en una zona 107 radialmente externa de una pala de rotor 110, sin aumentan el riesgo de un daño por rayos.

La figura 5 muestra un típico sistema de medición para la medición de presión de fibra óptica de acuerdo con formas de realización descritas en el presente documento. El sistema contiene uno o varios sensores de presión 110. El sistema presenta una fuente 602 para radiación electromagnética, por ejemplo, una fuente de luz primaria. La fuente 602 sirve para proporcionar radiación óptica con la que pueda irradiarse al menos un sensor de presión de fibra óptica 110. Para este fin se proporciona una fibra de transmisión óptica o un conductor de luz 603 entre la fuente de luz primaria 602 y un primer acoplador de fibra 604. El acoplador de fibra 604 acopla la luz primaria en la fibra óptica o el conductor de luz 112. La fuente 602 puede ser, por ejemplo, una fuente de luz de banda ancha, un láser, un LED (diodo emisor de luz), un SLD (diodo superluminiscente), una fuente de luz ASE (fuente de luz de emisión espontánea amplificada) o un SOA (amplificador óptico semiconductor). Para las formas de realización descritas en el presente documento también pueden emplearse varias fuentes del mismo tipo o diferente (véase arriba).

El elemento sensor como, por ejemplo, un resonador óptico 302, que está acoplado ópticamente a la fibra de sensor 112. La luz reflectada por los sensores de presión de fibra óptica 110 se conduce de nuevo a través del acoplador de fibra 604, que conduce luz a través de las fibras de transmisión 605 a un divisor de haz 606. El divisor de haz 606 distribuye la luz reflectada para la detección mediante un primer detector 607 y un segundo detector 608. En este sentido, se filtra la luz detectada en el primer detector 608 primero con un equipo de filtro óptico 609.

Mediante el equipo de filtro óptico 609 se puede detectar una posición de un máximo o un mínimo de interferencia emitido por el resonador óptico 302 o un cambio de longitud de onda a través del resonador óptico.

En general puede facilitarse un sistema de medición, tal como está representado en la figura 5, sin el divisor de haz 606 o el detector 607. Sin embargo, el detector 607 permite una estandarización de la señal de medición del sensor de presión con respecto a fluctuaciones de intensidad en otra parte, como, por ejemplo, oscilaciones de la intensidad de la fuente 602, oscilaciones mediante reflejos en interfaces entre conductores individuales, oscilaciones mediante reflejos en interfaces entre el conductor de luz 112 y unidad de desviación 301, oscilaciones mediante reflejos en interfaces entre la unidad de desviación 301 y el resonador óptico 302 u otras oscilaciones de intensidad. Esta normalización mejora la exactitud de medición y reduce en el funcionamiento del sistema de medición una dependencia de la longitud de los conductores de luz 112 facilitados entre la unidad de evaluación 114 y el sensor de presión de fibra óptica 110.

El equipo de filtro óptico 609 o equipos de filtro óptico adicionales para filtrar el espectro de interferencia o para detectar máximos y mínimos de interferencia pueden comprender un filtro óptico que está seleccionado del grupo que consta de un filtro de detección de bordes, un filtro de capa fina, un red de Bragg en fibra, un LPG, un dispositivo AWG (rejilla de guía de ondas en matriz), una red de difracción Echelle, una disposición de red, un prisma, un interferómetro, y cualquier combinación de estos.

La figura 6 muestra una unidad de evaluación 114, en donde una señal de un sensor de presión de fibra óptica 110 se guía a través de un conductor de luz 112 hacia la unidad de evaluación 114. En la figura 6 está representada, además, una fuente de luz 602, que opcionalmente puede facilitarse en la unidad de evaluación. Sin embargo, fuente de luz 602 puede facilitarse también independientemente o fuera de la unidad de evaluación 114. La señal óptica del sensor de presión de fibra óptica 110, es decir, la señal de interferencia óptica, que puede presentar máximos y mínimos de interferencia, es convertida con un detector, es decir, con un convertidor 702 opto-eléctrico, en una señal eléctrica. La señal eléctrica se filtra con un filtro antisolapamiento 703 analógico. Inmediatamente después del filtrado analógico con el filtro antisolapamiento analógico o filtro de paso bajo 703 la señal se digitaliza mediante un convertidor analógico-digital 704.

De acuerdo con algunas de las formas de realización descritas en este documento, que pueden combinarse con otras formas de realización, la unidad de evaluación 114 puede estar diseñada de tal modo que esta no solo analice la señal de interferencia en cuanto a la posición de máximos y mínimos de interferencia, sino que, además, tenga lugar una determinación de la posición de fase de la señal de interferencia.

De acuerdo con algunas de las formas de realización descritas en este documento, que pueden combinarse con otras formas de realización, la unidad de evaluación 114 permite determinar una presión ambiental del resonador óptico 302, que actúa sobre la membrana de sensor 303, sobre la base de la señal de interferencia óptica. El filtro antisolapamiento puede presentar una frecuencia límite de 1 kHz o inferior, en particular de 500 Hz o inferior, más en particular de 100 Hz o inferior. De acuerdo con formas de realización descritas en este documento, tiene lugar un filtrado de este tipo antes de la digitalización. De acuerdo con formas de realización descritas en este documento, un filtrado de paso bajo analógico tiene lugar antes de una digitalización de una señal de un sensor de presión de fibra óptica 110. De acuerdo con formas de realización descritas en este documento, que pueden combinarse con otras formas de realización, el filtro de paso bajo puede denominarse también filtro antisolapamiento analógico. En este sentido, en el marco de un teorema de muestreo se considera la frecuencia de Nyquist, y un filtrado de paso bajo con porcentajes de señal inferiores a la frecuencia de Nyquist mediante el filtro de paso bajo analógico o filtro antisolapamiento analógico. Mediante las formas de realización descritas en este documento con un sensor de presión de fibra óptica 110 y un filtrado de paso bajo analógico puede facilitarse una medición mejorada de variaciones de presión. La figura 6 muestra además una unidad de evaluación 706 digital que puede contener, por ejemplo, una CPU, memoria y otros elementos para el procesamiento de datos digital.

Tal como se explica con referencia a la figura 6, se puede mejorar un procedimiento para la medición de presión por medio de un sensor de presión de fibra óptica. Por ejemplo, se facilita una unidad de evaluación 114. La unidad de evaluación 114 puede contener un convertidor para convertir la señal óptica en una señal eléctrica. Por ejemplo, puede emplearse un fotodiodo, un fotomultiplicador (PM) u otro detector optoelectrónico como convertidor. La unidad de evaluación 114 contiene además un filtro antisolapamiento 703, que está conectado, por ejemplo, a la salida del convertidor o del detector optoelectrónico. La unidad de evaluación 114 puede contener además un convertidor analógico-digital 704, que está conectado a la salida del filtro antisolapamiento 703. La unidad de evaluación 114 puede contener además una unidad de evaluación 706 digital que esté configurada para la evaluación de las señales digitalizadas.

De acuerdo con otras formas de realización, que pueden combinarse con formas de realización descritas en este documento, puede facilitarse una compensación de temperatura en el sensor de presión de fibra óptica 110 de tal modo que para el cuerpo de sensor 300 y/o la membrana de sensor 303 y/o la cubierta 304 se empleen materiales con un coeficiente de dilatación térmica muy bajo.

De acuerdo con formas de realización, el conductor de luz 112 puede ser, por ejemplo, una fibra de vidrio, una fibra óptica o un conductor de polímero, en donde pueden emplearse materiales como polímeros ópticos, polimetilmetacrilato, policarbonato, vidrio cuarzoso, etileno-tetrafluoretileno, que dado el caso están dopados. En particular, la fibra óptica puede estar configurada como una fibra monomodo, por ejemplo, una fibra SMF-28. En este sentido, el término "fibra SMF" se refiere a un tipo especial de fibra monomodo estándar.

la Figura 7 muestra un diagrama de flujo para ilustrar un procedimiento no reivindicado de medición de presión por medio de un sensor de presión de fibra óptica 110.

En un bloque 801 se inicia una medición de presión óptica. Después, se efectúa una puesta a disposición del cuerpo de sensor 300 con al menos una membrana de sensor 303 sensible a la presión (bloque 802), una formación del resonador óptico 302 con la membrana 303 (bloque 803) y una radiación al resonador óptico 302 de luz desacoplada del extremo del conductor de luz 112 en el bloque 804. La luz desacoplada del extremo del conductor de luz 112 se guía al en el resonador óptico 302 a través de la unidad de desviación óptica 301 dispuesta entre el extremo del conductor de luz y el resonador óptico 302.

Si se solicita la membrana 303 con una presión que se ha de medir (bloque 805), se puede detectar en un bloque 806 un espectro de interferencia óptico, dependiente de la presión, emitido por el resonador óptico. La luz reflectada en el conductor de luz 112 desde el resonador óptico 302, por tanto, está filtrada, en particular, filtrada por Fabry-Perot. Con otras palabras, el espectro de interferencia óptico emitido corresponde a una proporción de luz que es reflejada por el filtro Fabry-Perot.

La evaluación del espectro de interferencia para determinar la presión que se ha de medir se realiza finalmente en un bloque 807. El procedimiento finaliza en un bloque 808.

La figura 8 muestra un diagrama de flujo para ilustrar un procedimiento no reivindicado para la fabricación de un sensor de presión de fibra óptica 110.

En concreto, el procedimiento para fabricar el sensor de presión de fibra óptica 110 incluye los bloques 811 a 816. El procedimiento de fabricación se inicia en un bloque 811. A continuación, en un bloque 812 se facilita un cuerpo de sensor 300. En un siguiente bloque 813, se forma un resonador óptico 302 en el cuerpo de sensor 300, presentando el cuerpo de sensor 300 al menos una membrana de sensor 303.

En un bloque 814, un conductor de luz 112 se posiciona en el cuerpo de sensor 300 en una posición de medición 402 de tal modo que una radiación transmitida a través del conductor de luz 112 atraviese el resonador óptico 302 en una posición espacial que se corresponda con una longitud de onda de transmisión predeterminada. Finalmente se efectúa una fijación del conductor de luz 112 y/o de la unidad de desviación 301 en el cuerpo de sensor 300 en la posición de medición 402 (bloque 815). El procedimiento de fabricación para el sensor de presión de fibra óptica 110 finaliza en un bloque 816.

Otras aplicaciones del sensor de presión de fibra óptica 110 se dan en el campo de la medición de señales acústicas y estáticas. La detección de señales acústicas permite, por ejemplo, medir el sonido del aire o de un cuerpo. En este sentido, se pueden transmitir señales acústicas a la membrana de sensor 300 del sensor de presión de fibra óptica 110, pudiendo detectarse frecuencias acústicas en el rango de 1 kHz o más, de manera típica en un rango de 5 kHz o más.

El sensor de presión de fibra óptica 110 se puede utilizar, además, para medir una aceleración aproximadamente en perpendicular a la superficie de la membrana de sensor 303. Para ello, es ventajoso si se proporciona una masa en conexión con el lado superior de la membrana de sensor En este sentido, la masa puede ponerse a disposición adicionalmente a la masa de la membrana o la membrana puede estar diseñada con una masa adecuada suficientemente grande. Además de mediciones de presión y aceleración en palas de rotor 100, el sensor de presión de fibra óptica 110 permite, por tanto, además, realizar mediciones de presión y aceleración en superficies de soporte, hojas, estructuras ligeras, etc.

Otra aplicación es el uso del sensor de presión de fibra óptica 110 en la detección de la presión en fluidos. En este sentido es ventajoso si la membrana de sensor 303 está conectada en su lado superior al fluido que se ha de medir.

Aunque la presente invención se ha descrito con ayuda de ejemplos de realización típicos, no está limitada a los mismos, sino que se puede modificar de numerosas maneras. La invención tampoco se limita a las posibilidades de aplicación mencionadas.

Claims (7)

REIVINDICACIONES

1. Sensor de presión de fibra óptica (110), que comprende:

un conductor de luz (112) con un extremo;

una unidad de desviación óptica (301) conectada al extremo del conductor de luz (112); y

un cuerpo de sensor (300), en el que está configurada una cavidad (302) que está cubierta con una membrana de sensor (303) que forma un lado superior de la cavidad (302),

formando el lado superior y un lado inferior de la cavidad (302), formado por el cuerpo de sensor (300), un resonador óptico,

extendiéndose el conductor de luz (112) en el lado inferior del cuerpo de sensor (300) a lo largo de un eje de conductor de luz del conductor de luz (112),

estando configurada la unidad de desviación óptica (301) para desviar hacia la cavidad (302) la luz que sale del conductor de luz (112),

sirviendo el extremo del conductor de luz (112) como superficie de salida de luz para la emisión de luz en dirección a la unidad de desviación óptica (301) y también como superficie de entrada de luz para la absorción de luz que es reflejada de regreso desde la cavidad (302),

presentando la cavidad (302) a lo largo de la extensión longitudinal del conductor de luz (112) una longitud (401) diferente,

estando aplicada la unidad de desviación (301) en el cuerpo de sensor (300), en una posición de medición (402), por medio de un adhesivo curable o de una unión soldada.

2. Sensor de presión de fibra óptica (110) según la reivindicación 1, siendo el resonador óptico un interferómetro Fabry-Perot que forma una cavidad (302) con la al menos una membrana (303).

3. Sensor de presión de fibra óptica (110) según las reivindicaciones 1 o 2, estando el resonador óptico cerrado de manera hermética al aire con respecto al entorno y presentando una presión interna predeterminada.

4. Sensor de presión de fibra óptica (110) según una de las reivindicaciones 1 a 3, comprendiendo el sensor de presión de fibra óptica (110), además, al menos uno de los siguientes elementos:

una lente de índice en gradiente (lente GRIN), una lente esférica y cualquier combinación de estas.

5. Sensor de presión de fibra óptica (110) según una de las reivindicaciones 1 a 4, comprendiendo la unidad de desviación (301) un prisma deflector.

6. Sensor de presión de fibra óptica (110) según una de las reivindicaciones 1 a 5, estando configurada la unidad de desviación (301) monolíticamente junto con el extremo del conductor de luz (112).

7. Sensor de presión de fibra óptica (110) según una de las reivindicaciones 1 a 6, extendiéndose el conductor de luz (112) en una dirección aproximadamente paralela a la superficie del resonador.