WO2009144341A1 - Sensor óptico para la monitorizacion de estructura - Google Patents

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José Miguel ADAM MARTÍNEZ
David Barrera Vilar
Pedro Antonio CALDERÓN GARCÍA
José CAPMANY FRANCOY
Raimundo GARCÍA OLCINA
María Isabel GASCH MOLINA
Ester GÍMENEZ CARBÓ
Salvador Ivorra Chorro
Ignacio Javier PAYÁ ZAFORTEZA
Salvador Sales Maicas
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    • G01M11/086—Details about the embedment of the optical fiber within the DUT

Definitions

  • the present invention relates to an optical sensor for the measurement of mechanical deformations and / or temperatures on the surfaces of structural elements and, more particularly, to the sensor carrying element that is necessary to fix it to said surfaces.
  • Bragg diffraction networks (hereinafter FBG, initials of the English expression “Fiber Bragg Grating”) are optical devices manufactured in the core of an optical fiber by exposing it to a pattern of optical interference of ultraviolet light. These devices are sensitive to mechanical deformations and temperature, which makes them ideal devices for measuring their magnitudes.
  • the optical sensors Due to the properties of the optical fiber, the optical sensors are especially vulnerable to shocks and other incidents during their manipulation and their fixation on the element whose deformation and / or temperature is intended to measure usually presents problems of various kinds. Therefore, it is convenient to provide the sensor with carrier elements that protect the optical fiber and facilitate its handling and fixation.
  • Optical sensors with various types of carrier elements are known, such as those described in patents EP 1 635 034 A1, GB 2 404 018 A and EP I 816 432 Al
  • the known sensors have the disadvantage that either the sensitivity coefficient of the FBG decreases markedly when embedded in the carrier element, or they use expensive and difficult to manufacture carrier elements, two relevant disadvantages for the optical sensors directed to the monitoring of elements structural.
  • the present invention is oriented to the solution of these inconveniences.
  • Another object of the present invention is to provide an optical sensor to measure the deformations and / or the surface temperature of a concrete structural element or other materials of low cost and easy manufacturing.
  • an optical sensor based on a Bragg diffraction network for the measurement of a physical characteristic of a structural element comprising a carrier element of the optical fiber that serves to fix the sensor to The surface of said structural element, in which:
  • - Said carrier element is a laminate of a thermosetting plastic material reinforced with fiberglass;
  • optical fiber is embedded in said carrier element in an asymmetrical arrangement with respect to its middle plane so that it is located in a position closer to the face intended to be fixed on the surface of the structural element than on the opposite face.
  • said laminate comprises a fiberglass layer disposed between two layers of plastic material and the optical fiber is embedded in one of those layers.
  • the minimum length L of said carrier element is 2.5 cm
  • the minimum width A is 5 mm
  • the minimum thickness E is 0.5 mm. In this way, a suitable carrier element is obtained for the measurement of deformations and / or the temperature of structural elements of concrete, steel or other materials.
  • a method for the manufacture of an optical sensor based on a Bragg diffraction network for the measurement of a physical characteristic of a structural element comprising a carrier element of the optical fiber that It serves to fix the sensor to the surface of said structural element, which comprises the following steps: a) A smooth surface is coated with mold release material where the desired dimensions for the carrier element have been previously marked. b) The optical fiber properly aligned and centered is placed on said surface. c) A very thin layer of a plastic material is applied. d) A fiberglass sheet is placed. e) Another very thin layer of a plastic material is applied. f) The sensor is separated from said surface once the laminate formed in steps c), d) and e) has been consolidated.
  • Figures 1a and 1b are, respectively, schematic cross-sectional and plan view of an optical sensor according to the present invention and Figure 1c is an enlarged view of the zone W of Figure 1a.
  • Figure 2 shows a series of experimental data on the relationship between the deformation in the optical fiber and the wavelength of the optical sensor.
  • Figure 3 shows the differences in sensitivity between a FBG without a carrier element and two optical sensors encapsulated at a different distance from the structure to be measured. The difference is that one of the encapsulated sensors has the FBG embedded in the middle plane of the carrier element while the second, according to the present invention, has an asymmetrical arrangement with respect to the middle plane, being thus positioned closer to the structure that You want to monitor.
  • Figure 4 shows the results obtained in a compression test of a cylindrical concrete specimen by four optical sensors according to the present invention and two strain gauges.
  • Figure 5 shows a concrete specimen with two sensors according to the present invention and an strain gauge between them.
  • Figure 6 shows a steel pillar with two sensors according to the present invention.
  • Figure 1 shows an optical sensor for the monitoring of structures according to an embodiment of the present invention comprising the carrier element 11 and the optical fiber 13.
  • the minimum dimensions of the carrier element 11 are a length L of 2.5 cm, a width A of 5 mm and a thickness E of 0.5 mm and are determined, on the one hand, by the profile of the FBGs selected for monitoring of structures that require approximately 2 cm of optical fiber 13 and, on the other hand, due to the conditions derived from its handling and fixation to the structure.
  • the diameter of the optical fiber 13 is 254 ⁇ m ⁇ 5%.
  • the carrier element 11 of the optical sensor shown in Figures 5 and 6 has a length L of 10 cm, a width A of 1 cm and a thickness E of 0.5 mm. These dimensions are appropriate for the case of sensors intended for the monitoring of deformations on concrete or steel surfaces in which a larger surface of the carrier element 11 allows a better adhesion of the sensor to the surface and obtaining more reliable results.
  • the sensor is fixed to the surface of the structure in question by means of a layer of an appropriate adhesive and, if the surface is vertical, an adhesive tape on the carrier element is temporarily disposed until the adhesive cures.
  • a ⁇ B K E -A ⁇ + K x -AT (2)
  • K e and K 1 they represent the sensitivity to deformation and temperature respectively and can be determined experimentally.
  • the variation of the wavelength with the temperature can be compensated either with another optical sensor that is not mechanically subject to the deformations that are to be measured or knowing the temperature by any other method.
  • the wavelength reflected by the optical sensor and the deformation in the optical fiber, obtained experimentally, is 1.15 nm / ( ⁇ m / m) as can be deduced from the results shown in Figure 2.
  • optical fiber is subject to mechanical properties and thermal of the material that covers what implies, if not done properly, a reduction in the sensitivity in deformation and temperature.
  • the optical fiber 13 must be embedded in the carrier element 11 in a position closer to the face intended to be fixed on the surface of the structural element than on the opposite face.
  • the sensitivity coefficient of the sensor depends on the distance of the optical fiber 13 to the surface where the deformation is intended to be measured.
  • the carrier element 11 is a laminate of a thermosetting plastic material reinforced with glass fiber and the optical fiber 13 is embedded therein in a position closer to the face intended to be fixed on the surface of the structural element than to opposite face.
  • That laminate is formed with a fiberglass layer 21 disposed between two layers of plastic material 23, 25.
  • 21 sheets of M501 material manufactured by Ahlshom are used for the fiberglass layer and as plastic material is used a polyester resin mixed with a hardening agent, such as the CRYSTIC 446PALV resin manufactured by Scott Bader mixed with the P-200 polyester catalyst sold by GLASPOL COMPOSITES, SL
  • the dimensions of the carrier element 11 are marked on a smooth surface and said surface is covered with a release agent such as, for example, wax.
  • the optical sensor according to the present invention has the same sensitivity as an unencapsulated FBG, which in turn is greater than that of an optical sensor with a carrier element made of identical materials but with the optical fiber embedded around the central plane of the element carrier.
  • Figure 3 shows the original sensitivity of the FBG as a sensor element, this sensitivity is 1.15 nm / ( ⁇ m / m). It is observed that the sensor without encapsulation is not capable of measuring compressions, if the FBG has not been prestressed previously, and that its maximum measurement range is around 2000 ⁇ m / m.
  • the sensitivity 43 obtained by embedding the FBGs in the middle plane of the carrier system and the sensitivity 41 is shown by embedding the FBG asymmetrically according to the present invention.
  • the proposed optical sensor has the same sensitivity as the FBG without embedding. In addition, it allows measuring compressions without the need to prestress the FBG.
  • the optical fiber acquires the properties of the materials in which it is embedded, allowing a greater elastic margin and therefore increasing the measuring range of the sensors, as seen in Figure 3, due to The great elasticity of the materials that form the encapsulation in the present invention.
  • Figure 4 validates the conclusions previously cited in an essay on a building element.
  • Graphs 51, 53, 55, 57 are those of 4 optical sensors according to the present invention and, for comparative purposes, Results 61, 63 obtained with 2 strain gauges, on cylindrical concrete specimens subjected to compression.
  • optical sensors according to the present invention are applicable both for the measurement of deformations of concrete (as illustrated in Figure 5), of steel (as illustrated in Figure 6) or of other materials and therefore facilitate time control real infrastructure during its useful life with non-destructive means, which implies beneficial effects to all the agents involved.
  • manufacturers of prefabricated elements and construction companies could monitor in real time the various structural elements that they manufacture and / or build with the advantages that this entails.
  • the maintenance of the infrastructures would be facilitated with its monitoring in real time, allowing to reduce its cost and guarantee its integrity.

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Abstract

Sensor óptico para la monitorización de estructuras basado en una red de difracción de Bragg para la medida de una característica física de las mismas que comprende un elemento portador (11) de la fibra óptica (13) que sirve para fijar el sensor a la superficie de dicho elemento estructural, en el que dicho elemento portador (11) es un laminado de un material plástico termoestable reforzado con fibra de vidrio y la fibra óptica (13) está embebida en dicho elemento portador (11) en una disposición asimétrica respecto de su plano medio de manera que quede situada en una posición más próxima a la cara destinada a fijarse en la superficie del elemento estructural que a la cara opuesta. La invención también se refiere a un procedimiento para la fabricación de dicho sensor óptico.

Description

SENSOR ÓPTICO PARA LA MONITORIZACION DE ESTRUCTURAS
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un sensor óptico para Ia medición de deformaciones mecánicas y/o temperaturas en las superficies de elementos estructurales y, más en particular, al elemento portador del sensor que es necesario para fijarlo a dichas superficies.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Las redes de difracción de Bragg (en adelante FBG, iniciales de Ia expresión inglesa "Fiber Bragg Grating") son dispositivos ópticos fabricados en el núcleo de una fibra óptica mediante Ia exposición de ésta a un patrón de interferencia óptica de luz ultravioleta. Estos dispositivos son sensibles a deformaciones mecánicas y a Ia temperatura Io que los convierte en dispositivos ideales para Ia medida de sus magnitudes.
Por las propiedades de Ia fibra óptica, los sensores ópticos resultan especialmente vulnerables a golpes y otros incidentes durante su manipulación y su fijación sobre el elemento cuya deformación y/o temperatura se pretende medir suele presentar problemas de diversa índole. Por ello, resulta conveniente proveer al sensor de elementos portadores que protejan Ia fibra óptica y faciliten su manipulación y fijación.
Son conocidos sensores ópticos con diversos tipos de elementos portadores como, por ejemplo, los descritos en las patentes EP 1 635 034 A1 , GB 2 404 018 A y EP I 816 432 Al
Los sensores conocidos tienen el inconveniente de que ó bien el coeficiente de sensibilidad de Ia FBG disminuye notablemente al embeberla en el elemento portador, ó bien utilizan elementos portadores costosos y difíciles de fabricar, dos inconvenientes relevantes para los sensores ópticos dirigidos a Ia monitorización de elementos estructurales. La presente invención está orientada a Ia solución de esos inconvenientes.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN
Un objeto de Ia presente invención es proporcionar un sensor óptico que permita medir de forma sencilla fiable y robusta las deformaciones y/o Ia temperatura en Ia superficie de un elemento estructural de hormigón, acero ú otros materiales. Otro objeto de Ia presente invención es proporcionar un sensor óptico para medir las deformaciones y/o Ia temperatura en el superficie de un elemento estructural de hormigón ú otros materiales con un alto coeficiente de sensibilidad en relación a dichas magnitudes.
Otro objeto de Ia presente invención es proporcionar un sensor óptico para medir las deformaciones y/o Ia temperatura en el superficie de un elemento estructural de hormigón ú otros materiales de bajo coste y fácil fabricación.
En un primer aspecto, esos y otros objetos se consiguen con un sensor óptico basado en una red de difracción de Bragg para Ia medida de una característica física de un elemento estructural que comprende un elemento portador de Ia fibra óptica que sirve para fijar el sensor a Ia superficie de dicho elemento estructural, en el que:
- Dicho elemento portador es un laminado de un material plástico termoestable reforzado con fibra de vidrio;
- La fibra óptica está embebida en dicho elemento portador en una disposición asimétrica respecto de su plano medio de manera que quede situada en una posición más próxima a Ia cara destinada a fijarse en Ia superficie del elemento estructural que a Ia cara opuesta.
En una realización preferente, dicho laminado comprende una capa de fibra de vidrio dispuesta entre dos capas de material plástico y Ia fibra óptica queda embebida en una de esas capas. Se consigue con ello un elemento portador de bajo coste y fácil fabricación. En otra realización preferente, Ia longitud mínima L de dicho elemento portador es de 2,5 cm, Ia anchura mínima A es de 5 mm y el espesor mínimo E es de 0,5 mm. Se consigue con ello un elemento portador apropiado para Ia medición de deformaciones y/o Ia temperatura de elementos estructurales de hormigón, acero ú otros materiales.
En un segundo aspecto, esos y otros objetos se consiguen con un procedimiento para Ia fabricación de un sensor óptico basado en una red de difracción de Bragg para Ia medida de una característica física de un elemento estructural que comprende un elemento portador de Ia fibra óptica que sirve para fijar el sensor a Ia superficie de dicho elemento estructural, que comprende los siguientes pasos: a) Se recubre con material desmoldeante una superficie lisa donde se han marcado previamente las dimensiones deseadas para el elemento portador. b) Se coloca sobre dicha superficie Ia fibra óptica debidamente alineada y centrada. c) Se aplica una capa muy fina de un material plástico. d) Se coloca una lámina de fibra de vidrio. e) Se aplica otra capa muy fina de un material plástico. f) Se separa el sensor de dicha superficie una vez que se haya consolidado el laminado formado en los pasos c), d) y e).
Otras características y ventajas de Ia presente invención se desprenderán de Ia descripción detallada que sigue de una realización ilustrativa, y en ningún sentido limitativa, de Ia misma en relación con los dibujos que se acompañan.
DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Las Figuras 1a y 1b son, respectivamente, vistas esquemáticas en sección transversal y en planta de un sensor óptico según Ia presente invención y Ia Figura 1c es una vista ampliada de Ia zona W de Ia Figura 1a. La Figura 2 muestra una serie de datos experimentales sobre Ia relación entre Ia deformación en Ia fibra óptica y Ia longitud de onda del sensor óptico. La Figura 3 muestra las diferencias de sensibilidad entre una FBG sin elemento portador y dos sensores ópticos encapsulados a distinta distancia de Ia estructura que se desea medir. La diferencia estriba en que uno de los sensores encapsulados tiene Ia FBG embebida en el plano medio del elemento portador mientras el segundo, según Ia presente invención, tiene una disposición asimétrica respecto al plano medio, estando colocado de esta forma más próximo a Ia estructura que se desea monitorizar.
La Figura 4 muestra los resultados obtenidos en un ensayo a compresión de una probeta cilindrica de hormigón por cuatro sensores ópticos según Ia presente invención y dos galgas extensiométricas.
La Figura 5 muestra una probeta de hormigón con dos sensores según Ia presente invención y una galga extensiométrica entre ellos.
La Figura 6 muestra un pilar de acero con dos sensores según Ia presente invención.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
En Ia Figura 1 se muestra un sensor óptico para Ia monitorización de estructuras según una realización de Ia presente invención que comprende el elemento portador 11 y Ia fibra óptica 13.
Las dimensiones mínimas del elemento portador 11 son una longitud L de 2,5 cm, una anchura A de 5 mm y un espesor E de 0,5 mm y vienen determinadas, por un lado, por el perfil de las FBGs seleccionado para la monitorización de estructuras que requiere aproximadamente 2 cm de fibra óptica 13 y, por otro lado, por las condicionantes derivados de su manejo y fijación a Ia estructura. El diámetro de Ia fibra óptica 13 es de 254 μm ± 5%.
El elemento portador 11 del sensor óptico representado en las Figuras 5 y 6 tiene una longitud L de 10 cm, una anchura A de 1 cm y un espesor E de 0,5 mm. Esas dimensiones son apropiadas para el caso de sensores destinados a Ia monitorización de deformaciones en superficies de hormigón ó acero en los que una mayor superficie del elemento portador 11 permite una mejor adhesión del sensor a Ia superficie y Ia obtención de unos resultados más fiables. El sensor se fija a Ia superficie de Ia estructura en cuestión mediante una capa de un adhesivo apropiado y, si Ia superficie es vertical, se dispone de forma temporal, hasta que cura el adhesivo, una cinta adhesiva sobre el elemento portador. Uno de los aspectos más importantes a Ia hora de diseñar sensores ópticos basados en FBGs es su sensibilidad y a estos efectos nos referiremos a sensores encapsulados o sensores sin encapsular según tengan o no tengan un elemento portador que proporcione protección a Ia fibra óptica y permita su manipulación y fijación a Ia superficie de Ia estructura a monitorizar. Para los sensores sin encapsular, Ia variación de Ia longitud de onda reflejada por Ia FBG debida a las deformaciones viene determinada por Ia siguiente fórmula:
AAn Λn i Í"2V / vil A Tf "2V o \
!-hτ llPn→ ( Ai +Pn) J Δε + hr (Ai-2A2)" (1)
Figure imgf000007_0001
Los términos que acompañan a Ia variación de Ia deformación y al incremento de temperatura son aproximadamente constantes para un diseño determinado del sensor, Io que permite simplificar Ia fórmula anterior a:
AλB = KE-Aε + Kx-AT (2) donde Ke y K1. representan Ia sensibilidad a Ia deformación y a Ia temperatura respectivamente y pueden determinarse experimentalmente. La variación de Ia longitud de onda con Ia temperatura se puede compensar bien con otro sensor óptico que no esté mecánicamente sujeto a las deformaciones que se quieren medir o bien conociendo Ia temperatura mediante cualquier otro método.
El coeficiente de sensibilidad a Ia deformación del sensor óptico sin encapsular que estamos considerando, es decir Ia relación entre Ia variación de
Ia longitud de onda reflejada por el sensor óptico y Ia deformación en Ia fibra óptica, obtenido experimentalmente, es de 1.15 nm/(μm/m) según se deduce de los resultados mostrados en Ia Figura 2.
El principal problema planteado por Ia necesidad de encapsular el sensor óptico es que Ia fibra óptica queda sujeta a las propiedades mecánicas y térmicas del material que Ia recubre Io que implica, de no hacerlo de una forma adecuada, una reducción de Ia sensibilidad en deformación y en temperatura.
Según Ia presente invención, Ia fibra óptica 13 debe quedar embebida en el elemento portador 11 en una posición más próxima a Ia cara destinada a fijarse en Ia superficie del elemento estructural que en Ia cara opuesta.
En este sentido, se ha comprobado que el coeficiente de sensibilidad del sensor depende de Ia distancia de Ia fibra óptica 13 a Ia superficie donde se pretende medir Ia deformación.
Según Ia presente invención el elemento portador 11 es un laminado de un material plástico termoestable reforzado con fibra de vidrio y Ia fibra óptica 13 está embebida en él en una posición más próxima a Ia cara destinada a fijarse en Ia superficie del elemento estructural que a Ia cara opuesta.
Ese laminado está formado con una capa de fibra de vidrio 21 dispuesta entre dos capas de material plástico 23, 25. En una realización preferente se utilizan para Ia capa de fibra de vidrio 21 láminas del material M501 fabricado por Ahlshom y como material plástico se utiliza una resina de poliéster mezclada con un agente de endurecimiento, tal como Ia resina CRYSTIC 446PALV fabricada por Scott Bader mezclada con el catalizador de poliéster P-200 comercializado por GLASPOL COMPOSITES, S.L
Seguidamente y en referencia a Ia Figura 1 describimos los pasos de un procedimiento apto para Ia fabricación del sensor óptico objeto de Ia presente invención:
- Primero: Se marcan sobre una superficie lisa las dimensiones del elemento portador 11 y se cubre dicha superficie con un desmoldeante tal como, por ejemplo, cera.
- Segundo: Se coloca sobre Ia superficie lisa Ia fibra óptica 13 procurando mantenerla centrada y alineada. Para asegurar su inmovilidad durante el resto del procedimiento se pueden fijar sus extremos, fuera del elemento portador 11 , mediante una cinta adhesiva de manera que se aplique Ia mínima tensión de tracción necesaria para mantenerla recta. - Tercero: Se aplica con un pincel una capa 25 muy fina de resina de poliéster mezclada con un catalizador del tamaño del elemento portador 11 marcado.
- Cuarto: Se coloca una lámina de fibra de vidrio 21 , cortada previamente con el tamaño del elemento portador 11 , sobre Ia fibra óptica 13 y Ia capa de resina 25.
- Quinto: Se añade otra capa 23 muy fina de resina de poliéster mezclada con un catalizador.
- Sexto: Se deja secar el laminado durante 24 horas. - Séptimo: Se despega el elemento portador 11 de Ia superficie lisa.
El sensor óptico según Ia presente invención tiene Ia misma sensibilidad que una FBG sin encapsular, que a su vez es mayor que Ia de un sensor óptico con un elemento portador realizado con idénticos materiales pero con Ia fibra óptica embebida en torno al plano central del elemento portador. En ese sentido, Ia Figura 3 muestra Ia sensibilidad 45 original de Ia FBG como elemento sensor, esta sensibilidad es de 1.15 nm/(μm/m). Se observa que el sensor sin encapsular no es capaz de medir compresiones, si previamente no se ha pretensado Ia FBG, y que su rango de medida máximo está en torno a 2000 μm/m. En Ia misma Figura 3 y a modo de comparación se muestra Ia sensibilidad 43 obtenida al embeber las FBG en el plano medio del sistema portador y Ia sensibilidad 41 al embeber Ia FBG de forma asimétrica según Ia presente invención.
El sensor óptico propuesto, posee Ia misma sensibilidad que Ia FBG sin embeber. Además, permite medir compresiones sin necesidad de pretensar Ia FBG. Por otro lado, al embeber Ia FBG Ia fibra óptica adquiere las propiedades de los materiales en los que se embebe, permitiendo un mayor margen elástico y por tanto aumentando el rango de medida de los sensores, como se observa en Ia Figura 3, debido a Ia gran elasticidad de los materiales que forman el encapsulado en Ia presente invención. La Figura 4 valida las conclusiones citadas previamente en un ensayo sobre un elemento de construcción. Las gráficas 51 , 53, 55, 57 son las de 4 sensores ópticos según Ia presente invención y, a efectos comparativos los resultados 61, 63 obtenidos con 2 galgas extensiométricos, sobre unas probetas cilindricas de hormigón sometidas a compresión. Se puede observar como en Ia zona elástica de Ia probeta de hormigón, aquella donde las deformaciones no son permanentes, los resultados muestran que todos los sensores ópticos tienen Ia misma sensibilidad (a pesar de ser fabricados manualmente) Io que permite obtener una gran precisión en las medidas de los sensores ópticos. La zona de régimen no elástico, Ia zona donde las deformaciones son permanentes, el hormigón no se comporta por igual a Io largo de Ia superficie debido a Ia aparición de fisuras, es por ello que los distintos sensores muestran unos resultados ligeramente distintos dependiendo de su ubicación sobre Ia superficie.
Los sensores ópticos según Ia presente invención son aplicables tanto para Ia medición de deformaciones del hormigón (como se ilustra en Ia Figura 5), del acero (como se ilustra en Ia Figura 6) ó de otros materiales y facilitan por tanto el control en tiempo real de las infraestructuras durante su vida útil con medios no destructivos, Io que implica efectos beneficiosos a todos los agentes involucrados. En ese sentido, los fabricantes de elementos prefabricados y las empresas constructoras podrían monitorizar en tiempo real los diversos elementos estructurales que fabrican y/o construyen con las ventajas que ello conlleva. Por su parte el mantenimiento de las infraestructuras se vería facilitado con su monitorización en tiempo real permitiendo reducir su coste y garantizar su integridad.
Aunque Ia presente invención se ha descrito enteramente en conexión con realizaciones preferidas, es evidente que se pueden introducir aquellas modificaciones dentro de su alcance, no considerando éste como limitado por las anteriores realizaciones, sino por el contenido de las reivindicaciones siguientes.

Claims

- 9 - REIVINDICACIONES
1.- Sensor óptico basado en una red de difracción de Bragg para Ia medida de una característica física de un elemento estructural que comprende un elemento portador (11) de Ia fibra óptica (13) que sirve para fijar el sensor a Ia superficie de dicho elemento estructural, caracterizado porque: a) dicho elemento portador (11) es un laminado de un material plástico termoestable reforzado con fibra de vidrio; b) Ia fibra óptica (13) está embebida en dicho elemento portador (11) en una disposición asimétrica respecto de su plano medio de manera que quede situada en una posición más próxima a la cara destinada a fijarse en Ia superficie del elemento estructural que a Ia cara opuesta.
2.- Sensor óptico según Ia reivindicación 1 , caracterizado porque dicha característica física es una deformación de dicho elemento estructural debida a un esfuerzo mecánico y/o su temperatura.
3.- Sensor óptico según cualquiera de las reivindicaciones 1-2, caracterizado porque dicho laminado comprende una capa de fibra de vidrio (21) dispuesta entre dos capas de material plástico (23, 25).
4.- Sensor óptico según cualquiera de las reivindicaciones 1-3, caracterizado porque Ia fibra óptica está embebida en Ia capa de material plástico (23) correspondiente a Ia cara del elemento portador (11) destinada a fijarse en Ia superficie del elemento estructural.
5.- Sensor óptico según cualquiera de dichas reivindicaciones 1-4 caracterizado porque dicho material plástico es una resina de poliéster mezclada con un catalizador.
6.- Sensor óptico según cualquiera de dichas reivindicaciones 1-5 caracterizado porque Ia longitud mínima L de dicho elemento portador (11) es 9 000293
- io • - de 2,5 cm, Ia anchura mínima A es de 5 mm y el espesor mínimo E es de 0,5 mm.
7.- Procedimiento para Ia fabricación de un sensor óptico basado en una red de difracción de Bragg para Ia medida de una característica física de un elemento estructural que comprende un elemento portador (11) de Ia fibra óptica (13) que sirve para fijar el sensor a Ia superficie de dicho elemento estructural, caracterizado porque comprende los siguientes pasos: a) Se recubre con material desmoldeante una superficie lisa donde se han marcado previamente las dimensiones deseadas para el elemento portador
(11); b) Se coloca sobre dicha superficie Ia fibra óptica (13) debidamente alineada y centrada; c) Se aplica una capa muy fina de un material plástico (25); d) Se coloca una lámina de fibra de vidrio (21); e) Se aplica otra capa muy fina de un material plástico (23). f) Se separa el sensor de dicha superficie una vez que se haya consolidado el laminado formado en los pasos c), d) y e).
8.- Procedimiento para Ia fabricación de un sensor óptico según Ia reivindicación 7, caracterizado porque dicho material plástico es una resina de poliéster mezclada con un agente de endurecimiento.
9.- Procedimiento para Ia fabricación de un sensor óptico según cualquiera de las reivindicaciones 7-8, caracterizado porque Ia longitud mínima L de dicho elemento portador (11) es de 2,5 cm, Ia anchura mínima A es de 5 mm y el espesor mínimo E es de 0,5 mm.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ES2419579R1 (es) * 2011-07-20 2013-10-15 Aeroblade S A Sistema de transduccion basado en redes de difraccion en fibra optica
US11167509B2 (en) * 2016-02-02 2021-11-09 Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Composite-material molding apparatus and composite-material molding method

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102721494B (zh) * 2012-06-29 2015-04-22 山东大学 一种地下工程模型试验用锚杆测力计

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1997019325A1 (en) * 1995-11-21 1997-05-29 United Technologies Corporation Composite structure resin cure monitoring using an optical fiber grating sensor
WO2002046712A1 (en) * 2000-12-07 2002-06-13 Nanyang Technological University Fiber optic force sensor
WO2004104539A1 (en) * 2003-05-22 2004-12-02 Nanyang Technological University A fiber optic force sensor for measuring shear force

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1997019325A1 (en) * 1995-11-21 1997-05-29 United Technologies Corporation Composite structure resin cure monitoring using an optical fiber grating sensor
WO2002046712A1 (en) * 2000-12-07 2002-06-13 Nanyang Technological University Fiber optic force sensor
WO2004104539A1 (en) * 2003-05-22 2004-12-02 Nanyang Technological University A fiber optic force sensor for measuring shear force

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ES2419579R1 (es) * 2011-07-20 2013-10-15 Aeroblade S A Sistema de transduccion basado en redes de difraccion en fibra optica
US11167509B2 (en) * 2016-02-02 2021-11-09 Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Composite-material molding apparatus and composite-material molding method

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