LASER DE FIBRA

Benemérita
Universidad Autónoma de Puebla.
Automatización de un sensor de flujo de agua a base de un laser
con fibra óptica usando rejillas de Bragg.
Por
Ing. Oscar Méndez Zepeda.
Tesis
Sometida como requisito parcial
Para obtener el grado de
Maestría en Ciencias de Física Aplicada
Puebla, Puebla
Supervisada por:
Dr. Severino Muñoz Aguirre
Dra. Georgina Beltrán Pérez
Índice
Capítulo 1 Introducción
1.1 Introducción
1.2 Láser de fibra como sensor de flujo de agua
1.3 Procesamiento de señal a través del microcontrolador PIC16F877
1.4 Justificación
1.5 Objetivo
1.6 Organización de la tesis
Capítulo 2 Rejillas de Bragg
2.2 Propiedades de las rejillas de Bragg
2.2.1 Rejillas de Bragg simple
2.2.2 Reflectividad uniforme de la rejilla de Bragg
2.2.3 Sensibilidad de las rejillas de Bragg a estiramientos y temperatura
2.3 Tipos de rejillas
2.3.1 Rejilla de Bragg de reflexión
2.3.2 Rejilla de Bragg oblicua
2.3.3 Rejilla de Bragg de índice variable
2.4 Aplicaciones
2.4.1 Sensor láser de fibra con rejillas de Bragg
2.4.2 Puentes
2.4.3 Ultrasonido
2.4.4 Industria química
2.5 Sensor de flujo de agua
2.6 Comentarios finales
Capítulo 3 Laser de fibra
3.2 Láser de fibra
3.2.1 Procesos de emisión y absorción
3.2.2 Cavidad
3.2.3 Amplificadores de fibra dopada con erbio
3.2.4 Mecanismos de amplificación
3.3 Láser con cavidad Fabry-Perot con rejillas de Bragg
3.3.1 Principio de operación del sensor de flujo de agua
3.4 Comentarios finales
Capítulo 1 Introducción
1.1 Introducción
Los sensores de fibra óptica se han desarrollado en dos áreas. La primera es el reemplazo directo de los
sensores ya existentes, donde los sensores de fibra ofrecen un significativo mejoramiento en su desempeño,
fiabilidad, seguridad y ventajas de costo para el usuario final. La segunda área es el desarrollo y despliegue
de sensores de fibra óptica en nuevos mercados.
En la industria manufacturera, los sensores de fibra se están desarrollando para soportar procesos de
control, regularmente estos sensores se utilizan en ambientes hostiles en áreas donde las descargas
eléctricas pueden ser peligrosas.
Otra área donde los sensores de fibra se están implementando, es en el campo de la medicina, dónde se
utilizan en equipos de diagnostico de ultrasonido, para medir parámetros de gas en la sangre, temperatura,
esto se debe a que los sensores son completamente pasivos, es decir, no utilizan un tratamiento eléctrico
hacia el paciente por lo que son seguros.
Nuevas áreas del mercado presentan oportunidades donde sensores equivalentes no existen. Por
ejemplo las estructuras inteligentes de fibra óptica. Los sensores de fibra óptica son integrados dentro de
estructuras, durante el proceso de fabricación para mejorar los sistemas de control de procesos. Sistemas de
evaluación de daños se encuentran en grandes estructuras como construcciones, puente presas, aviones.
Donde para soportar este tipo estructuras es necesario tener un gran número de sensores que sean
rápidamente reconfigurables y redundantes. Una solución a este problema es utilizar sensores de fibra que
tengan el potencial de ser fabricados en grandes cantidades a bajos costos. Dos son los candidatos que se
encuentran bajo investigación, las rejillas de fibra y los etalons. Ambos sensores son basados en sus
espectros característicos. En el caso de las rejillas de fibra pueden catalogarse dentro de sistemas con
arquitectura de longitud de onda y multiplexión de división de tiempo. Aquí los sensores son multiplexados
a lo largo de una fibra y se utilizan interruptores ópticos para soportar diferentes cadenas de sensores.
Potencialmente estas fibras pueden contener cientos de sensores.
Dentro de la industria es necesario el control de variables físicas, tales como temperatura, flujo, presión,
humedad etc. con el propósito de optimizar procesos y mantener la calidad de sus productos. En este
trabajo se desarrolló un sistema electrónico basado en el microcontrolador PIC16F877 para la
automatización de un sensor láser de flujo de agua a base de rejillas de Bragg.
Este sistema electrónico consta de tres etapas y un sistema hidráulico, la primera etapa de entrada se
encarga de la conversión de potencia óptica a voltaje, la segunda etapa digitaliza, mide y controla la señal
proveniente del sensor láser de fibra, la tercera etapa de salida se encarga de manipular el actuador del
sistema.
La potencia óptica del sensor láser es aproximadamente lineal respecto de los cambios de flujo de agua.
Se implementaron algoritmos de digitalización, promediado y control de la señal del sensor láser, los cuales
eliminaron ruido y optimizaron la respuesta del sistema. Se diseño un sistema hidráulico en el que la rejilla
de Bragg sensora no entrara en contacto directo con el agua, lo que evitó perturbaciones en la potencia
óptica.
1.2 Láser de fibra como sensor de flujo de agua
El concepto de láseres de fibra data de 1960. Estos son llamados así porque utilizan fibra óptica como
medio de ganancia, en la mayoría de los casos utilizan fibra dopada con iones de tierras raras, como el erbio,
neodimio, iterbio, entre otros, y como medio de bombeo se utiliza un diodo láser.
Un láser requiere una cavidad, en la cual la radiación láser puede circular y pasar hacia el medio de
ganancia para ser amplificado. El láser utilizado en este proyecto de tesis, es un láser de cavidad FabryPerot, la cual consiste en dos espejos paralelos separados.
En el láser que se utiliza se han reemplazado los espejos por Rejillas de Bragg de Fibra (FBG por sus siglas
en ingles). Las características ópticas de las FBG, tales como foto sensitividad, ancho de banda estrecho,
bajas pérdidas y un ancho de banda ajustable, son importantes en aplicaciones de láseres de fibra.
La configuración simple de los láseres de fibra, que utilizan rejillas de Bragg y fibras dopadas, permiten
operaciones en diferentes longitudes de onda (de 1000 nm a 1700 nm), que a su vez permite aplicarlas
como sensores.
Los sensores que utilizan FBG se clasifican en dos tipos. Sensores pasivos, los cuales están basados
únicamente en fibra y una fuente de banda ancha para generar la señal de prueba y los sensores activos que
utilizan fibra dopada con tierras rara, y se conocen como sensores laser de fibra óptica
Los sensores comunes de flujo, utilizan el principio de corte de líneas de campo magnético esto debido a
la circulación de fluido, por lo que son susceptibles a ruido electromagnético producido por motores, otros
utilizan elementos mecánicos (propelas) para producir pulsos eléctricos, por lo que se ven afectados por
residuos que impidan el funcionamiento adecuado del mecanismo.
Los sensores de fibra óptica tienen la ventaja de ser inmunes al ruido electromagnético, sus materiales
pueden ser químicamente pasivos, y puesto que consisten de materiales eléctricamente aislantes, se
pueden utilizar en zonas de alto voltaje.
El principio de operación de los sensores de fibra basados en FBG, se basa en la manipulación de la
longitud de onda de Bragg de una FBG, la cual no solo depende del periodo de la rejilla, sino también de la
temperatura y del estiramiento.
En el sensor de flujo de agua de fibra óptica, se utilizan dos FBG’s donde una se utiliza una como
referencia y otra como sensora, y se espera una máxima emisión láser cuando el espectro de reflexión de la
rejilla sensora se haya traslapado sobre el de la rejilla de referencia. Este traslape de espectros se logra por
medio de un estiramiento de la rejilla sensora.
En el presente trabajo, se realiza el procesamiento de la señal obtenida del sensor para controlar el flujo,
a partir de un punto de control proporcionado por el usuario, desplegado la cuantificación del flujo en un
LCD.
1.3 Procesamiento de señal a través del microcontrolador PIC16F877
Dentro de la industria es necesario el control de variables físicas, tales como temperatura, flujo, presión,
humedad etc. con el propósito de optimizar procesos y mantener la calidad de sus productos. En este
trabajo se desarrolló un sistema electrónico basado en el microcontrolador PIC16F877 para la
automatización de un sensor láser de flujo de agua a base de rejillas de Bragg.
Los microcontroladores son circuitos integrados programables. Se emplean para controlar el
funcionamiento de una tarea específica y debido a su reducido tamaño, suele ser incorporado en el propio
dispositivo al que controla. Este es un dispositivo dedicado, es decir, en su memoria solo reside un programa
destinado a ejecutar una aplicación determinada. El diseño de programas se lleva a cabo a través de un set
de 35 instrucciones. Cuenta con puertos de entrada y salida, analógicos y digitales que soportan el
conexionado de sensores y actuadores de dispositivos a controlar.
La instrumentación y electromedicina emplea estos dispositivos en la medición de variables tales como
temperatura, flujo, presión. También, diferentes electrodomésticos incorporan microcontroladores, así
como sistemas de supervisión, vigilancia y alarma en edificios.
Las comunicaciones y sus sistemas de transferencia de información utilizan estos microcontroladores
incorporándolos en la implementación de automatización de procesos y en modernos teléfonos. Las
comunicaciones y productos de consumo general absorben más de la mitad de la producción de
microcontroladores. El resto se distribuye en el sector de automatización, computadoras e industria.
Estas prestaciones así como su bajo precio hacen de los microcontroladores PIC de Microchip ser
empleados en el procesamiento y control de señales.
1.4 Justificación
Una de las variables frecuentemente utilizadas en procesos industriales, para el control de la calidad de
diversos productos es precisamente la medición y control de flujos. Por lo que estos sistemas de control,
como de medición de flujo son muy especializados, elevando su costo.
Por lo anterior se pretende dar una propuesta alternativa en la medición y control de flujo, a través de
un sensor que utiliza un láser de fibra de cavidad Fabry-Perot y desarrollando un sistema de procesamiento
para el control de la señal del sensor de flujo basado en microcontroladores PIC. Con lo que se pretende
disminuir los costos de un sistema de medición de flujo, además de proporcionar la etapa de procesamiento
y control de señal de un sistema óptico.
1.5 Objetivo
El objetivo general de este trabajo de tesis consiste en procesar y controlar la señal de un sensor de flujo
basado en rejillas de Bragg de fibra óptica, para lo cual es necesario cumplir con los objetivos específicos que
abajo se enlistan:
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Caracterizar los dispositivos empleados en la construcción de un sensor de flujo basado en rejillas
de Bragg de fibra óptica.
Caracterizar el comportamiento del sensor de flujo de agua, a través de estiramientos de la rejilla
sensora, por medio de un tornillo milimétrico.
Diseñar un sistema hidráulico capaz de estirar la rejilla sensora de manera proporcional al flujo,
sin que la rejilla entre en contacto directo con el agua.
Caracterizar el comportamiento del sensor de flujo de agua, con el sistema hidráulico.
Diseñar el circuito de conversión de potencia óptica/voltaje, y caracterizar su comportamiento.
Implementar el programa en ensamblador para PIC’s necesario para el procesamiento de la señal
proveniente del sensor y realizar la medición y control adecuados del flujo de agua.
Diseñar el circuito de la etapa de salida para controlar el actuador (válvula con motor a pasos).
1.6 Organización de la tesis
En el capítulo 2 se presentan las propiedades, tipos y el principio de sensado de las rejillas de Bragg, así
como la descripción de algunas aplicaciones.
En el capítulo 3 se describen los elementos que conforman un láser de fibra, la descripción de los
procesos de emisión, los mecanismos de amplificación de la fibra dopada con erbio, así como el principio del
láser como sensor de flujo de agua, que utiliza una cavidad Fabry-Perot con rejillas de Bragg en lugar de
espejos.
En el capítulo 4 se desarrolla el tema del procesamiento digital de señales, donde se describen los
procesos de muestreo, conversión analógica/digital y tipos de control con un microcontrolador PIC16F877.
En el capítulo 5 se presentan los experimentos que sirvieron en las caracterizaciones de los elementos
del sensor, así como del sistema electrónico e hidráulico, también se exponen los resultados obtenidos del
sistema en lazo abierto y cerrado.
En el capítulo 6 se presentan las conclusiones del presente trabajo de tesis.
En el apéndice A se muestran las características principales del microcontrolador PIC16F877, que hacen
posible el control del flujo de agua.
En el apéndice B se muestran las hojas de datos de los dispositivos que se emplearon en este trabajo.