Fabricación y caracterización de sensores de fibra óptica tipo LPG: aplicación al estudio de materiales y medición de flujo - Yana Mamani, Leidy Coral (2023)
Desde las primeras redes escritas en fibras de vidrio convencional; tales como, las de periodo corto o redes de Bragg, FBG (Hill, 1978), y las de periodo largo, Long-Period fiber Grating, LPG (Vengsarkar,1996), las técnicas de fabricación de redes y sus aplicaciones han logrado un gran y rápido desarrollo. En los últimos años, el desarrollo de la tecnología de fibras ópticas (FO) y su aplicación en el monitoreo de diversos parámetros físicos, químicos y biológicos, las han convertido en una herramienta de gran importancia. Dentro de las cuales los más estudiados son los sensores de FO de periodo corto (FBG) y pocos se han basado en redes de periodo largo (LPG). Actualmente, en el Perú existe la necesidad de implementar nuevas metodologías para la obtención de parámetros de materiales a bajo costo, siendo la tecnología de sensores de FO una buena opción debido a sus principales ventajas: tamaño pequeño y de bajo costo, utilizan materiales abundantes en la naturaleza (silicio) y la propiedad de ser básicamente inmunes a la radiación electromagnética. Sin embargo, el estudio relacionado a la tecnología de FO es limitado, lo que hace que sea una prioridad poder difundir su confiabilidad y definir una estrategia que permita analizar los datos; de manera que, la transmisión de información aportada por los sensores LPG ocurra en el momento y tiempo precisos, además de propiciar las condiciones necesarias para lograr una lectura adecuada. Con el objetivo de mostrar su viabilidad, en la presente tesis se busca validar la confiabilidad de la tecnología de los sensores LPG y su aplicación en el monitoreo de desplazamientos, vibraciones para el cálculo del MOE y curvaturas para la medición de caudales, mediante la comparación entre parámetros físicos conocidos por la literatura o algún método comercial y aquellos obtenidos con la metodología propuesta. Para la medición de desplazamientos se emplea un sensor de desplazamiento basado en fibra óptica afinada con estructura en forma de S (táper). Donde la fibra es colocada sobre dos motores de paso que la tensionan, de manera que esta pueda mostrar su señal a diferentes desplazamientos. La misma metodología se realizó con sensores LPG, mostrándose su sensibilidad al desplazamiento. Para el análisis del monitoreo de vibraciones se ha elegido la madera, la cual posee propiedades físicas ampliamente conocidas como el módulo de elasticidad (MOE), debido a su importancia en el diseño y cálculo de componentes estructurales de elementos que trabajan a flexión en sistemas estructurales de edificaciones. Por lo cual, se determinaron los MOE flexural de 5 tipos de madera: Cachimbo, Caoba, Cedro, Pino y Tornillo. Para desarrollar esta tecnología, se implementó un equipo de fabricación de sensores de FO basados en redes LPG en el laboratorio de Física de la Facultad de Ingeniería Civil de la UNI, donde se realizaron los ensayos. Para ello se caracterizó la respuesta dinámica de las barras de madera puestas en oscilación en donde se hizo un extremo fijo y el otro libre, para permitir la perturbación. Para tomar las medidas, se colocó el sensor LPG en la barra de madera y un fotodetector acoplado a un osciloscopio, el cual almacena la desviación de la barra de madera contado como un desplazamiento vertical del extremo de la barra libre. Se supervisaron las respuestas mediante la curvatura provocada por el movimiento del sensor LPG. Las frecuencias de vibración del movimiento se obtuvieron de la transformada de Fourier (FFT) del registro tiempo historia de oscilaciones flexurales. Posteriormente, el valor de los MOE flexural se determinaron a partir del ajuste de la frecuencia de datos experimentales del primer modo frente a la longitud del voladizo. Finalmente, los valores de los módulos de elasticidad (MOE) flexural determinados experimentalmente para los 5 tipos de madera analizados en el presente estudio, presentan una desviación promedio de 1.6 - 1.9 % con respecto al promedio de los valores reportados en la literatura, los cuales fueron obtenidos utilizando otras técnicas. Para la medición de velocidades de flujo en tuberías, el método utilizado también es el de la barra resonante; sin embargo, en este caso el sensor LPG es colocado en voladizo de manera perpendicular a la dirección de flujo. Para realizar las mediciones, se emplea un depósito vertical, con salida a la tubería a partir de la cual se toman las mediciones en por lo menos tres ciclos, los resultados son comparados con los datos de un medidor comercial de caudal como el sensor de flujo Arduino y se obtiene como resultado una tendencia semejante en ambos casos, además de un Índice de Desviación Estándar en un rango aceptable. Por lo tanto, la presente tesis tiene la intención de mostrar el uso de sensores LPG en la caracterización dinámica de las propiedades elásticas de un material y la caracterización de flujo de un fluido, a través del desarrollo de su aplicación e implementación en cada caso.