ES1308248U - Dispositivo para medición de la deformación de superficies - Google Patents

Abstract

Dispositivo para medición de la deformación de superficies, para estructuras o elementos estructurales, caracterizado por que comprende - al menos un primer bucle cerrado compuesto por una primera fibra (1) óptica continua situada en una primera superficie (4.1) de la estructura formando un recorrido determinado que presenta un extremo inicial (1.1) y un extremo final (1.2) entre los que discurren un ramal de ida y un ramal de vuelta, donde la primera fibra (1) presenta medios de unión solidaria a la estructura en la primera superficie (4.1) de la misma y ambos extremos inicial y final (1.1, 1.2) están situados de forma exterior a dicha primera superficie (4.1) tal que son accesibles, y; - una unidad de medida (6) formada por una placa base (7) que comprende al menos un primer transceptor (8) óptico conectado al primer bucle en ambos extremos inicial y final (1.1, 1.2), susceptible de permitir la inyección de un pulso de luz a través del extremo inicial (1.1) y su recepción en el extremo final (1.2), un circuito integrado digital programable (FPGA) (9) conectado al primer transceptor (8) y que implementa un circuito lógico digital (12) que permite la generación de una señal eléctrica que se transforma en pulsos de luz y la recepción de la señal eléctrica producida por el transceptor, un circuito de multiplexión (10) y un contador (11) de pulsos recibidos, donde el distribuidor (10) y el contador (11) están conectados a la FPGA (9) y al extremo final (1.2) de la primera fibra (1), para realizar la medida de la longitud óptica de la primera fibra (1).

Description

DESCRIPCIÓN

Dispositivo para medición de la deformación de superficies

Campo técnico de la invención

La presente invención corresponde al campo técnico de la física y la ingeniería estructural, en concreto a un dispositivo para medición de la deformación en superficies de estructuras o cualquier otro elemento estructural.

Antecedentes de la Invención

Cuando se habla de deformación en estructuras se refiere a la magnitud que se emplea para describir la elongación (tracción) o contracción (compresión) que experimenta el material de la estructura debido a posibles factores como puede ser la acción de una fuerza externa, la flexión de la estructura, la temperatura o incluso posibles fuerzas internas que ocasionen una deformación residual.

Cuando existe una deformación ésta tiene un valor no dimensional que representa el cambio en la longitud de un material con respecto a su longitud inicial.

En la actualidad existen varios tipos de galgas y sensores capaces de medir la deformación, como es el caso de las galgas extensiométricas eléctricas que llevan utilizándose desde hace más de ochenta años y son capaces de medir la fatiga y efectuar ensayos de materiales, con fines de productividad y seguridad.

Hace ya más de una década empezaron a utilizarse las fibras ópticas como elementos sensores. Éstas tienen muchas más ventajas como sensores que los dispositivos eléctricos tradicionales pues presentan robustez, precisión y versatilidad. Una de las grandes ventajas es que son inmunes a los campos electromagnéticos y no los emiten, resisten altas temperaturas, son rápidas y su uso no presenta peligro en ambientes explosivos o inflamables.

Se están empleando y desarrollando múltiples sistemas de sensores basados en fibra óptica y en particular en la medida de deformaciones de estructuras.

En función de la dimensión de la zona que incluye el sensor, éste puede ser de calibre corto, largo o distribuido.

Los de calibre corto son similares a las galgas extensiométricas eléctricas, pues la medición se realiza en una zona pequeña de la estructura que puede considerarse casi puntual, mientras que los de calibre largo monitorizan simultáneamente toda la estructura, al encontrarse el sensor embebido en la misma. Finalmente, los distribuidos permiten realizar medidas puntuales, pero dentro de una misma fibra distribuida a lo largo de distancias muy elevadas considerándose una combinación de los dos anteriores.

No obstante, este tipo de sensores ópticos presentan un gran inconveniente pues el coste del equipo electrónico asociado, conocido como interrogador, es muy elevado.

Si lo que se considera es el método empleado para realizar la medida, se pueden clasificar los sensores existentes, por un lado, en aquellos que realizan la medida de la curvatura por variación de la intensidad de la luz, que emplean la dependencia de la intensidad de la luz transmitida en una fibra óptica en función del radio de curvatura de la fibra. Esto es útil para radios de curvatura pequeños que son en los que se producen pérdidas significativas de atenuación en las fibras. En estos dispositivos los equipos interrogadores son baratos, pero la precisión obtenida es baja.

Otro de los tipos de sensores es el que realiza las medidas basadas en interferometría. Con este método es posible obtener resoluciones muy elevadas basándose en los patrones de interferencias creados por la reflexión en alguna parte de la estructura o la fibra óptica. La diferencia de fase que se produce por la distinta transmisión en un camino distinto en la fibra produce un patrón de interferencia que se ve modificado cuando la fibra solidaria a la estructura sufre elongaciones debido a la deformación de la misma. En este caso los interrogadores usados son interferómetros de tipo Michelson o Fabry Perot.

Así mismo, existen múltiples métodos para realizar las medidas que se basan en técnicas de dispersión de la luz como Rayleigh o Brillouin.

Finalmente, existen los métodos en los que las medidas se basan en la reflexión que se produce en una red de difracción que se crea en el interior de la estructura de la fibra. Esta red conocida como red de difracción de Bragg se talla en el interior de la fibra y dependiendo de la separación entre las marcas de la red, refleja en mayor o menor medida una longitud de onda de diferente. Por tanto, debe disponerse de un interrogador que sea capaz de distinguir la intensidad de distintas longitudes de onda, siendo éste un equipo sofisticado y de precio elevado.

En casi todos estos métodos y dispositivos mencionados lo que se pretende es una gran resolución en la medida. No obstante, en la mayoría de las aplicaciones relacionadas con salud estructural, el elemento a monitorizar es de gran tamaño, por lo que no es necesaria una gran resolución, de manera que resoluciones relativas de 10-4 pueden ser suficientes para estructuras de varios metros.

Resulta, por tanto, necesario encontrar un dispositivo que sea capaz de medir esta deformación con una precisión adecuada para la estructura a medir, que resulte fiable y que no precise de complejos y caros equipos de medición. Un abaratamiento significativo del coste del interrogador podría permitir la implementación de un sistema en el que el interrogador se deja conectado a la estructura, realizando una monitorización permanente, en vez de puntual, de la misma.

Descripción de la invención

El dispositivo para medición de la deformación de superficies, para estructuras o elementos estructurales, que aquí se presenta, comprende al menos un primer bucle cerrado compuesto por una primera fibra óptica continua situada en una primera superficie de la estructura formando un recorrido determinado que presenta un extremo inicial y un extremo final entre los que discurren un ramal de ida y un ramal de vuelta.

Esta primera fibra presenta medios de unión solidaria a la estructura en la primera superficie de la misma, además sus extremos inicial y final están situados de forma exterior a dicha primera superficie tal que son accesibles.

El dispositivo presenta además una unidad de medida formada por una placa base que comprende al menos un primer transceptor óptico y un circuito integrado digital programable (FPGA) conectado al mismo.

El primer transceptor óptico está conectado al primer bucle de fibra en ambos extremos inicial y final, y es susceptible de permitir la inyección de un pulso de luz a través del extremo inicial y su recepción en el extremo final.

Por su parte, la FPGA está conectada al primer transceptor e implementa un circuito lógico digital que permite la generación de la señal eléctrica que se transforma en pulsos de luz que circulan por el bucle de fibra y la recepción de la señal eléctrica producida por el transceptor tras la recepción de dichos pulsos de luz.

El circuito lógico comprende además un circuito de multiplexión y un contador de pulsos recibidos, ambos conectados al FPGA y al extremo final del bucle.

Con el dispositivo para medición de la deformación de superficies que aquí se propone se obtiene una mejora significativa del estado de la técnica.

Esto es así pues se consigue un dispositivo en el que el elemento que actúa de sensor está distribuido a lo largo de toda la estructura por lo que resulta sensible a variaciones en cualquier punto de la misma, logrando de este modo, una monitorización global a nivel estructural con la seguridad de que no se ha ignorado ningún posible punto débil a la hora de garantizar la integridad de la estructura, ya que toda ella queda monitorizada de forma continua.

Este dispositivo emplea un mismo instrumento medidor o interrogador formado por una unidad de medida que permite una medición continua y simultánea de la deformación a lo largo de una gran superficie, sin centrarse en una zona concreta o restringida, proporcionando de este modo una información global de la misma, sin necesidad de utilizar sensores locales de tensión. Es un dispositivo electrónico muy sencillo, basado en un dispositivo lógico programable y un transceptor óptico de alta velocidad con un coste extremadamente reducido.

La unidad de medida de este dispositivo utiliza electrónica digital programable, en concreto una FPGA que además de ser de bajo coste, puede funcionar con transceptores de frecuencias en el rango de los MHz, siendo reducido el número de pines necesario. Además, la FPGA puede ser multicanal, de manera que pueden crearse varios bucles cerrados de fibra óptica, con igual o distinto camino, para realizar múltiples mediciones.

Con este dispositivo se utiliza una metodología implementada para la medida de la longitud de fibra óptica por medio de la medida del tiempo de propagación de un pulso de luz a lo largo de la misma, adaptándola para su utilización en la medida de la deformación de superficies, con la variación de que aquí se aplica un método de recirculación del pulso de luz. Al utilizar fibras ópticas resulta un dispositivo insensible a los campos magnéticos, eléctricos o electromagnéticos, por lo que la presencia de alguno de ellos no va a afectar a las mediciones realizadas. Así mismo, puede emplearse en estructuras que funcionen en temperaturas extremas estando limitado el rango de operación de la estructura únicamente por la temperatura que resiste una fibra óptica.

Otra ventaja de este dispositivo es que su funcionamiento es mucho más independiente de la potencia de señal transmitida que otros dispositivos existentes, pues lo importante aquí es el tiempo de llegada de manera que, para que el dispositivo funcione correctamente basta con que llegue a transmitirse el pulso y recibirse en el extremo contrario. Esto permite su utilización tanto en estructuras pequeñas, como en estructuras muy grandes, pues la comunicación por fibra óptica puede realizarse a lo largo de cientos de metros sin necesidad de repetidores, incluso puede ser mayor en función de la longitud de onda empleada y este dispositivo no añade ninguna limitación al respecto.

Así pues, se logra un dispositivo sencillo y práctico que permite la medición de la deformación en cualquier tipo de superficie, sin limitación dimensional y logrando una medida eficaz de la deformación de manera global y de forma continua.

Breve descripción de los dibujos

Con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se aporta como parte integrante de dicha descripción, una serie de dibujos donde, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

La Figura 1.- Muestra una vista en perspectiva de un dispositivo para medición de la deformación de superficies, para una primera realización preferida de la invención.

La Figura 2.- Muestra una vista esquemática del dispositivo para medición de la deformación de superficies, para una primera realización preferida de la invención.

La Figura 3.- Muestra un esquema de los bloques lógicos digitales que se implementan dentro de la FPGA del dispositivo para medición de la deformación de superficies, para una primera realización preferida de la invención.

La Figura 4.- Muestra una vista en perspectiva de un dispositivo para medición de la deformación de superficies, para una segunda realización preferida de la invención.

La Figura 5.- Muestra una vista en perspectiva de un dispositivo para medición de la deformación de superficies, para una tercera realización preferida de la invención.

Descripción detallada de un modo de realización preferente de la invención

A la vista de las figuras aportadas, puede observarse cómo en un primer modo de realización preferente de la invención, el dispositivo para medición de la deformación de superficies, para estructuras o elementos estructurales, que aquí se propone, comprende al menos un primer bucle cerrado compuesto por una primera fibra óptica (1) continua situada en una primera superficie (4.1) de la estructura formando un recorrido determinado que presenta un extremo inicial (1.1) y un extremo final (1.2) entre los que discurren un ramal de ida y un ramal de vuelta.

En este primer modo de realización preferente de la invención se considera una estructura que en este caso es la pala (5) de un molino de viento. Así pues, el primer bucle cerrado presenta la primera fibra (1) formando un recorrido en una primera superficie (4.1) de la pala (5), tal y como se muestra en la Figura 1.

Dicha primera fibra (1) presenta medios de unión solidaria a la estructura en la primera superficie (4.1) de la misma y ambos extremos inicial y final (1.1, 1.2) están situados de forma exterior a dicha primera superficie (4.1) tal que son accesibles.

En este primer modo de realización preferente de la invención, los medios de unión solidaria de la primera fibra (1) a la estructura están formados por una integración de la fibra en el material de formación de la estructura, es decir, la primera fibra (1) se embebe en la resina que conforma la estructura de la pala (5), de manera que al solidificarse esta resina la primera fibra (1) queda integrada en el cuerpo de la pala (5). En otros modos de realización estos medios de unión pueden estar formados por un adhesivo que fije la fibra sobre la primera superficie o por un atornillado de una estructura de sujeción de la fibra sobre la estructura, por ejemplo.

El dispositivo presenta además una unidad de medida (6) formada por una placa base (7) que comprende al menos un primer transceptor (8) óptico conectado a la primera fibra (1) del primer bucle en ambos extremos inicial y final (1.1, 1.2) y, un circuito integrado digital programable (FPGA) (9) conectado a este primer transceptor (8), como puede observarse en la Figura 2.

El primer transceptor (8) es susceptible de permitir la inyección de un pulso de luz a través del extremo inicial (1.1) de la primera fibra (1) y de su recepción en el extremo final (1.2), mientras que la FPGA (9) implementa un circuito lógico digital (12) que permite la generación de pulsos de luz que circulan por el bucle de fibra y la recepción de la señal eléctrica producida por el transceptor tras la recepción de dichos pulsos de luz.

Como se muestra en la Figura 3, para realizar la medida de la longitud óptica de la fibra, la unidad de medida (6) comprende, además, un circuito de multiplexión (10) y un contador (11) de pulsos recibidos que permite conocer el número de pulsos que han recorrido el bucle de fibra óptica en un tiempo determinado, y que proporciona la medida que se pretende obtener del sistema. Tanto el circuito de multiplexión como el contador están conectados a la FPGA (9) y al extremo final (1.2) de la fibra del primer bucle.

Por su parte, el circuito de multiplexión permite la selección de la señal de salida hacia el transceptor entre dos posibles orígenes. Durante el régimen de medida o integración, el circuito de multiplexión está configurado para dirigir la señal recibida del transceptor de nuevo hacia el mismo, produciéndose una oscilación autosostenida de pulsos circulando por el bucle de fibra óptica. Durante el régimen de arranque, el circuito de multiplexión está configurado para enviar al transceptor una señal eléctrica adecuada de cara al inicio de la oscilación autosostenida. En su implementación más sencilla, esta señal de arranque es el envío de dos valores lógicos 1 y 0, cada uno durante un tiempo equivalente a la mitad del tiempo de propagación del pulso en el bucle completo.

De este modo, la inyección de un pulso de luz circula por la fibra a medir y la señal recibida en el receptor se realimenta hacia el transmisor, creando de este modo una oscilación autosostenida. Así pues, los pulsos recibidos en el receptor se inyectan por una parte de vuelta en el primer bucle y por otra parte se llevan a un contador (11) que es el que se incrementa con cada pulso recibido.

Teniendo un conocimiento preciso de la frecuencia de la oscilación autosostenida a partir de la contabilización de un número de pulsos durante el periodo de integración adecuado, se puede estimar por tanto la longitud de la fibra medida pues, a partir del periodo de la oscilación y una vez caracterizados los demás términos se puede calcular el retardo de propagación de la fibra, que es uno de los términos que contribuyen a dicho período de esta oscilación. Una deformación de la fibra se visualiza como un cambio en este tiempo de propagación y, por tanto, se determina la existencia de un cambio de longitud.

Como se muestra en la Figura 1, la unidad de medida (6) está dispuesta de forma exterior a la estructura y sujeta a ella mediante unos medios de sujeción.

En este modo de realización preferente de la invención, el dispositivo comprende una carcasa (13) de protección de la unidad de medida (6). En caso de que se prevea que las temperaturas en el exterior vayan a ser extremas, y por tanto se decida implementar algún sistema para el control activo de la temperatura de operación de la unidad de medida, la carcasa (13) cumple condiciones de aislamiento térmico.

Así mismo, en este primer modo de realización preferente de la invención, la unidad de medida (6) comprende unos medios de alimentación independiente, formados en este caso por una batería, y unos medios inalámbricos de transmisión de datos.

En un segundo modo de realización preferida, que puede observarse en la Figura 4, el dispositivo comprende un segundo bucle cerrado paralelo al primer bucle y compuesto por una segunda fibra (2) óptica continua situada en una segunda superficie (4.2) de la estructura, opuesta a la primera superficie (4.1). Esta segunda fibra (2) presenta medios de unión solidaria a la estructura formando un recorrido determinado que presenta un extremo inicial (2.1) y un extremo final (2.2) conectados a un segundo transceptor óptico de la unidad de medida (6).

Al tener en este caso dos bucles en ambas primera y segunda superficies (4.1, 4.2) opuestas, cada uno de ellos mide las deformaciones en una de las superficies, correspondiendo estas deformaciones con dilataciones y contracciones respectivamente, de manera que, para la misma deformación de la pala (5), uno de los bucles mide las elongaciones debidas a las dilataciones mientras que el otro mide las compresiones ocasionadas por las contracciones. Además, al disponer de dos bucles es posible deducir la dirección de curvatura de la pala (5) a partir de la medida relativa de ambos. El hecho de disponer de dos canales en superficies opuestas de la pala permite la obtención de una medida diferencial que está verdaderamente relacionada con la flexión de la pala, y se hace más independiente de posibles perturbaciones que afecten por igual a ambas superficies, como por ejemplo la debida a la dilatación térmica del conjunto de la pala.

En este segundo modo de realización preferente de la invención, la FPGA (9) presenta al menos dos canales para la medición por separado de la elongación y la compresión.

En el caso en el que se necesita monitorizar la variable temperatura de forma independiente a la variable deformación, como ocurre en este segundo modo de realización preferente de la invención, el dispositivo comprende un tercer bucle paralelo al primer bucle y compuesto por una tercera fibra (3) óptica continua que presenta medios de unión no solidaria a la estructura sobre una de las superficies, es decir, se encuentra simplemente superpuesto sobre la superficie o embebido en la misma de forma no solidaria, para medición del efecto de la temperatura sobre la fibra óptica con independencia de otras deformaciones de origen mecánico a las que están sometidas las otras fibras ópticas. En este segundo modo de realización preferida, esta tercera fibra (3) está situada sobre la primera superficie (4.1), como se muestra en la Figura 4 y presenta sendos extremos inicial y final (3.1, 3.2) conectados a un tercer transceptor óptico de la unidad de medida (6).

Este tercer bucle, que se muestra en la Figura 4, permite calibrar de forma más sencilla las variaciones de la fibra dependientes de la temperatura. En este caso, además, el dispositivo comprende sensores de temperatura (no representados en las Figuras) conectados en la FPGA y en la estructura para mejorar los aspectos de calibración.

Como puede observarse en la Figura 5, en un tercer modo de realización preferente de la invención, el dispositivo comprende un bucle adicional formado por una fibra adicional (15) unida solidariamente a la primera superficie (4.1) de la estructura, y donde la FPGA (9) comprende un transceptor adicional para la conexión de dicha fibra adicional (15). En este caso, mediante la medida diferencial de los tiempos de propagación (y por tanto longitudes) de ambos bucles de fibra, se obtiene una medida de la flexión de la primera superficie (4.1) directamente.

En otros modos de realización puede presentar más de un bucle adicional o que estos estén situados en ambas superficies y el mismo número de transceptores adicionales para la correspondiente conexión de cada bucle adicional a uno de ellos.

Así mismo, en otros modos de realización, al menos uno de los bucles adicionales puede estar formado por una fibra (15) adicional que presenta un recorrido planar igual al de la primera fibra (1) y está situada a una profundidad distinta de la de dicha primera fibra (1), en el orden de magnitud de las centenas de micras a pocos milímetros.

Claims (1)

1. REIVINDICACIONES

   1- Dispositivo para medición de la deformación de superficies, para estructuras o elementos estructurales,caracterizado por quecomprende

   - al menos un primer bucle cerrado compuesto por una primera fibra (1) óptica continua situada en una primera superficie (4.1) de la estructura formando un recorrido determinado que presenta un extremo inicial (1.1) y un extremo final (1.2) entre los que discurren un ramal de ida y un ramal de vuelta, donde la primera fibra (1) presenta medios de unión solidaria a la estructura en la primera superficie (4.1) de la misma y ambos extremos inicial y final (1.1, 1.2) están situados de forma exterior a dicha primera superficie (4.1) tal que son accesibles, y;

   - una unidad de medida (6) formada por una placa base (7) que comprende al menos un primer transceptor (8) óptico conectado al primer bucle en ambos extremos inicial y final (1.1, 1.2), susceptible de permitir la inyección de un pulso de luz a través del extremo inicial (1.1) y su recepción en el extremo final (1.2), un circuito integrado digital programable (FPGA) (9) conectado al primer transceptor (8) y que implementa un circuito lógico digital (12) que permite la generación de una señal eléctrica que se transforma en pulsos de luz y la recepción de la señal eléctrica producida por el transceptor, un circuito de multiplexión (10) y un contador (11) de pulsos recibidos, donde el distribuidor (10) y el contador (11) están conectados a la FPGA (9) y al extremo final (1.2) de la primera fibra (1), para realizar la medida de la longitud óptica de la primera fibra (1).

   2- Dispositivo según la reivindicación 1, que comprende un segundo bucle cerrado paralelo al primer bucle y compuesto por una segunda fibra (2) óptica continua situada en una segunda superficie (4.2) de la estructura, opuesta a la primera superficie (4.1), que presenta medios de unión solidaria a la estructura formando un recorrido determinado que presenta un extremo inicial (2.1) y un extremo final (2.2) conectados a un segundo transceptor óptico de la unidad de medida (6).

   3- Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, que comprende un tercer bucle paralelo al primer bucle y compuesto por una tercera fibra (3) óptica continua que presenta medios de unión no solidaria a la estructura sobre una de las superficies de la misma para medición de las deformaciones debidas a la temperatura y sendos extremos inicial y final (3.1, 3.2) conectados a un tercer tranceptor óptico de la unidad de medida (6).

   4- Dispositivo según la reivindicación 3, que comprende sensores de temperatura conectados a la FPGA (9) y/o a la estructura.

   5- Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende uno o más bucles adicionales similares al primer bucle, cada uno de ellos formado por una fibra adicional (15) unida solidariamente a la primera y/o la segunda superficie de la estructura, donde la FPGA (9) comprende el mismo número de transceptores adicionales para la correspondiente conexión de cada uno de ellos con una de las fibras adicionales (15).

   6- Dispositivo según la reivindicación 5, donde al menos un bucle adicional está formado por una fibra (15) adicional que presenta un recorrido planar igual al de la primera fibra (1) y está situada a una profundidad distinta de la de dicha primera fibra (1).

   7- Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde los medios de unión solidaria a la estructura están formados por una integración de la fibra en el material de formación de la estructura.

   8- Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, donde los medios de unión solidaria a la estructura están formados por unos medios de fijación a la misma.

   9- Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la unidad de medida (6) comprende unos medios de alimentación independiente.

   10- Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la unidad de medida (6) comprende unos medios inalámbricos de transmisión de datos.

   11- Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la unidad de medida (6) está dispuesta de forma exterior a la estructura y sujeta a ella mediante unos medios de sujeción.

   12- Dispositivo según la reivindicación 11, que comprende una carcasa (13) de protección de la unidad de medida (6).