Diseño, desarrollo, caracterización y análisis de sensores de fibras ópticas: Aplicación al estudio de materiales y estructuras

Abstract

Desde hace ya varios años, los sensores de fibra óptica se han empleado en el sector aeroespacial, en grandes obras de ingeniería civil, en proyectos energéticos (petróleo, gas, energía eólica), transporte (automóviles, barcos, aviones, trenes), aplicaciones médicas y químicas, etc., dado que constituyen herramientas de monitorización fiables y precisas. La razón principal son sus ventajas predominantes tales como tamaño pequeño, en general poseen bajo costo, utilizan materiales abundantes en la naturaleza (el silicio, que es eléctricamente aislante) y poseen la propiedad de ser básicamente inmunes a la radiación electromagnética. En el desarrollo de esta tesis se diseñaron y aplicaron diferentes técnicas que incorporan sensores basados en fibra óptica al estudio de materiales compuestos y cementiceos. En particular se utilizaron dispositivos de tipo interferométrico debido a su alta sensibilidad y por su precisión sub-micrométrica. Por otro lado, la tecnología de fibra óptica permite desarrollar sensores poco invasivos que pueden embeberse en el material bajo estudio durante su elaboración, sin modificar sus propiedades. De esta manera, para caracterizar el proceso de curado y endurecimiento de materiales como los mencionados, se estudió su evolución dimensional mediante el empleo de sensores interferométricos tipo Fizeau y redes de Bragg grabadas en fibra óptica (FBG). Las resinas analizadas son de aplicación en odontología, por lo que resulta de sumo interés evaluar el grado de contracción del material durante el curado, ya que eso puede generar grietas que dan lugar a la formación de caries. En el caso de los materiales cementiceos, los avances realizados en el desarrollo de nuevas formulaciones mediante la introducción de diversos aditivos a las mezclas, han dado origen a líneas de investigación que requieren técnicas de caracterización cada vez más precisas y más sensibles. La monitorización de cambios de temperatura o del desarrollo de tensiones y grietas durante el proceso de curado de polímeros y el fraguado de mezclas a base de cemento Portland, tiene un interés tecnológico permanente. Además, el control de cargas distribuidas tiene interés en sí mismo y para detectar la aparición de grietas, su progresión y cualquier deterioro de las propiedades elásticas del material. Áreas como la aeronáutica, la obra civil y la medicina se beneficiarían con el desarrollo de herramientas de control fiables y precisas. Por ello se planteó una propuesta de detección de grietas presentando un modelo basado en el uso de redes de Bragg con chirp (CFBG) y un esquema experimental para su concreción. En este contexto, la presente Tesis de Doctorado se ha ordenado de la siguiente manera: En el Capítulo 1 Introducción a los Sensores de Fibra Óptica. Aplicación al estudio de materiales, se brinda un panorama de los sensores de fibra óptica, indicando sus características generales y algunas de sus aplicaciones actuales en diferentes áreas. Asimismo, se realiza una introducción sobre los materiales estudiados con las técnicas mencionadas. En el Capítulo 2 Redes de Bragg en fibra óptica, se presentaron los principios básicos que describen las características y funcionamiento de estos dispositivos. Inicialmente, se muestra una síntesis de los diferentes tipos de redes y luego se enfoca el análisis en la descripción de aquellas que se utilizaron en cada una de las aplicaciones desarrolladas en esta Tesis (redes de Bragg – FBG y redes de Bragg con chirp - CFBG). Partiendo desde la definición, se discute su principio de funcionamiento, modelado teórico, grabado en fibra óptica fotosensible y caracterización de las mismas. Además, se plantea la primera aplicación desarrollada en la Tesis un Sensor de Vibraciones utilizando un interferómetro de Fizeau y redes de Bragg, y se comparan los tipos de respuestas de estos dos sensores ópticos. En el Capítulo 3 Interferómetro Fizeau (IF) de fibra óptica, se describen las principales características y propiedades del dispositivo, y los esquemas de medida con detección temporal o espectral. En el Capítulo 4 Caracterización de cambios dimensionales de resinas fotocurables utilizando sensores de fibra óptica (FBG e IF), se comienza realizando una descripción de algunas características y propiedades de estos materiales (tipos de resina usados en odontología como material de obturación, su composición química, mecanismos de polimerización, entre otras cuestiones). A continuación, se describe el arreglo experimental utilizado para llevar a cabo el proceso de fotopolimerización, el monitoreo de la temperatura, las probetas de material empleadas y el montaje diseñado para posicionarlas a la hora de realizar las medidas. Posteriormente, se describen las técnicas y los esquemas de medida, basados en el interferómetro de Fizeau y en redes de Bragg, empleados para monitorizar el proceso de polimerización de resinas fotocurables comerciales (Filtek 60 y Z250 XT de 3M) y de otras resinas en etapa de desarrollo. Se compararon sus respuestas y el nivel final de contracción para cada caso. En el Capítulo 5 Caracterización de cambios dimensionales de pastas de cemento y mortero en estado fresco, se estudia el fraguado de estos materiales y se evalúan los niveles de contracción/expansión que experimentan desde el momento de preparación de la mezcla. Inicialmente se incluyen conceptos generales, definiciones específicas, parámetros, etc. Luego, se discuten los esquemas de medida empleados para monitorizar los cambios dimensionales, ya sea utilizando redes de Bragg en fibra o el Interferómetro de Fizeau. En el Capítulo 6 Aplicación de redes de Bragg con Chirp (CFBG) en la detección de cracks o fisuras, se modeló teóricamente una red de Bragg con chirp lineal utilizando el método de la Matriz de Transferencia, para luego aplicarlo en la detección de fisuras generadas en materiales. Se evaluaron tanto el espectro de reflexión como el retardo de grupo. Además, se implementó experimentalmente una situación equivalente a la fisura del material en cuestión. Este tema fue el objetivo de estudio y fue iniciado durante una estadía de seis meses (Septiembre – Marzo / 2016) en el Laboratorio de Fibras Ópticas del Departamento de Física Aplicada y Electromagnetismo de la Universidad de Valencia, España, dirigido por el Dr. Miguel V. Andrés. Finalmente, se presentan las Conclusiones y dirección futura de la investigación, con la que se dará continuidad a la tarea llevada a cabo hasta aquí.