UNIVERSIDAD TECNICA DEL NORTEIBARRA-ECUADOR

INTEGRANTES: Hamilthon flores Gabriel Erazo

Edgar Enríquez

Diego Obando

Kevin Ruiz

CURSO: CIME 6 A

FECHA: viernes 29 de enero del 2016

TEMA : Conferencia magistral sobre Sensores ópticos

SENSORES OPTICOSINTRODUCCION

Antes de empezar con el estudio de los sensores ópticos primero debemos tener claro el concepto de sensor.

SENSOR.Un sensor es un dispositivo capaz de registrar de forma directa, continua y reversible un parámetro físico (sensor físico) o la concentración de una especie química (sensor químico).

FUNCIONAMIENTO DEL SENSOR OPTICO:

Por emisión y recepción de luz. Tanto en el emisor como en el receptor existen pequeñas lentes ópticas que permiten concentrar el haz de luz y se encuentran en un mismo encapsulado. Generalmente trabajan por reflexión de la luz, es decir, el emisor emite luz y si esta luz es reflejada por un objeto, el receptor lo detecta. Un detalle que resulta muy importante a tener en cuenta es que los sensores ópticos son de los más sensibles que existen y justamente por este motivo es que la mayoría de ellos no duran demasiado tiempo.

ENTENDIENDO LOS SENSORES OPTICOS  En este tipo de sensores ópticos las señales que se transmiten son luminosas, es decir se involucran también los fenómenos luminosos como:

Dispersión de la luz

Absorción de la luz

Reflexión de la luz

Refracción de la luz

FENOMENOS OPTICOS

Polarización

Interferencia

CARACTERISTICAS DE UN SENSOR OPTICO

Los sensores ópticos presentan características importantes como:- Inmunidad a la interferencia electromagnética.- Medidas no destructivas- Posibilidad de ser usados en medios destructivos- Inocuidad( existencia y control de peligros) de la señal óptica.- Elevada sensibilidad y resoluciones- Alta estabilidad mecánica- Dimensiones y pesos reducidos.

 

Parámetros medibles de un haz luminosoEn este tipo de sensores el mesurando produce variaciones especificas en alguna de las propiedades del haz luminoso

La evolución de la tecnología de detección óptica se ha desarrollado hasta tal punto que hoy en día se puede medir casi cualquier variable física de interés y también un gran número de cantidades químicas. Los mensurados posibles son los siguientes:

·         Temperatura.·         Presión.·         Caudal.·         Nivel de líquido.·         Desplazamiento (posición).·         Vibraciones.·         Rotación.·         Campos magnéticos.·         Aceleración.·         Agentes químicos.·         Fuerza.

·         Radiación.·         pH.·         Humedad.·         Tensión.·         Velocidad.·         Campo eléctrico.·         Campo acústico.

Los sensores ópticos trabajan en diferentes bandas de frecuencia entre ellas visibles e invisibles.

- VISIBLE  384x1012 Hz- INVISIBLE

un típico ojo humano responderá a longitudes de onda de 400 a 700 nm, aunque algunas personas pueden ser capaces de percibir longitudes de onda desde 380 hasta 780 nm.

RADIACION

IMPORTANCIA DE LA FIBRA OPTICA EN LOS SENSORESLA FIBRA OPTICA ES UN DISPOSITIVO, GENERALMENTE CON SIMETRIA CILINDRICA donde la luz es conducida a través de actos sucesivos de reflexión total interna. Es bien conocido que si un haz de luz incide sobre la superficie de separación de dos medios de diferentes índices de refracción , viniendo de del medio de mayor índice , existe un ángulo de incidencia critico a partir del cual toda la potencia luminosa es reflejada hacia dicho medio, constituyendo el fenómeno conocido como reflexión total interna.

Las fibras ópticas son guías de onda luminosas que presentan desde el punto de vista de instrumentación, tres tipos básicos de aplicaciones:

Transmisión de información previamente convertida en señales ópticas.

• Inmunes ante los parásitos electromagnéticos.• Crear aislamientos galvánicos entre emisor y

receptor.Detección o medida por medios ópticos en zonas de acceso dificultoso o ambientes hostiles (zonas deflagrantes o corrosivas)Generación de señales ópticas mediante modulación luminosa bajo la acción de una magnitud física. En este caso la propia fibra se convierte en un sensor que traduce en señal óptica la presencia o variación de una magnitud física o química que actúa como “mesurando” (magnitud a medir)

Sensores de cabeza activa.- en estos sistemas hay una conversión fotoelectronica con circuitos de baja potencia (100uW) y longitud de onda próxima a 85um.

Las fibras ópticas pueden agruparse en tres tipos principales.

Sensores de cabeza pasiva.- donde la f.o. hace de sistema de transmisión.

Sensores distribuidos.- cuando el mesurando modula la luz a través de la fibra.

Modulación de intensidad.- utilizan el control de intensidad luminosa de la fuente y un sistema diferencial o de equilibrio.

Hay tres procedimientos más generalizados para el diseño de f.o.s. de aplicaciones industriales y de consumo:

Sistemas f.o.s. modulados.- usan modulación, en baja frecuencia de la intensidad luminosa, o trenes de pulsos de iluminación.

Modulación de longitud de onda.- sensores de color con métodos sencillos de detección de longitud de onda.

Ejemplo: f.o.s de modulación de intensidad.

El sensor incorpora un modulador cortador consistente en un par de rejillas paralelas superpuestas con zonas transparentes y opacas.La presión se provoca un desplazamiento de un diafragma que contiene rejillas, permitiendo a su vez una modulación del haz luminoso que recorre la fibra, y que a su vez es proporcional a la presión.

• La fabricación de fibras ópticas de baja perdidas permite realizar análisis a grandes distancias, entre 10 y 10000 metros (o incluso más). Esta detección remota posibilita el análisis en ambientes peligrosos, radiactivos, tóxicos o de difícil acceso sin necesidad de recurrir previamente a la toma de muestra.

• Una fibra óptica puede transmitir paralelamente mucha más información que un cable eléctrico.

• Muchos de los optrodos diseñados disponen de un <<terminal sensible>> no unido a la fibra óptica que puede ser reemplazado fácilmente, dando lugar a dispositivos desechables muy útiles en al campo de la química clínica.

Ventajas

Las limitaciones mayores de los sensores de fibra óptica estriban los bajos niveles de potencia transmitida, dificultades mecánicas (doblado de fibra), complejidad y elevado coste.

Desventajas

Calificación de los sensores ópticos

En función de la naturaleza del parámetro a cuantificar

Sensores químicos

• Son los que responden a una especie química particular, como pH, iones, gases, etc. En este conjunto se incluyen, como grupo especial, los biosensores (dispositivos basados en el empleo biomolecular).

Sensores químicos

Descripción: De la unión entre los avances químicos y tecnológicos en las áreas del diseño y síntesis molecular, la fotoquímica, la espectroscopía analítica, las ciencias de materiales y la tecnología de telecomunicaciones han surgido los modernos sensores químicos sobre fibra óptica, dispositivos capaces de monitorizar en tiempo real, en continuo e in situ la concentración de una especie de interés.Ver mas

Detector de Gases

• Lo interesante es que estos materiales transmiten información a través de la luz, en lugar de la electricidad, evitando así el uso de cables 

Sin gas: la luz traspasa ambas capas y efecto de difracción e interferencia

Con gas: el índice de refracción se modifica y cambia el patrón de colores.

Sensores físicos

• Son aquellos que determinan parámetros físicos, como temperatura, presión, espesor, tamaño de partícula, etc.

Descripción:Un sensor óptico se basa en el aprovechamiento de la interacción entre la luz y la materia para determinar las propiedades de ésta. Una mejora de los dispositivos sensores, comprende la utilización de la fibra óptica como elemento de transmisión de la luz.

Fig. 1: Diagrama básico de un sensor óptico.

HBM FiberSensing o FS63 - monitorización de salud estructural o mantenimiento de estructuras

•  Pueden adherirse a superficies y materiales, soldarse por puntos a estructuras y componentes, fijarse e incluso insertarse en mezclas de hormigón y dejar fraguar.

Solidez: fiabilidad a largo plazoPasividad total: inmunidad a toda clase de interferencias electromagnéticas Funcionamiento seguro en entornos peligrosos.Gran capacidad de multiplexaciónCompatibilidad con la mayoría de aparatos de medidaDetección remota: puede haber grandes distancias (varios kilómetros)

Datasheet

¿Existe alguna forma de conocer estos daños para prevenirlos, corregirlos y conocer el tiempo de vida útil que posee cada estructura? Para responder esto, se ha desarrollado un área de investigación conocida como monitorización de Salud Estructural

En función del tipo de interacción con

el analito

Sensores reversibles

• Los que no consumen reactivo al interaccionar con el analito.

• Ejemplo sensor de pH

Sensor óptico medición pH. - medición de pH en estructuras de hormigón

•  Se ha comprobado su funcionamiento para variaciones de pH7 a pH13.

(por debajo de 9.5), es posible que empiece la corrosión, resultando finalmente en el agrietamiento y astillamiento del concreto

¿Por qué es un problema la pérdida de pH? Porque el concreto , con su ambiente altamente alcalino (rango de pH de 12 a 13), protege al acero de refuerzo ahogado contra la corrosión.

Sensores irreversibles

• Los que consumen reactivos. Estos sensores pueden subdividirse en re generables y no re generables, según pueda o no recuperar su estado inicial con un reactivo adecuado.

En función de la propiedad óptica

medida

Sensor de absorbancia.

• Es medida en un medio transparente, causado por la absorbancia del analito en sí o por la reacción de algunos indicadores adecuados.

medición en línea de cerveza, vacunas, sintéticos o aceites

el monitoreo óptico del proceso vale la pena, porque la calidad de un producto normalmente se verifica mediante registros visuales tales como el color o la pureza.

¿En qué nos ayuda este servicio?Acelera el tiempo de reacciónEvita el posterior muestreo y prueba

es molesto, y tiende a generar errores de dilución.

Sensor de reflectancia

• Es medida en un medio no transparente, usualmente se usa un indicador inmovilizado.

El sensor de reflectancia de QTR - 1RC lleva un LED infrarrojo y un par fototransistor

• el análisis de agua de mar• aguas residuales, agua potable• determinación de metales en sangre• especiación de metales en solución• análisis de metales en solventes orgánicos• análisis de suelos• análisis de metales pesados en alimentos

contaminados

1. Ofrece información de una muestra sobre la naturaleza de la sustancia que contiene.2. Señala indirectamente la cantidad de la sustancia a investigar que se encuentra presente en la muestra

Tensión de funcionamiento: 5,0 VCorriente de alimentación: 17 mAFormato de salida: señal digital I / O-compatible que puede ser leído como un alto pulso temporizadoMáxima distancia recomendada de detección:9.5mmÓptima distancia de detección: 0,125 "(3 mm)

Sensor de luminiscencia (Fluorescencia, fosforescencia, quimioluminiscencia y bioluminiscencia)• luminiscencia : Se basa en la medición de la intensidad de la luz

emitida por el sensor molecular.• Fluorescencia: Se mide como el efecto de emisión causado por

irradiación.

LRT: Detección fiable de materiales y marcas luminiscentes visibles e invisibles.

• Detección de materiales• Detección de marcas• Control de embalaje• Tareas de posicionamiento• Control de etiquetas

gran profundidad de campo . Algunos materiales luminiscentes son parcialmente invisibles y pueden aparecer en formato sólido o líquido.El resultado genera una señal en la salida de conmutacióngracias a su luz UV especial,

iluminan materiales luminiscentes. El sensor de luminiscencia detecta la luz visible generada de esta manera.

autorreflexivosDetectan

Sensores de dispersión Raman

• Dispersión Raman o el denominado Efecto Raman es una dispersión inelástica  de un fotón. Cuando la luz es dispersada de un átomo omolécula, la mayoría de los fotones son dispersados elásticamente (Dispersión de Rayleigh). Los fotones dispersados tienen la misma energía (frecuencia) y, por lo tanto, la misma longitud de onda que los fotones incidentes. Sin embargo, una pequeña fracción de la luz (aproximadamente 1 en 107 fotones) es dispersado ópticamente a frecuencias diferentes, mayormente inferiores, que la frecuencia de los fotones incidentes.

Espectroscopia

• En medicina para el seguimiento en tiempo real de las mezclas de gases respiratorios y la anestesia durante la cirugía.

 la orientación cristalográfica de una muestra.

Pobservar excitaciones de baja frecuencia en los sólidos, como plasmones, magnones, y excitaciones de brecha en superconductores.

En química, ya que la información vibracional es muy específica para los enlaces químicos de las moléculas. Proporciona una huella dactilar de la molécula que puede ser identificada

Sensor de índice de refracción

• Es medida en un medio no transparente, usualmente se usa un indicador inmovilizado.

• En la industria de alimentos y bebidas el índice de refracción se emplea como un parámetro para determinar la concentración de azúcar en dicha solución

En la industria de bebidas alcohólicas se puede utilizar este parámetro como un criterio para determinar la calidad de la bebida y conocer si esta ha sido adulterada

La respuesta del sensor cuando es colocado en diferentes, se puede observar un incremento lineal de la respuesta del sensor

Según la función que ejerce la fibra optica

Optrodos pasivos o extrínsecos.

• Estos dispositivos únicamente consisten en una guía onda que transporta la radiación electromagnética desde la fuente de radiación a la muestra y posteriormente, la radiación transmitida, reflejada o emitida por la propia muestra, la conducen al detector.

• La monitorización del cobre, en baños de electrodeposición, mediante la medida de sus absorbancia a 820nm

Monitorización del ion uranilo en aguas subterráneas mediante la medida de su fluorescencia 

En sistemas de seguridad en máquinasEn procesos de alta velocidad de bandas transportadoras.

Optrodos activos o intrínsecos

• En este tipo de sensores la fibra óptica ejerce la doble función de actuar de transductor y de conducir la radiación electromagnética.

•  El radar transportado por el satélite canadiense Radarsat y los satélites de la serie ERS de la Agencia Espacial Europea (ESA)

El Lidar ( Light Detection And Ranging) es un captador activo, análogo al radar pero con tecnología laser. Se utiliza para topografía de precisión desde aviones.

En función de la configuración (forma externa) del sensor.

¿Cómo Funciona?

• VIDEO

Ventajas e inconvenientes de los sensores ópticos

Los sensores ópticos son de mas reciente aplicación que los sensores electroquímicos. 1.- Los sensores ópticos no requieren una señal de referencia como los electroquímicos, sabemos que la utilización de electrodos de referencia hace mas costosa la instrumentación.

• 2.- La fabricación de fibras ópticas de bajas perdidas permite realizar análisis a grandes distancias, entre 10 y 10000 m. Esta detención remota posibilita el análisis en ambientes peligrosos, radioactivos, tóxicos o de difícil acceso.

• 3.-Una ventaja de la fibra óptica es que puede transmitir, paralelamente muchas mas información que un cable eléctrico; así un única fibra puede guiar radicación verde, roja azul y amarilla simultáneamente.

• La sustitución de sensores eléctricos por sensores ópticos , en los parámetros de interés clínico es mucho mas ventajosos debido a la facilidad de su esterilización y sobre todo porque no pose conexiones eléctricas directamente unidas al paciente.

• La monitorización de aguas subterráneas se puede realizar empleando fibras ópticas por su flexibilidad y capacidad de dirigirse al efluente, echo que no se puede llevar a cabo con cables eléctricos.

Problemas que surgen al utilizar los sensores ópticos

• La interferencia de la luz ambiental obliga a aislar adecuadamente sensible o modular la señal.

• La posibilidad de fotodescompsición del material empleado en aquellos sensores que utilizan

TRANSMISIÓN DIRECTA O BARREA

Alcanza grandes distancias de detección(hasta de unos 270m)Su desventaja presenta en la instalación en el campo de estos detectores, ya que por estar separados el emisor y el detector los cables y los ductos no pueden ser los mismos por lo que demanda mayor calidad de cable

REFLEXIVO

• El emisor y el receptor vienen en el miso empaque y utilizan el mismo ducto para cableado.

• Su desventaja, las distancias son varias veces menor que la configuración de transmisión directa.

Difuso o Proximidad

• Es muy útil cuando se desea acceder a ambos lados del objeto.

• Su desventaja es tener muy corta distancia de detención.