Girscopo de Fibra ptica

Girscopo de Fibra ptica

Conceptos previosLa aparicin del lser posibilit el desarrollo de un girscopo en el cual la influencia de los factores externos naturales afectara en lo mnimo posible y cuya construccin fuera sencilla.El desarrollo de la fibra ptica permiti crear girscopos basados en el principio de operacin del girscopo lser, pero ms efectivos.A travs de la fibra ptica se envan pulsos de luz que representan los datos a transmitir.Ventajas de la fibra ptica Banda de paso muy ancha, lo que permite flujos muy elevados.Gran flexibilidad y ligereza (gramos por kilmetro).Inmunidad a perturbaciones de origen electromagntico.Atenuacin muy pequea.Resistencia al calor, fro, corrosin.Desventajas de la fibra ptica Transmisores y receptores ms caros.Empalmes entre fibras difciles de realizar.Necesidad de realizar procesos de conversin elctrica-ptica.La fibra ptica convencional no puede transmitir potencias elevadasGirscopo de Fibra ptica IntroduccinLos sensores de fibra ptica han adquirido gran relevancia en los sistemas y equipos de medicin de magnitudes fsicas.El girscopo de fibra ptica (FOG) se utiliza principalmente para la medicin angular de la velocidad de rotacin.El FOG se basa en el efecto Sagnac.El FOG posee gran sensibilidad y es muy estable frente a cambios de temperatura, de presin y a variaciones del campo magntico.Efecto SagnacConceptoAl girar un anillo interferomtrico alrededor del eje perpendicular a su plano, aparece una diferencia en la fase de las ondas luminosas que se emiten en crculo cerrado en direcciones contrarias.Dos rayos de luz viajan a travs de la fibra en direcciones opuestas. Debido al Efecto de Sagnac, el rayo que viaja en sentido contrario a la rotacin experimenta un camino ms corto que el otro.

Efecto SagnacEcuacionesSi el anillo no girase, el tiempo de cada rayo para dar la vuelta al contorno sera idntico e igual a . Sin embargo, introduciendo el giro del anillo: Onda que se mueve en la direccin del giro: Onda que se mueve en la direccin contraria:Donde r es el radio del contorno, es la velocidad angular de giro del anillo y c es la velocidad de la luz.Suponiendo ,Diferencia de tiempos:Diferencia de fase: es la longitud de onda de la luz emitida, y N es el nmero de vueltas de fibra en la bobina.

Tipos de FOGsLos girscopos de fibra ptica se pueden dividir en dos clases:De fase: Se mide la diferencia de fase de los rayos debida al giro.De resonador o de dos frecuencias: Se mide la divisin de frecuencias resonantes del anillo resonador pasivo. Es proporcional a la velocidad angular.

Los girscopos de resonador son menos utilizados fundamentalmente por dos razones tcnicas:La diferencia de fase es proporcional al nmero de vueltas N con radio r mientras que la divisin de frecuencias es proporcional slo al radio r.La sensibilidad depende del coeficiente efectivo de reflexin de la fibra ptica. Aparecen errores inducidos debido a la dependencia del coeficiente efectivo de reflexin a los cambios de temperatura, presinModelo de FOG de fase

Modelo de FOG de faseElementos principales:

Fuente de radiacin: La luz utilizada para detectar la diferencia de fase entre los dos haces no se produce en el anillo (como ocurre en el girscopo lser), siendo necesaria una fuente de luz exterior.Contorno de fibra ptica: Puede medir hasta 5000 metros. A travs de la fibra viajan en sentidos opuestos los dos rayos de luz.Fotodetectores: Es un sensor que genera una seal elctrica dependiente de la luz que recibe.Modulador ptico de fase: Agrega un cambio de fase a una frecuencia particular para facilitar el proceso de obtencin de lecturas.Espejos divisores de intensidad.Plataforma giratoria: En ella va situado el contorno de fibra ptica.

Modelo de FOG de faseFuncin de transferencia:La seal de salida de los fotodetectores (J) viene dada por , donde k es el coeficiente de proporcionalidad determinado por los parmetros de los fotodetectores y del circuito electrnico. Para pequeas velocidades de giro, sustituyendo la expresin de la diferencia de fase y despejando, se obtiene la velocidad angular en funcin de la seal de salida:

Modelo de FOG de faseNotasLos FOGs detectan velocidades de giro tan dbiles como 0,00001 grados por hora y por lo tanto podran detectar el giro de la Tierra sobre su eje (15 grados en una hora). De esa manera, en la obtencin de los datos de velocidad angular hay que tener en cuenta la posibilidad de detectar dicho giro.Los fotodetectores estn basados en tecnologa de mdulo optoelctrnico.Las diferencias de camino generadas en estos dispositivos slo son detectables con fuentes luminosas de alta pureza espectral.La sensibilidad (s) de un FOG se define como:

En los FOGs aparecen errores. Las causas principales de error son el ruido inducido por el efecto Kerr, el ruido inducido por birregrigencia y el ruido inducido por la dispersin de Rayleigh.

RuidosLas causas principales de error en los girscopos de fibra ptica son:

Ruido inducido por la birrefringencia: Consiste en desdoblar un rayo deluzincidente en dos rayos linealmentepolarizados de manera perpendicular entre s como si el material tuviera dos ndices de refraccindistintos.

Ruido inducido por efecto Kerr: Es unabirrefringenciacreada en un material por uncampo elctrico exterior.

Ruido inducido por la dispersin de Rayleigh: Es la dispersin de la luz visible por partculas mucho menores que la longitud de onda de los fotones dispersados.

Las formas bsicas de minimizar dichos errores son la utilizacin de una fuente de radiacin con amplio ancho de banda del espectro y baja coherencia. Es til el uso de fuentes de radiacin superluminiscente frente al uso de fuentes semiconductoras de radiacin tipo luminiscente.

Caractersticas destacadasPoseen un amplio rango dinmico (margen entre el nivel de referenciay elruidode fondo del sistema).El sistema es inmune a aceleraciones, choques, vibracionesEstables frente a cambios de temperatura, presin y variaciones del campo magntico.Ideal para ser utilizado en entornos sensibles a las radiaciones electromagnticas.Poseen una larga vida til.No tienen partes mviles ni resistencia al movimiento.Utiliza altas frecuencias.Bajo peso y costes.Para velocidades angulares pequeas la precisin sigue siendo buena, es decir, no tiene efectos lock-in.Es utilizado en tareas de vigilancia, estabilizacin y navegacin, tanto area como martima.Su precisin es incluso mayor que la del girscopo lser.

ReferenciasLmite de deteccin de un giroscopio de fibra ptica usando una fuente de radiacin superluminiscente de G.E. Sandoval-Romero y V.A. Nikolaev.

Sensores de Fibra ptica: Fundamentos de medida y anlisis de la oferta comercial de Ander Vallinas Gonzlez y David Benito Pertusa.

El efecto Sagnac y sus consecuencias de ngel Torregrosa Lillo.

Revista 1/2005 de ABB (Asea Brown Boveri).

Desarrollo de sensores de fibra ptica: aplicacin de un interfermetro Fizeau al estudio de polmeros de Gustavo F. Arenas