PROCEDIMIENTO Y APARATO PARA DETECTAR GRIETAS Y FRACTURAS MEDIANTE UTILIZACION DE REDES DE BRAGG.

Procedimiento para detectar grietas o fracturas en un cuerpo, comprendiendo el procedimiento las etapas siguientes:

adhesión o empotrar una red de Bragg (1) a la superficie de un cuerpo (B) o en el cuerpo (B), respectivamente y

medir las características de reflectancia y/o transmitancia de la red de Bragg (1);

caracterizado porque comprende

transmitir una grieta (C) o fractura en el cuerpo (B) a la red de Bragg (1) para romper la red de Bragg (1) en una primera parte y una segunda parte y

detectar la presencia de la rotura de la red de Bragg (1) mediante la detección de un cambio resultante en las características de reflectancia y/o transmitancia de la red de Bragg (1)

Procedimiento y aparato para detectar grietas y fracturas mediante la utilización de redes de Bragg.

La presente invención se refiere a un procedimiento y a un aparato para detectar grietas o fracturas utilizando redes de Bragg y, en particular aunque no de manera exclusiva, a procedimientos y aparatos que también pueden determinar la posición de las grietas o las fracturas a lo largo de un tramo de la red de Bragg, detectando y midiendo cambios en la(s) característica(s) de reflectancia y/o transmitancia de la red.

El problema de la detección y localización de grietas o fracturas (roturas) en materiales, ya sea durante los ensayos o bien durante el servicio, es bien conocido.

En intentos previos por resolver este problema, se han utilizado fibras ópticas adheridas o grabadas en el cuerpo del material o la estructura que se comprobaba o supervisaba.

En un intento previo de resolución mediante dichas fibras ópticas, se ha empleado la técnica conocida como reflectometría óptica en el dominio del tiempo (OTDR). En general, esta técnica conlleva el envío de impulsos de luz a lo largo de la fibra. Cuando el cuerpo se agrieta o fractura también se rompe la fibra adherida o grabada, y a continuación la rotura de la fibra forma una superficie reflectante. La superficie reflectante refleja los impulsos y estos regresan de nuevo a la fibra. Midiendo el tiempo transcurrido entre el envío del impulso y la recepción del impulso reflejado desde la rotura, es posible calcular la posición de la rotura. Esta técnica OTDR se utiliza ampliamente en la industria de las telecomunicaciones para detectar roturas en las fibras de comunicación. Sin embargo, esta técnica adolece del inconveniente que presenta una baja resolución de la posición de la rotura. Esto es consecuencia de las dificultades prácticas que conlleva la medición de los tiempos de retardo y de las dificultades que conlleva también intentar inyectar grandes cantidades de energía en impulsos cortos. En pequeñas estructuras, por ejemplo, si la grieta de la fibra se halla cerca de la fuente de impulsos, el tiempo transcurrido entre el envío y la recepción del impulso reflejado puede ser demasiado corto para obtener una medición con la precisión adecuada. Evidentemente, cualquier intento por utilizar equipos más perfeccionados para medir períodos de tiempo cada vez más cortos provoca un incremento de la complejidad y el coste del procedimiento o el aparato.

Debido a estas limitaciones, la OTDR se aplica comúnmente a la detección de grietas con resolución moderada en tramos largos de fibras ópticas para comunicación (que suelen consistir en tramos de longitudes de 1 km o más) y a la detección de la ubicación de las grietas, también en este caso con resolución moderada, en estructuras de gran tamaño, tales como diques y puentes.

Otro intento por aplicar la técnica OTDR a la supervisión de estructuras más pequeñas ha consistido en disponer la fibra en zigzag para incrementar la longitud de la fibra adherida o grabada en la estructura. Los inconvenientes de esta técnica son el incremento de la complejidad y el coste del aparato y también la alteración de las propiedades mecánicas (por ejemplo, resistencia) que puede provocar la gran cantidad de fibra que debe adherirse o grabarse en la estruc- tura.

En otro intento previo por encontrar un procedimiento para la detección de grietas mediante fibras ópticas, se ha utilizado la interferometría. De hecho, la fibra adherida o grabada en la estructura puede utilizarse como un brazo de un interferómetro, siendo proporcionada la reflexión por uno de los extremos de la fibra. Cuando se forma una grieta en la estructura, la grieta puede transmitirse a la fibra, y entonces la grieta formada en la fibra actúa como una superficie reflectante, lo cual determina el acortamiento del brazo del interferómetro.

Por lo tanto, utilizando el sistema interferométrico para detectar cambios en la longitud del "brazo" constituido por la fibra, puede determinarse la posición de la rotura en la fibra. No obstante, uno de los problemas de la técnica interferométrica es que requiere la utilización de luz coherente, y entonces es necesario utilizar luz con longitud de coherencia muy larga cuando se desean detectar grandes cambios (es decir, grandes acortamientos) de la fibra. Nuevamente, esto incrementa la complejidad del procedimiento y el aparato de detección y el coste de su implementación. Cuando se utiliza luz con longitud de coherencia corta, los cambios grandes de la longitud del "brazo" de fibra del interferómetro no se pueden detectar.

En la patente US nº 5.723.857, se describe un procedimiento para medir los defectos estructurales de una estructura, que comprende la conexión de fibras ópticas con redes de Bragg a la estructura, la supervisión de la variación de los parámetros de la luz mediante medición en el dominio del tiempo para localizar la posición de una grieta a lo largo de la fibra y la supervisión de deformaciones puntuales midiendo las características de la luz reflejada desde la red de Bragg. La presencia de las redes de Bragg dentro de la fibra solo sirve para proveer información secundaria relacionada con el estado de deformación mecánica en puntos preseleccionados.

Análogamente, en el documento "Detection of transverse cracks in CFRP composites using embedded fibre Bragg grating sensors" de Okabe et al. (2000), se describe la utilización de sensores basados en redes de Bragg en fibra óptica para detectar grietas transversales midiendo la distribución de la deformación. Esta invención/técnica se basa en la deducción de la presencia de grietas transversales en un compuesto analizando el espectro reflejado desde una red de Bragg. La presencia de grietas da como resultado una zona de influencia de la deformación no uniforme. No obstante, dichas zonas de influencia de deformación no uniformes pueden manifestarse en un material o una estructura debido a la no homogeneidad o anisotropía del propio material o estructura situados en el entorno de la red, es decir, pueden no ser necesariamente ocasionadas por las grietas.

Uno de los objetivos de los aspectos de la presente invención consiste en encontrar un procedimiento y un aparato para detectar grietas o fracturas, u otros tipos de daños, en un cuerpo, que resuelvan por lo menos parcialmente los problemas asociados a los procedimientos y aparatos previos.

En particular, las formas de realización de la presente invención pretenden encontrar un procedimiento de detección de grietas más sencillo o un procedimiento que ofrezca una resolución incrementada de la posición de las grietas.

Debe tenerse en cuenta que en la descripción y las reivindicaciones siguientes el término "grieta" abarca tanto grietas, fracturas y roturas como otros tipos de daños sufridos por un cuerpo, dependiendo del contexto en que se halle.

Según un primer aspecto de la presente invención, se proporciona un procedimiento para detectar una grieta o fractura en un cuerpo, que comprende las etapas siguientes:

adherir o empotrar una red de Bragg a una superficie del cuerpo o grabado de dicha red en el cuerpo;

medir las características de reflectancia o transmitancia de la red de Bragg;

transmitir (es decir, propagación) una grieta o fractura del cuerpo a la red de Bragg para romper la red de Bragg en una primera parte y una segunda parte y

detectar la rotura de la red de Bragg detectando un cambio provocado en las características de reflectancia o transmitancia de la red de Bragg.

En determinadas formas de realización, se puede medir y supervisar más de una característica. Las características pueden comprender un espectro de reflectancia o transmitancia.

Las redes de Bragg son muy conocidas, y tanto el conocimiento como la comprensión de sus características de reflectancia y transmitancia son muy buenos.

Las redes de Bragg adecuadas para utilizar en las formas de realización de la presente invención habitualmente comprenden una estructura de guía de onda óptica. A lo largo de la trayectoria óptica a través de la estructura, el índice de refracción n experimenta una modulación de tipo periódico. Las zonas de índice de refracción modificado (es decir, las zonas cuyo índice de refracción es diferente del índice de refracción global del material de la trayectoria óptica) de hecho constituyen los "elementos" de la red. La reflexión de la luz incidente en la red es consecuencia de la interferencia constructiva entre los haces reflejados por...

1. Procedimiento para detectar grietas o fracturas en un cuerpo, comprendiendo el procedimiento las etapas siguientes:

adhesión o empotrar una red de Bragg (1) a la superficie de un cuerpo (B) o en el cuerpo (B), respectivamente y

medir las características de reflectancia y/o transmitancia de la red de Bragg (1);

caracterizado porque comprende

transmitir una grieta (C) o fractura en el cuerpo (B) a la red de Bragg (1) para romper la red de Bragg (1) en una primera parte y una segunda parte y

detectar la presencia de la rotura de la red de Bragg (1) mediante la detección de un cambio resultante en las características de reflectancia y/o transmitancia de la red de Bragg (1).

2. Procedimiento según la reivindicación 1, que comprende además la etapa de determinación, a partir de dicho cambio resultante, de la posición de la rotura de la red de Bragg (1) a lo largo de su longitud.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que dicha etapa de medición comprende la etapa de medición del espectro de reflectancia óptica de la red intacta, y dicha etapa de detección de un cambio resultante comprende la etapa de medición del espectro de reflectancia óptica de la primera parte.

4. Procedimiento según la reivindicación 3, que comprende además la etapa de medición del espectro de reflectancia óptica de la segunda parte.

5. Procedimiento según la reivindicación 3 o la reivindicación 4, en el que dicha etapa de detección de un cambio resultante comprende la etapa de comparación de las respectivas intensidades y/o anchuras máximas de los espectros de reflectancia óptica.

6. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 3 a 5, en el que la etapa de determinación de la posición de la rotura comprende la etapa de comparación de las respectivas intensidades y/o anchuras máximas de los espectros de reflectancia óptica.

7. Procedimiento según la reivindicación 5 o la reivindicación 6, en el que la red de Bragg (1) presenta un paso eficaz sustancialmente uniforme, y la etapa o las etapas de comparación comprenden cada una la etapa de comparación de las intensidades máximas (I₀) y/o las anchuras máximas de los respectivos picos centrales de los espectros de reflectancia óptica.

8. Procedimiento según la reivindicación 5 o la reivindicación 6, en el que la red de Bragg (1) es modulada pulsada, y la etapa o las etapas de comparación comprenden cada una la etapa de comparación de los respectivos anchos de banda de los espectros de reflectancia óptica.

9. Procedimiento según la reivindicación 3 o la reivindicación 4, que comprende además las etapas de determinación, a partir de los espectros de reflectancia, de por lo menos un parámetro de la red intacta y la red rota utilizando técnicas analíticas, comprendiendo dicho por lo menos un parámetro la longitud de la red y/o el número de planos de reflexión, en el que la etapa de detección de la presencia de la rotura comprende la etapa de comparación de dicho parámetro o parámetros determinados.

10. Procedimiento según la reivindicación 9, en el que dicha etapa de determinación de la posición de la rotura comprende la etapa de comparación de dicho parámetro o parámetros determinados.

11. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicha etapa de medición de las características de reflectancia y/o transmitancia comprende las etapas de suministro de luz a la red de Bragg a partir de una fuente de banda ancha, y de detección del espectro de reflectancia o transmitancia utilizando un analizador de espectros ópticos.

12. Procedimiento según la reivindicación 11, en el que la etapa de detección del cambio resultante comprende las etapas de utilización de la fuente de banda ancha y el analizador de espectros ópticos para medir el espectro de reflectancia o transmitancia de la red rota.

13. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en el que la etapa de medición de las características de reflectancia y/o transmitancia comprende las etapas siguientes:

suministrar luz a la red de Bragg (1) desde un láser sintonizable;

controlar láser para efectuar el barrido de las longitudes de onda de la luz suministrada a través de un rango;

detectar la luz reflejada o transmitida por la red intacta mediante un detector de banda ancha.

14. Procedimiento según la reivindicación 13, en el que la etapa de detección del cambio resultante comprende las etapas de utilización del láser sintonizable y el detector de banda ancha para medir un espectro de reflectancia o transmitancia de la red rota.

15. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la red de Bragg (1) es una red de Bragg en fibra.

16. Procedimiento según la reivindicación 15, que comprende además la etapa de revestimiento de la red de Bragg en fibra para mejorar la transmisión de la grieta o fractura a la red.

17. Procedimiento según la reivindicación 15 o la reivindicación 16, que comprende además la etapa de fragilización de la red de Bragg en fibra.

18. Aparato para detectar una grieta (C) o fractura en un cuerpo (B), que comprende:

una red de Bragg (1) para adherirse a una superficie del cuerpo (B) o empotrarla en el mismo y

una fuente de luz y un detector de luz para medir un espectro de reflectancia y/o transmitancia de la red de Bragg (1);

caracterizado porque comprende

un procesador (5) dispuesto para detectar una rotura a lo largo de la longitud del reflector de red de Bragg, detectando un cambio en el espectro de reflectancia y/o transmitancia.

19. Aparato según la reivindicación 18, en el que el procesador (5) está dispuesto además para determinar la posición de la rotura a lo largo del tramo de red de Bragg a partir de mediciones de los espectros de reflectancia y/o transmitancia antes y después de la rotura.

20. Aparato según la reivindicación 18 o la reivindicación 19, en el que la fuente de luz comprende una fuente de banda ancha y el detector comprende un analizador de espectros ópticos.

21. Aparato según la reivindicación 18 o la reivindicación 19, en el que la fuente de luz comprende un láser sintonizable y el detector comprende un detector de banda ancha.

22. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones 18 a 21, en el que la red de Bragg es una red de Bragg en fibra.

23. Aparato según la reivindicación 22, en el que la red de Bragg en fibra está revestida para facilitar su adhesión al cuerpo.

24. Aparato según la reivindicación 22 o la reivindicación 23, en el que la red de Bragg en fibra está fragilizada.