Sensor de fibra óptica distribuido, de bajo coste, reversible, mejorado con elevada resolución espacial.

Un sensor distribuido de fibra óptica de alta resolución espacial y alta intensidad,

que comprende:

una fibra óptica sensible (98), teniendo dicha fibra óptica sensible un núcleo (106), teniendo dicha fibra óptica sensible un revestimiento (116), teniendo dicho revestimiento al menos una región sensible (102) y siendo dicha región sensible sensible al menos a un mensurando;

una diversidad de fuentes luminosas de sondeo (100, 103) dispuestas en un orden lineal a lo largo de al menos dicha región sensible, produciendo cada una de dichas fuentes luminosas de sondeo una luz de sondeo, y estando cada una de dichas fuentes luminosas de sondeo adyacentes a dicha fibra óptica sensible en al menos dicha región sensible, donde cada una de dichas fuentes luminosas de sondeo emite independientemente dicha luz de sondeo transversalmente a al menos dicha región sensible, una por una, iluminando independientemente cada una de dichas fuentes luminosas de sondeo una porción discreta de al menos dicha región sensible;

un medio detector (108), estando dicho medio detector en comunicación óptica axial con un primer término de dicha fibra óptica sensible;

un medio de procesamiento de señales (110), estando dicho medio de procesamiento de señales en comunicación de datos con dicho medio detector;

un medio de visualización, estando dicho medio de visualización en comunicación de datos con dicho medio de procesamiento de señales;

una fuente de alimentación (114), alimentando dicha fuente de alimentación a cada una de dichas fuentes luminosas de sondeo, dicho medio detector, dicho medio de procesamiento de señales y dicho medio de visualización;

donde dicha fibra óptica sensible queda ópticamente afectada, en una relación monotónica, por la presencia de dicho al menos un mensurando en un entorno que rodea la fibra óptica sensible;

donde, durante su uso, dicha luz de sondeo interactúa individualmente con dicha al menos una región sensible de dicho revestimiento de fibra óptica sensible de tal manera que de ella se genera una luz de sondeo modificada, debiéndose sustancialmente cada una de dichas modificaciones a la presencia de dicho mensurando y acoplándose sustancialmente dicha luz de sondeo modificada a dicho núcleo como señal de luz asociada a dicha al menos una región sensible;

donde dicho medio detector está adaptado para recibir dicha señal de luz asociada al salir de dicho primer término de dicha fibra óptica sensible;

donde dicho medio detector está adaptado para medir la intensidad de dicha señal de luz en una banda determinada de longitudes de onda, para correlacionar dicha intensidad de dicha señal de luz con una señal eléctrica y para transmitir dicha señal eléctrica a dicho medio de procesamiento de señales;

donde dicho medio de procesamiento de señales está adaptado para correlacionar dicha señal eléctrica a una cantidad del mensurando que se esté midiendo, disponiéndose que dicha cantidad se transmita a dicho medio de visualización y se visualice en el mismo.

Sensor de fibra óptica distribuido, de bajo coste, reversible, mejorado con elevada resolución especial.

ANTECEDENTES -CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere, en general, a sensores espectroscópicos de fibra óptica. Específicamente, esta invención se refiere a sensores basados en absorción, fluorescencia, fosforescencia y quimiluminescencia.

ANTECEDENTES -ESTADO DE LA TÉCNICA ANTERIOR

Los sensores espectroscópicos de fibra óptica se utilizan en numerosas aplicaciones industriales para la detección de temperatura y analitos químicos en forma liquida o gaseosa. Estos sensores se han creado utilizando básicamente dos técnicas distintas: el optrodo (u optodo) y el sensor distribuido.

El optrodo es el sensor de fibra óptica más sencillo de todos. Peterson et al. (US 4, 200, 110) revela un indicador en el extremo distal de la fibra que se excita mediante una fuente luminosa situada en el extremo proximal. La luz de excitación se propaga por la fibra e interactúa con el indicador produciendo una señal de luz espectroscópica (de fluorescencia, fosforescencia, quimiluminescencia y/o absorción) . La señal regresa al extremo proximal, donde es captada por un detector y correlacionada con el parámetro que se está midiendo. En este caso, la fibra, al carecer de regiones sensibles en toda su longitud para producir un cambio en la señal, solamente sirve como conducto de la luz, que se propaga sin obstáculos entre el extremo de fibra proximal y el indicador, para regresar al punto de partida. Cada punto situado a lo largo del sensor de fibra precisa una fibra separada que comunique ópticamente la fuente luminosa con el indicador, creando así un sistema complejo de varias fibras.

En el caso del sensor distribuido, la fibra entera (o secciones de la misma) actúa como un sensor. En una configuración, la fibra se fabrica con un solo revestimiento sensible al mensurando. En otra configuración, se desprenden varias secciones del revestimiento para exponer el núcleo de la fibra. Después, las regiones expuestas se recubren con un agente reactante que suele tener un índice de refracción similar al del revestimiento. En ambos casos, se pueden sondear estas regiones reactantes con una luz de excitación. Además de actuar como conducto de la señal, la fibra misma es sensible y da lugar a un dispositivo sensor multipuntos cuasidistribuido. Mientras que el optrodo requiere varios filamentos de fibras ópticas para hacer múltiples mediciones espaciales, el sistema de detección distribuido requiere generalmente un solo filamento de fibra. Por lo tanto, la ventaja de la detección distribuida es que puede hacer medidas espaciales múltiples con un solo dispositivo.

La técnica de detección distribuida comprende dos métodos principales para sondear las regiones sensibles de la fibra: por la excitación axial y por la excitación transversal, considerándose en la presente invención que la segunda es superior a la primera.

La excitación axial suele utilizarse para sondear el revestimiento sensible. En la excitación axial, la luz de excitación se inyecta a partir de un extremo de la fibra, a lo largo de su eje, e interactúa con el revestimiento sensible del sensor circundante a través de su cola evanescente. El revestimiento absorbe la luz de excitación en la región evanescente produciendo una señal de absorción o una señal de luminescencia detectable en el extremo de la fibra.

Sin embargo, la técnica axial de excitación tiene varias desventajas. La interacción entre las colas evanescentes de la luz de excitación y el revestimiento sensible es muy pequeña y requiere una fuente de alta potencia, un costoso esquema de detección y/o una fibra óptica muy larga. Además, según la disposición que se adopte, la alineación colineal de la fuente de luz (tal como un láser) con el eje de la fibra óptica puede ser muy dificultosa y requerir una calibración y un manejo delicados.

Schwabacher, número internacional de publicación WO 01/71316 (`316) , demuestra un orden lineal de quimiosensores dispuestos a lo largo de una fibra óptica, siendo cada región reactante del orden lineal sensible a una especie química. Cada región reactante sucesiva está separada por una región sustancialmente inerte, tal como el revestimiento. Esta región sustancialmente inerte debe tener una longitud mínima, preferiblemente de 250 cm. La publicación ‘316 documenta el método de excitación axial y el transversal, aunque considera preferible el primero.

En la forma de realización preferida, la publicación ‘316 emplea un impulso de láser axial breve para introducir una luz de excitación en la fibra óptica. Cada región reactante queda separada por una distancia mínima a lo largo de la fibra, siendo la región situada entre las regiones reactantes sustancialmente inerte. La tecnología utilizada por ‘316 requiere esta sección inerte relativamente larga para impedir el solapamiento de señales fluorescentes procedentes de regiones reactantes sucesivas. Una luz de excitación procedente de una fuente (por ejemplo, un láser, un láser diódico, un láser gaseoso, un láser de tinte, un láser de componentes sólidos, un LED, etc.) se introduce axialmente en una fibra óptica y su luz se transmite seguidamente a las regiones reactantes.

Para determinar qué región reactante (entre varias o incluso entre centenares) está produciendo la señal, el retraso entre el impulso de excitación y la señal de retorno debe conocerse y correlacionarse exactamente con la distancia a que cada región reactante determinada se halle de la fuente, midiendo el tiempo, la distancia y la longitud de onda con instrumentos precisos como el osciloscopio y el tubo fotomultiplicador. Esta disposición requiere una fibra sumamente larga para medir centenares de especies, con lo cual se incrementan el tamaño y la complejidad del dispositivo analizador. Además, los instrumentos de precisión pueden encarecer sustancialmente el coste total del sistema.

Asimismo, la luz de excitación puede introducirse en las regiones reactantes de la fibra sensora mediante una o más fibras de excitación. Esto también requiere la introducción axial de la luz en la fibra de excitación. En una de las formas de realización posibles se requiere una fibra de excitación por cada región reactante, introduciendo cada fibra la luz de excitación transversalmente en la región reactante de la fibra sensora.

Otra forma de realización posible requiere el uso de divisores de haz para transmitir la luz de excitación transversalmente a las regiones reactantes. La técnica de la división del haz utiliza costosos láseres de gran potencia, cuyas intensidades disminuyen a medida que más divisores de haz desvían la luz de excitación hacia el recubrimiento sensible.

En otro esquema, la fibra de excitación se prepara desprendiendo su revestimiento de pequeñas secciones dispuestas a lo largo de la misma, disponiéndose seguidamente estas secciones junto a las regiones reactantes de una fibra sensora cercana. Una desventaja es que el campo evanescente de la fibra de excitación es muy débil y transmite muy poca energía al sensor de fibra. También se revelan otros métodos de excitación axial y transversal, aunque en general no son rentables.

Aunque se reconoce que estas formas de realización de ‘316 funcionan, quedan limitadas por su complejidad, el coste de fabricación y la robustez del diseño. Para fabricar secciones alternas de regiones reactantes e inertes, el revestimiento debe desprenderse solamente de las regiones reactantes, dejándolo intacto en las inertes. Este desprendimiento alternante aumenta el coste y la complejidad de la fabricación en serie y limita la posibilidad de automatizarla.

Otras técnicas utilizadas en la industria requieren el uso de instrumentación costosa, tal como un reflectómetro óptico en el dominio temporal (Optical Time Domain Reflectometer, OTDR) . Con costes del orden de 20.000 US$ o más, el OTDR encarece considerablemente cualquier sistema que utilice la técnica de excitación axial. Además, la disponibilidad de longitudes de onda de los sistemas OTDR es limitada, restringiendo la selección de reactivos utilizables con el sensor. Otra desventaja de los presentes sistemas es la interferencia de la señal detectada por el OTDR, debida a que las curvas inadvertidas y las irregularidades físicas en el material de la guía de ondas varían el índice de refracción de la fibra. Además, las técnicas presentes carecen de una alta resolución... [Seguir leyendo]

1. Un sensor distribuido de fibra óptica de alta resolución espacial y alta intensidad, que comprende:

una fibra óptica sensible (98) , teniendo dicha fibra óptica sensible un núcleo (106) , teniendo dicha fibra óptica sensible un revestimiento (116) , teniendo dicho revestimiento al menos una región sensible (102) y siendo dicha región sensible sensible al menos a un mensurando;

una diversidad de fuentes luminosas de sondeo (100, 103) dispuestas en un orden lineal a lo largo de al menos dicha región sensible, produciendo cada una de dichas fuentes luminosas de sondeo una luz de sondeo, y estando cada una de dichas fuentes luminosas de sondeo adyacentes a dicha fibra óptica sensible en al menos dicha región sensible, donde cada una de dichas fuentes luminosas de sondeo emite independientemente dicha luz de sondeo transversalmente a al menos dicha región sensible, una por una, iluminando independientemente cada una de dichas fuentes luminosas de sondeo una porción discreta de al menos dicha región sensible;

un medio detector (108) , estando dicho medio detector en comunicación óptica axial con un primer término de dicha fibra óptica sensible;

un medio de procesamiento de señales (110) , estando dicho medio de procesamiento de señales en comunicación de datos con dicho medio detector;

un medio de visualización, estando dicho medio de visualización en comunicación de datos con dicho medio de procesamiento de señales;

una fuente de alimentación (114) , alimentando dicha fuente de alimentación a cada una de dichas fuentes luminosas de sondeo, dicho medio detector, dicho medio de procesamiento de señales y dicho medio de visualización;

donde dicha fibra óptica sensible queda ópticamente afectada, en una relación monotónica, por la presencia de dicho al menos un mensurando en un entorno que rodea la fibra óptica sensible;

donde, durante su uso, dicha luz de sondeo interactúa individualmente con dicha al menos una región sensible de dicho revestimiento de fibra óptica sensible de tal manera que de ella se genera una luz de sondeo modificada, debiéndose sustancialmente cada una de dichas modificaciones a la presencia de dicho mensurando y acoplándose sustancialmente dicha luz de sondeo modificada a dicho núcleo como señal de luz asociada a dicha al menos una región sensible;

donde dicho medio detector está adaptado para recibir dicha señal de luz asociada al salir de dicho primer término de dicha fibra óptica sensible;

donde dicho medio detector está adaptado para medir la intensidad de dicha señal de luz en una banda determinada de longitudes de onda, para correlacionar dicha intensidad de dicha señal de luz con una señal eléctrica y para transmitir dicha señal eléctrica a dicho medio de procesamiento de señales;

donde dicho medio de procesamiento de señales está adaptado para correlacionar dicha señal eléctrica a una cantidad del mensurando que se esté midiendo, disponiéndose que dicha cantidad se transmita a dicho medio de visualización y se visualice en el mismo.

2. El sensor de la reivindicación 1, donde dicho núcleo (107) tiene una geometría cónica, desviándose generalmente hacia dicho medio detector cuando dicha señal de luz se propaga entre dicha al menos una región sensible de dicha fibra óptica sensible y dicho detector; y donde dicha geometría cónica disminuye la pérdida de intensidad de dicha señal de luz.

3. El sensor de la reivindicación 1, donde dicho núcleo se impregna con una sustancia fluorescente y forma un núcleo fluorescente, aumentando dicho núcleo fluorescente la intensidad de dicha señal de luz transmitida a dicho medio detector.

4. El sensor de la reivindicación 1, donde el índice de refracción de dicho núcleo es menor o igual que el índice de refracción de dicha al menos una región sensible para posibilitar un acoplamiento de dicha al menos una región sensible a dicho núcleo.

5. El sensor de la reivindicación 1, donde dicha al menos una región sensible (102) se fabrica con un reactivo seleccionado del grupo consistente en un reactivo colorimétrico, un reactivo basado en absorción y un reactivo fluorescente.

6. El sensor de la reivindicación 1, donde dicho mensurando se selecciona del grupo consistente en la concentración de una especie química que rodea dicha al menos una región sensible de la fibra óptica, o la temperatura del entorno que rodea dicha al menos una región sensible de la fibra óptica.

7. El sensor de la reivindicación 1, donde dichas fuentes de luz de sondeo (100, 103) se seleccionan del grupo consistente en un diodo emisor de luz ultravioleta, un diodo emisor de luz visible de banda ancha, y un diodo emisor de luz orgánica.

8. El sensor de la reivindicación 1, donde dichas fuentes de luz de sondeo (100, 103) tienen un tamaño máximo de 5 mm y dichas fuentes de luz de sondeo pueden producir una resolución espacial mínima de 5 mm.

9. El sensor de la reivindicación 1, donde dichas fuentes de luz de sondeo (100, 103) tienen un tamaño mínimo de 5 mm y dichas fuentes de luz de sondeo pueden producir una resolución espacial máxima de 5 mm.

10. El sensor de la reivindicación 1, donde dicha diversidad de fuentes de luz de sondeo emite dicha luz de sondeo consecutivamente, en ángulo, hacia dicha al menos una región sensible.

11. El sensor de la reivindicación 1, donde dicha diversidad de fuentes de luz de sondeo emite dicha luz de sondeo en grupos adyacentes, iluminándose las fuentes de luz simultáneamente dentro de un grupo, en ángulo hacia dicha al menos una región sensible, grupo a grupo, para emitir de este modo una señal de luz más intensa.

12. El sensor de la reivindicación 1, donde cada una de dicha diversidad de fuentes de luz de sondeo está configurada para emitir independientemente dicha luz de sondeo en ángulo hacia dicha al menos una región sensible, una por una, iluminando independientemente cada una de dicha diversidad de fuentes de luz de sondeo una porción discreta de dicha al menos una región sensible.

13. El sensor de la reivindicación 1, donde dicho medio detector (108) es un fotodetector de silicio situado en el primer extremo terminal de la fibra óptica sensible.

14. El sensor de la reivindicación 1, donde un reflector (122) se sitúa en un segundo término de dicha fibra óptica sensible, aumentando dicho reflector dicha señal de luz mediante el desvío de modos de retropropagación hacia dicho medio detector.

15. El sensor de la reivindicación 1, donde dicha fibra óptica sensible y dichas fuentes de luz de sondeo se instalan in situ dentro de un cuerpo y donde al menos se está detectando un mensurando dentro del cuerpo en al menos un punto sondeado.

16. El sensor de la reivindicación 1,

donde dicha diversidad de fuentes de luz de sondeo comprende al menos una fuente de luz blanca de banda ancha (103) , donde, durante su uso, dicha luz de banda ancha se dispone para interactuar con dicha al menos una región sensible de dicho revestimiento de fibra óptica sensible, de manera que una porción de dicha luz de banda ancha sea absorbida por dicha al menos una región sensible para formar una luz de banda ancha parcialmente absorbida, quedando dicha absorción sustancialmente afectada por la presencia de dicho mensurando, y acoplándose sustancialmente en dicho núcleo dicha luz de banda ancha parcialmente absorbida como señal de luz (105) en forma de una diversidad de modos fijos y rayos con fugas.

17. El sensor de la reivindicación 1, donde dicha diversidad de fuentes de luz de sondeo comprende al menos una fuente de luz de excitación de LED ultravioleta (100) , produciendo dicha fuente de luz de excitación una luz de sondeo durante su uso, y quedando dicha fuente de luz de excitación adyacente a dicha fibra óptica sensible en dicha al menos una región sensible de dicho revestimiento;

donde dicho medio detector (108) comprende un fotodetector de silicio;

donde, durante su uso, dicha luz de sondeo interactúa con dicha al menos una región sensible de dicha fibra óptica sensible, de manera que una porción de dicha luz de sondeo queda absorbida por dicha al menos una región sensible, emitiendo dicha al menos una región sensible una luz fluorescente tras su excitación por la luz de sondeo, quedando dicha luz fluorescente sustancialmente afectada por la presencia de dicho mensurando, acoplándose dicha luz fluorescente sustancialmente a dicho núcleo como señal de luz (104) y transmitiéndose dicha señal de luz a dicho primer término de dicha fibra sensible;

donde dicho fotodetector de silicio se dispone para recibir dicha señal de luz a su salida de dicho primer término de dicha fibra óptica sensible, correlacionando monotónicamente dicho detector de silicio la intensidad de dicha señal de luz sobre una determinada banda de longitudes de onda con una señal eléctrica, y transmitiéndose dicha señal eléctrica a dicho medio de procesamiento de señales; y donde dicha señal eléctrica se correlaciona con un mensurando de dicho medio de procesamiento de señales, transmitiéndose dicho mensurando de señal y visualizándose en dicho medio de visualización.

18. El sensor de la reivindicación 1, en el cual dicha fibra se recubre con diferentes reactivos sensibles, para que cada uno de dichos recubrimientos sensibles sea sensible a una especie química determinada, al tener cada uno de dichos recubrimientos una longitud específica que define la resolución espacial de la fibra sensora.

19. El sensor de la reivindicación 1, que también comprende una diversidad de LED para controlar la intensidad de la señal y la sensibilidad de la al menos una región sensible.

20. El sensor de la reivindicación 19, donde se introduce una corriente variable en dichos LED para controlar la intensidad de la señal y la sensibilidad de la al menos una región sensible.

21. El sensor de la reivindicación 20, que también comprende una lectura para leer la intensidad de la luz integrada de la al menos una región sensible a fin de efectuar mediciones.

22. El sensor de la reivindicación 1, donde dichas fuentes de luz de sondeo son reposicionables para iluminar 15 diferentes regiones discretas en toda la longitud de la fibra.