SISTEMA DE TRANSDUCCION BASADO EN REDES DE DIFRACCION EN FIBRA OPTICA.

Un sistema de transducción (10) que comprende: una fibra óptica (1) que lleva grabada al menos una red de difracción (2);

un bloque de resina (3) en el que al menos una red de difracción (2) está totalmente embebida. El bloque de resina (3) comprende una pluralidad de filamentos de refuerzo (4) dispuestos de forma longitudinal a dicha fibra óptica (1) y a la red de difracción (2) grabada en la misma, estando dichos filamentos de refuerzo (4) situados a ambos lados de la fibra óptica (4) y configurados para aislar a la red de difracción (2) de presiones verticales. Una estructura (40) de un material compuesto que comprende al menos un sistema de transducción (10) embebido en su interior.

SISTEMA DE TRANSDUCCIÓN BASADO EN REDES DE DIFRACCIÓN EN FIBRA ÓPTICA

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención pertenece al campo de la monitorización y medida de deformaciones en estructuras de materiales compuestos mediante técnicas de fibra óptica, y en particular con transductores basados en redes de difracción en fibra óptica.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Los materiales compuestos presentan un impacto elevado en la industria actual. En concreto, en sectores como el aeronáutico o el eólico abundan los plásticos reforzados con fibras (de carbono, vidrio, madera, etc.) .

Pese a que existen varios métodos de fabricación de materiales compuestos basados en fibras, la mayoría de métodos de fabricación pasan por colocar una serie de telas de fibras para que se entremezclen con los plásticos, típicamente resinas epoxi o poliéster.

Uno de estos métodos es el moldeo por infusión de resina (del inglés, resin infusion moulding) , en el que se depositan los tejidos de fibra (de carbono, vidrio, etc.) sobre un molde, se cubre con una bolsa y se realiza vacío. Posteriormente se deja entrar la resina para que impregne los tejidos durante el proceso de infusión. A continuación se deja curar dicha resina para obtener un bloque de plástico reforzado con la forma del molde.

Medir deformaciones en estructuras es clave en los nuevos diseños. Conocer la respuesta de una estructura durante su vida útil puede reducir costes tanto en fabricación como en mantenimiento, previendo cuándo va a fallar y permitiendo diseños más eficientes.

Existen numerosas técnicas de fibra óptica probadas para la medida de respuestas estructurales, entre ellas las basadas en redes de difracción. Empleando estas técnicas se puede detectar con gran precisión las deformaciones sufridas en puntos claves de una estructura.

La fibra óptica estándar de telecomunicaciones es de sílice y lleva un recubrimiento, generalmente de acrilato, que la protege mecánicamente. En la fibra óptica el recubrimiento típico de acrilato ronda las 250 f.1m de diámetro, aproximadamente. Otros recubrimientos pueden ser empleados para habilitar la aplicación de la tecnología de fibra en otras áreas de aplicación como, por ejemplo, la de sensores óptico.

La tecnología de red de difracción en fibra óptica parte de la deformación periódica del núcleo de la fibra de modo que, en la zona alterada (zona de transducción) , se modifican las propiedades de la luz linealmente dependientes del período de la deformación. Teniendo en cuenta dichos efectos, si se somete a la zona de transducción a una deformación mecánica en el eje longitudinal de la fibra óptica, el período de la alteración del núcleo es modificado, cambiando las propiedades de la luz correspondientemente tanto en trasmisión como en reflexión.

En el caso particular de las redes de difracción de periodo corto o de Bragg (del inglés, Fiber Bragg Gratings, FBG) la longitud de onda central de la luz reflejada por la zona de transducción es proporcional al período de la alteración del núcleo. De ese modo, al medir la longitud de onda central devuelta por la red de difracción se puede obtener el nivel de deformación al que está sometida la zona de transducción, bien sea por deformación mecánica o por expansión térmica.

Además, teniendo en cuenta que debido al proceso de fabricación de la red de difracción, puede ser necesario retirar el recubrimiento, dejando la fibra de sílice en sus 125 Jlm de diámetro, es necesario volver a proteger la zona de transducción antes de incorporarla a la estructura.

Para intentar solventar dichos problemas de integración de las tecnologías de fibra óptica con la fidelidad de las medidas estructurales, se han encontrado diferentes propuestas en el estado de la técnica:

En la solicitud de patente estadounidense US2003/0066356-Al se describe un dispositivo basado en fibra óptica para medir cargas, en el que se recubre la zona de transducción con un bloque de material compuesto para proteger la fibra óptica y homogeneizar la transferencia de deformación ajustando el módulo elástico del bloque al de la estructura a sensar. Dicho dispositivo está orientado a ser incorporado en una estructura de hormigón, por lo que en el diseño se incorporan medios adicionales para fijar el transductor a dicha estructura que se desea medir, por ejemplo pegado superficialmente o insertado en hormigón.

Por otra parte, en la solicitud de patente europea EP1148324-A2 se describe un transductor basado en FBG en el que se protege la fibra óptica incorporándola a un quot;parchequot;. Este proceso puede realizarse de varias formas, siendo un recubrimiento de resina una de ellas. Con dicho quot;parchequot; se consigue homogeneizar la deformación en la zona de transducción y se previene a la fibra óptica de las microrroturas. Dicho dispositivo está orientado a ser adherido a la superficie a monitorizar y se especifica la salida cableada de la fibra óptica para una mejor protección mecánica.

A su vez, en la solicitud de patente internacional W02009144341-Al se presenta otra implementación de un sensor de materiales compuestos basado en redes de difracción de Bragg (FBG) para la medida de deformaciones. Este diseño está orientado a ser pegado a la superficie de la estructura. Se basa en un elemento portador de materiales compuestos en el que se incorpora un FBG en disposición asimétrica con el fin de acercar más la zona de transducción óptica a la superficie a caracterizar.

Enfocando más la aplicación de técnicas de fibra óptica al ámbito de los materiales compuestos, se pueden encontrar varios ejemplos de sistemas de monitorización estructural. Por ejemplo, en la solicitud de patente europea EP1677091-Al se describe un método basado en tecnología FBG para detectar fallos en estructuras de materiales compuestos. Se intenta detectar inhomogeneidades en la respuesta de la estructura caracterizando la evolución de los espectros de los FBG. Si bien es cierto que se contempla situar la fibra óptica en el interior de los laminados, está más orientado a monitorizar la evolución de puntos críticos como las uniones entre componentes. De cualquier modo sólo se describe el método, sin entrar a detalles en la implementación física de la zona de transducción.

En la solicitud de patente internacional W02008101496-A2 se describe una pala de aerogenerador con medios de sensado óptico. Desde el punto de vista óptico no se particulariza que la tecnología empleada sean redes de difracción. En cuanto a su implementación, se basa en un dispositivo diseñado para ser pegado en la superficie interna de la pala de aerogenerador. Para ello se parte de un soporte al que se fija la fibra óptica para facilitar la instalación y alineamiento y protegerla mecánicamente....

l. Un sistema de transducción (lO) que comprende:

-una fibra óptica (1) que lleva grabada al menos una red de difracción (2) ;

-un bloque de resina (3) en el que dicha al menos una red de difracción (2) está totalmente embebida;

caracterizado por que dicho bloque de resina (3) comprende una pluralidad de filamentos de refuerzo (4) dispuestos de forma longitudinal a dicha fibra óptica (1) y a la red de difracción (2) grabada en la misma, estando dichos filamentos de refuerzo (4) situados a ambos lados de la fibra óptica (4) y configurados para aislar a la red de difracción (2) de presiones verticales.

2. El sistema de la reivindicación 1, donde dicho bloque de resina (3) es un bloque de resina plástica.

3. El sistema de la reivindicación 2, donde dicha resina plástica es epoxi o poliester.

4. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dichos filamentos de refuerzo ( 4) se eligen del grupo siguiente: grupos de fibras de vidrio, grupos de fibras de carbono, grupos de fibras de aramida o grupos de fibras ópticas.

5. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dichos filamentos de refuerzo ( 4) están situados de forma simétrica a ambos lados de la fibra óptica (4) .

6. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el diámetro de dichos filamentos de refuerzo ( 4) es al menos 1 , 5 veces mayor que el diámetro de dicha fibra óptica (1) .

7. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicho bloque de resina (3) tiene un espesor constante desde al menos el filamento de refuerzo (4) situado a un lado de la red de difracción más cercano a la misma y hasta al menos el filamento de refuerzo (4) situado al otro lado de la red de difracción (2) más cercano a la misma.

8. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende una pluralidad de redes de difracción (2) grabadas en dicha fibra óptica (1) .

9. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que está configurado para ser integrado en una estructura ( 40) de un material compuesto durante el proceso de fabricación de dicha estructura ( 40) .

1O. Una estructura ( 40) de un material compuesto que comprende al menos un sistema de transducción (10) embebido en su interior, siendo dicho sistema de transducción (1 O) cualquiera de los de las reivindicaciones 1 a 9.

11. La estructura de la reivindicación 1 O, donde el material compuesto que la forma es compatible con el bloque de resina (3) de dicho al menos un sistema de transducción (1 O) embebido en dicha estructura ( 40) .

12. La estructura de cualquiera de las reivindicaciones 10 u 11, que comprende una pluralidad de sistemas de transducción (10) formando un transductor quasidistribuido.

13. Una pala para un aerogenerador eólico formada por láminas (8) de la estructura (40) de cualquiera de las reivindicaciones 10 a 12.