Universidad de Nario. Corts Francisco, Cabrera Jairo, Mora Daniel. Sensores pticos.

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Sensores pticosDaniel Santiago Mora Ortega danmoror@hotmail.com Francisco Javier Corts f_cortes@hotmail.com Jairo Armando Cabrera jaicar1986@hotmail.com

Universidad de Nario, Ingeniera Electrnica, Instrumentacin Vulcanolgica AbstractThis document presents a brief description about optical sensors, which are very use in industry. It is very important to analyze optical sensors performance and other features like accuracy, linearity, range, sensibility, and so on. It also is given brief information about how optical sensors are used to measure small deformations. ResumenSe presenta una descripcin de los sensores pticos, detallando su funcionamiento, sus caractersticas y su aplicabilidad en la industria. A la hora de trabajar con estos dispositivos se considera importante analizar cuidadosamente sus especificaciones, por eso se resalta rpidamente las consideraciones generales para trabajar con aplicaciones que utilicen sensores pticos. Adems se da importancia a una aplicacin especfica, la cual se trata del uso de sensores pticos remotos para la medicin de pequeas deformaciones. Palabras Claves ndice de TrminosFibra ptica, Sensores pticos, Sensores pticos tipo redes Bragg. Estos sensores requieren de un componente emisor que genera la luz, y un componente receptor que ve la luz generada por el emisor. Veamos rpidamente los dispositivos emisores. Podemos nombrar: Diodos LED Diodos lser Cristales Lquidos Algunas caractersticas de los diodos LED son: - Pequea potencia - Poca disipacin de calor - Larga duracin e insensibilidad frente a sacudidas o vibraciones - Facilidad para modular su emisin Los laser (del acrnimo Ligth Amplification by stimulated Emmision of Radiation) son un tipo de diodos que cubren aplicaciones desde el corte de materiales con haces de gran energa hasta la transmisin de datos por fibra ptica. Las caractersticas de un diodo lser son: - La emisin de luz es dirigida en una sola direccin: Un diodo LED emite fotones en muchas direcciones. - La emisin de luz lser es monocromtica: Los fotones emitidos por un lser poseen longitudes de onda muy cercanas entre s. Debido a estas dos propiedades, con el lser se pueden conseguir rayos de luz monocromtica dirigidos en una direccin determinada. Adems tambin se puede controlar la potencia emitida. Los sensores pticos trabajan con el principio fsico denominado efecto fotoelctrico, que hace referencia a una liberacin de cargas al incidir un haz de luz. Segn la naturaleza del dispositivo iluminado se manifiesta: Fotoconduccin: variacin de la conductividad del material (fotorresistencias, fotodiodos,) Efecto fotovoltico: Generacin de un voltaje al hacer incidir radiacin. (clula solar)

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I.

INTRODUCCIN

n la actualidad ya es un hecho la existencia de edificios inteligentes, diseados para responder a cualquier estmulo, tales como humo, agua, aumento o disminucin inesperado de temperatura, ruido u otros efectos de inters. En la industria del automvil uno de los principales objetivos est centrado en el diseo de coches con sensores pticos que o bien produzcan el frenado del mismo o bien acten como sensor de alarma motivando la disminucin de la velocidad por parte del conductor al acercarse a un semforo en rojo. En otras palabras, hoy en da se ha comprobado que el diseo de nuevos sensores es un reto no slo cientfico, sino tambin industrial y que puede aportar importantes mejoras en la sociedad, medio ambiente, salud pblica, etc. Es as que el presente texto pretende dar una descripcin de estos sensores para comprender su aplicabilidad en la industria. II. METODOLOGA

Definicin: Los sensores pticos basan su funcionamiento en la emisin de un haz de luz que es interrumpido o reflejado por el objeto a detectar, es decir responden a los cambios en la intensidad de la luz.

Universidad de Nario. Corts Francisco, Cabrera Jairo, Mora Daniel. Sensores pticos. Efecto fotoemisivo: Emisin de electrones al incidir la luz (fotomultiplicadores) Otros: sensores de fibra ptica (distintas clasificaciones)

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FOTORRESISTENCIAS Estos sensores se basan en el efecto de fotoconduccin y cambian su resistencia cuando se los someten a la luz. Se los denomina LDRs por su acrnimo en ingls Light dependent resistor. Su smbolo electrnico se detalla en la figura 2.Figura 3. Respuesta espectral de varias LDR

Figura 1. Smbolo LDR

Su resistencia disminuye con el aumento de intensidad de luz incidente.

Las aplicaciones de las LDR se dividen en las que se utilizan para medir directamente luz, como en el control de brillo y contraste en receptores de tv, la puesta en marcha automtica de las luces de un automvil en funcin de la luz ambiente, el control de iluminacin de vas pblicas, etc. y las que emplean la luz como radiacin a modificar, como en detectores de posicin o en medidas de nivel de depsitos. Los fotoconductores resistivos tienen coeficientes de temperatura que varan considerablemente con el nivel de la luz y con el material, como se muestra en la figura 4. Se observar que el sulfuro de cadmio (CdS) es superior al seleniuro de cadmio (CdSe) en cuanto a estabilidad con la temperatura, y el funcionamiento a altas intensidades debe ser con mxima estabilidad.

Figura 2. Curva caracterstica para una LDR

Una descripcin de su comportamiento se ilustra enn la figura 2. La variacin de la resistencia de una LDR con la radiacin es casi exponencial Sus caractersticas estticas son: Sensibilidad alta y negativa Es no lineal. Una resistencia alta en la oscuridad. Vara de cientos de ohms a megaohmios. Tiempo de respuesta: 0.1s, 1-100ms Inconvenientes: respuesta espectral estrecha, histresis, poca estabilidad trmica.

Figura 4. Dependencia de la temperatura en LDRs de CdS y CdSe

FOTODIODOS Son semiconductores construidos con una unin PN, sensible a la incidencia de la luz visible o a la infrarroja. Al incidir luz sobre este, se crea una fotocorriente que es proporcional a la intensidad luz excitadora. Su smbolo electrnico se muestra en la figura 5.

La respuesta espectral de un LDR frente a una radiacin electromagntica depende de la longitud de onda de esta. Para cada LDR existe un espectro de frecuencias para el cual se obtiene mayor sensibilidad, disminuyendo paulatinamente a medida que nos alejamos de este espectro de mxima sensibilidad. A partir de una determinada frecuencia umbral no se produce efecto fotoelctrico. Ver figura 3.

Figura 5. Smbolo electrnico

Usos: A diferencia de las LDR, el fotodiodo responde a los

Universidad de Nario. Corts Francisco, Cabrera Jairo, Mora Daniel. Sensores pticos. cambios de oscuridad a iluminacin y viceversa con mucha mayor velocidad, y puede utilizarse en circuitos con tiempo de respuesta ms pequeo. Se usa en los lectores de CD, recuperando la informacin grabada en el surco del Cd transformando la luz del haz lser reflejada en el mismo en impulsos elctricos para ser procesados por el sistema y obtener como resultado los datos grabados. Usados en fibra ptica.

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que aparecen en la figura 8. Como se puede observar, son curvas anlogas a las del transistor BJT, sustituyendo la intensidad de base por la potencia luminosa por unidad de rea que incide en el fototransistor.

Figura 8. Curvas de funcionamiento - Fototransistor

El fototransistor es muy utilizado para aplicaciones donde la deteccin de iluminacin es muy importante. Los fototransistores son los componentes ms ampliamente usados como receptores de luz, debido a que ofrecen la mejor relacin entre la sensibilidad a la luz y la velocidad de respuesta, comparado con los componentes fotorresistivos, adems responden bien ante luz visible e infrarroja.Figura 6. Curva caracterstica - Fotodiodo

FOTOCELDAS Son pequeos dispositivos que producen una variacin elctrica en respuesta a un cambio en la intensidad de luz. Las fotoceldas se pueden clasificar como fotovolticas o fotoconductivas.

El comportamiento del fotodiodo en inversa se ve claramente influenciado por la incidencia de luz. Entre mayor es la intensidad de luz mayor es el valor de la corriente de fuga en inversa, tal y como se muestra en la figura 6. En directa el fotodiodo se comporta como un fotodiodo normal. Si est fabricado en silicio, la tensin que cae en el dispositivo ser de 0.7V. Los fotodiodos se emplean no solamente en comunicaciones pticas y fotmetros, sino tambin para control de iluminacin y brillo, monitorizacin de llamas de gas y petrleo, etc. FOTOTRANSISTORES Un fototransistor es una combinacin integrada de fotodiodo y transistor bipolar npn (sensible a la luz) donde la base recibe la radiacin ptica. Existen transistores FET (de efecto de campo) que son muy sensibles a la luz.

Figura 9. Smbolo electrnico Fotocelda.

Una celda fotovoltica es una fuente de energa cuyo voltaje de salida vara en relacin con la intensidad de luz en su superficie. Una celda fotoconductiva es un dispositivo pasivo, incapaz de producir energa. Su resistencia vara en relacin con la intensidad de luz en su superficie. Algunas aplicaciones son: Deteccin de la presencia de un objeto opaco Deteccin del grado de translucidez (capacidad de pasar luz) e el grado de luminiscencia (capacidad de generar luz) de un fluido o un slido

Figura 7. Smbolo electrnico Fototransistor

La luz incide sobre la regin de base, generando portadores en ella. Esta carga de base se lleva al transistor al estado de conduccin. La sensibilidad de un fototransistor es superior a la del fotodiodo, ya que la pequea corriente fotogenerada se multiplica por la ganancia del transistor. Las curvas de funcionamiento de un fototransistor son las

SENSORES DE FIBRA PTICA Fibra ptica: - Luz infrarroja o visible - Guiada por una fibra de vidrio o polmero - Insensible a interferencias electromagnticas (IEM) - Barata y de bajo peso

Universidad de Nario. Corts Francisco, Cabrera Jairo, Mora Daniel. Sensores pticos. Transmite gran cantidad de datos a cortas y largas distancias 2.5Gb/s 1000Gb/s Abastece servicios: CATV, Datos, telefona

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En la medicin de deformaciones se persigue el corrimiento del pico del espectro ptico reflejado en el FBGS.

Las fibras pticas se pueden utilizar como sensores para medir la tensin, la temperatura, la presin y otros parmetros. El tamao pequeo y el hecho de que por ellas no circula corriente elctrica le da ciertas ventajas respecto al sensor elctrico. Las fibras pticas estn formadas por un ncleo vidrio ptico de entre 10 y 100 um de dimetro, una corteza de vidrio ptico de hasta 125 um y uno o dos revestimientos de hasta 250 um de plsticos y metales como el cobre o el oro. Ver figura 10.

Figura 12. Representacin esquemtica de la reflexin de una frecuencia determinada de la luz viajando en la fibra ptica de una red de Bragg.

El corrimiento del pico puede ser detectado con un analizador ptico de espectros y una fuente de luz de banda ancha que ilumina la fibra ptica con el sensor, tambin con dispositivos automatizados. Si se aplica una deformacin uniforme a la red debida a esfuerzos mecnicos, se observa una variacin en la longitud de onda de radiacin reflejada por la red, que es proporcional a la deformacin de la misma. Midiendo esta variacin se puede conocer la deformacin de la red. Figura 13.

Figura 10. Esquema de una fibra ptica

III.

MEDICIN DE DEFORMACIONES

Sensores de fibra ptica tipo redes de Bragg Los sensores de fibra ptica con redes Bragg consisten en una pequea longitud de fibra ptica en cuyo ncleo se graban una serie de franjas (red de Bragg), mediante un laser de luz UV, acompaada, bien de una mscara de fase, o bien de tcnicas de interferencia, que hacen que el ndice de refraccin del ncleo no sea constante, sino que vare peridicamente en la direccin longitudinal de la fibra. Figura 11 La red de Bragg grabada funciona como un filtro que refleja determinada longitud de onda de la luz que ilumina la fibra ptica y deja pasar todo el resto del espectro ptico. Figura 12

Figura 13 Representacin esquemtica del espectro tpico de una red de Bragg causado por una deformacin.

REFERENCIAS

[1] D. F. Fajardo, Notas de Clase, disponible en: www.udenar.edu.co/ingenieria/proelectronica/dario /sistemasdinamicos.aspx [2] Malte Frvel, Tesis doctoral, Sensores de Fibra ptica tipo redes de Bragg embebidos en material compuesto para medir deformaciones y temperaturas cirognicas. [3] http://server-die.alc.upv.es/asignaturas/LSED/200203/Sensores_Luz/ [4] Ramn Pallas Areny. (1998). Sensores y acondicionadores de seal. Barcelona, Marcombo.

Figura 11. Grabando un sensor de Bragg en el ncleo de una fibra ptica mediante un laser UV y una mscara

Al principio se utilizaron en aplicaciones en telecomunicaciones como filtros, pero luego se vio el gran potencial que tienen estos sensores para la medicin de deformaciones y temperaturas.