Highly accurate distributed tracking of thermal changes in optical fibers
- Autores: Andrés García Ruiz
- Directores de la Tesis: Sonia Martín López (dir. tes.), Miguel González Herráez (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Alcalá ( España ) en 2019
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: José Miguel López Higuera (presid.), Óscar Esteban Martínez (secret.), Luca Palmieri (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Electrónica: Sistemas Electrónicos Avanzados. Sistemas Inteligentes por la Universidad de Alcalá
- Materias:
- Enlaces
- Resumen
- español
La tecnología de sensores distribuidos basados en fibra óptica ha cobrado una creciente presencia en la ingeniería durante las últimas décadas. Su impacto en el diseño y mantenimiento de grandes estructuras hace de ésta una fructífera área de investigación. Los beneficios industriales derivados de la posibilidad de caracterizar, de forma dinámica, la temperatura de centenares o miles de puntos de la fibra, o de convertir cada uno de éstos en un micrófono, son fáciles de imaginar. Si bien aquellas estructuras que presentan una dimensión longitudinal mucho mayor que las otras dos, tales como líneas férreas, oleoductos o tendidos eléctricos son las principales áreas de aplicación de estos sensores, distintos enfoques en el desarrollo de las técnicas de interrogación de la fibra permiten optimizar los sistemas para su integración en entornos de menor tamaño, o adaptarlos a topologías ramificadas. Así es posible hoy en día encontrar estudios de aplicación de sensores distribuidos basados en fibra óptica para escenarios tan dispares como el de la medicina o la monitorización del estado de una aeronave durante su vuelo.
En este documento se recoge el trabajo realizado durante el periodo predoctoral del autor en la Universidad de Alcalá (UAH). Se introducen los principios básicos imprescindibles para la comprensión, por un lado, de los fenómenos ópticos y térmicos que se dan en una fibra óptica sometida a los experimentos más tarde discutidos; y por otro, de los mecanismos de la técnica en que se basan los sensores distribuidos desarrollados mediante dichos experimentos: la reflectometría óptica en el dominio temporal sensible a las fases con pulsos chirpados (CP ¿OTDR, por sus siglas en inglés). En los siguientes capítulos se exponen los resultados experimentales que demuestran tales sensores, que se benefician de las altas prestaciones de la tecnología CP ¿OTDR relativas a sensibilidad, rapidez y linealidad de sus adquisiciones. En concreto, se presentan y caracterizan dos propuestas que permiten la medición distribuida de presencia de gases (en base a la absorción fototérmica) y la medición distribuida de la velocidad de un flujo, es decir, la anemometría distribuida (en base a la disipación convectiva de energía). Estos experimentos representan, en un caso, el diseño de un sensor novedoso, y en el otro una reducción de las exigencias técnicas de otro sensor cuando se compara con métodos similares.
Para finalizar, se ofrece un conjunto de conclusiones globales del trabajo con los correspondientes logros obtenidos durante los estudios de doctorado. Se proponen también varias líneas de investigación a explorar como continuación de los resultados aquí presentados, algunas de las cuales ya se están empezando a desarrollar
- English
Distributed optical fiber sensing technology has developed an increasing presence in the engineering scenario along the last decades. Its impact in the design and maintenance of large structures makes it a fruitful research area. The industrial interest of the possibility of dynamically characterizing the temperature at hundreds or thousands of fiber points, or to transform those points into microphones, is easy to imagine. Although those structures presenting a longitudinal dimension much larger than the other two, such as railways, pipelines or overhead power lines are the main application environments for this kind of sensors, different approaches in the development of fiber interrogation techniques allow to optimize the sensing systems to be embedded in smaller scale targets, or to adapt them to operate in more ramified topologies. Hence it is possible nowadays to find published research about distributed optical fiber sensors performing measurements in applications as diverse as medicine or in-flight aircraft health monitoring.
In this document, the work and research results obtained during the author’s predoctoral period at the University of Alcalá (UAH) are presented. It introduces the basic principles to understand, on the one hand, the optical and thermal phenomena that take place in an optical fiber when it is involved in the experiments later discussed; and, on the other, the mechanisms of the technique at the heart of the distributed sensors developed in those experiments: Chirped-Pulse Phase-sensitive Optical Time-Domain Reflectometry (CP-ΦOTDR). After that, the experimental results which prove the mentioned sensors, which benefit from the CP-ΦOTDR sensitivity, speed and linearity performance, are discussed. More specifically, two proofs of concept able to make distributed measurements of gas presence (based on photothermal absorption) and distributed measurements of the speed of a moving fluid (based on convective power dissipation) are presented and characterized. Those experiments represent, in the first case, the design of a novel sensor and, in the second, a reduction of the technical requirements of another when compared with similar methods.
Finally, the global conclusions of the work and the corresponding academic achievements are summarized. Some open lines of research are proposed as well as a possible continuation of the results here presented, some of which are already being explored
- español
