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Viernes 15 de febrero de 2019

Weekly Tip ISC: Sensores de fibra óptica para medidas de humedad en suelo

Por Aitor López Aldaba

Los sensores de fibra óptica representan una interesante alternativa a los sensores eléctricos y electrónicos convencionales debido a sus particulares propiedades como su inmunidad a interferencias electromagnéticas, robustez, pequeño tamaño y capacidad de funcionamiento en ambientes hostiles.

En los institutos de Smart Cities e IS-FOOD de la UPNA, en colaboración con el instituto XLIM de Limoges (Francia) se ha desarrollado un sensor basado en fibra óptica para aplicaciones de humedad en suelos arenosos. El sensor se ha contrastado mediante medidas gravimétricas realizadas a diferentes humedades.

El sensor de fibra óptica se basa en una cavidad Fabry-Pérot hecha con una fibra microestructurada que presenta un núcleo suspendido entre cuatro puentes, creando cuatro grandes huecos de aire alrededor del núcleo de sílice. En la cabeza y en el interior de esta fibra se ha realizado una deposición de SnO2 a través de la técnica de sputtering. De esta manera se crea una capa uniforme de óxido metálico sobre el extremo y también rodeando al núcleo de la fibra. La humedad varía el índice de refracción de las películas de SnO2 y la luz guiada en la estructura experimenta un desfase en su espectro óptico. Este desfase se monitoriza a través de la transformada de Fourier, lo que se traduce en una variación de fase en el dominio transformado.

Para validar el comportamiento de nuestro sensor de fibra óptica, se utilizó además un sensor capacitivo comercial (Decagon 10HS). Los sensores (óptico y capacitivo) se enterraron en dos suelos de distintas composiciones; el primero 100% sílice (suelo 1) y el segundo una mezcla de 50% sílice y 50% arcilla (suelo 2). La Figura 1 muestra una imagen real de la protección del sensor óptico y del dispositivo final.

Figura 1. Sensor óptico.

En ambos experimentos se añadió agua hasta la saturación de la muestra y se monitorizó su evaporación durante 14 días ininterrumpidamente. A mitad de proceso se volvió a saturar las muestras para comprobar la capacidad de reacción y recuperación de los sensores. En la Figura 2 se pueden apreciar los resultados de las mediciones de los dos sensores durante el tiempo de estudio.

Figura 2. Respuesta de los sensores: a) Suelo1 y b) Suelo2.

Como puede apreciarse, existe una desviación entre ambos sensores en términos de tiempo de reacción. Esto es debido al diferente principio de funcionamiento de ambos sensores: el sensor capacitivo requiere de un determinado volumen de muestra para la medición del contenido de humedad, mientras que el sensor óptico mide directamente la humedad en contacto con él, lo que habilita medidas muy localizadas y precisas en comparación con el capacitivo. Es por ello que el sensor óptico parece reaccionar antes a las variaciones de humedad. Debido al proceso de evaporación desde la parte superior de la muestra hacia la inferior, el sensor óptico detecta antes que el capacitivo este hecho.

Los resultados indican que el sensor óptico es capaz de realizar medidas reales de humedad en suelos para humedades por encima del 15% (por debajo de éstas, el sensor mide la humedad contenida en el aire), presentando capacidad de recuperación así como cortos tiempos de respuesta. Además, debido al principio de trabajo del sensor óptico, éste puede ser empleado en aplicaciones que requieran la medición localizada de la humedad donde el sensor capacitivo no puede trabajar debido al volumen de muestra requerido. Un ejemplo de estas aplicaciones puede ser el estudio del hongo de humedad creado por un gotero de agua. Además de la realización de medidas puntuales, este sensor de fibra óptica presenta otras dos ventajas: se puede monitorizar remotamente, a kms de distancia del equipo de medida y además se puede multiplexar con el mismo equipo más de diez sensores. Así, estos nuevos sensores resultan una alternativa interesante para aplicaciones reales. Los investigadores involucrados en el desarrollo han sido: Aitor López Aldaba (ISC), Diego Lopez Torres, Jose Javier López (ISC),  César Elosua (ISC), Francisco J. Arregui (ISC), Manuel López-Amo (ISC), Miguel A. Campo Bescós (ISFOOD),  David Yerro (IS-FOOD) y Jean-Louis Auguste, Raphael Jamier, y Philippe Roy (XLIM)

El estudio completo puede encontrarse en: https://res.mdpi.com/applsci/applsci-08-01499/article_deploy/applsci-08-01499.pdf?filename=&attachment=1



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