[ FIBRA ÓPTICA ]
Introducción a los métodos ópticos y detección de ultrasonidos


Por Nicolás Jaroslavsky Larrea, LAMBDA COMUNICACIONES OPTICAS, S.L.

El control y la monitorización del estado de un material durante y despues de su proceso de fabricación supone la utilización de tecnicas de evaluación no destructiva (END), como por ejemplo, los rayos X, la termografía infrarroja, las técnicas electromagnéticas o ultrasonoras.

Una técnica clásica de END es el uso de transductores piezoeléctricos, y el método más simple consiste en poner en contacto el transductor con el material, mediante el uso de un líquido de acoplamiento, para producir ondas ultrasónicas. Los ecos, producidos por las reflexiones de esas ondas, son detectados por el mismo u otro transductor (figura 1). La presencia de algún fallo se detecta analizando la señal recibida. Este método es muy eficaz pero presenta varios inconvenientes. Por ejemplo, las ondas producidas son ondas de volumen que permiten solo controlar la región vecina del transductor y la inspección de estructuras de gran tamaño por ese método consume mucho tiempo. También esos transductores emiten y reciben ondas en una banda de frecuencia estrecha, lo que implica que se tiene que cambiar de transductor según el tamaño del defecto que se busca. Además, la necesidad del contacto hace muy difícil el control de estructuras de gran curvatura.

Se ha estudiado como superar esas dificultades según varias direcciones. Primero, tratando que las ondas producidas se propaguen a distancias más grandes, lo que se realiza produciendo ondas guiadas por la estructura (ondas de Lamb), que además afectan a todo el material (figura 2), lo que permite un mejor control. Segundo, produciendo y detectando ultrasonidos sin contacto, es decir por métodos ópticos. La detección se puede hacer mediante técnicas interferométricas, o por otras técnicas parecidas a la holografía. La generación de ultrasonidos se realiza por impacto láser sobre el material, según el modo termoelástico.
Sin embargo, lo ideal sería un control de esos materiales en tiempo real, por integración de sensores dentro de la estructura durante su fabricación. En tal caso, los sensores tendrían que ser poco numerosos y de tamaño reducido para no perturbar el material. Este campo de los materiales inteligentes (smart structures) se encuentra hoy en día en gran desarrollo. Si ya se han fabricado materiales que contienen transductores piezoeléctricos, los sensores de fibra óptica son buenos candidatos por ser compatibles con el composite. Ya existen materiales instrumentados con tales sensores para el control por ultrasonidos o por emisión acústica. Otra aplicación de la integración de sensores es, por ejemplo, la monitorización de RTM.

El aspecto de la generación de ultrasonidos por fibra óptica está muy poco estudiado, aunque sea de mayor importancia para la constitución de un sistema completamente óptico.

La generación de ultrasonidos por impacto láser

El impacto de una impulsión láser sobre la superficie de un sólido engendra ondas elásticas según dos procesos distintos: proceso ablativo en caso de modificación de la superficie del material o proceso termoelástico. Este último es el que nos interesa para la END. El límite entre los dos fenómenos depende directamente de la densidad de potencia depositada. En el caso del régimen termoelástico, el impacto láser crea una elevación de temperatura a la superficie del material, que se dilata localmente y engendra tensiones (figura 3). Por la naturaleza elástica del material, esas tensiones producen movimientos elementales que se propagan: ondas acústicas. Esa dilatación es muy rápida, debido a la corta duración del impulso láser, por eso el espectro de las ondas producidas está situado en las altas frecuencias. Sin ir mas lejos, hay que notar que las ondas producidas dependen no solamente del impulso láser sino también de las propiedades mecánicas, ópticas y térmicas del material. La modelizacion es indispensable para el entendimiento de los fenómenos y las aplicaciones tecnológicas.

Según el tipo de material, metal o dieléctrico, isótropo o anisótropo, la fuente térmica creada en el material será distinta, así como el tipo de ondas producidas.

Por ejemplo, en el caso de los metales, la fuente se crea en la superficie del material y las ondas producidas son sobre todo ondas transversales, que se combinan con las pocas ondas longitudinales para crear ondas de superficie, u ondas de Rayleigh.

En el caso de materiales composites carbono-epoxy, la fuente está dentro del material, lo que origina ondas longitudinales de amplitud suficiente para que produzcan reflexión sobre defectos dentro de la estructura, que se pueden luego detectar por las reflexiones sobre las interfaces. Esa técnica pulso-eco es la misma que la que se emplea con los transductores piezeléctricos, y Aerospatiale la utiliza para la END de radomos de avión.

También se pueden producir ondas guiadas como las ondas de Lamb, lo que es interesante para la END.
En conclusión, esta técnica presenta varias ventajas comparándola con los transductores piezoeléctricos, pero no hay que considerarla como "mejor", ya que está todavía reservada para los casos donde los piezoeléctricos no pueden ser utilizados, altas temperaturas, materiales de fuerte curvatura, ambiente agresivo, etc.

En el mundo de aeronáutica, por ejemplo, sistemas de END por láser están siendo ya utilizados por Aerospatiale, Dassault o bien Boeing.

En la mayoría de los casos, el rayo láser está focalizado directamente sobre el material a estudiar, sin embargo, también puede utilizarse fibra óptica para guiar las impulsiones.
Los estudios realizados ponen en evidencia la dificultad de inyectar impulsos láseres potentes en fibras ópticas, obligando a la utilización de fibras de gran diámetro. También se utilizan fibras ópticas para realizar redes de fuentes láser para favorecer la producción de ciertos modos ultrasónicos. Veremos más adelante que las fibras ópticas se pueden integrar al material para generar ultrasonidos de forma no destructiva.

La generación de ultrasonidos por láser no tiene como único objeto la END, sino que también encuentra aplicaciones en la caracterización de materiales (medidas de velocidades de propagación, determinación de constantes elásticas) o también para calibración de transductores piezoeléctricos.

Ahora que hemos descrito cualitativamente la generación de ultrasonidos, examinemos la detección de los mismos.

Detección de ultrasonidos

El método clásico de detección es, como hemos visto, el uso de transductor piezoeléctrico. Éste tiene la ventaja de ser muy sensible, pero tiene estas desventajas:

  • contacto en general húmedo con el material
  • la detección se realiza en una banda de frecuencia estrecha
  • el tamaño de los transductores no permite mediciones puntuales
  • la señal detectada es convertida por la respuesta del transductor
  • gran sensibilidad al ruido electromagnético.

La técnicas sin contacto son en general ópticas, aunque hay que notar el desarrollo de transductores piezoeléctricos a acoplamiento por aire.

Los métodos ópticos son sin contacto, poco sensibles al ruido y ofrecen una detección de gran ancho de banda, lo que es importante en el caso de la generación de ultrasonidos por láser.
Hemos visto previamente que la generación de ultrasonidos por láser se produce mediante la absorción de una impulsión láser cerca de la superficie del material y que esa absorción produce un impulso ultrasónico dentro del material. Esa impulsión se propaga dentro del material y se refleja en las interfaces y eventuales defectos. En la superficie, las ondas producen un leve desplazamiento, que es el que se va medir para caracterizar las ondas producidas. Esa medición se realiza focalizando un rayo láser de referencia sobre la superficie del material de estudio, los movimientos de la superficie afectan la fase de la luz reflejada y ese desplazamiento de fase se traduce por un desplazamiento de la frecuencia de la luz reflejada. El conocimiento de esa información permite una representación de los movimientos de la superficie del material.

Para obtener la información de fase, se utilizan técnicas interferométricas donde la luz reflejada se combina con el rayo de referencia, y en el caso de la generación de ultrasonidos por ultrasonidos, de utilizan típicamente dos configuraciones, el interferómetro Fabry-Perot confocal y el interferómetro de Mach-Zehnder heterodino (figura 4).
Existen diferencias entre los dos sistemas y el uso de uno u otro depende de la aplicación y del presupuesto. El Fabry-Perot tiene la ventaja de no ser sensible al estado de la superficie del material. En efecto, los composites carbono-epoxy reflejan muy poca luz, pero su coste es importante y tiene baja sensibilidad a bajas frecuencias. Es sin embargo el más utilizado en aplicaciones aeronáuticas.

El Mach-Zehnder heterodino tiene más sensibilidad a baja frecuencia, lo que es importante si trabajamos con ondas guiadas. Sin embargo, es muy sensible al estado de la superficie del material. Idealmente, esa superficie tendría que ser un espejo, y no es el caso de los compuestos, lo que deteriora mucho la señal.

Estos sistemas permiten mediciones de desplazamientos muy pequeños sobre un importante ancho de banda. Generalmente, los desplazamientos en la superficie de composites son del orden del nanometro y las frecuencias de las ondas generadas alcanzan varias decenas de MHz. El otro punto importante es que estas mediciones se realizan puntualmente sobre la superficie del material, al contrario de los métodos que utilizan transductores piezoeléctricos.
Otra forma de detección es el uso de sensores de fibras ópticas, pegados o integrados al material. Varios estudios mostraron la capacidad de tales sensores de medir ultrasonidos, sin embargo, la interpretación de las señales queda difícil, pero en la perspectiva de materiales instrumentados, estos sensores aparecen como buenos candidatos.

Conclusión

Las técnicas ópticas de producción y detección de ultrasonidos se contemplan con un porvenir muy prometedor, a pesar de que estén siendo ya utilizadas en el sector aeronáutico. Más caras que las técnicas tradicionales, encontrarán su lugar en todas las situaciones donde esos métodos clásicos no pueden funcionar.
El campo de los materiales instrumentados o inteligentes está en una fase de desarrollo y en la vanguardia de la ciencias de materiales, sensores o tratamientos de señal.

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