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Sensores de vibración de fibra óptica podrían prevenir accidentes de tren

Los investigadores han desarrollado nuevos sensores de vibración de fibra óptica para medir la aceleración y la vibración en los trenes. La tecnología podría integrarse con la inteligencia artificial para prevenir accidentes ferroviarios y descarrilamientos catastróficos de trenes.

«Cada año, los accidentes de trenes conducen a lesiones graves e incluso muertes», dijo el líder del equipo de investigación Hwa-yaw Tam, de la Universidad Politécnica de Hong Kong. «Nuestros acelerómetros de fibra podrían usarse para el monitoreo en tiempo real de defectos en la vía del tren o en el tren para detectar problemas antes de que ocurra un accidente».

Los investigadores describen sus nuevos acelerómetros en la revista Optics Express de The Optical Society (OSA). Los dispositivos pueden detectar frecuencias más del doble que las de los acelerómetros de fibra óptica tradicionales, lo que los hace adecuados para monitorear las interacciones entre los rieles. Los sensores duraderos no incluyen partes móviles y funcionan bien en los entornos ruidosos y de alto voltaje que se encuentran en las aplicaciones ferroviarias.

«Además del monitoreo ferroviario, estos nuevos acelerómetros pueden utilizarse en otras aplicaciones de monitoreo de vibración, por ejemplo, monitoreo de salud estructural para edificios y puentes y mediciones de vibración de alas de aviones», dijo Zhengyong Liu.

Detección ferroviaria totalmente óptica

Durante más de 15 años, los investigadores han estado trabajando en sistemas de monitoreo de condición que utilizan una red de detección completamente óptica para monitorear continuamente los componentes críticos del ferrocarril. Estos sistemas pueden ayudar a reemplazar las rutinas de mantenimiento ferroviario programadas ineficientes y costosas con el mantenimiento predictivo basado en las condiciones reales. Se han instalado sistemas desarrollados por los investigadores en Hong Kong y Singapur.

«Una red de detección totalmente óptica tiene muchas ventajas, ya que es inmune a la interferencia electromagnética, tiene una larga distancia de transmisión y los sensores no requieren electricidad», dijo Liu. «Sin embargo, hay una necesidad de sensores de fibra óptica que estén optimizados para medir diferentes parámetros en sistemas ferroviarios».

Los acelerómetros de fibra óptica que se utilizan normalmente en los sistemas de monitoreo de condición se basan en las rejillas de Bragg (FBG) de fibra y no pueden usarse para detectar vibraciones superiores a 500 Hz. Aunque esto es adecuado para la mayoría de las aplicaciones ferroviarias, no se puede usar para medir las interacciones riel-rueda que son una fuente importante de desgaste de la vía.

Para superar este problema, los investigadores diseñaron un nuevo acelerómetro de fibra óptica que utiliza una fibra óptica especial conocida como fibra de cristal fotónico que mantiene la polarización que se enrolla en la forma de un disco de solo 15 milímetros de diámetro. La fibra enrollada se pega entre un sustrato de acero inoxidable y un bloque de masa cilíndrico. Cuando se produce una vibración, el bloque de masa presionará la fibra enrollada a una frecuencia que coincida con la de la vibración. Esta fuerza externa hace que la longitud de onda de la luz en la fibra se desplace de una manera mensurable.

«Esta configuración interferométrica utiliza cambios en la luz dentro de la fibra para adquirir información precisa sobre las vibraciones», dijo Liu. “La instalación de estos acelerómetros en el tren de rodaje de un tren en servicio les permite monitorear las vibraciones que podrían indicar defectos en la vía. También pueden usarse para detectar problemas en líneas aéreas que se utilizan para impulsar trenes ”.

Pruebas de campo de comparación

Después de probar a fondo los prototipos del nuevo acelerómetro en el laboratorio, los investigadores llevaron a cabo una prueba de campo al instalar el dispositivo en un tren en servicio. También instalaron un acelerómetro basado en FBG y un acelerómetro piezoeléctrico para la comparación.

Descubrieron que el nuevo acelerómetro de fibra detectó la aceleración de manera similar al acelerómetro piezoeléctrico. Sin embargo, los sensores piezoeléctricos requieren costosos cables blindados para reducir los efectos del ruido de interferencia electromagnética. Debido a que el acelerómetro basado en FBG no puede funcionar bien a altas frecuencias, el ruido ocultó parte de la información útil de la vibración.

«Nuestros resultados mostraron que nuestros nuevos acelerómetros tienen un rendimiento considerablemente mejor que los acelerómetros existentes utilizados para monitorear la aceleración en trenes», dijo Liu.

En este trabajo, los investigadores utilizaron una fibra de cristal fotónica que mantiene la polarización comercial. Desde entonces, han diseñado y fabricado un nuevo tipo de fibra con diámetros exteriores más pequeños, menores pérdidas de flexión y mayor birrefringencia, lo que les permitiría construir un acelerómetro más pequeño con una sensibilidad aún mayor.

«Estos nuevos acelerómetros podrían abrir nuevas posibilidades de detección y monitoreo al proporcionar datos que apoyan la implementación de inteligencia artificial en la industria ferroviaria», dijo Tam. «Aunque el monitoreo ferroviario es un buen ejemplo de cómo se puede combinar la detección de fibra óptica con la inteligencia artificial, creemos que esta combinación también es prometedora para una serie de otras industrias y aplicaciones».

SourceOSA

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