Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica.
Física Moderna.
Fibra Óptica.
Alumno: Mariscal Organista Adonay Omar.
Grupo: 3AM1
Profesora: Gloria María Pérez Cabrera.
28 de febrero del 2014.
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Índice.
¿Qué es la fibra óptica?..................................................................................................................3 Aplicación de la fibra óptica Automatización………………………………………..5
en
Ingeniería
en
Aplicaciones de óptica relacionadas ICA………………………………………………………………………………… 6
Control
y
con
Referencias de información………………………………………………………………………………………………………… .8
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¿Qué es la fibra óptica? La fibra óptica consiste en dos regiones concéntricas. La región interna es un filamento transparente llamado núcleo, cuyo diámetro suele estar comprendido entre 8 y 600 micras dependiendo del tipo de fibra óptica, y su índice de refracción es superior a la región externa. La región exterior consiste de un revestimiento de cuarzo o plástico al igual que el núcleo. Resultando que la luz inyectada en un extremo de la fibra, dentro de un determinado ángulo conocido como abertura numérica, es totalmente reflejada cada vez que incide en límite del núcleo/revestimiento. La luz continúa reflejándose múltiples veces a través de la fibra por esta reflexión interna total, hasta que sale por el otro extremo El revestimiento se encuentra rodeado de una tercera capa, la cubierta protectora, de material plástico.
Para una fibra óptica comercial representativa, el material del núcleo es SiO 2 dopado con Ge para incrementar su índice de refracción. La fibra comercial común puede transmitir luz a través de 500 m con pérdidas pequeñas. La luz se genera mediante diodos emisores de luz (LED) que producen luz con una longitud de onda larga. La luz se genera como pulsos cortos. Las pequeñas pérdidas de luz no afectan las señales digitales porque éstas se transmiten como bits binarios, en vez de señales analógicas. Siempre que los bits sean registrados correctamente, la información se transmite a la perfección, lo contrario de las señales análogas, que serían degradadas directamente por cualquier pérdida de señal. Cada 500 m se reciben las señales, se amplifican y retransmiten. Por consiguiente, se pueden transmitir por grandes distancias tasas de datos muy altas que son inmunes a la interferencia. Este escenario explica la física detrás del soporte de fibra óptica de internet. Las fibras ópticas se usan también para la transmisión de señales análogas, si la distancia por la que la señal tiene que ser transportada no es demasiado larga, hasta algunos metros. Una 3
aplicación de la fibra óptica de transmisión de señales análogas es el endoscopio, y dispositivos relacionados como el boroscopio. Dependiendo del tipo de propagación de la señal luminosa en el interior de la fibra, éstas se clasifican en los siguientes grupos: - Multimodo - Monomodo En una fibra monomodo, la luz puede tomar un único camino a través del núcleo, que mide alrededor de 10 micras de diámetro. Las fibras multimodo tienen núcleos entre 50 y 1000 micras. Las fibras monomodo son más eficaces a largas distancias, pero el pequeño diámetro del núcleo requiere un alto grado de precisión en la fabricación, empalme y terminación de la fibra. La fibra óptica también se clasifica en función del índice de refracción, siendo de dos tipos: - Salto de índice - Índice gradual En las fibras de índice gradual, el índice de refracción es inferior en las proximidades del revestimiento que en el eje de la fibra. Las ondas luminosas se propagan ligeramente más lentas en las proximidades del eje del núcleo que cerca del revestimiento. Atendiendo al material de la fibra, éstas pueden clasificarse: - Fibras de vidrio - Fibras de material plástico Estas últimas se utilizan para comunicaciones a muy cortas distancias. Suelen emplearse para interconexión de equipos situados en un mismo edificio, conexión de equipos digitales de audio y en pequeñas redes de ordenadores. Dentro de las dos primeras clasificaciones generales (tipo de propagación e índice de refracción), tenemos tres tipos básicos de fibra óptica: - Fibra multimodo de salto de índice - Fibra multimodo de índice gradual - Fibra monomodo Generalmente se utilizan las fibras multimodo en la primera y segunda ventanas, y monomodo en la segunda y tercera ventanas. 4
Aplicación de la fibra óptica en Ingeniería en Control y Automatización. Dentro de lo que concierne a la ingeniería en control y automatización la fibra óptica no se utiliza directamente dentro de sus aplicaciones, pero si dentro de instrumentación que permite un óptimo trabajo y sobre todo la disminución de costos debido a la efectividad que tiene esta para tener poca pérdida de información lo cual produce que existan mejores mediciones y análisis al momento de utilizar dichos instrumentos. Por otra parte, una de las aplicaciones más importantes que podemos mencionar respecto al aprovechamiento de la fibra óptica en relación a ICA es el hecho de que se puede mejorar la comunicación entre todos los dispositivos que utilicen el protocolo EtherNet/IP el cual es esencial para el manejo de PLCs así como distintos sensores, a grandes rasgos podemos ver un diagrama a continuación de una estructura dentro de la empresa.
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Debido a nuevos proyectos que se han presentado, y continuando en como se puede aprovechar la fibra óptica dentro de la empresa y por supuesto en relación con la ingeniería en control y automatización, podemos resaltar los siguientes puntos: 1. Para empezar, se debe de tener una estructura robusta de lo que es la empresa en cuestión para el aprovechamiento de esta tecnología en caso de no tenerse siempre se puede implementar de manera sencilla. 2. Se crearán nuevas topologías para los paneles de control. 3. Se pueden aprovechar con una pequeña inversión en cables que crearán enlaces permanentes entre los distintos dispositivos. 4. Mediante el uso de cables de fibra óptica para transmitir señales, se puede eliminar la influencia del ruido externo que se genera en las líneas de transmisión. Debido a que los cables de fibra óptica no son conductores, lo cual cuando los materiales son conductores suelen causar interferencias entre los dispositivos. 5. El monitoreo de dispositivos industriales como no industriales. 6. La observación y documentación así como la determinación de requisitos necesarios de topologías, información, trafico de sonido y de voz, tiempo de sincronización de dispositivos. Sin embargo el punto más negativo que tiene este material sin duda es la ultra precisión que requiere para su óptimo aprovechamiento, así como la sensibilidad que este tiene respecto a las condiciones atmosféricas.
Aplicaciones de óptica relacionadas con ICA En lo que a la carrera de ICA se refiere, aparentemente no hay nada relacionado con la óptica vista desde el lado de la física, cuando la realidad es otra. Algunos de los instrumentos más importantes para esta ingeniería son los PLC ( Programmable Logic Controller) los cuales podemos mencionar que sus principales acciones son las siguientes: ● Recoger ● ● ● ● ● ●
datos de las fuentes de entrada a través de las fuentes digitales y analógicas. Tomar decisiones en base a criterios preprogramados. Almacenar datos en la memoria. Generar ciclos de tiempo. Realizar cálculos matemáticos. Actuar sobre los dispositivos externos mediante las salidas analógicas y digitales. Comunicarse con otros sistemas externos.
Y seguimos con el dilema de que parecen no estar relacionados con la optica, pero si somos más observadores nos damos cuenta que lo podemos relacionar directamente con la óptica electrónica.
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Antes de continuar debemos saber que la óptica electrónica estudia la modificación en la trayectoria de los haces de electrones por medio de campos magnéticos generados principalmente por condensadores y que permiten el uso de electrones para observar objetos muy pequeños llamados microscopios electrónicos, telescopios electrónicos, radio telescopios, lentes infrarrojos y algunos tipos de televisores. De tal manera debemos adentrarnos en cómo funciona cualquier tipo de dispositivo electrónico. Para empezar sabemos que todo dispositivo electrónico se ve afectado por las caídas de tensión, las cuales son posibles gracias a que los electrones fluyen a través de un medio el cual suele ser un alambre. Por lo tanto desde aquí vemos que sin esta reacción no sería posible poder utilizar estas herramientas. Regresando a las funciones de los PLCs, vemos que estos actuan mediante las salidas analogicas y digitales las cuales si bien no son vistas como tal en estos dispositivos, si lo son en los osciloscopios o sea, las señales se ven reflejadas en la respectiva pantalla. Ejemplo de cómo se ven ondas en un osciloscopio.
Como se mueven los electrones en un alambre de cobre.
Otro instrumento muy importante dentro de la carrera de ICA es Arduino, es una plataforma de hardware libre, basada en una placa con un microcontrolador y un entorno de desarrollo, diseñada para facilitar el uso de la electrónica en proyectos multidisciplinares. El hardware consiste en una placa con un microcontrolador Atmel AVR y puertos de entrada/salida. Los microcontroladores más usados son el Atmega168, Atmega328,Atmega1280, ATmega8 por su sencillez y bajo coste que permiten el desarrollo de múltiples diseños. Por otro lado el software consiste en un entorno de desarrollo que implementa el lenguaje de programación Processing/Wiring y el cargador de arranque que es ejecutado en la placa. Como tal, al ser una plataforma de hardware libre, permite la incorporación de distintos dispositivos externos, uno de los ejemplos más claros pero poco conocidos es el Accessory Development Kit que si bien no fue comercializado nunca, es sólo un arduino modificado por la empresa Google Inc. y solamente pudo ser obtenido durante una conferencia dada por ellos en 2012, el cual incluye distintos 7
tipos de sensores que van desde un bluetooth hasta un barómetro o un GPS, pero regresando al tema principal, al existir tantas posibilidades sobre arduino la imaginación es el límite y como tal, siempre podremos conectarle algún tipo de dispositivo que esté más que muy relacionado con la óptica.
Foto de un arduino UNO.
Foto del ADK de Google.
Un osciloscopio hecho con un arduino.
Referencias de información. http://www.itlalaguna.edu.mx/academico/carreras/electronica/opteca/OPTOPDF7_archivos/UNIDAD 7TEMA2.PDF Fisica para ingenieria y ciencias - Wolfgang Bauer, Gary D. Westfall Volumen 2 Pág. 1047 http://www.panduit.com/ccurl/122/692/Fiber_Optic_Infrastructure_Application_Guide.pdf http://www.hitachi-ite.co.jp/english/products/hylink/index.html http://web.educastur.princast.es/ies/rosarioa/web/departamentos/fisica/sitio_alumnos/Tema%209. %20Optica%20f%C3%ADsica.pdf http://recursostic.educacion.es/observatorio/web/ca/component/content/article/502-monografico-l enguajes-de-programacion?start=2 https://developers.google.com/events/io/2012/sessions/gooio2012/128/ http://developer.android.com/tools/adk/index.html
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