METODOLOGÍA PARA DETERMINAR ESFUERZOS DE TENSIÓN APLICADOS A FIBRAS ÓPTICAS UTILIZANDO UNA MÁQUINA UNIVERSAL.

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1 METODOLOGÍA PARA DETERMINAR ESFUERZOS DE TENSIÓN APLICADOS A FIBRAS ÓPTICAS UTILIZANDO UNA MÁQUINA UNIVERSAL. M. May Alarcón 1 ; R. A. Vázquez Sánchez 2 ; C. O. Sequera Domínguez 1 ; J. Bolón Velueta 1 ; A. Flores Gil 1 ; Rafael Sánchez Lara 1 ; Agustín Pérez Ramírez 1, Víctor Golikov 1, J. L. Vázquez Avila 1 ; R. J. Pali Casanova 1. mmay@pampano.unacar.mx 1 Universidad Autónoma del Carmen, UNACAR. Facultad de Ingeniería. Av. 56 No. 4 por Av. Concordia. CP: Ciudad del Carmen. Cam. Teléfono y Fax: 01 (938) Universidad del Valle de Grijalva. Tuxtla Gutiérrez, Chiapas. Blvd. Belisario Domínguez Tel Ext RESUMEN. El esfuerzo longitudinal aplicado a fibras ópticas es investigado experimentalmente utilizando una máquina universal INSTRON modelo La capacidad de la máquina universal fue puesta a prueba al realizar esfuerzos de tensión a materiales tan frágiles y delgados como son las fibras ópticas. En este trabajo se reporta una metodología para realizar esfuerzos de tensión a fibra óptica del tipo estándar. Además se presentan resultados de una serie de fibras ópticas sometidas a esfuerzos de tensión. ABSTRAC: The strain applied to optical fiber is experimentally investigated using a universal machine INSTRON. The capability of universal machine was probed for doing proof of strain in materials as fragile and thin as the optical fibers. In this work we report a methodology for making strain to standard optical fibers. We show the results of the optical fibers tested under strain using the proposed methodology. 1.- INTRODUCCIÓN. El esfuerzo de tensión aplicado a las fibras ópticas ha sido ampliamente investigado en los últimos años. El proceso necesario para llevar a cabo la medición de esfuerzos en diferentes tipos de materiales [1-4] hace que este tipo de pruebas sea una tarea común, pero se complica cuando es necesario llevar a cabo esa misma medición en fibras ópticas, las cuales son cilindros de vidrio cuyos diámetros pueden variar en un rango de 125 µm a 900 µm. Por lo anterior, cuando se trata de llevar acabo una prueba simplemente colocando una fibra óptica entre las mordazas de una máquina universal [5], se enfrenta el problema de que la fibra óptica es muy delgada y frágil para ser sostenida por los extremos y poder así realizar las pruebas requeridas. Medir los esfuerzos de tensión a una fibra óptica es de interés en la investigación [6] y en el desarrollo tecnológico [7] en el área de óptica, porque permite conocer como son afectadas algunas propiedades ópticas de la luz como la polarización, la reflexión, o la intensidad. Conocer los esfuerzos de tensión de fibra óptica estándar es importante en los procesos de cableado de sistemas de comunicación o de redes de sensores. En la fibra óptica no estándar tal como la fibra óptica fotosensible [8, 9] la cual puede contener grabada uno o varias rejillas de Bragg de fibra (FBG, Fiber Bragg Grating), también es importante su estudio porque con este tipo de fibras se pueden realizar sensores ópticos de tensión [10-14] o de temperatura [15]. En este trabajo se presenta una metodología para acondicionar a una fibra óptica para que ésta pueda ser caracterizada en una máquina universal.

2 La propuesta se basa en el uso de una resina epóxica, que es colocada en los extremos de la fibra que va a ser sometida a tensión. Con la esa resina se protegen los extremos de la fibra y que hace que ésta no se deslice cuando sea sometida a esfuerzo. Usando la metodología propuesta se presentan los resultados de esfuerzo y deformación para fibra óptica estándar. 2.- DESARROLLO EXPERIMENTAL. Cuando se estudian las propiedades mecánicas de algún material, se está estudiando el comportamiento que éste presenta físicamente bajo fuerzas aplicadas. El ensayo mecánico se encarga de determinar las magnitudes de las propiedades mecánicas. Las mediciones primarias involucradas son la determinación de la carga y el cambio de longitud, estas propiedades las podemos determinar muy fácilmente para distintos tipos de materiales utilizando una máquina universal marca INSTRON modelo 5569, la cual está diseñada para ensayar probetas en tensión, compresión y flexión. Cuando se quiere determinar los esfuerzos de tensión a una fibra óptica se tiene el problema de que este diámetro es muy pequeño y además es muy frágil para poder ser introducido en las mordazas de la máquina universal. 2.1 PREPARACIÓN DE LAS PROBETAS. Para poder hacer las pruebas de esfuerzo en las fibras ópticas hay que realizar primero la preparación de las probetas, y también hay que eliminar los recubrimientos de protección de la fibra óptica bajo prueba, en este trabajo se usó fibra óptica con un diámetro de 125 µm, y como se mencionó anteriormente eso dificulta la manipulación para realizar la prueba deseada. La probeta se refiere al nombre asignado a la fibra óptica cuando ésta ya está preparada para el ensayo mecánico (prueba de esfuerzo por tensión), es decir cuando a la fibra óptica se le ha agregado la resina epóxica en sus extremos. Para poder sujetar la probeta en las mordazas de la máquina se necesita que los extremos de la probeta tengan un diámetro mayor a 5 mm y que el material con el cual se va a hacer sea capas de evitar que la fibra óptica se deslice en su interior al momento de estirarla; por lo cual se optó por usar resina epóxica. La resina epóxica es un tipo de resina comúnmente usada en la fabricación de fibra de vidrio, está formada por dos sustancias, una llamada catalizador y la otra llamada simplemente resina. La resina epóxica se prepara mezclando 5 gotas de catalizador por cada 100 ml de resina y tiene un tiempo de curado (tiempo para que tome una consistencia dura) de 25 a 30 segundos. Para la primera serie de probetas se probó con taparroscas para elaborar las bases de los extremos, haciéndole dos perforaciones a la misma por el cual pasaría la fibra óptica y posteriormente rellenarla con la resina epóxica como se muestra en la figura 1. En la construcción de las probetas se mantuvo constante la longitud de fibra a caracterizar en 10 cm. Una vez construidas las probetas estas se colocan en las mordazas de la máquina universal como es mostrado en la figura 2. Bases de los extremos Fibra óptica Figura 1. La fibra óptica con sus extremos Figura 2. La longitud de la fibra óptica es de rodeados con resina epóxica se llama probeta 10 cm para todas las probetas. Para la segunda serie de probetas se rediseñaron los extremos de la base, ya que a pesar de que la fractura de la primera serie se había presentado aceptablemente, se pretendía fortalecer

3 axialmente los extremos de la base y así reducir los esfuerzos cortantes que podrían producir un fractura por deslizamiento. Por lo tanto se reemplazaron las taparroscas por cilindros termoplásticos de 0.5 cm de diámetro con una longitud de 3.5 cm (secciones de popotes), y usando la misma resina epóxica (figura 3). Para poder controlar la longitud de la fibra a caracterizar, y la longitud de los extremos de la base de acuerdo a las características del diseño, para la segunda serie se utilizó un molde con una longitud de 17 cm de los cuales se usaron 3.5 cm fueron para cada extremo y los 10 cm restantes representan la longitud de la fibra óptica bajo prueba. 10 cm Figura 3. El diámetro de los cilindros es de 0.5 cm, su longitud de 3.5 cm y longitud de la fibra óptica sometida a esfuerzo de 10 cm Figura 4. Imagen de la probeta realizada con termo-plástico y montada entre las mordazas de la máquina universal. La longitud de la fibra óptica bajo prueba es de 10 cm. 3.- RESULTADOS Y DISCUSIONES. Con la metodología propuesta se realizó el estudio de esfuerzos de tensión sobre la fibra óptica usando la máquina universal, adaptando los extremos de la probeta a las mordazas de la máquina. Las pruebas realizadas en las fibras ópticas fueron la medición de la carga (N) -en el eje y - con respecto al cambio de longitud en porcentaje en el eje x -. En la figura 5 se presenta una imagen de uno de los resultados obtenidos al utilizar fibra óptica estándar, la cual es utilizada en redes de comunicación. En la esquina inferior izquierda de la gráfica de la figura 5 se observa una sección horizontal y esto se debe a que cuando la probeta es colocada en la máquina universal la fibra óptica no está totalmente tensa. La pendiente indica cuando la fibra está comenzando a ser sometida a los esfuerzos de tensión, ésta pendiente se mantiene constante hasta la fractura, donde la máquina detecta que la probeta ha fallado y la única fuerza que mide es la de su propio peso.

4 Figura 5. Gráfica de carga contra deformación en porcentaje para una fibra óptica estándar. Se usaron probetas construidas con taparroscas rellenas de resina epóxica. En la figura 6 se muestran los resultados de someter a esfuerzo de tensión a tres fibras ópticas del tipo estándar cuyas características son que tienen una longitud de 10 cm y diámetro del recubrimiento primario de 125 µm. En esta gráfica se observa que la probeta FO alcanzó un esfuerzo máximo de 7 N antes de llegar a la fractura con deformación longitudinal del 0.9 %, mientras que la probeta FO alcanzó un esfuerzo máximo de 5 N. Uno de las resultados esperados para esta serie de probetas caracterizadas es que la pendiente sea muy parecida entre ellas. Los datos de la probeta FO no están al máximo porque la prueba se detuvo antes de que llegara a la fractura, evitando así que esa probeta fuera destruida. ESFUERZO (N) F F F DEFORMACIÓN (%) /TESIS/RESULTADOS/ Figura 6. En esta grafica se muestran los resultados de la fibra estándar sin recubrimiento. Estas pruebas fueron realizadas con probetas que tienen en sus extremos resina epóxica en taparroscas. ESFUERZO (N) F F F F F F DEFORMACIÓN (%) /TESIS/RESULTADOS/ Figura 7. En estas pruebas se usaron probetas que tienen en sus extremos cilindros de plástico rellenos de resina epóxica. En la figura 7 se observan datos de la fibra óptica con probetas cilíndricas. Para este análisis de esfuerzo de tensión se usaron probetas con extremos de cilindro de plástico relleno con resina

5 epóxica. En este caso se muestra una serie de seis probetas observándose que solamente la probeta FO muestra una pendiente ligeramente diferente pero aún dentro de los rangos esperados. Analizando las pendientes de las rectas de la figura 6 y comparándolas con las de la figura 7 se encontró que la pendiente uno, m 1 ; es igual a 7.7 mientras que la pendiente dos, m 2, es igual a 7.6, por lo anterior se observa que no existe un cambio muy significativo entre las pendientes. 4.- CONCLUSIONES. La metodología propuesta para determinar los esfuerzos de tensión se basó principalmente en colocar resina epóxica en los extremos de la fibra óptica bajo prueba, con una ligera variante de que los extremos podrían ser taparroscas o pequeños cilindros de popote, encontrándose que las probetas construidas con popotes tienen una mayor ventaja en el momento de ser manipuladas para ser introducidas en las mordazas de la máquina universal. Se ha demostrado que la metodología propuesta para medir esfuerzos de tensión en fibra óptica, cuyas dimensiones físicas son pequeñas comparadas con las dimensiones de las mordazas de la máquina universal, es viable para este tipo de material. Las pruebas realizadas a la mayor parte de las probetas fueron destructivas lo cual tiene una desventaja cuando las fibras son caras o no se tiene la intención de destruirlas. En un par de pruebas de detuvo a la máquina para que no llegara la probeta hasta la fractura, lo anterior se realizó porque una de las siguientes propuestas de trabajo es realizar esfuerzos de tensión a fibras ópticas que se desean seguir reutilizando. Agradecimientos. Los autores agradecen a la Universidad Autónoma del Carmen por el apoyo al proyecto interno UNACAR-07/DIP/2004. BIBLIOGRAFÍA. 1. H. E. Davis, G. Earl Trokell, C. J. Wiskocil. Ensaye e inspección de los materiales en ingeniería. Capítulo 2 y Capítulo 5 Pág R. E. Medrano. Confiabilidad Mecánica de Fibras Ópticas Resistencia y Fatiga. Memoria de Simposio Materia 2000 (Río de Janeiro Brasil). (2000). 3. W. D. Callister. Introducción a la ciencia e ingeniería de los materiales. Capitulo 6. Pág (2000). 4. N. E. Dowling. Mechanical Behavior of materials, engineering methods for deformation, fracture and fatigue. (First Edition). Chapter 4. Pág INSTRON modelo Guía del operario parte 1 y parte M. May Alarcón. Tesis de Doctorado, Sensor láser de fibra óptica construido con rejillas de Bragg. (INAOE, Sta. María Tonantzintla, Pue.) 7. Corning SMF-28 optical fiber. Paper PI1036. April (2001). 8. A. Othonos, K. Kalli. Fiber Bragg Gratings, fundamentals and applications in telecommunications and systems. (Artech House, Norwood, MA). Photosensitivity in optical fibers (1999). 9. R. Kashyap. Fiber Bragg Gratings. (Academic Press, San Diego, CA). Photosensitivity and photosensitization of optical fibers. (1999). 10. R. A. Vázquez; E. A. Kuzin et al. Using the intermodal beating frequency to interrogated a multipoint fiber Bragg grating laser sensor. Proc. Of SPIE. Vol Pág N. O. Olson, C. K. Y. Leung, et al. Mechanical Behavior of optical fiber strain sensor. Proc. Of SPIE. Vol Pág (2002). 12. M. G. Shlyagin, Pieter L. Swart, et al. Static strain measurement with sub-micro-strain resolution and large dynamic range using a twin-bragg-grating Fabry-Perot sensor. Opt. Eng. 41 (8). Pág (2002). 13. V. V. Spirin, M. G. Shlyagin, et al. Temperature-insensitive strain measurements using differential double Bragg grating technique. Optics and laser technology. Vol. 33. Pág (2001). 14. Riccardo Falciai. Temperature effect measurements of glued FBG sensors. Proc. Of SPIE. Vol Pág (2002).