Monitoreo de temperatura en una placa bidimensional con sensores de fibra óptca basados en rejillas de Bragg

Abstract

Esta memoria presenta el desarrollo e implementación de un sistema experimental de monitoreo continuo de temperatura en una placa bidimensional de cobre, denominada “mesa térmica”, que utiliza sensores de fibra óptica basados en rejillas de Bragg (FBG). Se diseña una red de seis sensores FBG distribuidos espacialmente sobre la placa y conectados a un interrogador óptico HYPERION si155, con el fin de capturar la respuesta térmica inducida por un ciclo de calefacción controlado (ciclo térmico) mediante un calefactor PTC. El sistema de adquisición se implementa tanto en el software especializado ENLIGHT como en MATLAB, este último mediante una interfaz gráfica personalizada (DashboardFBG.m), la cual permite configurar parámetros de adquisición, visualizar en tiempo real la temperatura por sensor, almacenar datos automáticamente y generar un mapa de calor 2D con los puntos monitoreados de la placa. La calibración de los sensores constituye un proceso clave, logrando una precisión promedio de ±0.47 °C en el rango de 20 a 60 °C y una sensibilidad térmica media de 8.3 pm/°C. Se aborda además la estimación de la incertidumbre fuera del rango calibrado, lo que permite extender el análisis a un rango operativo más amplio (13–65 °C). Los resultados experimentales muestran que los sensores FBG permiten un monitoreo confiable, con tiempos de respuesta más rápidos en comparación con una termocupla tipo K. Se comprueba su idoneidad para sistemas con transientes térmicos rápidos y en entornos con posibles interferencias electromagnéticas. Asimismo, se logra una integración parcial del sistema con un modelo de elementos finitos (FEM) que permite interpolar la distribución térmica completa de la placa. No se recomienda trabajar con sensores FBG para monitoreo completamente distribuido, en función de los resultados obtenidos y de las características propias de la FBG, que lo hacen especialmente útil para mediciones puntuales o semi-distribuidas. Este trabajo entrega(...). This thesis presents the development and implementation of an experimental system for continuous temperature monitoring on a two-dimensional copper plate, referred to as the “thermal table”, using fiber optic sensors based on Fiber Bragg Gratings (FBG). A network of six FBG sensors is designed and spatially distributed over the plate, connected to a HYPERION si155 optical interrogator, in order to capture the thermal response induced by a controlled heating cycle (thermal cycle) using a PTC heater. The data acquisition system is implemented both in the specialized software ENLIGHT and in MATLAB, the latter through a customized graphical interface (DashboardFBG.m), which allows configuration of acquisition parameters, real-time visualization of sensor temperature, automatic data storage, and generation of a 2D heatmap from the monitored points on the plate. Sensor calibration constitutes a key process, achieving an average accuracy of ±0.47 °C within the range of 20–60 °C and an average thermal sensitivity of 8.3 pm/°C. The estimation of uncertainty beyond the calibrated range is also addressed, enabling an extended analysis across a wider operational range (13–65 °C). Experimental results show that FBG sensors enable reliable temperature monitoring, exhibiting faster response times compared to a type K thermocouple. Their suitability for systems with rapid thermal transients and in environments prone to electromagnetic interference is verified. Furthermore, a partial integration of the system with a finite element model (FEM) is achieved, allowing interpolation of the complete thermal distribution of the plate. Based on the obtained results and the intrinsic characteristics of FBG sensors, their use is not recommended for fully distributed monitoring, but rather for pointwise or semi-distributed temperature measurements. This work provides(...).