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Castrillón-Zuluaga et al. (2013) 371

INGENIAR UPB 2013 Universidad Pontificia Bolivariana

Empleo de la Fibra Óptica como Sensor de Movimientos en Masa para

Aplicaciones de Prevención de Desastres

Silvana Alejandra CASTRILLON-ZULUAGA, Julián HERNANDEZ-VILLEGAS, Juanita NAVARRO-JARAMILLO,

Sergio ORREGO-GONZALEZ, Claudia CARMONA-RODRIGUEZ, Ferney AMAYA-FERNANDEZ

Facultad de Ingeniería en Tecnologías de Información y Comunicación; Universidad Pontificia Bolivariana

Cir. 1, #70-01, B11, Medellín, Colombia.

juanita.navarro alfa.upb.edu.co

Resumen: En este trabajo se presenta la utilización de la fibra óptica como sensor de movimientos de terreno en

masa para la aplicación en la prevención de desastres, presentando como ventaja respecto a los métodos actuales de

sensado, la medición en tiempo real en áreas geográficas extensas. La medición se realiza empleando el método

OTDR que analiza la señal óptica reflejada ante una perturbación a lo largo de una, indicando la ubicación e

intensidad de un movimiento de terreno en masa. Copyright © 2013 UPB

Palabras clave: Sensor fotónico, Reflectometria óptica en el dominio del tiempo (OTDR), movimientos de terreno

en masa.

Abstract: This paper presents the use of fiber optics as a sensing element for disaster prevention applications. This

sensing method presents advantages such as real-time measurement over large geographical areas. The measurement

is performed using the OTDR method, detecting the optical signal reflected by a disturbance along the fiber, and it

allows identifying the location and intensity of a landslide.

Keywords: Photonic sensor, Optical time domain reflectometry (OTDR), Landslide.

UPB_autoArt 2013-07-19, s 20aa-mm-dd



1. INTRODUCCIÓN

Uno de los eventos más frecuentes en desastres ambientales y que

se intenta pronosticar adecuadamente es el movimiento en masa

de terrenos. Estos eventos pueden cubrir varios tramos en una vía

de transporte o incluso un área considerable de un municipio,

poniendo en riesgo vidas humanas, cultivos y animales, afectando

el crecimiento económico de las regiones y el abastecimiento de

alimentos.

En la actualidad para detectar deslizamientos se utilizan

dispositivos donde se miden puntualmente variables o se realiza

análisis de imágenes aéreas para áreas extensas, éste tipo de

métodos normalmente no aportan medidas en tiempo real y

ofrecen baja sensibilidad, siendo el efecto visible solo en el

momento del desastre, lo cual no permite desplegar acciones de

prevención.

Los sensores basados en fibra óptica ofrecen una solución simple,

ya que permiten ubicar el sitio donde ocurrió la perturbación y su

intensidad. En general, estos sensores modifican una característica

de la luz guiada en respuesta a una variable externa física,

química o biológica (López, 2003). Entre las ventajas que ofrecen

los sensores de fibra óptica están la no manipulación de señales

eléctricas en el punto de medición, proporcionando mayor

inmunidad a la interferencia electromagnética y eliminando los

problemas relacionados con la tierra eléctrica, bajo consumo

energético y la posibilidad de emplear el mismo sensor para medir

diferentes variables, además de que su uso puede realizarse en

forma distribuida para mediciones en áreas amplias.

Varias tecnologías que emplean la fibra óptica como sensor han

sido implementadas para la medición de fenómenos físicos y

químicos, resaltando entre ellos aplicaciones de tensión,

temperatura, humedad, presión, vibración; para vigilancia en

estructuras y perímetros, túneles, trenes, entre otros; también se

conocen aplicaciones en la medicina, la química y la energía

eléctrica.

La mayoría de sistemas de mediciones distribuidas en fibra óptica,

se basan en mediciones de la potencia óptica reflejada (Optical

time domain reflectometry OTDR), en la cual se utiliza la

dispersión de la señal de luz en su interacción con la estructura del

material, produciendo tres componentes de lectura Rayleigh,

Raman y Brillouin (López, 2003).

La componente de Rayleigh consiste en una señal óptica reflejada

a la misma longitud de onda del pulso enviado y es utilizada para

medir pérdidas de potencia o atenuación de la fibra. Por otro lado,

los fenómenos de Brillouin y Raman obedecen a efectos no

lineales de la fibra óptica y consisten en señales ópticas reflejadas

a longitudes de onda diferentes a la del pulso enviado. Estos

efectos son utilizados frecuentemente para medir temperatura y

desplazamiento físico.

En este trabajo se presenta la utilización de la fibra óptica como

elemento sensor de movimientos en masa de suelos, lo cual,

presenta como ventajas la medición en tiempo real en áreas



geográficas extensas, propiciando su uso en aplicaciones para la

prevención de desastres. Esto a diferencia de los métodos de

medición actuales en los que se toma una medida semanal o

mensual, haciendo lecturas individuales sobre varios sensores

ubicados en áreas geográficas extensas. En este caso, la fibra

óptica detecta movimiento del suelo y la medición de toda el área

se concentra en un solo sitio. Con este método se disminuyen los

costos de adquisición en comparación con el área de cobertura. La

medición se realiza empleando el método OTDR que detecta la

potencia de la señal reflejada ante una perturbación a lo largo de

la fibra, y permite identificar a qué distancia se presentó la

perturbación. El método permite medir la intensidad de la

perturbación a partir de la amplitud de la señal reflejada.

Este artículo describe en la sección 2 los diferentes tipos de

movimientos en masa en los cuales se puede considerar la

utilización de sensores basados en fibra óptica por el método

OTDR; en la sección 3 se describe el método que se utilizará para

sensar el movimiento en masa; en la sección 4 se presentará el

esquema de pruebas y los resultados obtenidos; en la sección 5 se

da a conocer el potencial de este trabajo y por último en la sección

6 se encuentran las conclusiones.

2. MOVIMIENTOS EN MASA

La inestabilidad de los terrenos es un factor que ocasiona

movimientos en masa, por lo cual es necesario tener en cuenta las

causas y condiciones bajo las cuales se presenta este fenómeno.

Es necesario tener en cuenta que este factor es más susceptibles a

ocurrir cuando estos son sometidos a solicitaciones (cargas

accidentales) extremas como lluvias fuertes o sismos [GEMMA,

2007].

A continuación se presenta una breve descripción de los

movimientos que se pueden sensar por medio del método OTDR.

Figura 1. Volcamiento. (Universidad de San Carlos de

Guatemala)



2.1. Volcamiento

El volcamiento es causado por la acción de la gravedad, la presión

ejercida por el material situado encima de la masa afectada, y por

empujes de las unidades cercanas [GEMMA, 2007]. Lo cual

genera ciertas grietas en la superficie y volcamiento de rocas

como se muestra en la Figura 1.

2.2. Deslizamiento

El deslizamiento es uno de los tipos de movimiento en masa que

más a menudo colocan en riesgo la vida de las personas. Estos son

originados por los movimientos y la inestabilidad de la tierra,

produciendo una caída sobre tierra estable, que arrasa consigo

árboles y rocas. Estos deslizamientos pueden ser rápidos, más

peligrosos, o lentos. Los movimientos lentos se pueden prevenir,

realizando su detección en sus etapas iniciales ya que deja huellas

tales como hundimientos, grietas e inclinación de árboles

[GEMMA, 2007]. Los dos tipos de deslizamiento que suelen ser

los más comunes en el suelo son:

Deslizamiento rotacional: Es un tipo de desplazamiento que

ocurre internamente en el material, su ruptura es de forma circular

o cóncava como se muestra en la Figura 2.

Figura 2. Movimiento rotacional (Universidad de San Carlos

de Guatemala)

Desplazamiento traslacional: A diferencia del desplazamiento

rotacional, la masa de terreno se desplaza hacia afuera y hacia

abajo, a lo largo de una superficie relativamente plana, como se

muestra en la Figura 3. Estos deslizamientos pueden ser causados

por las grietas en las rocas y la resistencia de estas.



Figura 3. Movimiento traslacional rotacional (Universidad de San

Carlos de Guatemala)

2.3. Propagación lateral

Se caracteriza por un movimiento lento de la masa, debido a la

deformación interna del material que causa fragmentación del

terreno en bloques grandes como se muestra en la Figura 4

[GEMMA, 2007].

Figura 4. Propagación lateral rotacional (Universidad de San

Carlos de Guatemala)



3. MÉTODO OTDR

El ODTR es un dispositivo de medida generalmente utilizado

para caracterizar la fibra óptica. El OTDR envía pulsos ópticos

que son reflejados o dispersados cuando ocurre una curvatura o

perturbación mecánica. El OTDR entrega un gráfico de

atenuación con respecto a la distancia y es muy empleado en la

medición de enlaces ópticos en sistemas de

telecomunicaciones.

3.1. Medición del lugar de la perturbación

Al ocurrir un movimiento del suelo en masa se produce una

curvatura o perturbación en la fibra óptica. Esto produce una

reflexión del pulso que envía el OTDR. El OTDR mide el tiempo

entre el pulso transmitido y el reflejado, para calcular la distancia

a la que ocurrió la perturbación).

Esto quiere decir que si a una distancia L ocurre una perturbación

en un segmento de ancho W, (ver Fig. 5), la potencia que regresa a

la fuente debido a la dispersión en un intervalo infinitesimal

dz es:

( ) ( ) , (1)

donde es el coeficiente de dispersión y es el coeficiente de

retro dispersión. El producto representa la fracción de la luz

dispersada que regresa en dirección de la fuente desde el sitio de

la perturbación.

Fig 5. Retrodispersión causada por una perturbación

La potencia en el interior del segmento donde ocurrió la

perturbación se calcula como:

( ) (2)

Remplazando esta potencia en (1) e integrando en el intervalo de

0 a W, se obtiene la potencia dispersada en el segmento donde

ocurre la perturbación:

( ) ⁄ (3)

Donde es la potencia al inicio del segmento y es igual a:

. (4)

Por lo tanto, la potencia dispersada por el segmento donde ocurre

la perturbación de la fibra a una distancia L de la fuente y

detectada por la misma, puede ser calculada mediante la ecuación:

( ) ( ) ⁄ (5)

z

W L

0



Para calcular la resolución espacial que se puede obtener con el

elemento de medida se consideran el ancho del pulso del OTDR

y es el índice de refracción de la fibra óptica utilizada y el

índice de refracción de la fibra siguiendo esta ecuación:

⁄ (6)

3.2. Medición de la intensidad de la perturbación

En el punto de la perturbación, se genera una curvatura en la fibra

ocasionando pérdidas. A mayor la perturbación mayor la

atenuación de la señal óptica, lo cual es detectado por el OTDR.

Las pérdidas se producen debido a que parte de la energía óptica

se escapa del núcleo de la fibra y parte de la luz que viaja por el

núcleo se refracta (Instituto Universitario de Microelectronica

Aplicada). Se puede medir la intensidad de la perturbación en

términos de curvatura que genera en la fibra. Dicha pérdida se

representa por [Salinas, Et.al, 2003]:

√ (7)

donde R se refiere al radio de curvatura y C1 y C2 son contantes.

Las pérdidas pueden ser muy bajas, pero cuando superan un

umbral se dice que estas pérdidas son elevadas, dicho radio crítico

está definido por:

Para fibra multimodo:

(

)

(8)

Para fibra monomodo:

(

) (

)

(9)

donde n1 y n2 son los índices de refracción del núcleo y el

recubrimiento de la fibra, es la longitud de onda de operación y

es la longitud de onda de corte para dicha fibra monomodo.

4. DESCRIPCIÓN DE LAS PRUEBAS

EXPERIMENTALES

La configuración experimental que se muestra en la Figura 6 se

utiliza para analizar en un tramo de fibra óptica los eventos

medidos por el OTDR y su posible aplicación en la prevención de

desastres. Se analiza la perturbación en un segmento de fibra de

1 cm, en cuyos extremos se encuentran dos soportes alineados en

el eje horizontal. Sobre uno de los soportes se aplica un peso para

emular un desplazamiento de tierra, generando una diferencia

entre la posición vertical de los dos soportes, produciendo una

curvatura en la fibra. Esta curvatura genera un cambio en la

atenuación que presenta el tramo de fibra. Para una primera

prueba se utilizó una superficie compuesta por espuma de baja

densidad, que emula el efecto de un suelo urbano.



Figura 6. Montaje experimental luego de someterse a la

perturbación.

La fibra óptica empleada es marca Corning SMF-28 monomodo

que posee una chaqueta protectora que provee una excelente

protección y un fácil manejo. La fibra tiene apertura numérica de

0,14, longitud de onda de corte , e índice de

refracción de grupo . Basados en esa información y

según la Ecuación (9) el radio de curvatura critico es de 3,199µm.

Para asegurar la posibilidad de realizar medidas de forma

distribuidas se debe tener un radio de curvatura mayor a este

valor, garantizando que las pérdidas no atenúen la señal hasta un

valor que no pueda ser medido por el OTDR.

Durante las pruebas se envía una señal a una longitud de onda de

1550 nm, que es el valor en el que la fibra presenta su menor

atenuación. Para medir el efecto de la atenuación se utiliza un

equipo OTDR marca EXFO.

La resolución espacial de medidas se calcula según la Ecuación

(6) tomando un ancho de pulso según las

características del OTDR, obteniendo como resultado una

resolución .

Con el OTDR se midió la atenuación para varios valores de

desplazamiento vertical entre los dos soportes, como se presenta

en la Figura 7. En la Tabla 1 se presentan resultados medidos,

donde se puede observar el aumento de la atenuación al

incrementar la separación entre los soportes, producto de un

incremento en el peso. Sin embargo, se obtuvieron valores muy

diferentes de atenuación para las dos series de muestras realizadas

por cada desplazamiento, por esta razón se configuró una segunda

prueba para realizar las medidas.

Figura 7.Configuración experimental 1 para medidas de pérdidas

por curvatura.



Tabla 1. Datos obtenidos por la configuración experimental 1

DESPLAZA-

MIENTO

(cm)

ATENUACIÓN

(dB)

Muestra 1

ATENUACIÓN

(dB)

Muestra 2

ATENUACIÓN

(dB)

PROMEDIO

0 0,9 0,6 0,75

1,1 3,4 1 2,2

2 8 5,19 6,595

3,4 14 6,45 10,225

4,1 18 7,1 12,55

4,4 20 7,7 13,85

Para la segunda configuración experimental, se enrolla un trozo

de fibra en una espuma de tal forma que quedan libres sus dos

extremos. En el momento que se presente un desplazamiento de

tierra, debido al cambio en cualquiera de sus dos extremos

(moviendo las cajas en diferentes direcciones) por efectos de

presión, el radio de la fibra enrollada disminuye, creando un nivel

de atenuación que se puede visualizar en el OTDR, como se

visualiza en la Figura 8.

Figura 8. Configuración experimental 2 para medidas con

variaciones del radio de curvatura.

Al comparar la configuración experimental 1 con la configuración

experimental 2, se puede comprobar que la configuración 2 es

más estable y precisa, obteniendo una resolución en la medida de

0,5 cm, es decir se pueden medir movimientos del terreno muy

pequeños.

En la Tabla 2 se presentan los resultados de la configuración

experimental 2, la cual permite de acuerdo al piso del ruido del

OTDR realizar medidas de desplazamiento entre 0 y 4 cm

partiendo de una radio de curvatura de 1cm. Como se observa en

la tabla para el máximo desplazamiento, el radio no se aproxima

al radio crítico, lo que no limitaría la posibilidad de medidas

distribuidas.



Tabla 2. Datos obtenidos por la configuración experimental 2

RADIO (cm) DESPLAZAMIENTO

(cm)

ATENUACIÓN

(dB)

1 0 0,108

0,920422528 0,5 0,155

0,840845057 1,0 0,282

0,761267585 1,5 0,579

0,681690114 2,0 0,959

0,602112642 2,5 2,046

0,522535171 3,0 5,416

0,442957699 3,5 14,824

0,363380228 4,0 19,394

Se debe resaltar que esta segunda configuración presenta una

tendencia logarítmica lo que facilita la obtención de la medida de

desplazamiento a partir de la medida de potencia entregada por el

OTDR. El cálculo de desplazamiento D en centímetros a partir del

valor de la atenuación At en dB se obtiene a partir de la siguiente

ecuación:

( ) (10)

La Figura 9 presenta los datos obtenidos de la segunda

configuración.

Figura 9. Desplazamiento en función de la atenuación para la

configuración experimental 2.

Por medio de la Figura 9 se comprueba que a menor radio de la

circunferencia mayor es la atenuación, es decir a mayor radio

curvatura en la fibra óptica el haz de luz que es inyectado por el

OTDR se devuelve con una mayor reflexión, obteniendo un

mayor valor de atenuación, obteniendo así una gráfica con un

crecimiento logarítmico.



5. POTENCIAL DEL DESARROLLO REALIZADO

Nuestra región se ve afectada frecuentemente por deslizamientos

de tierra debido a los cambios climáticos; afectando la calidad de

vida de los habitantes. Este proyecto evalúa la posibilidad de

utilizar la fibra óptica como elemento sensor distribuido, para

tomar medidas en forma remota y en tiempo real, con el cual se

pueda pronosticar movimientos en masa en un área extensa.

Como continuación del proyecto se requiere escalar las medidas a

condiciones reales realizando mediciones de atenuación con

diferentes pesos.

6. CONCLUSIONES

Se utilizó experimentalmente fibra óptica para encontrar

perturbaciones en una superficie por medio del método OTDR y

se evaluaron dos configuraciones para sensar desplazamientos y

movimientos del suelo, para aplicaciones en la prevención de

desastres.

La resolución ofrecida por el OTDR permite detectar

movimientos cada 2 m, permitiendo hacer una distribución sobre

el área a sensar evaluando varios puntos sobre el terreno.

La configuración propuesta basada en el radio de curvatura

presentó variaciones hasta de 4 cm y atenuación de hasta 20 dB,

en caso de requerir medir desplazamientos superiores se requiere

evaluar si se amplía el radio de curvatura inicial o si se requiere

un OTDR con menos piso de ruido. Para usar la fibra óptica como

sensor con el fin de detectar ciertos tipos de movimientos en

masa, es necesario realizar un estudio que permita analizar cuán

factible es la medida en un segmento de tierra por el método

OTDR, y determinar cuál es la configuración ideal al instalar la

fibra, dependiendo del tipo de movimiento que se desea medir y

sobre el cual se desea tener un control para prevenir una situación.

Los dos métodos utilizados para hallar un deslizamiento por

curvatura (configuración experimental 1) o por radio de curvatura

(configuración experimental 2) permiten hacer una prevención

eficaz de cualquier movimiento de tierra, se debe tener en cuenta

que es más preciso el método por radio de curvatura, pues este

permite obtener un valor acertado del movimiento del terreno, con

lo cual se puede llevar un estudio detallado de estos movimientos

y así determinar cuándo va a ocurrir un desastre natural.

Las mediciones se convierten en un factor crítico para garantizar

el óptimo desempeño del modelo experimental, las condiciones

ambientales en las situaciones reales son bastante variables, por lo

que para este caso las mediciones deben poder soportarse en el

modelo experimental para tener una medición confiable.

AGRADECIMIENTO

Los autores agradecen al CIDI – UPB por el patrocinio del

proyecto “Consolidación Línea de Investigación en Fotónica –

UPB” aceptado en la modalidad de proyecto interno. Al Ingeniero

geólogo Remberto Luis Rhenals G. y al diseñador gráfico David



Montoya Betancur por su asesoría y colaboración para el

desarrollo del proyecto.

REFERENCIAS

Grupo de Estándares para Movimientos en Masa (GEMMA). (2007). Movimientos

en masa en la región andina: Una guía para la evaluación de amenzas. Publicación geológica multinacional No. 4. ISSN:0717-3733.En línea:

http://www.ingemmet.gob.pe/Images/zonificacion/GuiaEvaPeligros.pdf

Instituto Universitario de Microelectronica Aplicada. (s.f.). www.iuma.ulpgc.es. Recuperado el 11 de septiembre de 2013, de

http://www.iuma.ulpgc.es/~jrsendra/Docencia/Com_Opt_I/download/C

om_Opt_I/Temario/caracteristicas.pdf

López, R. (2003). Sensor de fibra óptica distribuido para medición de fugas de

hidrocarburos. Tesis PhD Division de Fisica Aplicada.Centr de

Investigación Cientifica y Educacion Superior de Ensenada Apdo.Post No.2732,CP22860,Ensenada,B.C.Mexico.Ensenada,Baja California

2003.

Salinas, I., Lopez, A., Garcés, I., Alonso, R., & Llobera, A. (2003). Estudio teórico y experimental de los mecanismos de atenuación . Universidad de

Zaragoza. Barcelona, España. Recuperado el 12 de Septiembre de

2013, de http://diec.unizar.es/intranet/articulos/uploads/Estudio%20teorico%20y

%20experimental%20de%20los%20mecanismos%20de%20atenuacion

%20de%20guias%20de%20onda%20rib%20ARROW%20curvas.pdf Universidad de San Carlos de Guatemala. (s.f.). www.usac.edu.gt. Recuperado el

12 de Septiembre de 2013, de

http://desastres.usac.edu.gt/documentos/docgt/pdf/spa/doc584/doc584-spa-4.pdf

AUTORES

CASTRILLÓN ZULUAGA, Silvana Alejandra.

Estudiante de octavo semestre de Ingeniería de

Telecomunicaciones en la Universidad

Pontificia Bolivariana. Nacida el 2 de Junio de

1990 en la ciudad de Medellín, realizó sus

estudios de primaria en los colegios Barbara

Micarelli, y el Colegio de la Inmaculada, en el

cual continuó y finalizo sus estudios de bachillerato, durante el mismo

fue reconocida con varias menciones de honor gracias a su rendimiento

académico. Perteneció a la Red de Escuelas durante los años 2001 al

2006, interpretando la Viola. Ganadora del segundo puesto Ingeniar 2007

en la categoría de principiante. Actualmente desempeña el cargo de

presidente de la Rama Estudiantil IEEE UPB y recibió recientemente a

mención a estudiante distinguida en la Facultad de Ingeniería de

Telecomunicaciones 2013.

HERNANDEZ VILLEGAS Julián Andrés.

Estudiante de séptimo semestre de Ingeniería de

telecomunicaciones. Nacido en Medellín el 28 de

febrero de 1991, realizo estudios de primaria y

bachillerato en el Liceo Salazar y Herrera de

Medellín, actualmente curso último semestre de

tecnología en telecomunicaciones en el instinto

tecnológico metropolitano y participo de los grupos de extensión cultural

de la UPB como vocalista.



NAVARRO JARAMILLO Juanita. Estudiante de

octavo semestre de Ingeniería de

telecomunicaciones. Nacida en Girardota el 5 de

septiembre de 1991, realizo estudios de primaria

y bachillerato en el Instituto Parroquial Nuestra

Señora de la Presentación de Girardota,

obteniendo mención de honor por logros

académicos en diferentes periodos, al igual fue personera estudiantil en

su institución, obteniendo por 3 años seguido medalla de sentido de

pertenencia y medalla de honor y mérito en su último año de estudio,

siempre fue parte de la selección de baloncesto tanto del colegio como de

Girardota.

ORREGO GONZÁLEZ Sergio Iván. Estudiante de

octavo semestre de ingeniería de

telecomunicaciones. Nacido en Medellín el 7 de

Marzo de 1992, estudios de primaria realizados en

la Universidad Pontifica Bolivariana, y el colegio

Jorge Zeledón Brenes de Costa Rica, logrando el

primer puesto en las pruebas académicas del

Estado en el grado sexto, bachillerato cursado en la UPB obteniendo

mención de honor por logros académicos en diferentes trimestres.

CARMONA RODRIGUEZ, Claudia. Docente

asociada de la Facultad de Ingeniería en

Tecnologías de Información y Comunicación de

la Universidad Pontificia Bolivariana. Miembro

del grupo de investigación GIDATI de la misma

universidad. Ingeniera Electrónica y Especialista

en Telecomunicaciones de la Universidad

Pontificia Bolivariana. Magister en Ingeniería de Telecomunicaciones de

la Universidad de Antioquia.

AMAYA-FERNÁNDEZ, Ferney. Docente asociado

de la Facultad de Ingeniería en Tecnologías de

Información y Comunicación de la Universidad

Pontificia Bolivariana. Miembro del grupo de

investigación GIDATI de la misma universidad.

Ingeniero Electrónico, Magister en Ingeniería de la

Universidad del Valle y Doctor en Ingeniería de la

Universidad Pontificia Bolivariana.

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