Optical fiber sensors based on nanostructured materials for environmental applications

Abstract

La contaminación ambiental es la presencia de agentes físicos, químicos o biológicos presentes en el agua, suelo y aire; siendo perjudiciales para la salud de las personas, así como para la vida vegetal y animal. Las actividades económicas son esenciales para el desarrollo de la sociedad, sin embargo, muchas de estas actividades son una fuente de contaminación constante. Por ejemplo, la fuga de fluidos y gases en plantas industriales afectan negativamente a la salud e higiene para la elaboración de alimentos, bebidas, aditivos y materias primas causando un impacto ambiental y económico negativo en la industria. La búsqueda continua de métodos para el desarrollo de sistemas de medición es una característica de la evolución tecnológica de la humanidad. Las fibras ópticas presentan varias ventajas para ser empleadas en sistemas sensores; tales ventajas son: inmunidad a la interferencia electromagnética, dimensiones reducidas, ligeras, bajas pérdidas, fácil multiplexación y resistencias a la corrosión, entre otras. En general, podemos encontrar una amplia gama de aplicaciones en la industria para el desarrollo de sensores en fibra óptica. Sin embargo, en esta tesis se han seleccionado tres aplicaciones industriales de interés relevante: detección de gas amoniaco a bajas concentraciones, detección de adulteración en bebidas alcohólicas y detección de adulteración de combustibles. Se caracterizan los parámetros de los sensores desarrollados tales como la sensitividad, reversibilidad, reproducibilidad y precisión para la medición de cada tipo de sensor. Los resultados obtenidos en esta tesis serán útiles en el estudio de nuevos materiales aplicables a sensores ópticos, permitiendo la apertura a nuevas vías de investigación en el campo de los sensores en fibra óptica para aplicaciones industriales.

Environmental pollution is the presence of physical, chemical or biological agents in water, soil and air which are harmful to our health, safety and welfare of the people as well as plant and animal life. Economic activities are essential to the development of society; however, many of these activities are a constant source of contamination. For example, leakage of fluids and gases in industrial plants adversely affect the health and hygiene for food processing, beverages, additives and raw materials causing serious environmental and economic impact on the general industry. The continual search for methods for developing measurement systems is a feature in the technological evolution of humankind. Optical fibers exhibit several advantages such as being immune to electromagnetic interferences, reduced dimensions, lightweight, low losses, easy multiplexation and resistant to corrosion for the development of optical fibers sensors. However, we selected three applications were the principle of operation of our sensor provides an advantage over other reported sensors: gaseous ammonia detection for low concentrations, adulteration of alcoholic beverages detection and combustibles quality control. The overall objective of this research is to design, fabricate, deploy and verify the correct operation of optical fiber structures for the identification of interesting liquid and gaseous environmental pollutants. The sensors parameters such as its sensitivity, reversibility, reproducibility and accuracy of measurement for each type of sensor are also characterized. These results obtained from this thesis would be a useful work in the study of new materials applicable to optical sensors, while opening new avenues of research in the field of optical fiber sensors for industrial applications.