Sensori a fibra ottica a reticolo di Bragg: caratteristiche ed applicazioni.

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Sensori a fibra ottica a reticolo di Bragg
caratteristiche ed applicazioni.
Natale C. Pistoni Servizi di Ingegneria
Integrata e C.E.L.M.
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Sommario

• Introduzione ai Fiber Bragg Grating (FBG)
• FBG quali sensori di deformazione e temperatura
• Metodi di lettura
• Descrizione di uno strumento ottico per misure
  con i FBG
• Alcune applicazioni e risultati sperimentali
• Conclusione e sviluppi futuri

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Principio di funzionamento dei FBG
Variazioni periodiche dell'indice di rifrazione
del core della fibra ottica provocano la
riflessione della luce guidata ad una specifica
lunghezza d'onda, detta di Bragg. La relazione
tra questa lunghezza ed il periodo del reticolo è
la seguente
Dove neff è l'indice di rifrazione della fibra
ottica.
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Caratteristiche spettrali dei FBG
Forma spettrale del retroriflesso di un FBG
ottimizzato come wavelength locker
Forma spettrale della luce trasmessa e riflessa
da un FBG a banda larga
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FBG commerciali

• Lunghezza FBG 6 - 15 mm
• Riflettività 10 95
• Lunghezza d'onda banda di trasmissione della
  fibra ottica
• Caratteristiche meccaniche
• Resistenza alla temperatura riduzione della
  riflettività _at_ T200C 4 dopo 100 gg,
  6 dopo 1000gg
• Resistenza alla trazione carico di rottura
  tipico 4 Kg, corrispondente ad una elongazione
  del 4.5
• Durata sotto carico 20 anni sotto sforzo
  equivalente ad una elongazione dello 0.2

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Scrittura dei reticoli

• La scrittura dei reticoli avviene facendo
  incidere luce UV su una fibra ottica
  fotosensibile. L'intensità della luce è modulata
  spazialmente con lo stesso periodo del reticolo
  di Bragg che si desidera scrivere. Le tecniche
  utilizzate sono tipicamente due
• Scrittura diretta con proiezione
  dell'interferenza di due fasci UV opportunamente
  posizionati (Meltz, 1989).
• Scrittura mediante una maschera di fase (Hill,
  1993).

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Scrittura dei reticoli maschere di fase
Principio di funzionamento di una maschera di
fase. La fibra ottica da scrivere è a contatto
con la superficie della maschera di fase. La
scrittura avviene per illuminazione laterale
della fibra ottica.
Maschera di fase commerciale, di produzione
Ibsen. Sono indicati il periodo del reticolo
proiettato (1061.27 nm) e la lunghezza d'onda di
illuminazione (248 nm).
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Scrittura dei reticoli apodizzazione
Spettro retroriflesso da un FBG lungo 5,4 mm. Le
figure corrispondono al variare del tempo di
esposizione ala luce UV durante la scrittura. Un
maggior contrasto del reticolo corrisponde ad una
maggiore energia retroriflessa. fonte RP
Photonics Gmbh
La forma spetttrale del reticolo può essere
alterata cambiando il contrasto del reticolo
lungo lo stesso. Questa tecnica è detta
apodizzazione. fonte F.Trépanier and others
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Scrittura dei reticoli chirp
La variazione del periodo del reticolo viene
detto chirp. Esso provoca generalmente un
allargamento dello spettro retroriflesso. Fonte
SPIE's OEmagazine
Il chirp, l'apodizzazione e la modulazione della
fase del reticolo scritto possono essere
combinati tra loro per produrre risposte
spettrali anche complesse in funzione di
particolari esigenze applicative.. Ad esempio,
nelle telecomunicazioni su fibra ottica, i FBG
sono utilizzati quali filtri separatori di canali
(DWDM), compensatori di dispersione cromatica,
equalizzatori del guadagno di amplificatori
ottici (Gain Flattening Filters).
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I sensori FBG
Una variazione della spaziatura del reticolo
scritto in fibra provoca una variazione della
lunghezza d'onda del picco retroriflesso. Questo
fenomeno può essere provocato sia da una
variazione geometrica della spaziatura, sia da
una variazione del cammino ottico percorso dalla
luce all'interno del reticolo causata da un
cambio dell'indice di rifrazione del materiale.
Tipicamente la deformazione longitudinale della
fibra ottica e la sua dilatazione/contrazione e
variazione dell'indice di rifrazione causate da
una variazione della temperatura provocano un
cambiamento della lunghezza d'onda di picco
riflessa. La formula seguente esprime nel
dettaglio questo fenomeno
I coefficienti Pij sono i coefficienti di Pockel
del tensore elasto-ottico, n il coefficiente di
Poisson, a il coefficiente di espansione termica
della fibra. e è la deformazione applicata e DT
la variazione di temperatura.
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I sensori FBG

• Dalla formula precedente, usando i valori tipici
  per una fibra ottica dei vari coefficienti, si
  ottiene una variazione della lunghezza d'onda di
  Bragg riflessa di
• 1 pm/me
• 10 pm/C
• Dalla stessa formula appare inoltre
  l'impossibilità di differenziare il contributo
  meccanico di deformazione da quello termico di
  dilatazione/contrazione

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I sensori FBG

• Vantaggi
• Piccole dimensioni
• Durata nel tempo
• Insensibilità al rumore elettromagnetico
• Standard produttivo industriale
• Ottima insensibilità del sensore alle
  perturbazioni indotte sulla fibra ottica di
  congiunzione (variazioni di intensità,
  polarizzazione, ecc.)
• Facilità di integrazione e multiplazione di più
  sensori sulla stessa fibra ottica

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Sensori FBG grandezze fisiche misurabili

• Con opportuni accorgimenti, i FBG possono
  misurare
• Deformazioni, sforzi
• Temperatura
• Pressione
• Accelerazione
• Grandezze elettriche (corrente, tensione, campo
  magnetico, ecc.)

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FBG Metodi di lettura

• Misura dello spettro ottico retroriflesso
• Con un analizzatore di spettro ottico (OSA)
• Con un filtro accordabile (Fabry-Perot scan, FBG
  scan,etc.)
• Con filtri ottici a trasmissione lineare fissi
  (discriminatore)
• Con interferometria a luce bianca (Mach-Zehnder
  sbilanciato)
• Con sorgente ottica accordabile (laser scan)
• Trasformata di Fourier ottica

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FBG configurazione di lettura
La figura mostra la configurazione base di
lettura di FBG. Il segnale retroriflesso viene
analizzato con una delle tecniche ottiche in
precedenza elencate.
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Quale metodo di misura?

• Ognuno dei metodi di misura elencati ha vantaggi
  e svantaggi, che determinano il campo di
  applicazione più appropriato. La scelta si basa
  su più fattori
• Misure statiche o quasi-statiche
• Misure dinamiche
• Sensibilità, risoluzione, accuratezza,
  ripetibilità
• Velocità di lettura
• Numero di sensori sulla stessa fibra ottica
• Robustezza dello strumento (al movimento, ecc.)
• ...........

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Laser scan, Fabry-Perot scan
La sorgente usata è un laser accordabile in
lunghezza d'onda. La lunghezza d'onda di
emissione viene variata nel tempo e
contemporaneamente un fotorivelatore misura la
luce retroriflessa dal FBG.
Spettro ottico in trasmissione di un filtro
Fabry-Perot. Variando la spaziatura tra gli
elementi riflettenti i picchi di trasmissione del
filtro possono essere accordati alla lunghezza
d'onda desiderata.
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Lo strumento di misura OTTO

• Sistema di misura da banco OTTO
• Caratteristiche dello strumento
• Interfaccia TCP/IP

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La tecnologia utilizzata

• Processore dedicato a basso consumo
• Linux embedded

• Componenti ottici standard per telecomunicazioni
• Alta affidabilità

• Ottica ed elettronica integrate su scheda
  Eurocard 100x220
• Connettori ottici E2000

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Tecnica di lettura a filtri fissi
Spettro ottico in trasmissione di un filtro
lineare. L'intensità ottica trasmessa varia
linearmente con la lunghezza d'onda della luce
incidente. fonte Iridian
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Esempi di applicazioni reali

• Il sistema OTTO, in vari modelli, è stato
  utilizzato in collaborazione con i centri di
  ricerca ENEA Frascati e Casaccia per la misura
  di
• Grandi strutture (ponti, autostrade)
• Monitoraggio strutturale di modelli (resistenza a
  terremoti, vibrazioni strutturali, ecc.)
• Indagine su materiali compositi
• Analisi e monitoraggio di beni artistici

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Misure su grandi strutture
Ponte strumentato sull'autostrada A21, sul fiume
Po presso Cremona fonte Centro Ricerche ENEA
Frascati
Utilizzo di FBG per la pesatura dinamica del
traffico. È possibile determinare l'entità del
traffico e valutare il carico gravante sulla
struttura.
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Misure su grandi strutture
Misura della deformazione del ponte strumentato
sull'autostrada A21, causato dal passaggio di
mezzi pesanti. fonte Centro Ricerche ENEA
Frascati.
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Applicazione su modelli
Particolare dell'installazione dei FBG e degli
estensimetri convenzionali
ENEA Casaccia modello di struttura montata su
tavola vibrante per simulare gli effetti di
sismi. La struttura è strumentata con FBG e
sensori convenzionali (particolare a lato)
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Applicazione su modelli
Vista d'insieme e particolari dell'apparato
sperimentale. Fonte Centro Ricerche
ENEA Casaccia
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Applicazione su modelli
Le misure su due dei sensori installati.
fonte Centro Ricerche ENEA Casaccia
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Indagine su materiali compositi
Provino di materiale composito in cui è stato
inglobato un FBG
Set up sperimentale fonte Centro Ricerche ENEA
Frascati
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Indagine su materiali compositi
Misure di deformazione eseguite sul provino.
fonte Centro Ricerche ENEA Frascati
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Conservazione di beni artistici
Intervento sulla statua equestre del Colleoni, a
Venezia.
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Conservazione di beni artistici
Installazione dei sensori e particolare del
fissaggio della fibra ottica con sensore sulla
zampa anteriore destra del cavallo, sopra la zona
della riparazione già effettuata.
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Sviluppi futuri

• Realizzazione di una unità optoelettronica con
  assemblaggio di componenti microottici per
• Ridurre le dimensioni del sistema
• Ridurre i costi di realizzazione e la complessità
  di assemblaggio, soprattutto in applicazioni
  multicanale

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Sviluppi futuri

• Aumento della frequenza di campionamento per
• Misure dinamiche in campo aeronautico
• Analisi di difetti su materiali compositi
• Misura di vibrazioni in genere

• Misure conservative su affreschi, tele, ecc.

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Bibliografia

• A.D. Kersey, A. Davis and others Fiber Grating
  Sensors, J. Lightwave Technol. vol.15, p. 1442,
  1997
• A.D. Kersey and others Multiplexed fiber Bragg
  grating strain-sensor system with a fiber
  Fabry-Perot wavelength filter, Optics Letters
  vol.18, p. 1370, 1993
• M.G. Xu and others Fibre grating pressure sensor
  with enhanced sensitivity using a glass-bubble
  housing, Electon. Lett. vol.32, p. 128, 1996
• Note Tecniche C.E.L.M. sulle applicazioni dei FBG

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Ringraziamenti
Desidero ringraziare per aver reso disponibile
buona parte del materiale presentato Dott.
Michele Caponero, Centro Ricerche ENEA
Frascati Ing. Roberto Campari, Ing. Franco
Corbani, Ing. Paolo Tagliabue di C.E.L.M. Snc
per la disponibilità
dell'unità
dimostrativa del sistema di
interrogazione OTTO.