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Sensori in Fibra Ottica per monitoraggio strutturale, ambientale ed industriale Fabrizio Di Pasquale Pavia, Martedì 7 Luglio, 2015.

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Presentazione sul tema: "Sensori in Fibra Ottica per monitoraggio strutturale, ambientale ed industriale Fabrizio Di Pasquale Pavia, Martedì 7 Luglio, 2015."— Transcript della presentazione:

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2 Sensori in Fibra Ottica per monitoraggio strutturale, ambientale ed industriale Fabrizio Di Pasquale Pavia, Martedì 7 Luglio, 2015

3 TeCIP Institute of Communication, Information and Perception Technologies of Scuola Superiore Sant’Anna

4 TeCIP - Organigramma CNIT LNFR Director: Prof. E. Forestieri Human - Robot Interaction Real-Time Systems Networks & Services Optical Communication Systems Optical Communication Theory & Techniques Optical Fiber Sensors & Integrated Photonic Subsystems High capacity Optical Communications Digital & Microwave Photonics Resource Management Embedded Systems Design Computer Graphics and Virtual Environments Intelligent Automation Systems TeCIP Institute Director: Prof. G. Prati Communication Coordinator: Prof. E. Ciaramella Embedded Systems Coordinator: Prof. G. Buttazzo Perceptual Robotics Coordinator: Dr. C.A. Avizzano IRCPhoNeT Networks of Embedded Systems Security, Environment Energy and Safety (SEES) Center Livorno Advanced Robotics Research Center (Gustavo Stefanini Center) La Spezia Advanced Technologies for Integrated Photonics CNIT Silicon Photonics Design Center Integrated Photonic Technologies Center (InPhoTeC Center)

5 Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio /33 Principali Collaborazioni Aziendali

6 Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio /33 La Fibre Ottiche per Telecomunicazioni Il segnale trasmesso è costituito da treno di impulsi di LUCE (fotoni in termini di particelle elementari) Velocità di trasmissione superiori al Tb/s su singola fibra ottica ( 1000 miliardi di bit al secondo ! )

7 Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio /33 Rivestimento Protettivo (jacket) µm Cladding: 125 µm Core: 9 – 62.5 µm La Fibre Ottiche per Telecomunicazioni Fibra ottica costituita da un materiale vetroso o plastico trasparente (cilindro interno con indice di rifrazione più elevato di quello esterno) 1 µm : 1 millesimo di millimetro

8 Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio /33 La propagazione in fibra ottica descritta in termini di ottica geometrica dal fenomeno della riflessione totale Solo raggi corrispondenti a determinati angoli di incidenza possono essere guidati all’interno del core della fibra ( Modi Guidati ) Propagazione in Fibra Ottica Modi Guidati Distorsione Region 2  2,  2, n 2 Region 1  1,  1, n 1 ii rr tt x z

9 Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio /33 Fibre Ottiche Monomodali e Multimodali Core: 9 µm, Cladding: 125 µm 1 µm : 1 millesimo di millimetro Core: 50 µm, Cladding: 125 µm Core: 65 µm, Cladding: 125 µm

10 Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio /33 Propagazione in Fibra Ottica Modi Guidati James Clerk Maxwell ( ) I modi guidati nelle fibre ottiche sono soluzioni delle Equazioni di Maxwell

11 Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio /33 Reti Dorsali Sottomarine in Fibra Ottica

12 Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio /33 Reti Dorsali Terrestri in Fibra Ottica (USA)

13 Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio /33 Sistemi di Comunicazione in Fibra Ottica testi immagini filmati suoni applicazioni Il tutto codificato in formato digitale 1 Ampiezza tempo intervallo di bit 1 secondo 8 b/s 0 Velocità tipiche : da 10 Gb/s fino a oltre 1 Tb/s

14 Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio /33 Sistemi di Comunicazione in Fibra Ottica Laser (Tx) Ricevitore (Rx) Le informazioni su Internet viaggiano in format di pacchetti di bit I pacchetti vengono spediti e gestiti autonomamente sulla rete

15 Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio /33 Cavi in Fibra Ottica per Telecomunicazioni I cavi in fibra ottica per telecomunicazioni devono essere protetti da interferenze esterne (umidità, pressione, temperatura, sollecitazioni meccaniche …)

16 Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio /33 La Fibra Ottica come SENSORE Fibre ottiche sensibili a parametri fisici esterni che ne modificano le caratteristiche di propagazione possono essere utilizzate come SENSORI OTTICI

17 Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio /33 Sorgente di luce accoppiata in fibra ottica Area sensibile a parametri fisici esterni x che modificano le caratteristiche della luce trasmessa o riflessa TRASDUTTORE Fotoricevitore : converte il segnale ottico riflesso o trasmesso in segnale elettrico da cui si estraggono i parametri fisici x (umidità, pressione, temperatura, strain …) Sensori in Fibra Ottica

18 Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio /33 Sensori in Fibra Ottica Vantaggi rispetto ai sensori tradizionali Immuni a interferenze elettromagnetiche Leggeri, poco ingombranti Facilmente integrabili nelle strutture da monitorare Tempi di vita elevati Adatti ad ambienti ostili (radiazioni nucleari, alte temperature e pressioni, idrogeno, …) Multiplazione spaziale, nel dominio della frequenza e del tempo di molti sensori ottici puntuali lungo la stessa fibra ottica Sensori distribuiti (la fibra ottica stessa è il sensore) (termocoppie, estensimetri, accelerometri …)

19 Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio /33 UN APPROCCIO MULTIDISCIPLINARE ! Sensori in Fibra Ottica Ingegneria strutturale Oil &Gas Energia Ambiente Biosensori Business Development Research & Development Ingegneri civili Geologi, Fisici Chimici, Biologi, Fisici, Bio-Ingegneri Ingegneri elettrotecnici, elettronici, meccanici, Nucleari, Fisici Aerospazio Ingegneri aerospaziali, meccanici, Fisici Fisici Ingegneri Informatici Economisti Matematici Geologi Chimici Biologi Filosofi ….. Ingegneri delle produzione elettronici, meccanici,

20 Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio /33 Sensori in Fibra Ottica Puntuali (FBG) Reticoli di Bragg (FBG): come funzionano ? Variazioni periodiche dell’indice di rifrazione del core della fibra riflettono parte dello spettro in ingresso La posizione del picco riflesso dipende da temperatura e deformazione locali (dalla posizione del picco di può risalire al parametro fisico) Si possono multiplare centinaia di FBG lungo la stessa fibra ottica per misurare temperature e deformazioni in vari punti critici di infrastrutture civili ed industriali Utilizzando opportuni trasduttori si possono misurare altre grandezze fisiche: pressione, umidità, accelarazione, carico, vibrazioni ….

21 Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio /33 Sensori in Fibra Ottica FBG Monitoraggio Ponti Monitoraggio Binari Monitoraggio Oleodotti e Gasdotti Monitoraggio Turbine Temperature, pressione, vibrazioni Conta assi, pesatura dinamica, deformazioni, vibrazioni Stabilità strutturale Antintrusione, stabilità strutturale Aerospazio Vibrazioni. deformazioni

22 Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio /33 Sensori in Fibra Ottica Puntuali (FBG) Temperatura in loose tube standard Temperatura in loose tube per ambienti aggressivi Temperatura interna valvole, turbine … Strain e temperatura in package saldabile o avvitabile Strain Cella di carico Sensore di pressione Accelerometro Stress, compressione, carico in cemento armato

23 Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio /33 Interrogatori per Sensori FBG Smart Fibres Micron Optics Bayspec Technobis

24 Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio /33 Sensori in Fibra Ottica FBG Misure FBG con risoluzioni dell’ordine di n ε 1 nε : variazione di 1 miliardesimo di metro su 1 metr O Esempio: misura dei livelli di maree strain sensitivity: kHz/nε

25 Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio /33 Biosensori in Fibra Ottica Riconoscimento di bio-molecole all’interfaccia di µFBG FBG utilizzati come biosensori

26 Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio /33 Sensori in Fibra Ottica Distribuiti La fibra ottica stessa è l’elemento sensibile ! Fibra ottica come sensore distribuito di deformazione (monitoraggio strutturale: ponti, dighe, edifici …) Fibra ottica come sensore distribuito di temperatura (monitoraggio processi di estrazione petrolifera, perdite in oleodotti e gasdotti, monitoraggio cavi energia, antincendio …) Fibra ottica come sensore distribuito di vibrazioni (anti-intrusione e rilevazione perdite …)

27 Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio /33 Sensori Distribuiti in Fibra Ottica Come funzionano ? Misurano la retroriflessione di impulsi ottici accoppiati in fibra ottica dovuta a fenomeni di scattering: Rayleigh (diffusione elastica di onda luminosa dovuta a inomogeneità del materiale) Raman (diffusione anelastica dovuta a interazioni con vibrazioni molecolari) Brillouin (diffusione anelastica dovuta a interazioni con onde acustiche) Tx Rx Parte della radiazione incidente viene retroriflessa e può essere misurata al ricevitore Rx Raman dipende dalla tempeartura T Brillouin dipende da temperatura T e deformazione ε

28 Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio /33 Cavi in Fibra Ottica per Sensoristica Cavi Speciali per ambienti aggressivi Oil & Gas Sensori Raman DTS Cavi in fibra ottica integrati in geogriglie Sensori Brillouin. Cavi interrati antintrusione Sensori DAS. Cavo in fibra ottica per misura distribuita di temperatura e strain Sensori Brillouin

29 Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio /33 Sensori Distribuiti in Fibra Ottica Come funzionano ? Retrodiffusione di impulsi ottici inviati periodicamente in fibra Traccia OTDR: il tempo di volo T dell’impulso è convertito in distanza Misura di scattering Rayleigh (perdite/vibrazioni), Raman ( Temperatura) e Brillouin (Temperatura e deformazione) Riflettometria nel dominio del tempo Laser Detector Tx Rx Cavo in fibra ottica Risoluzione Spaziale (dipende dalla durata dell’impulso ottico) 10 ns 1 m 1 ns 10 cm

30 Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio /33 Interrogatori per Sensori Distribuiti DAS Raman DTS Brillouin

31 Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio /33 Sensori Distribuiti di Deformazione e Temperatura (Brillouin) Ponti SHM oleodotti e gasdotti Cavi energia Autostrade

32 Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio /33 Sensori Distribuiti di Temperatura Raman DTS Antincendio Cavi energia Pozzi estrazione Perdite in oleodotti Dighe

33 Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio /33 Sensori Distribuiti di Vibrazioni DAS I sistemi DAS utilizzano lo diffusione di Rayleigh per misura distribuita di onde acustiche Impulsi di luce coerente sono accoppiati in fibra ottica singolo modo e la retrodiffusione coerente di Rayleigh è rilevata al ricevitore Analisi della composizione del suolo Rilevamento perdite Antintrusione

34 Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio /33 thank you!


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