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

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

TeCIP Institute TeCIP - Organigramma Communication IRCPhoNeT Director: Prof. G. Prati Networks & Services Optical Communication Systems Optical Communication Theory & Techniques Optical Fiber Sensors & Integrated Photonic Subsystems CNIT Silicon Photonics Design Center Communication Coordinator: Prof. E. Ciaramella IRCPhoNeT High capacity Optical Communications Digital & Microwave Photonics Advanced Technologies for Integrated Photonics Integrated Photonic Technologies Center (InPhoTeC Center) CNIT LNFR Director: Prof. E. Forestieri Real-Time Systems Resource Management Embedded Systems Design Networks of Embedded Systems Embedded Systems Coordinator: Prof. G. Buttazzo Perceptual Robotics Coordinator: Dr. C.A. Avizzano Human - Robot Interaction Computer Graphics and Virtual Environments Intelligent Automation Systems Security, Environment Energy and Safety (SEES) Center Livorno Advanced Robotics Research Center (Gustavo Stefanini Center) La Spezia 3

Principali Collaborazioni Aziendali

La Fibre Ottiche per Telecomunicazioni 1 … 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 !)

Rivestimento Protettivo (jacket) 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) Rivestimento Protettivo (jacket) 250 - 900 µm Cladding: 125 µm Core: 9 – 62.5 µm 1 µm : 1 millesimo di millimetro

Propagazione in Fibra Ottica fenomeno della riflessione totale Modi Guidati Region 2 2, 2, n2 Region 1 1, 1, n1 i r t x z 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) Distorsione

Fibre Ottiche Monomodali e Multimodali Core: 65 µm, Cladding: 125 µm Core: 50 µm, Cladding: 125 µm Core: 9 µm, Cladding: 125 µm 1 µm : 1 millesimo di millimetro

Propagazione in Fibra Ottica Modi Guidati I modi guidati nelle fibre ottiche sono soluzioni delle Equazioni di Maxwell James Clerk Maxwell (1831-1879)

Reti Dorsali Sottomarine in Fibra Ottica

Reti Dorsali Terrestri in Fibra Ottica (USA)

Sistemi di Comunicazione in Fibra Ottica applicazioni testi filmati suoni immagini Il tutto codificato in formato digitale 110011001 1 Ampiezza tempo intervallo di bit 1 secondo 8 b/s Velocità tipiche: da 10 Gb/s fino a oltre 1 Tb/s

Sistemi di Comunicazione in Fibra Ottica Laser (Tx) Ricevitore (Rx) 1 … Le informazioni su Internet viaggiano in format di pacchetti di bit I pacchetti vengono spediti e gestiti autonomamente sulla rete

Cavi in Fibra Ottica per Telecomunicazioni I cavi in fibra ottica per telecomunicazioni devono essere protetti da interferenze esterne (umidità, pressione, temperatura, sollecitazioni meccaniche …)

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

Sensori in Fibra Ottica 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 Vantaggi rispetto ai sensori tradizionali (termocoppie, estensimetri, accelerometri …) 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)

UN APPROCCIO MULTIDISCIPLINARE ! Fisici Ingegneri Informatici Economisti Matematici Geologi Chimici Biologi Filosofi ….. Business Development Research & Development Ingegneri civili Ingegneria strutturale Oil &Gas Sensori in Fibra Ottica Ingegneri delle produzione elettronici, meccanici, Ingegneri elettrotecnici, elettronici, meccanici, Nucleari, Fisici Geologi, Fisici Energia Ambiente Biosensori Aerospazio Chimici, Biologi, Fisici, Bio-Ingegneri Ingegneri aerospaziali, meccanici, Fisici

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 ….

Sensori in Fibra Ottica FBG Monitoraggio Oleodotti e Gasdotti Monitoraggio Turbine Monitoraggio Ponti Temperature, pressione, vibrazioni Aerospazio Vibrazioni. deformazioni Stabilità strutturale Monitoraggio Binari Monitoraggio Oleodotti e Gasdotti Conta assi, pesatura dinamica, deformazioni, vibrazioni Antintrusione, stabilità strutturale

Sensori in Fibra Ottica Puntuali (FBG) Temperatura in loose tube standard in loose tube per ambienti aggressivi Temperatura interna valvole, turbine … Stress, compressione, carico in cemento armato Strain Strain e temperatura in package saldabile o avvitabile Sensore di pressione Accelerometro Cella di carico

Interrogatori per Sensori FBG Micron Optics Smart Fibres Bayspec Technobis

Sensori in Fibra Ottica FBG Misure FBG con risoluzioni dell’ordine di nε 1 nε : variazione di 1 miliardesimo di metro su 1 metrO Esempio: misura dei livelli di maree strain sensitivity: 114.0 kHz/nε

Biosensori in Fibra Ottica FBG utilizzati come biosensori Riconoscimento di bio-molecole all’interfaccia di µFBG

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 …)

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 Brillouin dipende da temperatura T e deformazione ε Raman dipende dalla tempeartura T

Cavi in Fibra Ottica per Sensoristica Cavi Speciali per ambienti aggressivi Oil & Gas Sensori Raman DTS Cavo in fibra ottica per misura distribuita di temperatura e strain Sensori Brillouin Cavi in fibra ottica integrati in geogriglie Sensori Brillouin . Cavi interrati antintrusione Sensori DAS .

Sensori Distribuiti in Fibra Ottica Come funzionano ? Riflettometria nel dominio del tempo Cavo in fibra ottica Tx Laser Detector Rx 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) Risoluzione Spaziale (dipende dalla durata dell’impulso ottico) 10 ns 1 m 1 ns 　10 cm

Interrogatori per Sensori Distribuiti Brillouin Raman DTS DAS

Sensori Distribuiti di Deformazione e Temperatura (Brillouin) Ponti Autostrade Cavi energia SHM oleodotti e gasdotti

Sensori Distribuiti di Temperatura Raman DTS Antincendio Cavi energia Pozzi estrazione Perdite in oleodotti Dighe

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 Rilevamento perdite Antintrusione Analisi della composizione del suolo

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