OttoXLight - Sensori in fibra ottica

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Presentazione di OttoXLight, Interrogatore FBG realizzato in collaborazione da CELM e Optoi Microelectronics.

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  • 1. Sensori in fibra ottica a reticolo di Bragg- Caratteristiche ed applicazioni - www.celm-sistemi.it 12/04/12 1
  • 2. SommarioIntroduzione ai Fiber Bragg Grating (FBG)FBG come sensori di deformazione e temperaturaOttoXLight: uno strumento ottico per misure con i FBGAlcune applicazioni e risultati sperimentaliRingraziamenti www.celm-sistemi.it 12/04/12 2
  • 3. FBG: principio di funzionamento Variazioni periodiche dellindice di rifrazione del core della fibra ottica provocano la riflessione della luce guidata ad una specifica lunghezza donda, detta di Bragg. La relazione tra questa lunghezza ed il periodo del reticolo è la seguente:  Bragg =2⋅neff ⋅ Dove neff è lindice di rifrazione della fibra ottica. www.celm-sistemi.it 12/04/12 3
  • 4. FBG commerciali● Lunghezza FBG (tipica): 1 - 15 mm● Riflettività: 1 – 95 %● Lunghezza donda: banda di trasmissione della fibra ottica● Caratteristiche meccaniche: Resistenza alla temperatura: riduzione della riflettività @ T=200°C 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% www.celm-sistemi.it 12/04/12 4
  • 5. Scrittura dei reticoli● La scrittura dei reticoli avviene facendo incidere luce UV su una fibra ottica fotosensibile. Lintensità 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 dellinterferenza di due fasci UV opportunamente posizionati (Meltz, 1989). Scrittura mediante una “maschera di fase” (Hill, 1993). www.celm-sistemi.it 12/04/12 5
  • 6. Produzione 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, diproduzione Ibsen.Sono indicati il periodo del reticoloproiettato (1061.27 nm) e lalunghezza donda di illuminazione(248 nm). www.celm-sistemi.it 12/04/12 6
  • 7. Produzione dei reticoli: Scrittura diretta Scrittura di FBG su fibra ottica direttamente sulla torre di filatura (DTG gratings): i reticoli vengono impressi sulla fibra ottica prima della deposizione del coating. Questo processo garantisce una elavata resistenza meccanica alla trazione Fonte: FBGS International Scrittura olografica diretta www.celm-sistemi.it 12/04/12 7
  • 8. I sensori FBGUna variazione della spaziatura del reticolo scritto in fibra provoca unavariazione della lunghezza donda del picco retroriflesso.Questo fenomeno può essere provocato sia da una variazione geometricadella spaziatura, sia da una variazione del cammino ottico percorso dalla luceallinterno del reticolo causata da un cambio dellindice di rifrazione delmateriale. Tipicamente la deformazione longitudinale della fibra ottica e la suadilatazione/contrazione e variazione dellindice di rifrazione causate da unavariazione della temperatura provocano un cambiamento della lunghezzadonda di picco riflessa. La formula seguente esprime nel dettaglio questofenomeno: {  [ ]   dn eff   Bragg =2 neff  1− neff 2  } [ P 12−  P11P12 ]   n dT eff TI coefficienti Pij sono i coefficienti di Pockel del tensore elasto-ottico, ν ilcoefficiente di Poisson, α il coefficiente di espansione termica della fibra.e è la deformazione applicata e ∆T la variazione di temperatura. www.celm-sistemi.it 12/04/12 8
  • 9. I sensori FBGDalla formula precedente, usando i valoritipici per una fibra ottica dei varicoefficienti, si ottiene una variazione dellalunghezza donda di Bragg riflessa di: 1 pm/µε 10 pm/°CDalla stessa formula appare inoltrelimpossibilità di differenziare il contributomeccanico di deformazione da quellotermico di dilatazione/contrazione www.celm-sistemi.it 12/04/12 9
  • 10. Sensori FBG: i vantaggiPiccole dimensioniDurata nel tempo → Ridotti costi di manutenzioneInsensibilità al rumore elettromagneticoStandard produttivo industrialeOttima insensibilità del sensore alle perturbazioniindotte sulla fibra ottica di congiunzione (variazionidi intensità, polarizzazione, ecc.)Facilità di integrazione e multiplazione di piùsensori sulla stessa fibra ottica www.celm-sistemi.it 12/04/12 10
  • 11. Sensori FBG: grandezze fisiche misurabili● Con opportuni accorgimenti, i FBG possono misurare: Deformazioni, sforzi Temperatura Pressione Accelerazione Grandezze elettriche (corrente, tensione, campo magnetico, ecc.) www.celm-sistemi.it 12/04/12 11
  • 12. FBG: configurazione di letturaLa figura mostra la configurazione base di lettura di FBG. Il segnale retroriflessoviene analizzato con una delle tecniche ottiche in precedenza elencate. www.celm-sistemi.it 12/04/12 12
  • 13. Lo strumento di misura OTTOSistema di misura da bancoOttoXLight www.celm-sistemi.it 12/04/12 13
  • 14. Tecnologia ProprietariaUnità optoelettronica realizzata con assemblaggiodi componenti microottici Dimensioni ridotte Compatto e leggeroCosti contenuti e semplicerealizzazione di unità multicanale www.celm-sistemi.it 12/04/12 14
  • 15. Esempi di applicazioni reali● Il sistema OTTO, in vari modelli ed in collaborazione con Università, Aziende e contri di ricerca, è utilizzato per Monitoraggio 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 e architettonici Monitoraggio ambientale www.celm-sistemi.it 12/04/12 15
  • 16. Misure su grandi strutture Ponte strumentato sullautostrada A21, sul fiume Po presso Cremona fonte Centro Ricerche ENEA FrascatiUtilizzo di FBG per la pesaturadinamica del traffico.È possibile determinare lentitàdel traffico e valutare il caricogravante sulla struttura. www.celm-sistemi.it 12/04/12 16
  • 17. Misure su grandi struttureMisura della deformazione del ponte strumentato sullautostrada A21,causato dal passaggio di mezzi pesanti.fonte Centro Ricerche ENEA Frascati. www.celm-sistemi.it 12/04/12 17
  • 18. Monitoraggio antisismico: prove su modelli strutturali Particolare dellinstallazione dei FBG e degli estensimetri convenzionaliENEA Casaccia: modello di struttura montatasu tavola vibrante per simulare gli effetti disismi.La struttura è strumentata con FBG e sensoriconvenzionali (particolare a lato) www.celm-sistemi.it 12/04/12 18
  • 19. Monitoraggio antisismico: prove su modelli strutturaliVista dinsieme e particolari dellapparatosperimentale. Fonte Centro Ricerche ENEA Casaccia www.celm-sistemi.it 12/04/12 19
  • 20. Monitoraggio antisismico: segnali ad alta frequenzaLe misure su due dei sensori installati. fonte: Centro Ricerche ENEA Casaccia www.celm-sistemi.it 12/04/12 20
  • 21. Monitoraggio antisismico: idea di applicazioneEdifici prefabbricati con struttura portante in legno Verifica delle strutture portanti e dei vincoli in seguito a evento sismico e/o atmosferico (azione del vento) Rapidità dintervento Verifiche supportate da “misure” Costruzione di un database per interventi di manutenzione “on demamd” Integrazione con sistemi a Fibra Ottica di monitoraggio ambientale e difesa del territorioSchema di trasmissione delle forze orizzontali neisistemi costruttivi a pannelli intelaiatiFonte: Prof. Ing. R. Tomasi[*], Giornale dellIngegnere – 01/03/2011[*] Dip. Ing. Meccanica e Strutturale Università di Trento www.celm-sistemi.it 12/04/12 21
  • 22. Monitoraggio antisismico: idea di applicazioneSchema delle azioni sismiche su parete X-LAM o PLATFORM FRAME Ribaltamento Scorrimento Connettori Hold-down e Angolari per contrastare le azioni sismiche e dissipare energia Dissipazione per deformazione plastica dei connettori È utile monitorare gli elementi dissipativi con sensori FBG www.celm-sistemi.it 12/04/12 22
  • 23. Monitoraggio antisismico: idea di applicazioneIn caso di pareti a telaio gli elementi dissipativi (connettori) sonoi chiodi che fissano il pannello al telaio Insufficiente dissipazione sui connettori (chiodi) può generare uno stato di sforzo sul pannello Può essere utile un sensore sul pannello Semplice verifica post-evento delle condizioni della struttura www.celm-sistemi.it 12/04/12 23
  • 24. Inglobamento in Cemento Armato Alcune fasi di taratura dei sensori FBG in macchina di trazione ...... e posa in travi di Cemento Armato www.celm-sistemi.it 12/04/12 24
  • 25. Indagine su materiali compositi Provino di materiale composito in cui è stato inglobato un FBG Misure di deformazione eseguite sul provino. fonte Centro Ricerche ENEA Frascati www.celm-sistemi.it 12/04/12 25
  • 26. Indagine su materiali compositi Prova di flessione a 4 punti su un campione in fibra di carbonio per impieghi aeronautici: misure comparative con estensimetri resistiviRisultati sperimentali ottenuti condiverse tecniche di misura: esensimetri(blu), ed FBG rilevati con due strumentidi misura, OTTO (rosso) e OSA (giallo) www.celm-sistemi.it 12/04/12 26
  • 27. Materiali compositi per il settore Energia: esempio di applcazione Monitoraggio delle pale: Delaminazione Danno da impatto Controllo strutture di fondazione e ancoraggi Manutenzione on demand Riduzione tempi di fermo macchina Vantaggio economico www.celm-sistemi.it 12/04/12 27
  • 28. Conservazione di beni artistici Intervento sulla statua equestre del Colleoni, a Venezia. www.celm-sistemi.it 12/04/12 28
  • 29. 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. www.celm-sistemi.it 12/04/12 29
  • 30. Monitoraggio di beni architettonici Monitoraggio del fuori piiombo del campanile della Chiesa di S. Martino a Cardana di Besozzo (VA)Installazione di sensori a base lungaallinterno della torre campanaria www.celm-sistemi.it 12/04/12 30
  • 31. Monitoraggio ambientaleAnalisi di vulnerabilità dei ponti mediante monitoraggio della quota del fondo con sensori afibre ottiche [1] Borgoforte (MN) Borgoforte Pila 33 [1] G. Crotti, F Ballio, S. Franzetti – Dip. Ing. Idraulica Politecnico di Milano www.celm-sistemi.it 12/04/12 31
  • 32. Monitoraggio ambientaleSchema strutturale Dal monitoraggio al coefficiente di rischio FV F vento MV Quota max Monitoraggio continuo tirante Creazione database storicoq acqua Database per elaborazioni/interpretazioni(F acqua) Mitigazione del rischio: vite umane Quota rif. fondo Salvaguardia struttura ds Sezioni critiche www.celm-sistemi.it 12/04/12 32
  • 33. Monitoraggio ambientaleIl monitoraggio della quota di fondo ha permesso di rilevare problematiche di stabilità dialcune pile del ponte dovute a fenomeni erosivi e di intervenire con rinforzi strutturali Pila 33 Pila 32 Pila 31 Pila 30 pre post Pile 33, 32 e 31 interessate da forte erosioneBatimetria AIPO 2001 (rosso) Rilievo post eventoNovembre 2000 (Q ≈ 12000 m3/s, T = 100 anni ca.) Pila 32 15 metri ca. di buca Rinforzo strutturale 2005-2008 www.celm-sistemi.it 12/04/12 33
  • 34. Monitoraggio ambientaleMonitoraggio della quota del fondo nella sezione di chiusura del bacino della ValCanaria (Airolo – CH) mediandte sedimetro ottico a FBGImportanza di tale misura:In caso di trasporto solido  interrimento della sezione  le misure di portata forniscono undato sbagliato. Conoscere la quota del fondo consente di definire la reale portata chetransita nella sezioneNel caso specifico, la conoscenza della quota del fondo, consente una più efficientegestione della presa d’acqua in termini di manutenzione. www.celm-sistemi.it 12/04/12 34
  • 35. RingraziamentiAlcune delle attività presentate sono state svolte in collaborazione con:Centro Ricerche Frascati Dipartimento di Ingegneria AerospazialeCentro Ricerche Casaccia Dipartimento di Ingegneria Idraulica - GRAZIE PER LATTENZIONE - www.celm-sistemi.it 12/04/12 35