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

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

2. Pavia 01-12-2006 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

3. Pavia 01-12-2006 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.

4. Pavia 01-12-2006 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

5. Pavia 01-12-2006 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 @ 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%

6. Pavia 01-12-2006 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).

7. Pavia 01-12-2006 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).

8. Pavia 01-12-2006 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

9. Pavia 01-12-2006 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).

10. Pavia 01-12-2006 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.

11. Pavia 01-12-2006 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

12. Pavia 01-12-2006 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

13. Pavia 01-12-2006 Sensori FBG: grandezze fisiche misurabili • Con opportuni accorgimenti, i FBG possono misurare: • Deformazioni, sforzi • Temperatura • Pressione • Accelerazione • Grandezze elettriche (corrente, tensione, campo magnetico, ecc.)

14. Pavia 01-12-2006 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

15. Pavia 01-12-2006 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.

16. Pavia 01-12-2006 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.) • ...........

17. Pavia 01-12-2006 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.

18. Pavia 01-12-2006 Lo strumento di misura OTTO • Sistema di misura da banco OTTO • Caratteristiche dello strumento • Interfaccia TCP/IP

19. Pavia 01-12-2006 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

20. Pavia 01-12-2006 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

21. Pavia 01-12-2006 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

22. Pavia 01-12-2006 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.

23. Pavia 01-12-2006 Misure su grandi strutture Misura della deformazione del ponte strumentato sull'autostrada A21, causato dal passaggio di mezzi pesanti. fonte Centro Ricerche ENEA Frascati.

24. Pavia 01-12-2006 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)

25. Pavia 01-12-2006 Applicazione su modelli Vista d'insieme e particolari dell'apparato sperimentale. Fonte Centro Ricerche ENEA Casaccia

26. Pavia 01-12-2006 Applicazione su modelli Le misure su due dei sensori installati. fonte: Centro Ricerche ENEA Casaccia

27. Pavia 01-12-2006 Indagine su materiali compositi Provino di materiale composito in cui è stato inglobato un FBG Set up sperimentale fonte Centro Ricerche ENEA Frascati

28. Pavia 01-12-2006 Indagine su materiali compositi Misure di deformazione eseguite sul provino. fonte Centro Ricerche ENEA Frascati

29. Pavia 01-12-2006 Conservazione di beni artistici Intervento sulla statua equestre del Colleoni, a Venezia.

30. Pavia 01-12-2006 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.

31. Pavia 01-12-2006 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

32. Pavia 01-12-2006 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.

33. Pavia 01-12-2006 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

34. Pavia 01-12-2006 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.