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

1. Sensori in fibra ottica
a reticolo di Bragg
- Caratteristiche ed applicazioni -
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2. Sommario
Introduzione ai Fiber Bragg Grating (FBG)
FBG come sensori di deformazione e temperatura
OttoXLight: uno strumento ottico per misure con i FBG
Alcune applicazioni e risultati sperimentali
Ringraziamenti
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3. FBG: principio di funzionamento
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:
 Bragg =2⋅neff ⋅
Dove neff è l'indice di
rifrazione della fibra
ottica.
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4. FBG commerciali
● Lunghezza FBG (tipica): 1 - 15 mm
● Riflettività: 1 – 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%
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5. 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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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, 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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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
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8. 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:
{  [ ]  
dn eff
  Bragg =2 neff  1−
neff
2  }
[ P 12−  P11P12 ]   n
dT
eff
T
I coefficienti Pij sono i coefficienti di Pockel del tensore elasto-ottico, ν il
coefficiente di Poisson, α il coefficiente di espansione termica della fibra.
e è la deformazione applicata e ∆T la variazione di temperatura.
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9. 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/µε
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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10. Sensori FBG: i vantaggi
Piccole dimensioni
Durata nel tempo → Ridotti costi di manutenzione
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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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.)
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12. 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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13. Lo strumento di misura OTTO
Sistema di misura da banco
OttoXLight
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14. Tecnologia Proprietaria
Unità optoelettronica realizzata con assemblaggio
di componenti microottici
Dimensioni
ridotte
Compatto e
leggero
Costi contenuti e semplice
realizzazione di unità multicanale
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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
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16. 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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17. 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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18. Monitoraggio antisismico:
prove su modelli strutturali
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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19. Monitoraggio antisismico:
prove su modelli strutturali
Vista d'insieme e particolari dell'apparato
sperimentale. Fonte Centro Ricerche ENEA Casaccia
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20. Monitoraggio antisismico:
segnali ad alta frequenza
Le misure su due dei sensori installati. fonte: Centro Ricerche ENEA Casaccia
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21. Monitoraggio antisismico:
idea di applicazione
Edifici 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 d'intervento
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
territorio
Schema di trasmissione delle forze orizzontali nei
sistemi costruttivi a pannelli intelaiati
Fonte: Prof. Ing. R. Tomasi[*], Giornale dell'Ingegnere – 01/03/2011
[*] Dip. Ing. Meccanica e Strutturale Università di Trento
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22. Monitoraggio antisismico:
idea di applicazione
Schema 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
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23. Monitoraggio antisismico:
idea di applicazione
In caso di pareti a telaio gli elementi dissipativi (connettori) sono
i 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
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24. Inglobamento in Cemento Armato
Alcune fasi di taratura dei sensori FBG
in macchina di trazione ...
... e posa in travi di Cemento Armato
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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
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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 resistivi
Risultati sperimentali ottenuti con
diverse tecniche di misura: esensimetri
(blu), ed FBG rilevati con due strumenti
di misura, OTTO (rosso) e OSA (giallo)
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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
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28. Conservazione di beni artistici
Intervento sulla statua equestre del Colleoni, a Venezia.
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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.
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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 lunga
all'interno della torre campanaria
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31. Monitoraggio ambientale
Analisi di vulnerabilità dei ponti mediante monitoraggio della quota del fondo con sensori a
fibre ottiche [1]
Borgoforte (MN) Borgoforte
Pila 33
[1] G. Crotti, F Ballio, S. Franzetti – Dip. Ing. Idraulica Politecnico di Milano
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32. Monitoraggio ambientale
Schema strutturale Dal monitoraggio al coefficiente di rischio
FV
F vento MV
Quota max Monitoraggio continuo
tirante
Creazione database storico
q acqua
Database per elaborazioni/interpretazioni
(F acqua)
Mitigazione del rischio: vite umane
Quota rif.
fondo Salvaguardia struttura
ds Sezioni
critiche
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33. Monitoraggio ambientale
Il monitoraggio della quota di fondo ha permesso di rilevare problematiche di stabilità di
alcune 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 erosione
Batimetria AIPO 2001 (rosso) Rilievo post evento
Novembre 2000 (Q ≈ 12000 m3/s, T = 100 anni ca.) Pila 32 15 metri ca. di buca
Rinforzo strutturale 2005-2008
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34. Monitoraggio ambientale
Monitoraggio della quota del fondo nella sezione di chiusura del bacino della Val
Canaria (Airolo – CH) mediandte sedimetro ottico a FBG
Importanza di tale misura:
In caso di trasporto solido  interrimento della sezione  le misure di portata forniscono un
dato sbagliato. Conoscere la quota del fondo consente di definire la reale portata che
transita nella sezione
Nel caso specifico, la conoscenza della quota del fondo, consente una più efficiente
gestione della presa d’acqua in termini di manutenzione.
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35. Ringraziamenti
Alcune delle attività presentate sono state svolte in collaborazione con:
Centro Ricerche Frascati Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale
Centro Ricerche Casaccia Dipartimento di Ingegneria Idraulica
- GRAZIE PER L'ATTENZIONE -
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