Sensori in Fibra Ottica per monitoraggio strutturale ambientale

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

Te. CIP Institute of Communication, Information and Perception Technologies of Scuola Superiore Sant’Anna

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

Principali Collaborazioni Aziendali Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio 2015 4/33

La Fibre Ottiche per Telecomunicazioni ü Il segnale trasmesso è costituito da treno di impulsi di LUCE (fotoni in termini di particelle elementari) ü Velocità di trasmissione superiori al Tb/s su singola fibra ottica Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio 2015 5/33

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 Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio 2015 6/33

Propagazione in Fibra Ottica Modi Guidati x r Region 1 i 1, n 1 t z Region 2 2, n 2 ü La propagazione in fibra ottica descritta in termini di ottica geometrica dal fenomeno della riflessione totale ü Solo raggi corrispondenti a determinati angoli di incidenza possono essere guidati all’interno del core della fibra (Modi Guidati) Distorsione Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio 2015 7/33

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 Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio 2015 8/33

Propagazione in Fibra Ottica Modi Guidati I modi guidati nelle fibre ottiche sono soluzioni delle Equazioni di Maxwell James Clerk Maxwell (1831 -1879) Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio 2015 9/33

Reti Dorsali Sottomarine in Fibra Ottica Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio 2015 10/33

Reti Dorsali Terrestri in Fibra Ottica (USA) Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio 2015 11/33

stemi di Comunicazione in Fibra Ottica testi applicazioni filmati immagini Il tutto codificato in formato digitale Ampiezza 1 secondo 1 1 1 0 intervallo di bit 0 0 1 8 b/s 0 tempo Velocità tipiche: da 10 Gb/s fino a oltre 1 Tb/s Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio 2015 12/33 suoni

stemi di Comunicazione in Fibra Ottica Laser (Tx) Ricevitore (Rx) üLe informazioni su Internet viaggiano in format di pacchetti di bit üI pacchetti vengono spediti e gestiti autonomamente sulla rete Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio 2015 13/33

Cavi in Fibra Ottica per Telecomunicazioni I cavi in fibra ottica per telecomunicazioni devono essere protetti da interferenze esterne (umidità, pressione, temperatura, sollecitazioni meccaniche …) Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio 2015 14/33

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 Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio 2015 15/33

Sensori in Fibra Ottica ü Sorgente di luce accoppiata in fibra ottica ü Area sensibile a parametri fisici esterni x che modificano le caratteristiche della luce trasmessa o riflessa TRASDUTTORE ü Fotoricevitore: converte il segnale ottico riflesso o trasmesso in segnale elettrico da cui si estraggono i parametri fisici x (umidità, pressione, temperatura, strain …) Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio 2015 16/33

Sensori in Fibra Ottica Vantaggi rispetto ai sensori tradizionali (termocoppie, estensimetri, accelerometri …) ü Immuni a interferenze elettromagnetiche ü Leggeri, poco ingombranti ü Facilmente integrabili nelle strutture da monitorare ü Tempi di vita elevati ü Adatti ad ambienti ostili (radiazioni nucleari, alte temperature e pressioni, idrogeno, …) ü Multiplazione spaziale, nel dominio della frequenza e del tempo di molti sensori ottici puntuali lungo la stessa fibra ottica ü Sensori distribuiti (la fibra ottica stessa è il sensore) Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio 2015 17/33

N APPROCCIO MULTIDISCIPLINARE ! Fisici Ingegneri Informatici Economisti Matematici Geologi Chimici Biologi Filosofi …. . Business Development Ingegneri civili Ingegneria strutturale Ingegneri elettrotecnici, elettronici, meccanici, Nucleari, Fisici Research & Development Oil &Gas Sensori in Fibra Ottica Ingegneri delle produzione elettronici, meccanici, Geologi, Fisici Energia Ambiente Aerospazio Biosensori Ingegneri aerospaziali, meccanici, Fisici Chimici, Biologi, Fisici, Bio-Ingegneri Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio 2015 18/33

nsori in Fibra Ottica Puntuali (FBG) Reticoli di Bragg (FBG): come funzionano ? ü Variazioni periodiche dell’indice di rifrazione del core della fibra riflettono parte dello spettro in ingresso ü La posizione del picco riflesso dipende da temperatura e deformazione locali (dalla posizione del picco di può risalire al parametro fisico) ü 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 ü Utilizzando opportuni trasduttori si possono misurare altre grandezze fisiche: pressione, umidità, accelarazione, carico, vibrazioni …. Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio 2015 19/33

Sensori in Fibra Ottica FBG Monitoraggio Ponti Monitoraggio Turbine Temperature, pressione, vibrazioni Aerospazio Vibrazioni. deformazioni Stabilità strutturale Monitoraggio Binari Monitoraggio Oleodotti e Gasdotti Conta assi, pesatura dinamica, deformazioni, vibrazioni Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio 2015 Antintrusione, stabilità strutturale 20/33

nsori in Fibra Ottica Puntuali (FBG) Temperatura in loose tube standard Temperatura in loose tube per ambienti aggressivi Strain e temperatura in package saldabile o avvitabile Temperatura interna valvole, turbine … Strain Stress, compressione, carico in cemento armato Sensore di pressione Accelerometro Cella di carico Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio 2015 21/33

Interrogatori per Sensori FBG Smart Fibres Bayspec Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio 2015 Micron Optics Technobis 22/33

Sensori in Fibra Ottica FBG Misure FBG con risoluzioni dell’ordine di nε 1 nε : variazione di 1 miliardesimo di metro su 1 metr. O Esempio: misura dei livelli di maree strain sensitivity: 114. 0 k. Hz/nε Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio 2015 23/33

Biosensori in Fibra Ottica FBG utilizzati come biosensori Riconoscimento di bio-molecole all’interfaccia di µFBG Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio 2015 24/33

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 …) Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio 2015 25/33

Sensori Distribuiti in Fibra Ottica Come funzionano ? ü 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 ü Parte della radiazione incidente viene retroriflessa e può essere misurata al ricevitore Rx Raman dipende dalla tempeartura T Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio 2015 Brillouin dipende da temperatura T e deformazione ε 26/33

avi 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. Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio 2015 27/33

Sensori Distribuiti in Fibra Ottica Come funzionano ? Riflettometria nel dominio del tempo Tx Cavo in fibra ottica Laser Detector Rx ü Retrodiffusione di impulsi ottici inviati periodicamente in fibra ü Traccia OTDR: il tempo di volo T dell’impulso è convertito in distanza Risoluzione Spaziale (dipende dalla durata dell’impulso ottico) 10 ns 1 m 　10 cm ü Misura di scattering Rayleigh (perdite/vibrazioni), Raman ( Temperatura) e Brillouin (Temperatura e deformazione) Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio 2015 28/33

terrogatori per Sensori Distribuiti Brillouin Raman DTS DAS Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio 2015 29/33

Sensori Distribuiti di Deformazione e Temperatura (Brillouin) Ponti Autostrade Cavi energia SHM oleodotti e gasdotti Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio 2015 30/33

Sensori Distribuiti di Temperatura Antincendio Cavi energia Raman DTS Pozzi estrazione Perdite in oleodotti Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio 2015 Dighe 31/33

Sensori Distribuiti di Vibrazioni DAS ü I sistemi DAS utilizzano lo diffusione di Rayleigh per misura distribuita di onde acustiche ü 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 Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio 2015 32/33

thank you! email: f. dipasquale@sssup. it Scuola Estiva di Orientamento – Pavia 7 Luglio 2015 33/33