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Sensori in Fibra Ottica
per monitoraggio
strutturale, ambientale ed industriale
Fabrizio Di Pasquale
Pavia, Martedì 7 Luglio, 2015
TeCIP
Institute of Communication, Information
and Perception Technologies
of Scuola Superiore Sant’Anna
TeCIP - Organigramma
TeCIP Institute
Director: Prof. G. Prati
Networks
& Services
Communication
Coordinator: Prof. E. Ciaramella
IRCPhoNeT
CNIT LNFR
Director: Prof. E. Forestieri
Embedded Systems
Coordinator: Prof. G. Buttazzo
Perceptual Robotics
Coordinator: Dr. C.A. Avizzano
Optical
Communication
Systems
High capacity
Optical
Communications
Real-Time
Systems
Human - Robot
Interaction
Optical
Communication
Theory & Techniques
Digital &
Microwave
Photonics
Resource
Management
Computer Graphics
and Virtual
Environments
Optical Fiber Sensors
& Integrated Photonic
Subsystems
Advanced Technologies
for Integrated
Photonics
Embedded
Systems Design
Intelligent
Automation
Systems
CNIT
Silicon Photonics
Design Center
Integrated Photonic
Technologies Center
(InPhoTeC 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
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La Fibre Ottiche per Telecomunicazioni
 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 !)
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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
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x
Propagazione in Fibra Ottica
Modi Guidati
r
Region 1 i
1, 1, n1
t
z
Ei , H i
Region 2
2, 2, n2
i   r
n1 sin  i  n2 sin  t
 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
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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
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Propagazione in Fibra Ottica
Modi Guidati
I modi guidati nelle fibre ottiche sono soluzioni
delle Equazioni di Maxwell
James Clerk Maxwell
(1831-1879)
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Reti Dorsali Sottomarine
in Fibra Ottica
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Reti Dorsali Terrestri in
Fibra Ottica (USA)
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Sistemi di Comunicazione in Fibra Ottica
testi
applicazioni
filmati
immagini
Il tutto codificato in formato digitale
Ampiezza
1 secondo
1
1
1
0
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
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suoni
Sistemi di Comunicazione in Fibra Ottica
Laser (Tx)
Ricevitore (Rx)
Le informazioni su Internet viaggiano in format di pacchetti di bit
I pacchetti vengono spediti e gestiti autonomamente sulla rete
1
3
6
4
2
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Cavi in Fibra Ottica per Telecomunicazioni
I cavi in fibra ottica per telecomunicazioni devono essere protetti da interferenze
esterne (umidità, pressione, temperatura, sollecitazioni meccaniche …)
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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
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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 …)
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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)
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UN APPROCCIO MULTIDISCIPLINARE !
Fisici
Ingegneri
Informatici
Economisti
Matematici
Geologi
Chimici
Biologi
Filosofi
…..
Business
Development
Ingegneri civili
Ingegneria
strutturale
Research &
Development
Oil &Gas
Ingegneri elettrotecnici,
elettronici, meccanici,
Nucleari, Fisici
Sensori in
Fibra Ottica
Ingegneri delle produzione
elettronici, meccanici,
Geologi, Fisici
Energia
Ambiente
Aerospazio
Ingegneri aerospaziali,
meccanici, Fisici
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Biosensori
Chimici, Biologi, Fisici,
Bio-Ingegneri
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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 ….
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Sensori in Fibra Ottica FBG
Monitoraggio Turbine
Monitoraggio Ponti
Temperature,
pressione,
vibrazioni
Aerospazio
Stabilità strutturale
Vibrazioni.
deformazioni
Monitoraggio Binari
Monitoraggio Oleodotti e Gasdotti
Conta assi, pesatura dinamica,
deformazioni, vibrazioni
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Antintrusione, stabilità strutturale
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Sensori 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
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Interrogatori per Sensori FBG
Smart Fibres
Micron Optics
Bayspec
Technobis
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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
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Biosensori in Fibra Ottica
FBG utilizzati come biosensori
Riconoscimento di bio-molecole all’interfaccia di µFBG
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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 …)
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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
Raman
dipende dalla tempeartura T
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Brillouin
dipende da temperatura T
e deformazione ε
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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
.
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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
Risoluzione Spaziale
T  2L
g
8
c
3

10
m / s  2  10 8 m / s
g  
n
1.5
T ~ 10 μs/km
(dipende dalla durata dell’impulso ottico)
10 ns
1 ns
1m
10 cm
 Misura di scattering Rayleigh (perdite/vibrazioni), Raman ( Temperatura) e
Brillouin (Temperatura e deformazione)
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Interrogatori per Sensori Distribuiti
Brillouin
Raman
DTS
DAS
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Sensori Distribuiti di Deformazione
e Temperatura (Brillouin)
Ponti
Autostrade
Cavi energia
SHM oleodotti e gasdotti
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Sensori Distribuiti di Temperatura
Raman
DTS
Antincendio
Cavi energia
Pozzi estrazione
Perdite in oleodotti
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Dighe
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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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thank you!
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