FBG. Global Sensing FBG Tech Ovefrview - 1

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1 FBG Global Sensing FBG Tech Ovefrview - 1

2 Global Sensing è una società focalizzata sulla progettazione, lo sviluppo e la fornitura di servizi e sistemi integrati per il monitoraggio termico e strutturale continuo, on board e in tempo reale, basati su sensori in fibra ottica FBG - Fiber Bragg Gratings e su tecnologie innovative. Global Sensing progetta, sviluppa e fornisce soluzioni integrate chiavi in mano per il monitoraggio continuo di temperatura, deformazione, vibrazione, pressione e variazione di forma, per i settori AUTOMOTIVE, NAVAL, AEROSPACE, YACHT RACING, INDUSTRY, CIVIL ENGINEERING, ENVIROMENT, HUMAN CARE, CAR/MOTORCYCLE RACING Global Sensing FBG Tech Ovefrview - 2

3 FBG Fiber Bragg Grating - Overview I sensori a reticolo di Bragg, noti come FBG Fiber Bragg Gratings, sono elementi ottici diffrattivi con la proprietà di riflettere la luce incidente con lunghezza d onda λ B, funzione lineare della temperatura e delle deformazioni subite dalla fibra ottica nella zona di interesse La parte sensibile di una catena sensoristica in fibra ottica è rappresentata dai segmenti FBG di lunghezza tra i 10 e i 20 millimetri, inseribili lungo la fibra ottica, esattamente nei punti dove è richiesto il campionamento Gli FBG permettono misure di temperatura con precisione a 0,1 C e misure di deformazione con precisione del μm/m (1 με) Gli FBG sono dislocati su fibre ottiche da 125 μm; i sensori FBG sono così piccoli e sottili da poter essere inseriti ed utilizzati in ambiti applicativi impossibili per altre tipologie di sensori Una singola fibra ottica può portare decine di sensori collegati in serie, riducendo notevolmente pesi e ingombri rispetto ad analoghi sensori basati su tecnologia elettrica, che necessitano ognuno di cablaggio dedicato Possono essere facilmente strutturate catene di misura anche di centinaia di metri, con cablaggi elementari e hardware di controllo estremamente snello La parte sensibile di una catena di sensori FBG è costituita da segmenti FBG di lunghezza tra i 10 e i 20 millimetri I sensori FBG permettono di superare tutti i problemi dei sensori tradizionali (elettrici o meccanici) utilizzando l'ottica invece dell'elettricità e le fibre ottiche al posto dei fili di rame. Le caratteristiche intrinseche dei sensori FBG li rendono la soluzione più competitiva per un ampia gamma di applicazioni Global Sensing FBG Tech Ovefrview - 3

4 2n B FBG Fiber Bragg Grating - Tecnologia I sensori di tipo Fiber Bragg Grating (FBG) sono realizzati all interno di una fibra ottica foto-incidendo periodicamente il nucleo (core) della fibra ottica mediante un laser ultravioletto attraverso una maschera di fase. Quando un segnale luminoso attraversa la fibra ottica, il sensore FBG riflette una particolare lunghezza d onda λ B, detta lunghezza d onda di Bragg, trasmettendo tutte le altre, come in figura che segue. Al variare del passo Ʌ varia la particolare lunghezza d onda riflessa, secondo la formula: λ B =2nɅ dove n è l indice di rifrazione del reticolo di Bragg. La foto incisione crea nella fibra una modulazione periodica, di periodo Ʌ, dell indice di rifrazione della fibra ottica. Oltre che dal passo del reticolo, la lunghezza d onda della luce riflessa dipende anche dalla temperatura. Global Sensing FBG Tech Ovefrview - 4

5 Funzionamento di base FBG Nella fibra ottica del sensore è foto-inciso un reticolo di diffrazione (Bragg); la fibra viene illuminata da un LED o da un Laser; ogni reticolo di Bragg riflette la luce con una lunghezza d onda caratteristica; la luce riflessa viene analizzata da uno spettrometro. Esempio Misure di deformazione Estensione/Compressione della fibra Il reticolo cambia la sua geometria e la diffrazione generata è caratterizzata da una lunghezza d onda della luce variata rispetto a quella centrale caratteristica dello specifico sensore Da parte dell hardware di controllo viene trasmesso un segnale luminoso lungo la fibra ottica dotata di sensori FBG. Da ogni singolo FBG, in funzione dello stress termico o meccanico a cui è sottoposto, ritorna luce con un ben determinato valore di lunghezza d onda luminosa che viene convertita in tempo reale (fino a 1KHz : 20KHz) in temperatura, deformazione, vibrazione, pressione o variazione di geometria. Le variazioni di lunghezza d onda vengono tradotte dall elettronica di sistema in misure dirette delle grandezze in esame L identificazione dello specifico sensore (in serie nella fibra) da cui proviene la misura avviene mediante riconoscimento della lunghezza d onda centrale caratteristica Global Sensing FBG Tech Ovefrview - 5

6 FBG Fiber Bragg Grating - Costruzione ESEMPIO DI SCRITTURA DEI RETICOLI DI BRAGG (FBG) ALL INTERNO DELLA FIBRA OTTICA CON IMPIANTO A TORRE (DRAW TOWER GRATING) Lo schema riportato qui a fianco illustra il processo industriale di scrittura dei reticoli di Bragg direttamente all interno del nucleo della fibra ottica. Il processo di produzione dei sensori FBG inizia con una preformatura della fibra ottica tramite estrusione a caldo. La fibra ottica così prodotta, dopo aver passato il controllo dimensionale, viene fatta passare davanti ad un laser a eccimeri, il quale, tramite un processo interferometrico, scrive all interno della fibra ottica n reticoli di Bragg ognuno dei quali con una ben determinata lunghezza d onda nominale; ogni singolo reticolo FBG può essere scritto in ben determinate posizioni lungo la fibra, secondo la dislocazione spaziale dei sensori FBG prevista dalle specifiche applicazioni. Per esempio una catena di 100 metri con 20 sensori FBG disposti lungo la fibra con un intervallo di 5m tra un sensore FBG e l altro, oppure con intervalli a distanza variabile. A valle della fase di scrittura dei reticoli FBG, la fibra viene immersa all interno di un serbatoio contenente del liquido protettivo, indurito successivamente tramite raggi UV. Al termine del processo di scrittura la posizione di ciascun reticolo FBG viene marcata automaticamente sulla fibra ottica e la catena sensoristica è avvolta attorno ad una bobina. La tecnologia Draw Tower Grating permette di produrre catene di sensori prive di giunzioni, dotate di un elevato numero di elementi sensibili FBG. Un altro vantaggio dovuto alla simultaneità della produzione della fibra ottica con la scrittura dei reticoli, risiede nella maggiore resistenza meccanica della catena sensoristica FBG. Global Sensing FBG Tech Ovefrview - 6

7 Caratteristiche degli FBG Totale immunità a tutte le interferenze elettromagnetiche I sensori non richiedono alimentazione elettrica Sistemi di misura non invasivi Sono chimicamente inerti, pressoché insensibili a fenomeni ossidativi ed erosivi (intemperie, salsedine), funzionano correttamente anche se immersi in acqua o operano in condizioni ambientali estreme Non risentono di condizioni ambientali di utilizzo Peso e dimensioni molto contenuti Permettono la trasmissione dei dati di misura sulle lunghe distanze Possono essere facilmente strutturate catene di misura lunghe anche chilometri, con cablaggi elementari e hardware di controllo estremamente snello Elevata flessibilità di utilizzo ed elevata sensibilità di misura Durata di utilizzo che può raggiungere i 25 anni Facilmente posizionabili in modo stabile all interno di materiali e strutture Notevole stabilità e affidabilità che rende superflua ogni ricalibrazione del sistema di misura Possono lavorare immersi in un liquido e in ambienti con temperature da -200 C a 600 C Soluzioni competitive in termini di costo rispetto a soluzioni alternative FBG vs Conventional Sensors Funzionano con la luce: nessuna interferenza EMI, non richiedono alimentazione elettrica, non richiedono cablaggi elettrici, possono operare in ambienti esplosivi Con un unica linea possono essere strutturate catene di misura lunghe e complesse; trasmissione dei segnali di misura a distanza di chilometri su una singola fibra Chimicamente inerti, insensibili alle intemperie Possono essere inclusi nei materiali (embedding) Non richiedono tarature ed hanno durate sino a 25 anni senza necessità di ricalibrazione Grande precisione di misura Ampio range di temperature misurabili I sensori FBG e a fibra ottica sono una TECNOLOGIA ABILITANTE che permette di superare i limiti intrinseci della sensoristica tradizionale ed offre nuove opportunità applicative a supporto della R&D e della produzione. Global Sensing FBG Tech Ovefrview - 7

8 Oil&Gas Energy Beni Culturali Navale Chemical Testing Racing Pipeline Eolico Aerospace Automotive Civil Inf. Campi di applicazione Misure di temperatura Misure di deformazione Misure di temperatura e deformazione distribuite (up to 60 km, rilevamenti ogni metro) Misura delle vibrazioni Misura dei carichi Misure di pressione Tutte le misure possono essere eseguite in regime dinamico (fino a 20khz) Monitoraggio strutturale aeromobili e componenti aeronautici Monitoraggio deformazioni (plance, componenti), vibrazioni, temperature, strutturale Health Monitoring Systems: Bridge, Buildings, Tunnel, Dams & Dikes, Geotechnical Monitoraggio dinamico strutturale, termico e vibrazionale Leakage, Local & distributed Temperature-Strain, Soil Stability, Pipe Corrosion Wind Turbines health/efficiency monitoring and predictive mantenaince THETIS - Global Navigation, Ship Health Monitoring and Maintenance Prediction System Leakage, Local & distributed Temperature-Strain, Soil Stability, Pipe Corrosion Monitoraggio in dinamica di temperature e deformazioni Leakage, Local & distributed Temperature-Strain, Soil Stability, Pipe Corrosion Leakage (cavi alta tensione), Monitoraggio generatori, trasformatori, turbine Structures Health Monitoring Monitoraggio strutturale beni architetturali ed artistici Global Sensing FBG Tech Ovefrview - 8

9 Alcune tipologie di sensori Sensore (T, ɛ) con supporto metallico per montaggio superficiale Sensori nudi (T, ɛ) per montaggio superficiale o embedding Sensore (ɛ) estensimetro per applicazioni strutturali su edifici FBG Displacement Gage Accelerometro FBG Global Sensing FBG Tech Ovefrview - 9

10 Mercato della sensoristica a fibra ottica Fiber Optic Sensor Global Consumption Market Forecast (Value Basis, $Billion) Nel periodo le stime degli analisti (fonte: ElectroniCast) prevedono che il valore del settore (valore di apparati e progetti) crescerà ad un elevato tasso medio annuo del 20,5% da 1,34 a 3,39 miliardi dollari. Gli attuali dati confermano per il 2012 un valore consuntivo di 1,5 miliardi di dollari. I dati previsionali di mercato presentati nel grafico si riferiscono al valore per anno solare; questi dati non sono quindi cumulativi. Optical sensor market in million USD (Source: LW Venture) La segmentazione di mercato per settori produttivi conferma la crescita delle tecnologie e applicazioni di sensori a fibra ottica in ogni ambito produttivo. La sensoristica ottica si presenta come una scelta tecnologica strategica di innovazione in piena crescita, già sostenuta da una solida base di esperienze applicative ed assistita da un progressivo incremento della gamma e delle performance della strumentazione di base. Global Sensing FBG Tech Ovefrview - 10

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