soluzioni di misura ottiche

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1 soluzioni di misura ottiche 1

2 Sommario Presentazione Azienda Introduzione ai Fiber Bragg Grating (FBG) FBG come sensori di deformazione e temperatura Strumenti ottici per misure con i FBG Alcune applicazioni e risultati sperimentali Ringraziamenti 2

3 Qualcosa su di noi Inizio attività di OST: Giugno 2013 Le nostre origini: RICERCA in ambito SENSORI in fibra ottica I nostri punti di forza: ESPERIENZA e COMPETENZA Cosa offriamo: ORGANIZZAZIONE basata su rapporti consolidati con PARTNER TECNOLOGICI SELEZIONATI 3

4 Cosa facciamo... Il nostro obiettivo: introduzione nel mondo industriale delle NUOVE TECNOLOGIE basate su FIBRA OTTICA Come: SUPPORTO GLOBALE allo sviluppo finalizzato alla produzione (CO-DESIGN con il cliente) 4

5 e perché Per collegare la RICERCA AVANZATA e l'industria Per dare spazio alle NUOVE LEVE formate in università Per valorizzare i benefici delle NUOVE TECNOLOGIE: INNOVAZIONE con tecnologie proprietarie SUPERAMENTO dei limiti delle tecnologie esistenti VANTAGGIO tecnologico-competitivo Possibili soluzioni BREVETTABILI 5

6 La filosofia del network I nostri Partner: per ogni esigenza la giusta PROFESSIONALITA' CLIENTE 6

7 Organizzazione Come funziona: Nelle fasi iniziali... 1) Fattibilità OST 2) R&D (Materiali e Strutture) CLIENTE 3) Progetto Generale (CO-DESIGN) 7

8 Organizzazione Nelle fasi di sviluppo... COINVOLGIMENTO PARTNER Sensori DTG e fibra ottica OST Connettori ottici speciali 8

9 Organizzazione Infine... DALL'INDUSTRIALIZZAZIONE ALLA PRODUZIONE Sviluppo elettronico OST Microelettronica, packaging e produzione 9

10 In sintesi Progettazione e Realizzazione di Soluzioni di misura innovative e personalizzate... dalla punta della fibra ottica al sistema di acquisizione dati 10

11 Tecnologie disponibili Nonostante la prevalenza dell'uso delle fibre ottiche, altre tecnologie sono disponibili per applicazioni di misura, sensing, diagnostica 11

12 La nostra offerta Dall'esigenza specifica... all'idea di sensing innovativa 12

13 La nostra offerta Supporto completo con professionalità e competenza: Progettazione... e Sperimentazione 13

14 La nostra offerta Dallo studio di fattibilità allo sviluppo dell'applicazione industriale 14

15 Fiber Bragg Gratings - FBG Sensori in fibra ottica a reticolo di Bragg - Caratteristiche ed applicazioni - 15

16 FBG: principio ottico Variazioni periodiche dell'indice di rifrazione del core della fibra ottica provocano la riflessione della luce guidata ad una specifica lunghezza d'onda λbragg, detta di Bragg. La relazione tra questa lunghezza ed il periodo Λ del reticolo è la seguente: λbragg = 2 neff Λ Dove neff è l'indice di rifrazione della fibra ottica. 16

17 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 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% 17

18 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). 18

19 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 ( nm) e la lunghezza d'onda di illuminazione (248 nm). 19

20 Scrittura 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 20

21 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: ({ ( [ ]) ( ) dneff n eff dt Δ λ Bragg =2 neff Λ 1 P 12 ν( P 11 + P 12 ) ] ϵ+ α + [ 2 neff ) } ΔT Dove Pij sono i coefficienti di Pockel del tensore elasto-ottico, ν il coefficiente di Poisson, α il coefficiente di espansione termica della fibra, ε è la deformazione applicata e T la variazione di temperatura. 21

22 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 22

23 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 23

24 Sensori FBG e grandezze fisiche Con opportuni accorgimenti di installazione e packaging, i sensori FBG possono misurare: Deformazioni, sforzi Temperatura Pressione Accelerazione Grandezze elettriche (corrente, tensione, campo magnetico, ecc.) 24

25 FBG: configurazione di lettura La figura mostra la configurazione base di lettura di FBG. Il segnale retroriflesso viene analizzato con opportune tecniche ottiche di rivelazione 25

26 Strumenti di misura Sistema di misura da banco 26

27 Esempi di applicazioni reali 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 27

28 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. 28

29 Misure su grandi strutture Misura della deformazione del ponte strumentato sull'autostrada A21, causato dal passaggio di mezzi pesanti. fonte Centro Ricerche ENEA Frascati. 29

30 Monitoraggio antisismico Laboratorio ENEA Casaccia: prove su modelli strutturali Modello di struttura montata su tavola vibrante per simulare effetti sismici. La struttura è strumentata con FBG e sensori convenzionali (particolare a lato) 30

31 Monitoraggio antisismico Laboratorio ENEA Casaccia: prove su modelli strutturali Vista d'insieme e particolari dell'apparato sperimentale. Fonte Centro Ricerche ENEA Casaccia 31

32 Monitoraggio antisismico Laboratorio ENEA Casaccia: prove su modelli strutturali Le misure su due dei sensori installati. fonte: Centro Ricerche ENEA Casaccia 32

33 Monitoraggio antisismico Idea di applicazione: Edifici prefabbricati con struttura portante in legno Rapidità d'intervento Verifiche supportate da misure 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 Verifica delle strutture portanti e dei vincoli in seguito a evento sismico e/o atmosferico (azione del vento) Costruzione di un database per interventi di manutenzione on demamd Integrazione con sistemi a Fibra Ottica di monitoraggio ambientale e difesa del territorio 33

34 Monitoraggio antisismico Idea di applicazione: Edifici prefabbricati con struttura portante in legno 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 34

35 Monitoraggio antisismico Idea di applicazione: Edifici prefabbricati con struttura portante in legno 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 35

36 Strutture in cemento armato Alcune fasi di taratura dei sensori FBG in macchina di trazione e posa in travi di Cemento Armato 36

37 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 37

38 Indagine su materiali compositi Test di flessione a 4 punti su provino in fibra di carbonio per impieghi aeronautici: misure comparative con estensimetri resistivi [Politecnico di Milano] Risultati sperimentali ottenuti con diverse tecniche di misura: esensimetri (blu), ed FBG (rosso) 38

39 Materiali compositi per l'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 39

40 Conservazione beni artistici Intervento sulla statua equestre del Colleoni, a Venezia. 40

41 Conservazione 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. 41

42 Monitoraggio beni architettonici Monitoraggio del fuori piombo del campanile della Chiesa di S. Martino a Cardana di Besozzo (VA) Installazione di sensori a base lunga all'interno della torre campanaria 42

43 Monitoraggio ambientale Analisi di vulnerabilità dei ponti mediante monitoraggio della quota del fondo con sensori a fibre ottiche [1] Borgoforte Pila 33 Borgoforte (MN) [1] G. Crotti, F Ballio, S. Franzetti Dip. Ing. Idraulica Politecnico di Milano 43

44 Monitoraggio ambientale Schema strutturale FV Dal monitoraggio al coefficiente di rischio MV F vento Quota max tirante q acqua Monitoraggio continuo Creazione database storico (F acqua) Quota rif. fondo ds Sezioni critiche Database per elaborazioni/interpretazioni Mitigazione del rischio: vite umane Salvaguardia struttura 44

45 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 Batimetria AIPO 2001 (rosso) Rilievo post evento Novembre 2000 (Q m3/s, T = 100 anni ca.) post Pile 33, 32 e 31 interessate da forte erosione Pila metri ca. di buca Rinforzo strutturale

46 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. 46

47 Applicazioni medicali Realizzazione di dispositivi per chirurgia neurocorticale strumentati con sensori in fibra ottica Sensori di pressione per uso endocorporeo Sviluppo in corso... 47

48 Ringraziamenti Alcune delle attività presentate sono state svolte in collaborazione con: Centro Ricerche Frascati Centro Ricerche Casaccia Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Dipartimento di Ingegneria Idraulica - GRAZIE PER L'ATTENZIONE 48