Elettronica per l automazione, 2017

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1 Elettronica per l automazione, 2017 Prof. Andrea Cusano Sensori in fibra ottica per la misura della temperatura e dell umidità relativa Ing. Marco Leone - Ing. Sofia Principe

2 INTRODUZIONE: LA FIBRA OTTICA COME SENSORE Sono componenti conosciuti per il loro impiego nel campo delle telecomunicazioni Meno noto è il loro impiego nel campo della sensoristica: sensori di temperatura, sensori di deformazione sensori di pressione, sensori di accelerazione sensori di umidità relativa, etc.. L'impiego di questi sensori è sempre più diffuso anche a livello industriale Perché gli FBGs Ingombro e costi ridotti Multiplexing Immunità da interferenze elettromagnetiche Ottima resistenza a condizioni ambientali avverse Semplicità di installazione e monitoraggio Codifica dell informazione in lunghezza d onda

3 SENSORI IN FIBRA OTTICA: TECNOLOGIA ABILITANTE RETICOLO DI BRAGG IN FIBRA OTTICA (FBG) B 2 n eff n eff is the fiber effective refractive index (n eff ~ in silica) Λ is the grating pitch (typically ~ 500 nm) λ B is the reflected Bragg s wavelength

4 FBG COME SENSORI DI STRAIN E TEMPERATURA sollecitazioni meccaniche: Λ deformazione n eff effetto elasto-ottico S ε 1 pm/με ε variazioni termiche Λ espansione termica n eff effetto termo-ottico S T 10 pm/ C T Per eseguire misure di deformazione è necessario discriminare i due effetti Compensazione in temperatura

5 SENSORI DI UMIDITÀ RELATIVA BASATI SU FBG Deposizione di un layer igroscopico: Assorbimento di molecole di acqua nel layer igroscopico Layer igroscopico Molecole d acqua Espansione del layer di polyimide ( Swelling ) B f ( T, RH ) Compensazione in Temperatura Strain indotto sull FBG Δλ B1 = f(δt) layer igroscopico Δλ B2 = f(δt, ΔRH) Variazione del segnale di uscita del sensore (ΔλB)

6 IL TERMO-IGROMETRO IN FIBRA OTTICA Radiation Hard Humidity Sensors for High Energy Physics Application using Polyimide-coated Fiber Bragg Gratings Sensors G. Berruti, M. Consales, M. Giordano, L. Sansone, P. Petagna, S. Buontempo, G. Breglio, and A. Cusano (Sensors and Actuators B: Chemical, 2012.) Fiber Optic Thermo-Hygrometers for Soil Moisture Monitoring M. Leone, S. Principe, M. Consales, R. Parente, A. Laudati, S. Caliro, A. Cutolo and A. Cusano

7 DESIGN TERMO-IGROMETRO: CARATTERISTICHE E FUNZIONALITÀ FBG_uncoated FBG_coated

8 SETUP SPERIMENTALE

9 SISTEMA D INTERROGAZIONE: MICRON OPTICS SM 125 IN GRADO DI FUNGERE SIA DA SORGENTE OTTICA CHE DA SISTEMA DI DEMODULAZIONE DELLE RISPOSTE SENSORIALI Caratteristiche tecniche Micron Optics SM 125 (versione 500) Numero di canali ottici 4 Frequenza di scansione Range di lunghezza d'onda Precisione in lunghezza d'onda Stabilità in lunghezza d'onda Ripetibilità in lunghezza d'onda Range dinamico Interfaccia Remote Software 2 Hz da 1510 a 1590 nm 1 pm 1 pm 0.5 a 1 HZ, 0.2 a 0.1 Hz 50 db Ethernet Spectral analysis, peak detection and tracking, data logger, instrument control

10 MOI SM 125: PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO UN LASER SINTONIZZABILE IN LUNGHEZZA D ONDA INVIA UN SEGNALE LUMINOSO AD UN ACCOPPIATORE 1 A 4 CHE DIVIDE IL SEGNALE SU QUATTRO CANALI. PER OGNUNO DEI QUATTRO CANALI SI HA UN CIRCOLATORE CHE INSTRADA IL SEGNALE RIFLESSO DA UN SENSORE SU UN CORRISPONDENTE FOTODIODO. IL FOTODIODO CONVERTE IL SEGNALE OTTICO RICEVUTO IN UN SEGNALE ELETTRICO. P P λ P λ P λ λ

11 MOI SM 125: MULTIPLEXING L SM 125 È FORNITO DI 4 CANALI OTTICI, CIASCUNO AVENTE UN RANGE DI LUNGHEZZA D ONDA DI 80 NM, IL QUALE CONSENTE DI SFRUTTARE AL MASSIMO LA CARATTERISTICA DI MULTIPLEXING DEI SENSORI FBG PER LA REALIZZAZIONE DI UNA RETE CON UN NUMERO ELEVATO DI PUNTI DI MISURA SU UNA SINGOLA FIBRA OTTICA.

12 SOFTWARE ENLIGHT L unità d interrogazione SM 125 è corredata dal software Micron Optics ENLIGHT, un software user friendly installabile su PC, per la gestione e l elaborazione dei dati provenienti dalle reti di sensori. PRINCIPALI FUNZIONI: GESTIRE LA CONNESSIONE DATI IN OUTPUT ALL'INTERROGATORE ; ACQUISIRE, SALVARE E MOSTRARE LE RISPOSTE SPETTRALI DEI SENSORI FBG; EFFETTUARE LA RILEVAZIONE DEI PICCHI DEI SENSORI FBG (LE LUNGHEZZE D'ONDA DI BRAGG); MOSTRARE LE LUNGHEZZE D'ONDA DEI PICCHI DEI SENSORI FBG; CREARE SENSORI FBG PERSONALIZZATI, VISUALIZZARNE E SALVARNE GLI ANDAMENTI NEL TEMPO; CONSENTIRE IL MULTIPLEXING DEI VARI CANALI DELL'INTERROGATORE; VISUALIZZARE E SALVARE LE INFORMAZIONI RELATIVE ALLA FFT.

13 TIPOLOGIA DI TEST Calibrazione di un sensore di umidità in fibra ottica TI FOS, usando come riferimento un sensore convenzionale Decagon VP3. Al fine di velocizzare il processo di taratura sarà effettuata la seguente procedura operativa: 1. Inserimento del TI-FOS e della VP3 all interno un contenitore chiuso mediante una membrana idrofoba; 2. Deposizione per mezzo di una siringa di precisione Gilson di acqua sulla membrana e rilevazione dell aumento dell umidità relativa. 3. Correlazione tra il segnale in uscita del TI-FOS e le letture in RH della VP3 4. Derivazione della sensibilità all umidità relativa. RH, λ Quantità di acqua somministrata predefinita VP3 FOS tempo

14 LA FUNZIONE DI TARATURA (o FUNZIONE di TRASFERIMENTO), E LA RELAZIONE CHE PERMETTE DI RICAVARE DA OGNI VALORE DELLA GRANDEZZA DI USCITA IL CORRISPONDENTE VALORE DEL MISURANDO. PROCEDURA DI TARATURA: la Funzione di Trasferiemento X(t) Input: segnale di riferimento Y(t) output: segnale fornito dal sensore X 1 Y 1 X 0 X n Y 0 Y n tempo tempo

15 PROCEDURA DI TARATURA: la Sensibilità S INDIVIDUA UNA RELAZIONE ANALITICA CHE LEGA LE VARIAZIONE DELL USCITA (Y) ALLE VARIAZIONI DELL INGRESSO (X) Ingresso X Uscita Y Y Fitting linerare X 0 Y 0 X 1 Y 1 X 2 Y 2 X 3 Y 3 Y i Equazione retta di fitting: Y = m*x + c X 4 Y 4 X i X SENSIBILITA : È DEFINITA COME IL RAPPORTO FRA LA VARIAZIONE DEL SEGNALE DI USCITA SUL SEGNALE DI INGRESSO. SI DEDUCE CHE SE LA CARATTERISTICA È LINEARE, LA SENSIBILITÀ SI MANTIENE COSTANTE IN TUTTO IL CAMPO DI UTILIZZO E COINCIDE CON IL COEFFICIENTE ANGOLARE (PENDENZA) DELLA RETTA. Sensibilità = m = Y X