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Fibre Ottiche

Overview


MONITORAGGIO DISTRIBUITO CON SENSORI DISTRIBUITI IN FIBRA OTTICA

SCATTERING STIMOLATO DI BRILLOUIN
LA FIBRA OTTICA
PREMESSA
Le fibre ottiche sono filamenti di materiali vetrosi o polimerici, realizzati in modo da poter condurre al loro interno la luce (propagazione guidata). Ogni singola fibra ottica è composta da due strati concentrici di materiale trasparente estremamente puro: un nucleo cilindrico centrale, o core, ed un mantello o cladding attorno ad esso.  Il core presenta un diametro molto piccolo di circa 10 µm per le monomodali e 50 µm per le multimodali, mentre il cladding ha un diametro di circa 125 µm.
La fibra ottica funziona come una specie di specchio tubolare. La luce che entra nel core ad un certo angolo (angolo limite) si propaga mediante una serie di riflessioni alla superficie di separazione fra i due materiali del core e del cladding. All'esterno della fibra vi è una guaina protettiva polimerica detta jacket che serve a dare resistenza agli stress fisici e alla corrosione ed evitare il contatto fra la fibra e l'ambiente esterno.
Diversi tipi di fibre si distinguono per diametro del core, indici di rifrazione, caratteristiche del materiale, profilo di transizione dell'indice di rifrazione e drogaggio (aggiunta di piccole quantità di altri materiali per modificare le caratteristiche ottiche).
SCATTERING STIMOLATO DI BRILLOUIN  -  IL SISTEMA
PREMESSA
L’utilizzo della diffusione Brillouin presenta un interessante potenziale per il controllo distribuito della temperatura e delle deformazioni.  Questo sistema è in grado di misurare le variazioni locali di questi parametri su distanze fino a centinaia di km con una risoluzione spaziale variabile da 10 cm fino al metro.
Brillouin è il risultato dell'interazione fra le onde acustiche e ottiche che si propagano nella fibra. Le onde acustiche termicamente eccitate (fononi) producono una modulazione periodica dell'indice di rifrazione. La dispersione Brillouin ha luogo quando la luce che si propaga nella fibra viene diffratta all’indietro da questo reticolo in movimento, generando una componente spostata in frequenza.
Le onde acustiche possono anche essere generate iniettando alle due estremità opposte della fibra due fasci di luce con una differenza di frequenza uguale allo spostamento di Brillouin. Tramite un fenomeno di elettrostrizione, queste due onde provocano un'onda acustica mobile che rinforzala popolazione di fononi. Questo processo è denominato diffusione Brillouin stimolata.
IL SISTEMA DI MONITORAGGIO
Negli ultimi anni lo sviluppo di sensori in fibra ottica ha visto accrescere enormemente la possibilità di monitorare in continuo, in svariati campi applicativi, le deformazioni delle strutture.
L’utilizzo di un sistema di monitoraggio in fibra ottica consente di confrontare il comportamento effettivo, sia in termini di deformazione che di sollecitazione, con i risultati dei calcoli di verifica, sia durante le varie fasi costruttive che operative durante la fase di esercizio, segnalare la presenza di eventuali difformità rispetto al  comportamento atteso e, dunque, individuare la zona o le zone di intervento.
Il sistema offerto ha le seguenti principali peculiarità:
- Misure di profili di deformazione e temperatura
- Misure ad ampio range ed alta risoluzione spaziale
- Elemento sensibile rappresentato da una fibra per TLC
- Immunità alle interferenze elettromagnetiche
- Minima invasività
- Integrabilità nelle strutture
Il sistema nasce sullo scattering stimolato di Brillouin: quando il campo luminoso incidente è sufficientemente intenso, tale processo può divenire stimolato (SBS). In tal caso, l’onda acustica è generata dal pattern interferenziale formato dall’onda incidente e l’onda di Stokes contropropagante attraverso il fenomeno dell’elettrostrizione. L’onda acustica, a sua volta, produce una modulazione dell’indice di rifrazione nel mezzo, che rende possibile un trasferimento di potenza dall’onda incidente all’onda di Stokes per diffrazione.
Bisogna lanciare due segnali contropropaganti denominati onda di pump (onda incidente) e onda di probe (onda di Stokes).
I sensori distribuiti basati sullo scattering di Brillouin consentono di eseguire misure distribuite di strain e temperatura attraverso la misura dello shift di Brillouin.
Ogni variazione locale di temperatura e/o di strain in fibra, dunque, agendo sulla velocità acustica produce una variazione nel valore locale dello shift di Brillouin.
La tecnica più usata per misurare strain e temperatura consiste nella applicazione di due fibre ottiche adiacenti di cui una vincolata all’ entità da monitorare, in grado quindi di rilevare le deformazioni e la temperatura, l’altra non rigidamente vincolata in grado quindi di sentire rilevare solo le variazioni di temperatura. La discriminazione strain-temperatura avviene per confronto.
SCATTERING STIMOLATO DI BRILLOUIN

Le fibre ottiche sono filamenti di materiali vetrosi o polimerici, realizzati in modo da poter condurre al loro interno la luce (propagazione guidata). Ogni singola fibra ottica è composta da due strati concentrici di materiale trasparente estremamente puro: un nucleo cilindrico centrale, o core, ed un mantello o cladding attorno ad esso.

Il core presenta un diametro molto piccolo di circa 10 µm per le monomodali e 50 µm per le multimodali, mentre il cladding ha un diametro di circa 125 µm. La fibra ottica funziona come una specie di specchio tubolare. La luce che entra nel core ad un certo angolo (angolo limite) si propaga mediante una serie di riflessioni alla superficie di separazione fra i due materiali del core e del cladding.

All'esterno della fibra vi è una guaina protettiva polimerica detta jacket che serve a dare resistenza agli stress fisici e alla corrosione ed evitare il contatto fra la fibra e l'ambiente esterno.
Diversi tipi di fibre si distinguono per diametro del core, indici di rifrazione, caratteristiche del materiale, profilo di transizione dell'indice di rifrazione e drogaggio (aggiunta di piccole quantità di altri materiali per modificare le caratteristiche ottiche).


SCATTERING STIMOLATO DI BRILLOUIN  -  IL SISTEMA

L’utilizzo della diffusione Brillouin presenta un interessante potenziale per il controllo distribuito della temperatura e delle deformazioni.  Questo sistema è in grado di misurare le variazioni locali di questi parametri su distanze fino a centinaia di km con una risoluzione spaziale variabile da 10 cm fino al metro.

Brillouin è il risultato dell'interazione fra le onde acustiche e ottiche che si propagano nella fibra. Le onde acustiche termicamente eccitate (fononi) producono una modulazione periodica dell'indice di rifrazione. La dispersione Brillouin ha luogo quando la luce che si propaga nella fibra viene diffratta all’indietro da questo reticolo in movimento, generando una componente spostata in frequenza.

Le onde acustiche possono anche essere generate iniettando alle due estremità opposte della fibra due fasci di luce con una differenza di frequenza uguale allo spostamento di Brillouin. Tramite un fenomeno di elettrostrizione, queste due onde provocano un'onda acustica mobile che rinforza la popolazione di fononi. Questo processo è denominato diffusione Brillouin stimolata.

LA DIMMS CONTROL UTILIZZA CON SUCCESSO LA  METODOLOGIA INNOVATIVA
BASATA SULL’UTILIZZO DI UN SENSORE DISTRIBUITO, SULL’INTERA OPERA, IN FIBRA OTTICA. 


Con l'utilizzo di questo innovativo sistema abbiamo ottenuto eccellenti risultati (monitoraggio del quadro fessurativo nella galleria Renazza - Autostrada