| Laboratorio Sensori Ottici. | ||||
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Negli ultimi decenni, i sensori
basati su metodi ottici hanno trovato largo impiego nei sistemi di
monitoraggio di gas atmosferici così come nella misura di
parametri fisici ambientali, quali deformazioni meccaniche,
variazioni di temperatura o concentrazioni di sostanze gassose in
ambiente. |
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| Tecniche di lettura di sensori di Bragg in fibra | ||||
| L’impiego di
fibre ottiche, come è noto, permette di ridimensionare
notevolmente i requisiti di spazio e di costo di un sensore, pur
conservando doti di elevata affidabilità, maneggevolezza,
resistenza meccanica e semplicità di fabbricazione.
L’estrema compattezza dei dispositivi in fibra rende
possibile la loro integrazione in vere e proprie stazioni di
controllo distribuite su vaste aree. E’ questo il caso dei sensori a reticolo di Bragg in fibra ottica (FBG) per rilievi termici e meccanici. In questo ambito, dal 2004 viene svolto un intenso lavoro di ricerca per lo sviluppo di metodi di interrogazione ad alta sensibilità di “reticoli di Bragg” in fibra ottica (FBG), finalizzati alla misura di deformazioni meccaniche. |
 Sensore di Bragg- lettura tramite OSA (Optical Spectrum Analizer) |
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| Questo genere
di dispositivo è estremamente sensibile a deformazioni
meccaniche e variazioni di temperatura, mentre è totalmente
immune al rumore elettromagnetico e può essere, in
principio, direttamente inglobato nel materiale oggetto del
monitoraggio. L’uso di sensori trasportabili basati su FBG è in grado di accrescere in maniera decisiva il livello di conoscenza di determinati fenomeni naturali e dei rischi ambientali connessi, come quelli che interessano le dinamiche e le modificazioni delle aree circostanti a siti vulcanici o urbani. Infatti tali dispositivi presentano uno spettro di riflessione caratteristico simmetrico rispetto ad un valore massimo che corrisponde alla condizione &lambdaB=2*neff*L (L passo del reticolo). Tipicamente, il centro della curva di riflessione di un FBG presenta una risposta alle deformazioni di circa 1 picometro/microstrain (dove 1 microstrain corrisponde ad un rapporto tra allungamento subito all’elemento sensibile e lunghezza totale pari a 10-6). L’utilizzo di sensori di Bragg richiede lo sviluppo di metodologie di analisi innovative come passo cruciale per raggiungere le prestazioni necessarie in alcune applicazioni tipiche. |
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Tecnica di lettura mediante etalon |
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La tecnica di lettura di
variazione della lunghezza d'onda riflessa mediante filtro etalon
passivo è studiata in un progetto di collaborazione con l'
Istituto di Microelettronica e
Microsistemi (IMM) del C.N.R. |
 Sensore di Bragg-lettura mediante filtro etalon |
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| Tale
configurazione risulta conveniente in quanto e' possibile cambiare
facilmente le caratteristiche del filtro a seconda delle
applicazioni. Essi inoltre si prestano ad essere realizzati
mediante silicio integrato. |
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Tecnica di lettura mediante filtro AOTF tunabile |
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| Nell’ambito delle attività del Centro Regionale di Competenza per l’Analisi e il Monitoraggio del Rischio Ambientale (AMRA), è stato recentemente sviluppato un apparato di misura, denominato BraSS (Bragg Strain Sensor), il cui funzionamento si fonda sull’utilizzo di reticoli di Bragg in fibra ottica per la rivelazione e l’analisi di deformazioni meccaniche mediante metodi optoelettronici. | ||||
 Sensore di Bragg-confronto con Strain Gauge |
Lo schema
basilare di rivelazione, in questo caso, consiste in un filtro
spettrale, passivo o attivo, che analizza la radiazione riflessa
dal reticolo e determina lo spostamento del massimo di riflessione.
Le sensibilità che tipicamente si raggiungono in queste
configurazioni sono dell’ordine di decine di microstrain.
Alcune applicazioni d’interesse consistono nel monitoraggio
di strutture di vario tipo come edifici o aeroplani, per i quali
questi livelli di sensibillità sono già adeguati a
fornire dati significativi. |
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| La tecnica di lettura di variazione della lunghezza d'onda riflessa mediante filtro AOTF è studiata in un progetto di collaborazione con l' Istituto di Microelettronica e Microsistemi (IMM) del C.N.R. | ||||
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Analisi di un FBG tramite sorgente laser |
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| Un ulteriore metodo, del tutto innovativo, è stato sviluppato per “interrogare” sensori FBG a sensibilità molto spinte. L’apparato si basa su una sorgente laser a diodo semiconduttore DFB che emette nell’intorno di 1560 nm. La lunghezza d’onda λ viene modulata a frequenza fm di 2 GHz generando in tal modo una coppia di “bande laterali” intorno alla frequenza portante a distanza pari ad fm. Quando il fascio laser viene accoppiato al reticolo di Bragg, le tre frequenze subiscono variazioni di fase e di ampiezza tra loro diverse, a meno che la portante non sia in perfetta risonanza (λ=λB). | ||||
 Set-up per la lettura di FBG con sorgente laser e tecniche FM |
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| Un sistema di rivelazione “in aggancio di fase”, che utilizza un rivelatore veloce ed un mixer, produce un segnale di tensione la cui ampiezza dipende proprio dallo sbilanciamento delle bande laterali rispetto alla portante. Tale segnale quindi avrà, in funzione della frequenza del laser, un andamento dispersivo simmetrico con passaggio per lo zero in prossimità del picco di riflessione di Bragg (λB). Ogni sollecitazione meccanica o termica, che influisca sul passo del reticolo o sull’indice di rifrazione, provoca uno spostamento di questo centro di simmetria. Una serie di test preliminari è stata effettuata su un FBG di riflettività massima pari al 50 %, montato solidalmente ad un attuatore piezoelettrico. Grazie al sistema a radiofrequenza, è stato possibile rivelare deformazioni meccaniche sia statiche che dinamiche (da frequenze inferiori ad 1 Hz fino alle decine di kHz). Il limite di sensibilità stimato nel corso dei test si aggira intorno a 20 nε (1 Hz di banda), valore che è già diversi ordini di grandezza migliore di quelli ottenibili con i sistemi ottici tradizionali. Attualmente sono in corso ulteriori sviluppi del sistema che vanno verso l’uso di una sorgente laser stabilizzata in frequenza su una riga di assorbimento atomica o molecolare e fibre altamente birifrangenti che consentono di discriminare il segnale dovuto all’allungamento del sensore da effetti termici. Tali aspetti sono in fase di studio soprattutto in prospettiva di applicazioni in campo geofisico, nell’ambito di una collaborazione con l’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV) dell’Osservatorio Vesuviano. | ||||
| In una fase successiva, il gruppo si è occupato dello sviluppo vero e proprio di una nuova generazione di sensori, basati su reticoli di Bragg posti in serie in uno stesso tratto di fibra ottica. Tali strutture si comportano a tutti gli effetti come cavità ottiche risonanti e sono estremamente sensibili a ogni variazione di cammino ottico tra essi. |  |
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| I risonatori
possono essere interrogati attraverso metodi spettroscopici ad alta
risoluzione utilizzando sorgenti laser combinate a tecniche di
rivelazione del tipo descritto per la prima tipologia. In sostanza,
un laser a semiconduttore viene modulato in frequenza e la
radiazione riflessa dalla cavità fornisce, in fase di
rivelazione, un segnale di riferimento che viene adottato come
segnale d’errore di un sistema elettronico di stabilizzazione
attiva della frequenza laser sulle risonanze. I segnali di feedback prodotti dal sistema fungono essi stessi da monitor dello “strain” subito dalla fibra intra-cavità, ovvero l’elemento sensibile. Il risultato è che la sensibilità complessiva del sistema di misura migliora di svariati ordini di grandezza rispetto al caso di un singolo sensore FBG. Inoltre, il “range” dinamico entro cui il sistema risonante, in condizioni di aggancio, è in grado di misurare deformazioni viene ampliato e dipende essenzialmente dalla stabilità del circuito di stabilizzazione. Due differenti approcci sono stati sviluppati in questo senso: uno basato sul metodo opto-elettronico di Pound-Drever, un secondo puramente ottico. Infine, è in programma l’implementazione futura di un sistema più sofisticato ed ulteriormente sensibile che fa uso di un “optical frequency comb” (OFC) come riferimento assoluto di frequenza in un ampio intervallo spettrale, recentemente acquisito dalla sezione. |
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 Sistema di interrogazione di un risonatore, basato su una coppia di reticoli FBG altamente riflettenti, per misure di strain statici e dinamici ad alta sensibilità |
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| Ref:
P. Ferraro and G. De Natale G. Gagliardi, M. Salza, P. Ferraro, P. De
Natale G. Gagliardi, M. Salza, P. Ferraro, P. De
Natale A. Di Maio, M. Salza, G. Gagliardi, P.
Ferraro, P. De Natale, G. Gagliardi, M. Salza, P. Ferraro, P. De
Natale, |
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| Comunicazioni a conferenze:
A. Rocco, G. De Natale, P. Ferraro, G.
Gagliardi, L. Gianfrani, P. De Natale, G. Gagliardi, M. Salza, P. Ferraro, A. Di
Maio, A. Vannucci, P. Maddaloni, P. Malara, and P. De Natale, G. Gagliardi, M. Salza, P. Ferraro and P.
De Natale, G. Gagliardi, M. Salza, P. Ferraro and P.
De Natale, G. Gagliardi, M. Salza, P. Ferraro, A.
Rocco, A. Di Maio, A. Vannucci, and P. De Natale, G. Gagliardi, M. Salza, P. Ferraro, and P.
De Natale, G. Gagliardi, M. Salza, P. Ferraro, and P.
De Natale, G. Gagliardi, M. Salza, P. Ferraro and P.
De Natale, G. Gagliardi, M. Salza, P. Ferraro and P.
De Natale, |
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