LAFOS - Laboratory on Fiber Optic Sensors

Attività

I sensori in fibra ottica sono una soluzione tecnologicamente avanzata utile per applicazioni particolarmente complesse, dove i sensori elettrici tradizionali non possono soddisfare i requisiti. L'esplosione commerciale e di produzione scientifica confermano l’importanza strategica di:

  • mantenere laboratori al passo coi tempi
  • innovare tramite lo sviluppo di nuovi sensori adatti a specifiche esigenze
  • fare da ponte tra il mondo della ricerca e quello dell'industria
  • individuare metodologie di diagnostica predittiva su strutture meccaniche, civili, aerospaziali, adatte alle peculiarità dei sensori in fibra ottica

Molte sono le tecnologie che permettono di realizzare misure tramite fibra ottica, come i sensori Fiber Bragg Gratings (FBG), i Fabry-Perot (FP), la Optical Backscatter Reflectometry (OBR), i Sensori Interferometrici (IS) ed in generale i sensori Coerenti (anche nella versione Sinottico), Sensori Raman e Brillouin eccetera. Ciascuna tecnologia può fornire informazioni complementari o adattarsi ad applicazioni specifiche.

I sensori in fibra ottica vengono applicati in campi dove i sensori tradizionali comportano diversi svantaggi, quali il numero di sensori, la lunghezza dei cavi, la dimensione dei cavi, la dimensione dei sensori, la presenza di disturbi elettromagnetici, la presenza di alta tensione, la presenza di materiale esplosivo eccetera.

Qualche esempio di applicazione:

  • monitoraggio strutturale di grandi strutture (ponti, edifici, aerei, treni)
  • miglioramento dell'efficienza delle turbine eoliche, estrazione petrolifera, motori a turbina
  • monitoraggio ai fini della sicurezza di gallerie, impianti chimici o industriali
  • controllo di sistemi meccanici tramite l'embedding in smart structures
  • misure distribuite o quasi-distribuite delle deformazioni in provini di laboratorio

Sede

La sede del laboratorio è nell'edificio Sesini-A del Dipartimento di Meccanica. Tuttavia la localizzazione della strumentazione può variare per seguire i progetti che sono attivi nei quattro dipartimenti (Dipartimento di Meccanica; Dipartimento di Scienze e Tecnologie Aerospaziali; Dipartimento di Elettronica, Informazione e Bioingegneria; Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale).

Attrezzature

La strumentazione scelta per il laboratorio LAFOS impiega diverse famiglie di tecnologie, in modo da potersi adattare alle più diverse esigenze. Ad esempio la tecnologia Optical Backscatter Reflectometry (OBR) permette la misura della deformazione distribuita in un lungo tratto di fibra, con risoluzione spaziale di pochi millimetri. La tecnologia Fiber Bragg Gratings (FBG) permette la misura locale della deformazione e temperatura con buona accuratezza ed elevato campionamento temporale. La tecnologia Fabry-Perot (FP) permette di utilizzare sensori interferometrici. La tecnologia dei sensori interferometrici coerenti permette di acquisire informazioni complessive e distribuite lungo un tratto di fibra. La tecnologia degli FBG con Linear Attenuating Filter (LAF) permette di acquisire segnali ad elevatissima frequenza per studi di impatti. La strumentazione acquisita per il laboratorio LAFOS si aggiunge e completa un già vasto parco strumentazione in dotazione ai dipartimenti coinvolti. L'elenco dettagliato è fornito qui sotto.

Strumentazione acquisita nell'ambito del laboratorio

  • Optical Backscatter Reflectometry (OBR): centralina che permette di misurare la deformazione e la temperatura lungo un tratto di fibra in maniera continua. E' possibile avere in uscita fino a 16 segnali analogici corrispondenti al valore misurato in corrispondenza di 16 punti specifici. Lunghezza, risoluzione e frequenza di acquisizione dipendono dalla modalità impiegata. Sono disponibili rispettivamente:

    • 2 m, 5 mm, 250 Hz
    • 20 m, 5 mm, 50 Hz
    • 10 m, 1.25 mm, 23.8 Hz

  • Interrogatore per FBG (Fiber Bragg Gratings) dinamico: frequenza di campionamento 1 kHz, 4 canali ottici, massimo 80 FBG per canale, 20 dB di range dinamico ottico, misura sia dello spettro che delle lunghezze d'onda di picco dei sensori.
  • Interrogatore per FBG (Fiber Bragg Gratings) e FP (Fabry-Perot) statico: frequenza di campionamento 2 Hz, 4 canali ottici, massimo 80 FBG per canale, 50 dB di range dinamico ottico, misura sia dello spettro che delle lunghezze d'onda di picco dei sensori.
  • Generatore di forme d'onda arbitrarie per l'utilizzo con sensori interferometrici coerenti. Alta risoluzione temporale per preparare impulsi per sensori distribuiti.

Strumentazione già a disposizione dei dipartimenti

Un certo numero di interrogatori, sensori e accessori per fibra ottica è presente in ciascuno dei dipartimenti partecipanti. In breve sono disponibili 3 interrogatori dinamici per FBG da 1 kHz, un interrogatore per FBG a filtri lineari per 4 sensori con risoluzione di 0.1 pm e frequenza di acquisizione di 2 kHz, analizzatori di spettro ottico (OSA), 4 encoder ottici con rocchetto a filo per misura di spostamento, 12 accelerometri ottici FBG, 12 celle di carico FBG per misure di forza, torsione e temperatura, sistema di giunzione fibre con fusione ad arco, sorgenti LED da 850/1300 nm, giunti rotanti per fibre ottiche (FORJ), amplificatori ottici, sorgenti laser in fibra da 3 kW e 1 kW stabilizzate, pompa Raman, polarization scrambler, waveshaper.

Servizi forniti

Il laboratorio offre All'ateneo la progettazione di sistemi di misura complessi, dalla fase di progettazione a quella di sviluppo, installazione, campagna di misura e analisi dati. I sensori saranno basati principalmente su sensori in fibra ottica, adatti ad ambienti di misura particolarmente critici (elementi in tensione, motori, alternatori, pantografi ferroviari, linee aeree ferroviarie e di trasporto energia, aerei, edifici, ponti, gallerie, impianti chimici, turbine eoliche, impianti oil and gas, trasporto gas naturali, smart materials eccetera).

Modalità di accesso alle attrezzature

Fornitura custom di strumentazione e personale qualificato, con modalità e costi da decidere in funzione delle necessità e in accordo al regolamento di utilizzo. Per informazioni e dettagli contattare il Professor Francesco Ballio (coordinatore del laboratorio, francesco.ballio(at)polimi.it) e l'Ingegnere Lorenzo Comolli (responsabile operativo, lorenzo.comolli(at)polimi.it).

Punto di contatto
Francesco Ballio
francesco.ballio(at)polimi.it
Tel. +39.02.2399.6236

Comitato di gestione

Il comitato di gestione è composto dai seguenti membri:

  • Ferruccio Resta (Dipartimento di Meccanica - DMEC)
  • Giuseppe Sala (Dipartimento di Scienze e Tecnologie Aerospaziali - DAER)
  • Mario Martinelli (Dipartimento di Elettronica, Informazione e Bioingegneria - DEIB)
  • Francesco Ballio (Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale - DICA)