Ultrasonic lamb wave detection by coherent fiber optic sensor

Structural Health Monitoring (SHM) is emerging as a vital strategy to help engineers improve the safety and maintainability of critical structures. Optical Fiber Sensors (OFSs) have been recently used for damage identification, exploiting ultrasonic Lamb waves in a thin metallic structure like the aircraft shell. In particular, most of the studies available in the SHM literature perform local measurements by means of fiber Bragg gratings, which provide high signal to noise ratios but are associated to expensive acquisition systems, making the scalability of this diagnostic solution not sustainable for realistic structure monitoring. Optical fiber interferometers have also been exploited for acoustic and ultrasonic sensing offering wide dynamic range, extremely high sensitivity and bandwidth up to MHz. A cost-effective solution for ultrasonic wave monitoring is proposed in this thesis for high frequency SHM applications. The sensor relies on a fiber optic Michelson interferometric architecture associated to an innovative coherent detection scheme, which retrieves the phase information of the received optical signal in a completely passive way. The optical fiber is organized into multiple loop structures glued on an aluminum thin panel in order to increase the phase signal relative only to the sensing points of interest. The ultrasonic wave emitted by a piezoelectric transducer placed on the aluminum panel is then acquired by the optical sensor with different sensor layouts as a function of the number of sensor fiber loops and the fiber gauge length. Measurements carried out with the coherent fiber optic sensor are then compared with traditional piezoelectric sensors and with a numerical simulation proving that, this solution represents a promising, cost-effective and highly sensitive measurement technique for passive and active structural health monitoring.

Sistemi di monitoraggio strutturale (Structural Health Monitoring) si stanno dimostrando sempre più una strategia vitale per garantire l’integrità e la sicurezza di strutture critiche. I sensori in fibra ottica sono stati recentemente usati per l’individuazione di danni sfruttando la propagazione di onde di Lamb in sottili strutture metalliche come quelle degli aerei. In particolare, in gran parte della letteratura vengono usati come sensori i Fiber Bragg Grating che garantiscono un alto rapporto segnale-rumore, ma necessitano di un costoso sistema di acquisizione non permettendone un realistico utilizzo. Allo stesso scopo sono stati impiegati sensori interferometrici in fibra ottica che garantiscono un’elevata sensibilità, un ampio range dinamico e banda fino al MHz. In questa tesi viene proposta un’economica ed innovativa soluzione per il monitoraggio di onde ultrasoniche che si basa sull’interferometro di Michelson associato ad un innovativo schema di rivelazione coerente, il quale permette di ottenere le informazioni di fase in modo completamente passivo. Il sensore in fibra ottica è organizzato in multipli loop incollati al pannello in alluminio oggetto dell’investigazione in modo tale da aumentarne la sensibilità garantendo comunque una misura puntuale. L’onda ultrasonica emessa da un attuatore piezoelettrico, collocato al centro del pannello, è acquisita dal sensore interferometrico variandone volta per volta la configurazione in termini di loop e di lunghezza di fibra incollata sulla superficie. I dati acquisiti dal sensore in fibra ottica sono stati comparati con un classico sensore piezoelettrico e con una simulazione numerica, dimostrando che questo innovativo sensore coerente rappresenta una promettente soluzione in termini di costi e sensibilità per il monitoraggio sia attivo, sia passivo di strutture critiche.