Fiber optic based fuel sensor for avionic applications

The measurement of the fuel level inside aircraft tanks is a critical issue in avionic applications, currently performed with active capacitances or optoelectronic probes supplied through electric cables. However, the presence of electrical connections inside tanks can prove dangerous as electric shocks, lightning or high intensity radiation may propagate inside the tank, causing fuel ignition and explosions. This work of thesis is part of a European project coordinated by Secondo Mona, an established Italian aerospace enterprise, that aims at the design, development, test and qualification of a new, highly reliable, integrated “all-optical fuel gauging system” inside avionic tanks. In particular, the thesis focuses on “low-level” sensors exploited to detect if fuel inside tanks goes below a threshold critical level. The proposed optical sensor distinguishes the presence or not of fuel by monitoring the intensity of an optical signal transmitted and back-reflected inside the tank. An appropriate collimation system has been designed both to optimize sensor performance and to ensure an efficient coupling with standard optical fibers used to connect the optical sensor to the optoelectronic board placed outside the tank, thus ensuring complete electrical isolation. Sensor reliability aspects were also assessed by providing proper layouts and control procedures to ensure real-time monitoring of the actual operation of optoelectronic components. Lab tests have been carried out on first 3-D printed sensor prototypes and obtained performances confirmed the feasibility of the proposed “all-optical low-level sensor” for avionic applications.

La misurazione del livello del carburante all'interno dei serbatoi di aeromobili è un aspetto critico nel settore avionico, e viene attualmente realizzata con sensori capacitivi o optoelettronici alimentati tramite cavi elettrici. La presenza di connessioni elettriche all'interno dei serbatoi può rivelarsi tuttavia pericolosa poichè scariche elettriche, fulmini o radiazioni ad alta intensità possono diffondersi all'interno del serbatoio e provocare esplosioni. Questo lavoro di tesi rientra in un progetto europeo coordinato da Secondo Mona, un'impresa aerospaziale italiana, che mira a progettare, sviluppare e qualificare un sistema di misurazione del carburante completamente ottico e altamente affidabile per i serbatoi di aeromobili. In particolare, la tesi si è focalizzata sui sensori “low-level”, utilizzati per rilevare se il carburante all'interno dei serbatoi scende al di sotto di un livello critico di soglia. Il sensore proposto distingue la presenza o meno di carburante monitorando l’intensità di un segnale ottico trasmesso all'interno del serbatoio. Un opportuno sistema di collimazione è stato progettato sia per ottimizzare le prestazioni del sensore che per assicurarne un accoppiamento efficiente con fibre ottiche standard utilizzate per collegare il sensore ottico alla scheda optoelettronica posizionata al di fuori del serbatoio e garantire così un completo isolamento elettrico. Sono stati inoltre valutati gli aspetti di affidabilità del sensore proponendo schemi e procedure di controllo per garantire un monitoraggio in tempo reale dell’effettivo funzionamento dei componenti. Test di laboratorio sono stati eseguiti su primi prototipi in stampa 3-D confermando la fattibilità del sensore “low-level” in fibra ottica per applicazioni avioniche.