Misure distribuite di alte temperature con sensore in fibra ottica basato su tecnologia Brillouin

One of the least-known but most interesting applications in the field of optical communications deals with an alternative mode of sensor development. It mainly focuses on three types of measurements: vibration, strain and temperature. The development of this fiber technology is due to advantages characteristic of the used medium: it is capable of surviving in harsh environments and is immune to electromagnetic fields. An additional advantage is the possibility to be used in many industrial applications thanks to the extremely reduced dimensions. One of the most complex but powerful ways to make this type of sensor is based on the phenomenon of non-linear scattering discovered by Brilloiun. In particular, the purpose of this thesis is to demonstrate the feasibility of temperature measurements by means of a sensor based on backscattering stimulated at high temperatures (above $500^\circ C$). This provides a reliable alternative to the legacy thermocouple measurements. The activities carried out involved the research and use of the phase-coded Brillouin Optical Correlation Domain Analysis (BOCDA) technique. It is able to obtain strain and temperature measurements, with spatial resolution of centimeters. The applicability of the BOCDA system in the feasibility and repeatability of the measurement of temperature was then deepened following the industrial interest that has emerged in this field. The results obtained have shown, not only high accuracy with regard to spatial resolution, but also excellent sensitivity of the fiber chosen at high temperatures. This allows with great confidence the use of this technology even for demanding industrial applications.

Una delle applicazioni meno conosciute ma più interessanti nel campo delle comunicazioni ottiche, riguarda un'alternativa modalità di sviluppo di sensoristica. Principalmente essa si concentra su tre tipi di misurazioni: vibrazione, tensione e temperatura. Lo sviluppo di questa tecnologia in fibra è dovuto a vantaggi caratteristici del mezzo utilizzato: essa è infatti capace di sopravvivere in ambienti ostili ed è immune ai campi elettromagnetici. Vantaggio ulteriore è la possibilità di essere utilizzata in molteplici applicazioni industriali grazie alle dimensioni estremamente ridotte. Una delle modalità più complesse ma più potenti che permettono di realizzare questo tipo di sensori è basata sul fenomeno di scattering non lineare scoperto da Brilloiun. In particolare, lo scopo di questa tesi è dimostrare la fattibilità di misure di temperatura mediante un sensore basato sul backscattering stimolato a temperature elevate (superiori a $500^\circ C$). Ciò fornisce un'alternativa affidabile alle misurazioni con termocoppie che tuttora risultano essere lo stato dell'arte. L'attività svolta ha riguardato lo studio e l'utilizzo della tecnica phase-coded Brillouin Optical Correlation Domain Analysis (BOCDA). Essa è in grado di ottenere misure di tensione meccanica e di temperatura, con risoluzione spaziale del centimetro. Si è poi approfondita l'applicabilità del sistema BOCDA nello studio di fattibilità e ripetibilità di misure di temperatura a seguito dell'interesse industriale rivelatosi in questo campo prorompente. I risultati ottenuti hanno dimostrato non solo un'elevata accuratezza per quanto riguarda la risoluzione spaziale, ma anche un'ottima sensibilità della fibra scelta alle alte temperature. Ciò permette con grande affidabilità l'uso di questa tecnologia anche per applicazioni industriali esigenti.