Fiber optic transducer for acoustic emission detection

The ever increasing need to improve the safety and maintainability of many kind of structures has led to the development of several monitoring techniques. In this frame, Acoustic Emission (AE) represents a Structural Health Monitoring (SHM) passive method that ensures real-time tracking of the evolution of cracks and damages that can potentially lead to failure of the entire structure under consideration . In recent years Fiber Optic Sensors (FOSs) have been proposed as an effective alternative capable to overcome conventional AE sensors issues and in this thesis a novel solution for ultra-acoustic waves monitoring on thin metallic plates is proposed . The sensor is based on a fiber optic Michelson interferometric architecture associated to a coherent detection scheme that recovers the phase information in a completely passive way. The sensing fiber is arranged into a ring layout with multiple loops in order to increase the sensor sensitivty, while still guaranteeing a localized measure. Several measurements have been carried out through Lamb waves excitation by mean of piezoelectric actuators, in order to characterize the FOS behaviour as a function of the number of loops, coil radius and effective length attached to the alluminium plate, to select the layout ensuring best performance in terms of sensitivity. Moreover experimental characterizations have proved a good omnidirectionality of the ring layout. This aspects makes the performance of the proposed FOS almost independent from its orientation with respect to the AE source, whose position is often not know a-priori in real in-field applications. A further interesting results is that the frequency response of the ring layout is not flat but characterized by the presence of a specific resonance which is strictly related with the ring radius and which can be advantageously exploited to increase the FOS sensitivity.

La sempre maggiore necessità di migliorare la sicurezza e la manutenibilità di molti tipi di strutture ha portato allo sviluppo di diverse tecniche di monitoraggio. In questo ambito, l'Emissione Acustica (Acoustic Emission - AE) rappresenta un metodo passivo di monitoraggio strutturale (Structural Health Monitoring - SHM) che garantisce il monitoraggio in tempo reale dell'evoluzione di fratture e danni che possono potenzialmente portare al cedimento dell'intera struttura in esame. Negli ultimi anni i sensori in fibra ottica (Fiber Optic Sensors - FOSs) sono stati proposti come un'efficace alternativa in grado di superare i problemi dei sensori AE convenzionali e in questa tesi viene proposta una nuova soluzione per il monitoraggio delle onde ultra-acustiche su sottili lastre metalliche. Il sensore è basato su un'architettura interferometrica di Michelson in fibra ottica associata ad uno schema di rivelazione coerente che recupera l'informazione di fase in modo completamente passivo. La fibra è disposta in un layout ad anello con più giri per aumentare la sensibilità del sensore, pur garantendo una misura localizzata. Sono state effettuate diverse misurazioni tramite eccitazione di onde di Lamb mediante attuatori piezoelettrici, al fine di caratterizzare il comportamento del FOS in funzione del numero di spire, del raggio dell'anello e della lunghezza di fibra attaccata alla piastra di alluminio, per selezionare il layout che garantisse le migliori prestazioni in termini di sensibilità. Inoltre le caratterizzazioni sperimentali hanno dimostrato una buona omnidirezionalità del layout ad anello. Questo aspetto rende le prestazioni del FOS proposto pressoché indipendenti dal suo orientamento rispetto alla sorgente AE, la cui posizione spesso non è nota a priori nelle reali applicazioni sul campo. Un ulteriore risultato interessante è che la risposta in frequenza della disposizione ad anello non è piatta, ma è caratterizzata dalla presenza di una risonanza specifica che è strettamente correlata al raggio dell'anello e che può essere vantaggiosamente sfruttata per aumentare la sensibilità del FOS.