Thin membranes for high sensitive pressure transducers based on FO technology

Sensing techniques based on fiber optics (FO) can be employed in a variety of applications to measure parameters such as strain, temperature, pressure, displacement. In this work a particular attention has been addressed to pressure transducers based on Fiber Bragg Grating (FBG) sensors. The transducing element designed and developed is a thin elastomeric membrane with a composite core, in which the FO is embedded. The aim of this thin membrane is thus the local measurement of the pressure variation, which is related to a strain-induced wavelength shift in the FBG sensor written inside the fiber. After having developed and fine-tuned the correct procedure for the manufacturing of the membrane, two different possible applications have been investigated. The first in the biomedical field, to study the response of the FBG sensors to the interface pressure under bandages. The results obtained are promising, since the thin membrane results suitable to give a feedback to the health practitioner on the level of pressure applied, in order to avoid incorrect bandages. With this device it could be possible to monitor the variations of interface pressure after the application of the bandage and understand if an adjustment is necessary. Moreover, the monitoring of the heartbeat is feasible, when the thin membrane is placed under bandages. Finally, another thin membrane has been fabricated for aeronautical applications, to measure the pressure distribution on an aerodynamic surface. This sample of the membrane has been applied on an aerodynamic profile and validated through a wind tunnel test. The FBG sensors present a good response in terms of variation of wavelength when the air speed in the wind tunnel is increased. The identification of the situation of stall is another advantage of this device.

Le tecniche di rilevamento basate su fibre ottiche (FO) possono essere impiegate in una varietà di applicazioni per misurare parametri come deformazione, temperatura, pressione, spostamento. In questo lavoro è stata rivolta una particolare attenzione ai trasduttori di pressione basati su sensori Fiber Bragg Grating (FBG). L'elemento trasduttore progettato e sviluppato è una sottile membrana elastomerica con core di composito, nella quale è incorporata la fibra ottica. Lo scopo di questa sottile membrana è quindi la misurazione locale della variazione di pressione, che è correlata a uno shift di lunghezza d'onda indotto dalla deformazione nel sensore FBG presente all'interno della fibra. Dopo aver sviluppato e messo a punto la corretta procedura per la produzione della membrana, sono state approfondite due diverse possibili applicazioni. La prima in campo biomedico, per studiare la risposta dei sensori FBG alla pressione di interfaccia sotto i bendaggi. I risultati ottenuti sono promettenti, poiché la membrana sottile risulta adatta a dare un feedback all'operatore sanitario sul livello di pressione applicato, al fine di evitare bendaggi errati. Con questo dispositivo potrebbe essere possibile monitorare le variazioni della pressione di interfaccia dopo l'applicazione del bendaggio e capire se è necessaria una regolazione. Inoltre, quando la membrana viene posta sotto le bende è possibile monitorare il battito cardiaco. Infine, un'altra membrana sottile è stata fabbricata per applicazioni aeronautiche, con lo scopo di misurare la distribuzione della pressione su una superficie aerodinamica. Questo campione della membrana è stato applicato su un profilo aerodinamico e sottoposto a test in galleria del vento. I sensori FBG presentano una buona risposta in termini di variazione della lunghezza d'onda quando la velocità dell'aria nella galleria del vento viene aumentata. L'identificazione della situazione di stallo è un altro vantaggio di questo dispositivo.