Birefringent optical fibers to decouple thermo-mechanical effects on FBG sensors

Fiber Bragg Grating (FBG) optical sensors are gaining relevance in the field of Structural Health Monitoring (SHM) due to their compact dimensions and the ability to be embedded within composite materials. A significant challenge, widely discussed in the literature, involves the decoupling of thermomechanical measurements performed through these sensors. This thesis aims to address this issue by using birefringent optical fibers in place of traditional ones. The distinctive features of birefringent fibers allow an FBG sensor, inscribed on such fibers, to present not a single peak but two distinct peaks, each with different responses to variations in deformation and temperature. This property offers a significant advantage: by having two independent equations associated with the two peaks, it is possible to decouple the thermomechanical measurements using exclusively the fiber itself, without the need to introduce additional components to achieve mechanical decoupling. In the first phase of the work, an FBG sensor on a birefringent fiber was characterized and subsequently calibrated, conducting thermal, mechanical, and thermomechanical characterization tests, with the aim of verifying the feasibility and effectiveness of the decoupling. In a second phase, a sensor of this kind was embedded within a composite material specimen, which was subsequently subjected to the same characterization tests conducted on the single fiber.

I sensori in fibra ottica a reticolo di Bragg (FBG) stanno acquisendo rilevanza nel campo del monitoraggio dello stato di salute strutturale (Structural Health Monitoring, SHM), grazie alle loro dimensioni contenute e alla capacità di essere inglobati all’interno di materiali compositi. Una sfida significativa, ampiamente dibattuta in letteratura, riguarda il disaccoppiamento delle misure termomeccaniche effettuate attraverso questi sensori. Questa tesi mira a risolvere tale problematica utilizzando fibre ottiche birifrangenti in sostituzione di quelle tradizionali. Le caratteristiche distintive delle fibre birifrangenti consentono a un sensore FBG, inscritto su tali fibre, di presentare non un singolo picco, ma due picchi distinti, ciascuno con diverse risposte a variazioni di deformazione e temperatura. Questa proprietà offre un vantaggio significativo: avendo a disposizione due equazioni indipendenti associate ai due picchi, è possibile disaccoppiare le misure termomeccaniche utilizzando esclusivamente la fibra stessa, senza la necessità di introdurre componenti aggiuntivi per ottenere un disaccoppiamento di tipo meccanico. Nella prima fase del lavoro, è stato caratterizzato e successivamente calibrato un sensore FBG su fibra birifrangente, conducendo prove di caratterizzazione termica, meccanica e termomeccanica, con l’obiettivo di verificare la fattibilità e l’efficacia del disaccoppiamento. In una seconda fase, è stato inglobato un sensore di questo genere all’interno di un campione di materiale composito, che è stato successivamente sottoposto alle stesse prove di caratterizzazione condotte sulla singola fibra.