Decoupling the thermal and mechanical effects of FBG sensors by using polarization maintaining fibers

The compact dimensions and embeddability of Fiber Bragg Grating (FBG) optical sensors in composite materials have made them more relevant in the field of Structural Health Monitoring (SHM). The literature has extensively addressed the noteworthy obstacle of thermomechanical measurements made using these sensors—namely, their decoupling. One major issue that has been extensively covered in the literature is the inability to separate the thermomechanical readings that are made with these sensors. After reviewing the literature on current effective decoupling methods, this thesis attempts to overcome this problem by substituting Polarization Maintaining optical fibers for conventional ones. Because of their unique characteristics, birefringent fibers enable an FBG sensor to be inscribed on them to display two distinct peaks, each of which reacts differently to temperature and deformation changes. This trait has a major benefit: since the two peaks relate to two separate equations, it is easy to decouple the thermomechanical data just by utilizing the fiber; extra components are not needed to achieve mechanical decoupling. During the first stage of thesis, a Polarization Controller was developed in-house to define the polarization state of light signals and to control the intensity of two peaks for comprehending the FBG's spectral response characteristics. In the second phase, an FBG sensor inscribed on a birefringent fiber was characterized and subsequently calibrated by conducting thermal loading tests with the aim of verifying the feasibility and effectiveness of the decoupling.

Le dimensioni compatte e l'integrabilità dei sensori ottici con reticolo in fibra di Bragg (FBG) nei materiali compositi li hanno resi più rilevanti nel campo del monitoraggio dello stato strutturale (SHM). La letteratura ha ampiamente affrontato il notevole ostacolo delle misurazioni termomeccaniche effettuate utilizzando questi sensori, vale a dire il loro disaccoppiamento. Uno dei problemi principali ampiamente trattati in letteratura è l'impossibilità di separare le letture termomeccaniche effettuate con questi sensori. Dopo aver esaminato la letteratura sugli attuali metodi di disaccoppiamento efficaci, questa tesi tenta di superare questo problema sostituendo le fibre ottiche con mantenimento della polarizzazione con quelle convenzionali. Grazie alle loro caratteristiche uniche, le fibre birifrangenti consentono di inscrivere un sensore FBG su di esse per visualizzare due picchi distinti, ciascuno dei quali reagisce in modo diverso ai cambiamenti di temperatura e deformazione. Questa caratteristica presenta un grande vantaggio: poiché i due picchi si riferiscono a due equazioni separate, è facile disaccoppiare i dati termomeccanici semplicemente utilizzando la fibra; non sono necessari componenti aggiuntivi per ottenere il disaccoppiamento meccanico. Durante la prima fase della tesi, è stato sviluppato internamente un controller di polarizzazione per definire lo stato di polarizzazione dei segnali luminosi e per controllare l'intensità di due picchi per comprendere le caratteristiche di risposta spettrale dell'FBG. Nella seconda fase, un sensore FBG inscritto su una fibra birifrangente è stato caratterizzato e successivamente calibrato conducendo prove di carico termico con l'obiettivo di verificare la fattibilità e l'efficacia del disaccoppiamento.