Risposte concise alle domande più frequenti sugli estensimetri ottici: procedura, vantaggi, installazione

Una fibra a reticolo di Bragg comprende numerosi punti che riflettono particolari lunghezze d'onda della luce incidente. Questi punti vengono creati con l'azione di una forte luce UV sul nucleo della fibra. Detto processo è denominato anche "iscrizione". Quando vengono iscritti numerosi punti di riflessione ad intervalli regolari sulla fibra, si crea un reticolo di filamenti.

Fig. 1: Struttura base di una fibra a reticolo di Bragg

In una fibra a reticolo di Bragg, la distanza dei punti di riflessione è sempre la stessa. Il reticolo riflette la lunghezza d'onda che eguaglia esattamente la distanza fra due punti di riflessione. Tutte le altre lunghezze d'onda vengono trasmesse lungo il reticolo senza essere riflesse od attenuate. L'interferenza della luce con i singoli picchi di riflessione, crea un picco di riflessione determinato dalla distanza uno dall'altro dei punti del reticolo.

Se tutte le riflessioni sono in fase - cioè se la lunghezza d'onda corrisponde alla distanza dei punti di riflessione -, in questo punto risulta una interferenza costruttiva. La lunghezza d'onda di tale picco di riflessione viene determinata dall'interrogatore. Non appena il reticolo di Bragg è soggetto ad una deformazione, varia la distanza dei punti di riflessione e viene riflessa una diversa lunghezza d'onda. Ciò permette che venga determinata la variazione della lunghezza d'onda di Bragg. In modo analogo alla relazione per gli estensimetri metallici, vale quanto segue:

ove:

λ    lunghezza d'onda base del reticolo della fibra di Bragg (lunghezza d'onda all'inizio della misurazione)
Δλ  variazione della lunghezza d'onda provocata dalla deformazione applicata al reticolo 
k    fattore k 
ε    deformazione

I sensori a fibra di Bragg possiedono un maggior spessore rispetto agli estensimetri elettrici. Misurando deformazioni di flessione su oggetti sottili, ciò comporta un errore di misura che non può essere trascurato, ma che è tuttavia facile da compensare:

ove:
ε_OF     deformazione della superficie dell'oggetto 
ε_Anz    deformazione misurata dalla fibra 
h        spessore dell'oggetto 
d        distanza della fibra dalla superficie dell'oggetto

Gli estensimetri ottici HBM hanno la distanza d = 0,5 mm.

Un estensimetro ottico (EO) è costituito da una fibra con reticolo di Bragg annegata in una struttura speciale. Gli EO della HBM sono costruiti in modo tale da poterli incollare come gli estensimetri convenzionali. Gli utenti non dovranno pertanto impegnarsi con il difficile maneggio delle fibre ottiche.

Un'altro vantaggio consiste nel fatto di poter misurare facilmente anche le deformazioni negative, senza dover presollecitare il reticolo di Bragg - una caratteristica disponibile solo con il reticolo di Bragg patentato della HBM.

Tutti gli erstensimetri ottici HBM sono stati provati secondo la norma VDI/VDE 2635 per gli estensimetri elettrici, in particolare per quanto concerne la resistenza alla fatica, il fattore k e la massima deformabilità.

I componenti di attenuazione quali connettori ed accoppiamenti usati per collegare l'interrogatore e le differenti fibre ottiche impiegate, possono causare perdite ottiche. Adattando le soglie di guadagno (amplificazione) e di rumore nel modulo ausiliario catman^®Easy optics, si può regolare lo spettro del sensore nel campo di tolleranza della forza del segnale da valutare. 

Il guadagno è usato per aumentare la forza del segnale. La soglia di rumore è usata per regolare il livello del rumore da sopprimere. In tal caso è essenziale che l'intensità dei picchi riflessi sia pressoché eguale al livello di rumore. Gli estensimetri ottici HBM installati quali catene di EO hanno differenze di livello di massimo 4 dB - un valore che non influenza negativamente le misure. Per maggiori informazioni su come regolare correttamente il guadagno e la soglia di rumore, si prega di consultare i corrispondenti manuali di istruzione. 

Gli estensimetri ottici non possiedono una lunghezza di griglia attiva così come viene definita per gli estensimetri elettrici.  In genere, gli estensimetri ottici HBM hanno lunghezza di 30 mm.

La fibra con reticolo di Bragga è annegata in una resina plastica spciale nell'area centrale dell'estensimetro (zona chiara nella figura). La deformazione viene trasferita nel reticolo di Bragg mediante i "punti finali" dell'estensimetro ottico (le due zone scure nella figura). Ciascun punto finale è lungo circa 5 mm. L'estensimetro ottico deve essere incollato per tutta la sua lunghezza.

La speciale resina plastica chiara serve a guidare la fibra, specialmente nel caso di deformazioni negative. Il segnale di deformazione dell'estensimetro che giunge all'interrogatore è la media di tutte le deformazioni sotto l'area della speciale resina plastica chiara.

Uno dei vantaggi principali della tecnologia di misura a fibre ottiche di Bragg è che si possono integrare numerosi sensori sulla stessa fibra. Il prerequisito è che i sensori abbiano differenti lunghezze d'onda di Bragg.

Come descritto nella risposta a "Come funziona una fibra a reticolo di Bragg?", la lunghezza d'onda di Bragg varia in funzione della temperatura e della deformazione che agiscono sul sensore. I picchi non devono interferire fra di loro.

Il sensore genera una variazione della lunghezza d'onda in funzione del carico meccanico a cui è soggetto. Il totale di queste variazioni non deve superare la banda passante di lunghezze d'onda dell'interrogatore.

Si deve fare attenzione a che sia garantita una distanza di sicurezza fra i picchi delle lunghezze d'onda dei vari sensori. Ciò è necessario per permettere all'interrogatore di disporre i sensori in base alle lunghezze d'onda che vengono riflesse. Indicativamente si possono disporre 13 sensori per fibra. Ciò permette di collegare fino a 52 sensori ad un interrogatore a 4 canali.

Gli estensimetri ottici vengono generalmente installati impiegando collanti a freddo che, al crescere dell'umidità relativa, non offrono stabilità a lungo termine. In particolare, è questo il caso dei collanti cianoacrilici (Z70).

Al contrario, le resine epossidiche (X280) sono resistenti all'influenza dell'umidità. Tuttavia notare che il rigonfiamento causato dall'umidità è molto limitato nei materiali che costituiscono l'EO. Le forze generate all'interno dell'estensimetro ottico agiscono sul reticolo di Bragg. Ciò ha un'influenza negativa sulla stabilità dello zero del punto di misura. In ogni caso, si consiglia di impiegare gli stessi impermeabilizzanti usati con gli estensimetri elettrici a resistenza.

Con gli estensimetri ottici si possono utilizzare tutti gli agenti di rivestimento del programma di fabbricazione HBM (escluso l'SL450).

Gli interrogatori statici differiscono da quelli dinamici per la cadenza di campionamento. Gli interrogatori statici operano con cadenza di campionamento da 1 a 10 Hz, mentre quelli dinamici operano con cadenza da 100 a 1000 Hz.

• No. Cat. HBM per interrogatori statici:
  SIxxx
• No. Cat. HBM per interrogatori dinamici:
  DIxxx

I multiplexer ottici si possono collegare agli interrogatori a 4 canali. Essi moltiplicano rispettivamente di 8 o di 16 il numero delle catene di misura ottiche. Ciò permette di realizzare sistemi di misura fino a 320 sensori ottici. Per ulteriori informazioni, prego leggere i corrispondenti prospetti dati sul sito www.hbm.com

I valori misurati dall'interrogatore sono le lunghezza d'onda dei segnali riflessi dai sensori. Quando la deformazione che agisce sull'estensimetro ottico causa la variazione della lunghezza d'onda, tale variazione è proporzionale alla deformazione. Per ottenere il corrispondente valore di deformazione, le lunghezze d'onda deve essere convertite in deformazioni.

Il fattore k specificato sulla confezione di sensori serve quale fattore di proporzionalità. Si rende più comodo il lavoro impiegando un software di acquisizione ed analisi adatto per la tecnologia di misura ottica.

Le impostazioni necessarie, quali i parametri per la visualizzazione dello spettro, la misurazione della deformazione e ed i valori di regolazione dello zero, possono essere memorizzati permanentemente nel software.
Le variazioni di temperatura hanno grande influenza sui risultati di misura. Il software per acquisizione dati permette di compensare gli effetti della temperatura. Ciò può essere effettuato usando anche sensori di compensazione o correggendo i dati mediante un canale di misura della temperatura.