Domande frequenti sulla tecnologia e sui sensori FBG (reticolo a fibra di Bragg)

Gli interrogatori industriali HBM FiberSensing FS22 BraggMETER necessitano di un PC per la configurazione, la gestione dei dati e la visualizzazione.

Dopo aver configurato una misurazione, l’interrogatore industriale statico FS22 BraggMETER SI può essere lasciato come stand-alone mentre i dati vengono archiviati localmente. Successivamente è necessario un PC per il recupero di dati.

Il caso dell’interrogatore dinamico industriale FS22 BraggMETER DI è diverso, in quanto non ha una capacità di archiviazione e richiede l’uso di un PC per ricevere i dati misurati. L’interrogatore portabile FS42 BraggMETER ha un proprio computer incorporato, pertanto è completamente indipendente.

I valori misurati dall’interrogatore ottico (sistema di acquisizione dati) sono le lunghezze d’onda massime dello spettro stretto riflesse dal sensore in fibra a reticolo di Bragg. Quando la deformazione sul sensore ottico di deformazione provoca il cambiamento della lunghezza d’onda, l’interrogatore rileva un cambiamento nella lunghezza d’onda massima che è proporzionale alla deformazione. 
Il fattore estensimetro o la sensibilità del sensore specificata sulla confezione del sensore vengono usati come fattore di proporzionalità.

Gli interrogatori HBM FiberSensing possono essere usati con le interfacce utente grafiche disponibili, come il BraggMONITOR, e il potente software di acquisizione e analisi dei dati, come catman®.

Le fibre a reticolo di Bragg sono sensibili sia alle deformazioni che alla temperatura. Ciò significa che la misurazione della deformazione di un sensore soggetto a deformazione e  a temperatura, è anche condizionato dal cambio di temperatura. Questo effetto però è ben caratterizzato e facile da compensare. Esistono diversi metodi per compensare questo effetto:

• Con un sensore in fibra a reticolo di Bragg aggiuntivo che misura solo la temperatura e nell’ambito della stessa variazione di temperatura;
• Con un sensore ottico aggiuntivo come dummy (installato sullo stesso materiale ma senza applicazione di deformazione);
• Con un sensore aggiuntivo delle deformazioni che garantisce che la deformazione applicata sia uguale di valore, ma con segnali diversi (ad es. con un sensore di deformazione sopra e  uno sotto un cantilever);
• Con una fibra nuda a reticolo di Bragg aggiuntiva, non fissata e terminale;
• Con un sensore di deformazione atermico con un design meccanico per compensare gli effett indesiderati della temperatura nella misurazione delle deformazioni;
• Tra l’altro...  

Dipendenza dalle deformazioni del reticolo a fibra di Bragg (FBG)

La dipendenza dalle deformazioni di un reticolo a fibra di Bragg è data dall’espressione:

Ove:

fattore k– k del reticolo di Bragg

Dipendenza dalla temperatura del reticolo a fibra di Bragg (FBG)

La dipendenza dalla temperatura del reticolo a fibra di Bragg è:

Ove:

 – coefficiente dell'espansione termica della fibra

ζ –  coefficiente termo-ottico (dipendenza dell’indice di rifrazione sulla temperatura)

Dipendenza dalla temperatura del reticolo a fibra di Bragg (FBG)

Se l’estensimetro ottico è fissato ad una struttura rigida priva di deformazioni, la temperatura può cambiare l’indice di rifrazione della fibra, ma la sua espansione è fissata dalla struttura. Questo è equivalente a considerare l'espansione termica di una fibra fissa come  =0. La dipendenza dalla temperatura di un reticolo a fibra di Bragg che misura la deformazione è:

Quando si misura la deformazione, questo cambiamento della lunghezza d’onda indotto si confonde con la deformazione. La deformazione misurata effettivamente provocata dalla temperatura è:

la sensibilità incrociata alla temperatura (TCS) è quindi data da:

La deformazione effettiva dovrebbe essere calcolata dal sensore delle deformazioni come deformazione misurata dal sensore delle deformazioni meno l’effetto della temperatura su FBG delle deformazioni:

Questa correzione della deformazione non tiene in considerazione l’effetto della temperatura sulla deformazione della struttura laddove è fissato il sensore.

Dipendenza dalla temperatura di un reticolo a fibra di Bragg (FBG) fissato ad una struttura

Per compensare anche la deformazione della struttura per via degli effetti della temperatura, il calcolo dovrebbe essere fatto considerando il coefficiente di espansione termica (CTE) della struttura.

La variazione totale della deformazione di una struttura è:

la variazione della lunghezza d’onda di un sensore fissato ad una struttura che è soggetto al carico e alla temperatura è dato da:

Dato che per compensare la deformazione della struttura per via degli effetti della temperatura è necessario conoscere il valore CTE del materiale della struttura sulla quale è fissato il sensore.

Per misurare soltanto la deformazione, occorre compensare l’effetto della temperatura. Esistono diversi metodi per farlo, tra i quali l’uso di uno speciale gruppo meccanico o l’uso di un sensore con fibra a reticolo di Bragg (FBG) aggiuntivo.

Le deformazioni possono essere rimosse dalla misura soltanto se l’alloggiamento del reticolo può isolare la deformazione della struttura dall’elemento di rilevamento. Lo si può fare attraverso il design meccanico del sensore (ad es. sensori ottici della temperatura FS63 oppure il sensore di compensazione della temperatura OTC) oppure usando un FBG nudo, terminale e non fisso. 

I sensori in fibra a reticolo di Bragg hanno uno spessore di strato maggiore rispetto agli estensimetri elettrici. Quando si misura lo sforzo di flessione dei componenti sottili, è presente un errore di misurazione che non deve essere trascurato, ma che può essere facilmente compensato:

Con 
ε_OF  deformazione sulla superficie del componente
ε_Anz  deformazione misurata dalla fibra
h spessore del componente
d distanza della fibra dalla superficie del componente

Un altro aspetto va tuttavia considerato. Le fibre ottiche hanno un raggio di flessione minimo per via delle perdite ottiche. I sensori HBM FiberSensing della linea OP offrono la possibilità di effettuare misurazioni anche su superfici curve. La distanza da considerare per questi sensori è d=0,5 mm.

La lunghezza d’onda di Bragg dei sensori ottici è definita nell’istante in cui viene prodotto il reticolo nella fibra di Bragg. Per agevolare la produzione, sono stati definiti valori standard.

Secondo ragioni storiche, le lunghezze d’onda standard sono attualmente diverse in FS Line e OP Line.

Ad ogni modo, sono disponibili su richiesta altre lunghezze d’onda personalizzate tra 1500 nm e 1600 nm.

Alcuni esempi di ambienti ostili dove i sistemi ottici HBM FiberSensing sono stati impiegati con successo sono: alte temperature, alta radiazione, alto vuoto, alta tensione e ambienti criogenici.

Sono state condotte le seguenti applicazioni:

• Monitoraggio di vibrazioni e temperatura in generatori ad alta potenza;
• Monitoraggio hot spot nei trasformatori di potenza;
• Monitoraggio pale eoliche;
• Monitoraggio delle sollecitazioni;
• Monitoraggio di deformazione, temperatura e dislocamento in reattori termonucleari;
• Monitoraggio veicoli spaziali, ecc.

L’attenuazione con la distanza è molto contenuta nelle fibre ottiche. In combinazione con gli interrogatori ottici HBM FiberSensing, le lunghezze della fibra ottica possono arrivare fino a decine di km.

Esiste uno spostamento della lunghezza d’onda sul picco riflesso di Bragg quando il reticolo è soggetto a pressione. La variazione della lunghezza d’onda è all’incirca:

Questo effetto, tuttavia, è molto contenuto rispetto alle variazioni della lunghezza d’onda indotte da deformazione o dai cambiamenti di temperatura, pertanto di solito viene trascurato.

Quando il FBG è soggetto ad un carico laterale puntuale anziché a pressione, si verifica un fenomeno di birifrangenza. Ciò significa che comparirà un nuovo picco (due picchi coesisteranno allo stesso tempo) e può anche essere quantificato il suo spostamento.

I sensori ottici, in particolare i sensori in fibra a reticolo di Bragg (FBG), sono da preferire se il numero richiesto di sensori è relativamente elevato oppure in caso di lunghe distanze verso e tra i sensori. Quindi, per particolari ambienti, questa tecnologia potrebbe essere una delle alternative ai sensori tradizionali.

Prendiamo l’esempio di un’applicazione in cui le distanze sono adatte per misurare con gli estensimetri classici. Se quest’applicazione richiede più di 30 sensori, diventa più conveniente usare i sensori ottici piuttosto che quelli convenzionali.

Inoltre, i vantaggi della tecnologia possono rendere i sensori FBG/ottici l’unica opzione disponibile o la migliore possibile per determinate applicazioni.

Se vanno considerati lunghe distanze (dell’ordine di km) o scenari di applicazione molto specifici (per esempio campi altamente magnetici, intensi EMI/RFI, rischio di esplosione, ecc.), i sensori ottici possono essere l’unica soluzione possibile, in quanto i sensori elettrici semplicemente si guasterebbero, oppure implicherebbero numerosi problemi.

È il caso delle applicazioni in ambienti criogeni, che richiedono l’immunità agli effetti elettromagnetici (EMI, RFI, scintille…) e l’isolamento elettrico.

Altri vantaggi noti da tempo dei sensori basati su FBG sono:

• funzionamento sicuro in atmosfere potenzialmente esplosive;
• elevata capacità multiplexing, che consente il collegamento di un numero elevato di diversi tipi di
  sensori ad una singola fibra ottica, che riducono la complessità di rete e di installazione;
• formato e peso ridotti che li rendano adatti all’uso in ubicazioni e punti di misurazione difficili da raggiungere;
• Rilevamento remoto: grande distanza tra i sensori e l’interrogatore (diversi chilometri);
• nessun guasto meccanico ed elevata resistenza alla fatica;
• capacità di fornire misurazioni assolute senza necessità di riferimenti: basandosi sulla misurazione di un parametro assoluto - la lunghezza d’onda di Bragg - indipendentemente dalle fluttuazioni di potenza.

Un grande vantaggio della tecnologia a fibra ottica di Bragg è che consente di integrare più sensori in una singola fibra ottica. Un presupposto è che questi sensori hanno diverse lunghezze d’onda di Bragg.

La lunghezza dell’onda di Bragg varia in funzione della temperatura e delle deformazioni che agiscono sul sensore. Pertanto, occorre garantire le distanze di compensazione tra i picchi delle lunghezze d’onda dei sensori, in modo da evitare sovrapposizioni. Sono necessarie affinché l’interrogatore assegni i sensori sulla base delle lunghezze d’onda riflesse nell’ambito dello spettro di misurazione disponibile.

Un’altra caratteristica che può incidere sul numero di sensori è la potenza disponibile alla ricezione della riflessione del reticolo a fibra di Bragg. Ciò dipende dalla potenza di emissione dell’interrogatore, dalle perdite lungo il percorso (flessione, connettori, giunti, lunghezza delle fibre…) e sulla riflettività del reticolo a fibra di Bragg.

Ci sono così tanti dettagli che possono incidere sul numero dei sensori che è difficile stabilire un numero. Tuttavia, si raccomanda un valore tra 13 e 14 sensori per fibra, che corrisponde alla lunghezza d’onda centrale standard disponibile in HBM FiberSensing.

La lunghezza d’onda del reticolo a fibra di Bragg (FBG) viene definita durante la produzione del sensore e può essere regolata affinché si attesti su un valore tra 1500 nm e 1600 nm. Tutti i tipi di sensori (temperatura, deformazione, flessione, spostamento, ecc.) possono essere prodotti con qualsiasi lunghezza d’onda. Eppure, ci sono lunghezze d’onda predefinite che semplificano il processo di produzione rendendolo ripetitivo. Si tratta tuttavia di lunghezze d’onda trasversali e coesistenti in tutti i tipi di sensore. Il limite nella scelta delle lunghezze d’onda del sensore è che non è possibile avere due sensori FBG in serie (sulla stessa fibra) che riflettono la stessa lunghezza d’onda. Se ci sono più sensori FBG sulla stessa fibra ottica, l’unico requisito in termini di lunghezza d’onda di Bragg è che non si sovrappongano (ogni FBG deve avere un’unica lunghezza d’onda di Bragg e non deve sovrapporsi sugli altri entro il range di misurazione). I sensori possono possono riflettere le stesse lunghezze d’onda se sono misurate in diversi canali ottici degli interrogatori (sistema di acquisizione dati). Solitamente, la lunghezza d’onda del sensore è definita dalla richiesta del cliente oppure dal team di ingegneri durante la progettazione.

Il sensore ottico può essere collegato al campione in modi diversi. I sensori ottici prodotti da HBM FiberSensing possono essere incollati, saldati a strutture metalliche, integrati (ad esempio in calcestruzzo), inseriti in materiali compositi, fissati con viti…

L’influenza della temperatura sul sensore è immediata. Dipende solo dal trasferimento di calore attraverso il materiale.

Tutti i sensori della temperatura sono forniti con una scheda di taratura che comprende una funzione di taratura polinomiale.

A differenza degli estensimetri elettrici, un sensore ottico di deformazione non possiede una lunghezza attiva di reticolo.

La lunghezza dell'estensimetro, riportata nella documentazione relativa ai sensori, dipende dall'incapsulamento del sensore. Se si utilizza una fibra FBG nuda, o un sensore collegato al reticolo con lunghezza massima, la lunghezza dell'estensimetro corrisponde alla lunghezza del reticolo, cioè circa 6 mm.

Gli adesivi che si induriscono a freddo usati nel collegamento dei sensori ottici non offrono una stabilità a lungo termine ad una umidità relativa maggiore. Ciò vale in particolare per l’adesivo in cianoacrilati (Z70).

I sistemi in resina epossidica (X280) tuttavia sono resistenti all’effetto dell’umidità.

Si noti che l’umidità che agisce sui sensori ottici provoca un rigonfiamento dei materiali usati. Nel caso degli estensimetri ottici, questo genera forze che incidono sul reticolo di Bragg. Di conseguenza, si hanno effetti negativi sulla stabilità del punto di misura.

Ad ogni modo raccomandiamo di usare un agente di copertura simile a quelli usati con gli estensimetri elettrici.

Il sensore di flessione comprende due FBG ed entrambi sono necessari per ottenere la misurazione degli angoli senza influssi della temperatura. I due reticoli della fibra di Bragg agiscono in una configurazione push-pull, ovvero quando un sensore viene teso per effetto della posizione del sensore, l’altro viene spinto con lo stesso valore di deformazione. Con questa configurazione possiamo individuare la variazione dell’angolo partendo dalla variazione della lunghezza d’onda di uguale valore ma con segnali opposti. L’effetto della temperatura provoca variazioni della lunghezza d’onda uguali a FBG, pertanto è eliminato.

La sensibilità della flessione non dipende dall’angolo iniziale del sensore. Tuttavia, il sensore agisce come pendolo, quindi la gamma di misurazione dell’angolo di ±5 gradi è centrato sulla verticale e il sensore non agirà al di fuori di questi limiti.

La limitazione della temperatura da -20ºC a 80ºC è vera per i sensori lineari FS line. I limiti sono dati dal rivestimento in acrilato della fibra.

Sono diverse le ragioni che spingono a prediligere i sensori FBG nel monitoraggio delle pale delle turbine eoliche. La seguente tabella mette a confronto i sensori FBG con gli estensimetri tradizionali e con altri tipi di tecnologia ottica.

Troverete ulteriori informazioni sul sistema ottico HBM FiberSensing per il monitoraggio e la prova di applicazioni su turbine eoliche qui.

Possiamo affermare che la fibra a reticolo di Bragg da sola (fibra nuda) “non ha limiti”. La limitazione della frequenza di campionamento è sul lato interrogatore. La tecnologia di interrogazione detterà il numero massimo di campioni al secondo che possono essere misurati. Gli interrogatori standard HBM FiberSensing sono attualmente limitati a 1000 S/s, ma la società ha una tecnologia in house in grado di sostenere velocità di acquisizione fino a 10 kS/s. Per i sensori incapsulati, ovvero con qualche apparato meccanico attorno, il limite virtuale potrebbe non essere reale come i limiti dell’interfaccia meccanica che la deformazione trasferisce al reticolo.

La differenza fondamentale tra gli interrogatori statici e dinamici è nella loro frequenza di campionamento: mentre il primo è usato per le applicazioni statiche, il secondo, con maggiori frequenze di acquisizione, è per le applicazioni quasi-statiche o dinamiche. Consultare la pagina degli interrogatori HBM FiberSensing e le opzioni disponibili.

Per via del loro design, ci sono anche alcune differenze in termini di prestazioni. Gli interrogatori statici forniscono una migliore precisione e risoluzione e possono operare come stand-alone, mentre quelli dinamici hanno una precisione e risoluzione leggermente superiori e non hanno memorie interne per memorizzare dati senza PC aggiuntivo.

Esiste una funzione che è unica per gli interrogatori statici, ovvero SPD. Leggete ulteriori informazioni qui.

Benché l’interfaccia sia piuttosto simile, HBM FiberSensing ha due applicazioni distinte disponibili: BraggMONITOR SI per l’interrogatore statico industriale FS22 BraggMETER SI e BraggMONITOR DI per l’interrogatore dinamico industriale FS22 BraggMETER DI.

Il valore centrale della lunghezza d’onda che deve essere immesso durante la modifica del sensore corrisponde al valore (λ0 in nm) della lunghezza d’onda da cui viene calcolata la variazione della lunghezza d’onda (x=Δλ, in nm). Ciò significa che il risultato della variazione della lunghezza d’onda di un sensore in un istante t (xt, Δλt) è:

Dove λt è la lunghezza d’onda del sensore misurato nell’istante t.

Se lo scopo dell’utente è “azzerare” le misure da un istante, il valore da inserire nel campo CWL dovrebbe essere il valore misurato in quel particolare istante. D’altra parte, se l’utente ha bisogno di misurazioni assolute (come ad esempio sui sensori di temperatura), il CWL da usare deve essere quello definito sulla scheda di taratura fornita con il sensore.

Con l'esempio del sensore di temperatura

Sulla scheda di taratura di un sensore della temperatura HBM FiberSensing, la temperatura è descritta 
come polinomiale di secondo ordine della variazione della lunghezza d’onda

Ove:

S2 è la sensibilità di secondo ordine,

S1 è la sensibilità di primo ordine,

S0 è l’offset di temperatura.

Il valore S0 corrisponde alla temperatura di riferimento nella procedura di taratura, quindi per avere valori assoluti di temperatura occorre calcolare x usando la stessa lunghezza d’onda centrale dalla taratura: il CWL usato nelle misurazioni deve essere lo stesso di quello indicato sulla scheda di taratura del sensore.

Con l’esempio del sensore di deformazione

La dipendenza dalla deformazione dei sensori basati su FBG è:

Dove k è il fattore k del sensore di deformazione e S è la sensibilità alla deformazione indicata sulla scheda di taratura.

Questa deformazione sarà sempre registrata da un istante definito come “zero” ovvero il valore x sarà sempre calcolato relativamente alla lunghezza d’onda che il sensore aveva nel momento “zero” dopo l’installazione del sensore.

Esiste un limite per il numero di sensori che possono essere interpellati con un interrogatore con gamma limitata, diciamo [1500; 1600]. Ad ogni modo, è ancora possibile avere sensori multipli in una singola fibra ottica  (decine o anche centinaia di sensori), nella misura in cui le lunghezze d’onda di Bragg di ciascun sensore sono distinte e non si sovrappongono con la loro gamma di misura.

Poniamo ad esempio che la gamma di un interrogatore sia [1500; 1510] nm e si vorrebbero 3 sensori che misurano in questa gamma.

Se le lunghezze di Bragg dei sensori sono le seguenti:

sensore1 = 1502 nm

sensore2 = 1505 nm

sensore3 = 1508 nm

e tutti i sensori hanno uno spostamento della lunghezza d’onda di +/- 1 nm durante la misurazione, non ci saranno sovrapposizioni durante la misurazione.

Se per esempio i misurandi provocano lo spostamento della lunghezza d’onda dei sensori pari a +/- 3 nm, ci sarebbe una sovrapposizione della lunghezza d’onda di Bragg nell’ambito della gamma di misurazione, il che costituirebbe un limite.

È buona pratica collegare un sensore della temperatura a un sensore di deformazione per compensare l’effetto della temperatura sul sensore di deformazione.

Ad ogni modo, non è necessario usare due canali per misurare temperatura e deformazione.

Gli interrogatori industriali FS22 BraggMETER di HBM FiberSensing (che hanno fino a 8 canali) possono misurare reti di sensori con diversi sensori.

I sensori di deformazione HBM FiberSensing atermici sono in grado di misurare la deformazione indipendentemente dalla temperatura soltanto con un FBG.

Gli interrogatori HBM FiberSensing comunicano tramite Ethernet. Con questo è possibile collegarli tramite Wi-Fi o GSM sfruttando un’apparecchiatura dedicata collegata all’interrogatore. Occorre fare però attenzione all’affidabilità dei dati trasferiti. Per esempio, sugli interrogatori meccanici con elevate frequenze di acquisizione, la larghezza di banda necessaria per assicurare un trasferimento di dati fluente è elevata.

I sensori ottici non comprendono comunicazioni, in quanto i sensori non hanno elettronica. I sensori ottici sono elettricamente passivi e si basano su fibra ottica nuda.

Gli interrogatori HBM FiberSensing sono piccoli e possono essere facilmente trasportati. Ciononostante gli interrogatori FS22 BraggMETER industriali hanno bisogno di un alimentatore e di un PC per un’interfaccia, il che rende l’apparecchiatura più scomoda da spostare.

Gli interrogatori portabili FS42 BraggMETER sono progettati per le applicazioni in mobilità. Si tratta di interrogatori stand-alone che possono fornire misurazioni in punti dislocati e possono essere usati con qualsiasi tipo di sensore FBG (di temperatura, di deformazione, di flessione, ecc.). Comprendono batteria, un’interfaccia touch screen e un software integrato in un PC interno. È molto diffuso l’utilizzo di questi interrogatori portatili durante l’installazione di reti di sensori, oppure per effettuare misurazioni live in-situ.

L’interrogatore industriale FS22 BraggMETER e l’interrogatore portatile FS42 BraggMETER sono tarati durante la produzione e comprendono un riferimento interno rintracciabile che garantisca la loro precisione nel tempo.

È comunque possibile eseguire una taratura certificata per tutti gli interrogatori di tanto in tanto.

Sì, nel caso degli interrogatori industriali FS22 BraggMETER. Questi interrogatori comunicano via Ethernet con interfaccia TCP/IP.

Nel caso dell’interrogatore portatile FS42 BraggMETER la risposta è no.

I driver sono forniti con il materiale di supporto degli interrogatori o possono essere scaricati nel nostro sito web.

SPD è integrato soltanto nel sistema che funziona in tempo reale dell’interrogatore statico industriale FS22 Industrial BraggMETER SI.