Figura 1 Il principio che sottolinea il funzionamento degli estensimetri con reticolo a fibra di Bragg (FBG).

Nel monitoraggio strutturale si stanno affermando sempre più nuove tecnologie

 

Praticamente qualsiasi tipo di infrastruttura pubblica, tra cui ponti, tubi, gallerie, fondamenta, strade, argini, ecc. è soggetta a fattori che possono provocarne il degradamento o difetti di funzionamento.  Questi problemi strutturali possono essere il risultato di deterioramento, metodi di costruzione inadeguati, attività sismica, strutture adiacenti, ecc. Benché siano stati usati per lungo tempo, gli estensimetri elettrici per monitorare i cambiamenti strutturali talvolta risultano non sufficientemente duraturi e integri per fornire informazioni precise e affidabili sul lungo periodo.

Che cos’è un sensore in fibra ottica?

Gli estensimetri in fibra ottica basati sul reticolo in fibra di Bragg (FBGs) agiscono secondo principi molto diversi rispetto a quelli alla base del funzionamento degli estensimetri tradizionali. In parole semplici, un reticolo in fibra di Bragg è una microstruttura (tipicamente lunga pochi millimetri) creata modificando una fibra per telecomunicazioni standard a singola modalità, drogata al germanio, con laser UV. Questa microstruttura crea una variazione periodica nell’indice di rifrazione di quella fibra ottica. Man mano che la luce passa lungo la fibra, il reticolo di Bragg riflette una gamma di lunghezza d’onda molto stretta; tutte le altre lunghezze d’onda sono trasmesse attraverso il reticolo. Il centro di questa fascia di lunghezze d’onda riflesse è noto come lunghezza d’onda di Bragg (figure 1 e 2). Sotto stress, il periodo di unFBG aumenta a causa di un’estensione fisica o di una compressione della fibra ottica.  Questo cambiamento provoca uno spostamento nella lunghezza d’onda di Bragg, che è rilevato e registrato dall’interrogatore (ad es. dal sistema di acquisizione dati).

Figura 2. Costruire un reticolo in fibra di Bragg usando il metodo della maschera di fase. La maschera di fase crea due ordini di rifrazione della luce UV incidente, producendo un motivo di interferenze massime e minime nel nucleo della fibra. L’indice rifrattivo della fibra è alterato in modo permanente secondo l’intensità della luce cui è esposto. Questa spaziatura precisa di diverse proprietà ottiche all’interno della fibra crea il reticolo di Bragg.

La tecnologia ottica prevede svariati vantaggi

Oltre alla deformazione, i reticoli di Bragg sono sensibili alla temperatura. Ciò consente l’uso di FBG per monitorare la temperatura, ma significa anche che è buona pratica abbinare un sensore della temperatura con un sensore della deformazione, in modo da compensare l’effetto della temperatura sul sensore della deformazione. Oltre a deformazione e temperatura, i sensori basati su FBG possono essere usati sui trasduttori per monitorare una serie di altri parametri, come flessione, accelerazione, pressione. ecc.

Gli estensimetri ottici basati su FBG offrono una serie di vantaggi rispetto a quelli elettrici. Ad esempio, forniscono stabilità del segnale a lungo termine e lunga durata del sistema; anche carichi vibratori di alto livello, come quelli subiti dalle strade trafficate e dai ponti, sono molto meno soggetti a guasti meccanici. La distanza e la lunghezza dei cavi non hanno praticamente impatto sulla precisione di misurazione, perché i sistemi basati su fibra ottica registrano attenuazioni del segnale solo minime, mentre rimane alta l’integrità dei dati, anche se il sistema di acquisizione dati deve essere situato a diversi chilometri di distanza dal sensore più distante. Le fibre ottiche sono molto più sottili e leggere dei conduttori in rame, quindi i conduttori di collegamento sono molto più leggeri. Un singolo conduttore di misura consente di collegare più sensori con diverse lunghezze d’onda di base, riducendo lo sforzo di cablaggio. La loro immunità all’interferenza elettromagnetica e di radiofrequenza (EMI/RFI) può essere inestimabile nelle strutture quali i ponti ferroviari o le gallerie per treni elettrici, che possono produrre campi elettromagnetici di alta intensità.

Molti meno cavi

L’uso di sensori FBG consente di ridurre drasticamente la quantità di cavi per il sistema di monitoraggio, grazie all’elevata capacità multiplexing intrinseca della tecnologia, che garantisce il minimo impatto sulle strutture monitorate. In questo contesto, “multiplexing” si riferisce alla capacità di collegare più sensori ottici di tipo diverso ad un’unica fibra ottica, riducendo così la complessità della rete e dell’installazione. La fila di sensori con dozzine di sensori può essere pre-assemblata per semplificarne l’installazione; sono anche facili da incollare a superfici e materiali, possono essere saldati a punti alle strutture o ai componenti, attaccati o inglobati nel calcestruzzo mentre viene colato. Le loro dimensioni e il loro peso ridotto li rende anche particolarmente interessanti nei punti dove lo spazio è limitato e nelle applicazioni con integrazioni, come nelle strutture composite. Il costo relativamente basso per sensore, la capacità di combinare molteplici modelli di sensori in un unico cavo e il fatto che non sia necessario avere interrogatori multipli nel sistema la rende una soluzione conveniente per progetti di medie/grandi dimensioni.

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Adatti ad ambienti ostili

Sono anche perfetti per l’uso in ambienti ostili. Oltre all’immunità EMI/RFI, hanno un’elevata resistenza al degradamento provocato da acqua e umidità, sale, temperature estreme e alta pressione (fino a 400 bar). Sono anche sicuri se usati in atmosfere esplosive e in aree soggette ad alta tensione.

Diversamente dagli estensimetri con pellicola metallica, i sensori FBG hanno un riferimento indipendente dal sistema dell’interrogatore/di acquisizione. Piuttosto, sono basati sulla misurazione di un parametro assoluto—la lunghezza d’onda di Bragg—indipendente dalle fluttuazioni e dai cambiamenti di potenza solo quando si applica la deformazione (o un cambiamento di temperatura). L’interrogatore ottico in sé, che misura i valori generati dai sensori, è anche dotato di un riferimento incorporato che funziona come un “righello”, per definire con precisione i valori di lunghezza d’onda ricevuti. Questo riferimento interno consente di tarare l’interrogatore con ciascuna misurazione eseguita. 

Figura 3. Installazione di una sezione di misura per il monitoraggio delle gallerie.

In linea con il comportamento alla fatica dei materiali moderni

I sistemi di sensori a fibra ottica offrono agli ingegneri infrastrutturali limiti di fatica più in linea con il comportamento di fronte alla fatica dei materiali strutturali moderni. Gli strati leggeri di fibra di carbone, per esempio, denotano una fatica e limiti di deformazione maggiori rispetto ai tradizionali materiali strutturali. Persino i materiali comunemente usati, come acciaio, calcestruzzo e legno sono sottoposti a modifiche sempre maggiori per ottimizzare il loro comportamento in caso di fatica; sono quindi anche sistemi di monitoraggio ambiziosi, progettati con limiti di fatica superiori.

La figura 3 illustra un recente esempio di utilizzo del rilevamento a fibra ottica nel monitoraggio delle infrastrutture. HBM FiberSensing ha aiutato a progettare una rete di sensori per il monitoraggio in tempo reale della deformazione delle gallerie e delle convergenze in una linea della metro di San Paolo, in Brasile, durante la costruzione di un grattacielo nelle vicinanze. Il sistema di monitoraggio della galleria è stato necessario durante il processo di scavo e la costruzione di un muro di sostegno per il grattacielo, al fine di garantire che il funzionamento della linea della metro non fosse interrotto e che non fosse compromessa la sicurezza dei passeggeri. Il metodo estensimetrico per determinare le convergenze nelle gallerie usato per questo progetto impiega sensori basati su FBG per misurare la deformazione in punti diversi lungo il contorno della galleria, convertendoli in spostamento del sostegno della galleria. Consente anche di quantificare le convergenze del supporto e la sua evoluzione geometrica nel tempo.

Due sezioni della galleria sono state monitorate con sette punti di misura l’una, con un sensore di deformazione e uno di temperatura su ciascun punto di misurazione. Un BraggMETER FS22 installabile su rack con quattro canali ottici è stato usato per interrogare tutti i sensori, con acquisizione dei dati una volta al minuto, e successivi elaborazione e salvataggio  nel database. Nelle vicinanze è stato installato un rack 19” per proteggere l’unità di misura, il PC server, l’UPS e una connessione internet. Le lunghezze d’onda misurate sono state calcolate in modo da avere una compensazione delle misurazioni della deformazione per l’effetto termico sulla lunghezza d’onda di Bragg e sono state stimate le convergenze con l’algoritmo del metodo. Ulteriori dettagli su questo progetto, con uno schema del sistema, sono disponibili in un documento presentato alla 15a International Conference on Experimental Mechanics, “Remote Monitoring of São Paulo Metro Tunnel Deformations Using Fiber Optic Based Sensors,”, scaricabile da: http://paginas.fe.up.pt/clme/icem15/ICEM15_CD/data/papers/3189.pdf.

Figura 4. Sensore della deformazione integrato installato su un ponte prima della colata di cemento.

Prestazioni ottimizzate e riconoscimenti

Allo stesso modo, un sistema di misurazione di deformazione e temperatura di HBM FiberSensing viene usato per il monitoraggio a lungo termine di un ponte strallato di 1,1 km sopra il fiume Rhumel a Constantine, in Algeria. Il sistema è stato installato in parallelo con i sensori di tecnologia tradizionale e i dispositivi di acquisizione dati e integrato come sistema di monitoraggio strutturale completo (SHM). I sensori sono stati consegnati pre-assemblati in linee di sensori di deformazione e temperatura da fondere all’interno del calcestruzzo. Ogni estremità della linea aveva un connettore ottico. Per il collegamento di diversi punti della linea sono stati usati lunghi cavi ottici breakout con quattro fibre l’uno e connettori su ogni estremità.  

Questo lavoro di pre-assemblaggio e preparazione ha migliorato l’efficienza dell’installazione, non solo a causa del minor numero di cavi, ma anche perché l’uso dei connettori ha fatto sì che l’installazione non richiedesse l’uso di manodopera o attrezzi particolari. Un interrogatore BraggMETER a quattro canali raccoglie simultaneamente i dati di 22 sensori di deformazione e 18 sensori di temperatura per un totale di 40 sensori basati su FGB. L’interrogatore è installato in combinazione con altri sistemi di acquisizione dati e controllato contemporaneamente con la sua interfaccia LAN disponibile.

Anche se gli ingegneri hanno esperienze decennali nell’uso di estensimetri elettrici per il monitoraggio strutturale, queste applicazioni dimostrano come i sensori in fibra ottica possano offrire numerosi vantaggi economici e prestazionali.