Estensimetri ottici: cosa c’è da sapere

Gli estensimetri ottici (chiamati anche sensori (di deformazione) in fibra ottica o FOS, sensori (di deformazione) ottici o sensori a reticolo in fibra di Bragg) vengono utilizzati per misurare la deformazione, ma possono anche essere facilmente integrati in diversi tipi di trasduttori, ad esempio per temperatura, accelerazione o dislocazione. A differenza degli estensimetri elettrici tradizionali, gli estensimetri ottici non usano la corrente elettrica; la loro tecnologia si basa, infatti, sulla luce che si propaga attraverso una fibra.

I sensori, quindi, sono completamente passivi e immuni, ad esempio, alle interferenze elettromagnetiche. Questo è solamente uno dei motivi per cui gli estensimetri ottici risultano essere migliori degli altri in alcune applicazioni particolari.

A proposito di estensimetri ottici…

Ai fini del presente articolo, Cristina Barbosa, Product Manager del settore ottico di HBM, ci ha spiegato come funziona un estensimetro ottico.

“Quando si devono misurare le deformazioni, si pensa immediatamente agli estensimetri elettrici. Invece, gli estensimetri ottici possono risultare molto pratici nei casi in cui gli estensimetri elettrici non funzionano a causa, ad esempio, di condizioni ambientali avverse.”

Design

Schematic image: The optical strain gauge consists of a silica core and cladding that channel the light in the fiber and an outer coating (usually plastic) for protection.
Un estensimetro ottico è costituito da un nucleo centrale e da un rivestimento in silice che incanalano la luce all’interno della fibra e da un rivestimento esterno di protezione (generalmente in plastica).

Nel presente articolo, ci occuperemo essenzialmente degli estensimetri ottici a fibra intrinseca, ossia di quelli in cui è la fibra stessa a fungere da sensore. Altri tipi di sensori a fibra ottica utilizzano la fibra per trasmettere la luce e non per effettuare misurazioni.

Una fibra ottica in genere è costituita da una fibra di vetro o silice e da un rivestimento in plastica. È simile alla fibra normale utilizzata per le telecomunicazioni, e può essere lunga anche diversi chilometri e avere molti punti di misura distribuiti per la sua lunghezza. La fibra è costituita da due strati: il nucleo centrale e un rivestimento esterno con densità inferiore. La fibra di silice è avvolta in un rivestimento protettivo in plastica.

Perché questa differenza di densità tra il nucleo e il rivestimento è così importante? Per trasmettere la luce attraverso la fibra si usa un laser. Le due densità diverse dei materiali creano una barriera che incanala la luce all’interno della fibra per evitarne la dispersione. Perché funzioni, è importante che la fibra non si fletta troppo. “È flessibile, quindi non si spezza, ma la luce potrebbe comunque disperdersi in corrispondenza delle curvature,” spiega la product manager Cristina Barbosa.

Funzionamento

La fibra come sensore

Per creare l’estensimetro, la fibra ottica viene inscritta, in fase di produzione, in un reticolo a fibra di Bragg (FBG), che costituisce fondamentalmente uno schema di interferenze materiali e riflette la luce in modo diverso rispetto al resto della fibra. Per capire meglio, basta pensare alla fibra come a un cilindro di materiale trasparente con alcuni strati sottili all’interno. Quando la luce del laser lo colpisce, alcune lunghezze d’onda vengono riflesse, mentre altre ci passano attraverso.

Le interferenze materiali—gli “strati” —vengono posizionate a intervalli specifici. Quando la fibra si distende o si comprime, ed è quindi soggetta a deformazioni positive o negative, questi intervalli cambiano. Quando la fibra si distende, la sua lunghezza aumenta e gli spazi diventano più grandi, e viceversa.

Quando il reticolo a fibra di Bragg viene sottoposto a deformazioni, la luce riflessa impiega un tempo maggiore o minore per compiere l’intero percorso di andata e ritorno; inoltre, anche la lunghezza d’onda riflessa cambia. In termini scientifici, il reticolo a fibra di Bragg presenta un certo indice di rifrazione. L’indice di rifrazione di un materiale descrive la quantità di luce che modifica l’angolo di incidenza o che viene rifratta passando attraverso il materiale. Quando il reticolo cambia forma a causa della deformazione, cambia anche l’indice di rifrazione.

“Un reticolo a fibra di Bragg è lungo complessivamente circa 5 millimetri; le singole interferenze materiali non sono visibili a occhio nudo, ma solamente con l’ausilio di un microscopio”, spiega Cristina Barbosa. È possibile inscrivere più reticoli a fibra di Bragg (ognuno dei quali funziona come estensimetro indipendente) in un’unica fibra lunga.

Quando la fibra ottica viene applicata a un materiale, si deforma insieme al materiale stesso. La misurazione della deformazione consente quindi l’analisi delle sollecitazioni meccaniche nel materiale, che è il fine della maggior parte delle misurazioni della deformazione.

Un esempio pratico è rappresentato dalla fibra che viene applicata alle pareti di una lunga galleria: essa si tende se sono presenti sollecitazioni nel materiale delle pareti. Tali sollecitazioni possono dipendere, ad esempio, dalle vibrazioni dei treni che passano all’interno della galleria. Le informazioni relative alla deformazione e di conseguenza le sollecitazioni meccaniche acquisite dal sensore consentono di prevedere quando le pareti si stabilizzeranno o quando svilupperanno punti deboli o spaccature nel corso degli anni, rendendo quindi possibile programmare gli interventi di manutenzione necessari.

Il ruolo dell’interrogatore

Per eseguire le misurazioni, la fibra ottica deve essere collegata al cosiddetto interrogatore; essa invia la luce senza interruzione a diverse lunghezze d’onda, una alla volta, coprendo così un ampio spettro. Questo fenomeno viene definito “laser con sweep”. La luce si propaga attraverso la fibra, a un certo punto viene riflessa tramite un reticolo a fibra di Bragg e infine torna all’interrogatore.

I diversi periodi dei singoli reticoli FBG consentono di distinguere i segnali provenienti da sensori diversi. La luce rimanente viene rifratta quando raggiunge l’estremità della fibra in modo da non interferire con la misurazione. La deformazione effettiva e, di conseguenza, le sollecitazioni del materiale possono essere dedotte dai segnali luminosi grezzi restituiti dai reticoli FBG.

“Esistono diversi metodi di misurazione della deformazione effettuati utilizzando sensori ottici a fibra di tipo diverso; tutti questi metodi, però, si basano in qualche modo sulle proprietà della luce”

- Cristina Barbosa

Perché questa differenza di densità tra il nucleo e il rivestimento è così importante? Per trasmettere la luce attraverso la fibra si usa un laser. Le due densità diverse dei materiali creano una barriera che incanala la luce all’interno della fibra per evitarne la dispersione. Perché funzioni, è importante che la fibra non si fletta troppo. “È flessibile, quindi non si spezza, ma la luce potrebbe comunque disperdersi in corrispondenza delle curvature,” spiega la product manager Cristina Barbosa.

L’importanza della compensazione della temperatura

I sensori a fibra ottica basati su reticolo di Bragg sono estremamente sensibili alla temperatura. Come sappiamo, la fibra (come ogni altro materiale) si espande quando la temperatura aumenta e si contrae quando la temperatura diminuisce. Anche l’indice di rifrazione cambia. In assenza di compensazione, la misurazione riguarderebbe la deformazione causata dalle variazioni di temperatura invece di quelle causate dalle sollecitazioni del materiale. Esistono diverse tecniche di compensazione, tra cui:

  • Installare un sensore di temperatura vicino al sensore di deformazione; ciò consente di ottenere una compensazione matematica confrontando i dati e sottraendo l’effetto della temperatura.
  • Posizionare due reticoli a fibra di Bragg in una configurazione push-pull in modo tale che quando sono soggetti a deformazione, uno subisca una compressione e l’altro una distensione. Gli effetti della temperatura sono identici per entrambi (es. allungamento), ma l’influenza della sollecitazione meccanica è diversa: per un reticolo FBG la deformazione è “positiva” perché subisce una trazione, mentre per l’altro la deformazione è “negativa” perché subisce una compressione. In questo modo, è possibile effettuare una compensazione matematica.
  • Incapsulare la fibra in un apparato meccanico che si espande nella direzione opposta a quella del materiale che si sta testando, in modo tale che le sollecitazioni applicate al reticolo in fibra di Bragg annullino l’effetto della temperatura e non sia necessario effettuare una compensazione matematica.

Applicazioni per sensori in fibra ottica

“Nell’ambito del progetto ITER in Francia, i nostri sensori devono lavorare all’interno di un intervallo di temperatura compreso tra -270°C e 300°C sotto l’influsso di campi elettromagnetici intensi. Nessun estensimetro elettrico è in grado di operare in queste condizioni”, dice Cristina Barbosa, facendo riferimento a una delle sue applicazioni preferite per gli estensimetri ottici.

Altre possibili applicazioni di questi sensori riguardano campi più comuni, come il monitoraggio strutturale o delle infrastrutture. Un’unica fibra può contenere centinaia di sensori; per questo motivo, la tecnologia ottica risulta molto utile in progetti di grandi dimensioni, quali il monitoraggio di gallerie o condotti, dato che i costi di cablaggio e installazione sono inferiori rispetto a quelli degli estensimetri tradizionali.

La tecnologia di misura ottica è, inoltre, la scelta migliore per le applicazioni in cui l’impiego dell’energia elettrica necessaria per il funzionamento degli estensimetri tradizionali potrebbe costituire un problema, come ad esempio in ambienti con forti interferenze elettromagnetiche (ad esempio nello spazio) o ad alto rischio di esplosione (ad esempio nelle raffinerie). O, per usare le parole di Cristina Barbosa:

“Dove gli estensimetri elettrici non funzionano, entrano in campo quelli ottici”


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