Consigli per la configurazione di una serie di sensori di deformazione ottici per un’installazione ottimale

Uno dei vantaggi della tecnologia del reticolo in fibra di Bragg (FBG) è la sua capacità di multiplexing intrinseca. I sensori possono avere lunghezze d’onda di Bragg sia specifiche che diverse e possono essere collegati in serie senza compromettere la corretta lettura delle misurazioni a patto che i segnali dei sensori non si sovrappongano.

I sensori possono essere acquisiti singolarmente, con o senza l’uso di connettori, oppure come serie pre-assemblate di sensori collegati tramite giunzione a fusione (un collegamento permanente tra due fibre). Al momento dell’installazione, i sensori e/o le serie possono essere collegati insieme a uno dei canali degli interrogatori ottici; è però necessario prestare attenzione alla selezione delle lunghezze d’onda e delle perdite di potenza imposte dalle lunghezze e dai collegamenti dei cavi sui segnali.

 

1. Selezione del sensore

HBM fornisce molti tipi di sensori basati su FBG; tutti questi sensori possono essere combinati sullo stesso canale ottico dell’interrogatore, a patto che le perdite ottiche rientrino nei limiti previsti e i segnali delle lunghezze d’onda non si sovrappongano. Qui sotto riportiamo una serie di suggerimenti applicabili alle misurazioni della deformazione che possono però essere anche facilmente adattati ad altri tipi di sensori:

 

Per poter scegliere il tipo di sensore più adatto, è necessario tenere in considerazione i requisiti elencati di seguito:

a) Intervallo di misurazione

L’incapsulamento di diversi sensori potrebbe limitarne gli intervalli di misurazione. Quando si deve selezionare il tipo di sensore corretto, l’intervallo di misurazione richiesto può essere un fattore determinante per l’esclusione di alcuni sensori..

b) Tipo di montaggio

HBM offre soluzioni diverse di montaggio dei sensori, che possono essere incollati, saldati, incassati o avvitati al campione. Il tipo di montaggio può interferire con la rapidità e il costo dell’installazione e può escludere altre opzioni. Per l’installazione dei sensori su strutture metalliche è possibile prendere in considerazione l’uso di estensimetri saldabili. La saldatura è un metodo rapido ed efficace di unire i sensori a una struttura pronta per essere utilizzata subito dopo l’installazione, senza necessità di attendere che l’adesivo si solidifichi. Per i materiali compositi, le due opzioni possibili sono l’incollaggio o l’incasso. I collegamenti tramite viti non sono consigliabili per i materiali compositi in fibra, poiché le fibre vengono danneggiate dall’azione del trapano; possono invece costituire la soluzione ideale per le strutture in cemento o in metallo.

c) Robustezza

HBM mette a disposizione un’ampia gamma di sensori con diversi gradi di robustezza. Alcuni sensori dispongono di cavi per l’uso in laboratorio, altri con cavi per interni o esterni o addirittura cavi dielettrici, che ne limitano l’uso senza la necessità di ulteriore protezione in ambienti particolari.

d) Raggio di curvatura e lunghezza del cavo

I sensori di deformazione HBM FiberSensing si dividono in due linee di prodotti che differiscono per le caratteristiche della fibra ottica utilizzata. La Linea OP utilizza una fibra con elevata capacità di flessione con prodotti e collegamenti in fibra che possono essere utilizzati in spazi estremamente ridotti con raggi di curvatura molto stretti, sia nel percorso del cavo con perdite di potenza trascurabili che nell’area del sensore che risulta così adatto per le misurazioni anche su superfici curve. I sensori della Linea FS presentano un livello di flessibilità inferiore sui sensori e sui cavi, ma possono essere utilizzati liberamente su lunghezze di svariati chilometri senza perdite ottiche significative.

e) Temperatura di esercizio

Le misurazioni della deformazione possono essere effettuate in ambienti molto diversi tra loro. Nel caso di temperature particolarmente alte o basse, sono adatti solamente alcuni tipi di estensimetri ottici.

f) Necessità di compensazione della temperatura

I sensori di deformazione basati su FBG sono sensibili alle variazioni di temperatura e spesso necessitano di una correzione.

HBM FiberSensing offre una soluzione unica costituita da un sensore di deformazione atermico che annulla l’effetto intrinseco delle variazioni di temperatura sulla lunghezza d’onda del sensore FBG (ma non l’espansione termica del materiale del campione). Quando si seleziona un sensore di deformazione di questo tipo, non sono necessari ulteriori sensori per la compensazione della temperatura della misurazione. Per tutti gli altri sensori di deformazione, è necessario un elemento di rilevazione ulteriore, ad esempio:

  • Un sensore di temperatura posizionato alla stessa temperatura del sensore di deformazione: La misurazione della temperatura nella stessa posizione del sensore di deformazione, la sensibilità termica incrociata del sensore (come indicato nelle specifiche tecniche e di taratura) e l’espansione termica del materiale di base permettono di correggere la misurazione della deformazione.
  • Un elemento di compensazione ottico: Per alcuni sensori di deformazione, è possibile utilizzare un sensore FBG progettato appositamente per gli effetti di compensazione della temperatura.
  • Un estensimetro ottico può essere applicato allo stesso materiale ed essere soggetto alle stesse condizioni di temperatura, ma non alla stessa deformazione: la deformazione misurata da questo sensore è quella indotta dalla temperatura.
  • Un estensimetro ottico installato sulla superficie opposta del campione, dove la deformazione ha lo stesso valore ma un segnale diverso: Con i sensori che operano in questa configurazione push-pull, l’effetto della temperatura può essere annullato combinando entrambe le misurazioni della deformazione.

Nella scelta del numero di sensori da includere nella serie è necessario tenere in considerazione le opzioni descritte qui sopra.

2. Selezione della lunghezza d’onda

La distanza della lunghezza d’onda di Bragg tra due sensori definisce l’intervallo di misurazione massima dei due sensori, perché se il segnale si sovrappone le misurazioni vengono compromesse. L’intervallo di lunghezza d’onda utilizzato di ogni sensore dipende dal suo intervallo di misurazione, all’interno del suo intervallo di temperatura di esercizio, insieme alla sensibilità del sensore e alla variazione della lunghezza d’onda indotta termicamente causata dalla sensibilità incrociata dei sensori e dall’espansione termica del materiale.

 

Partendo dalla lunghezza d’onda centrale del sensore (λ0), l’intervallo della lunghezza d’onda che deve essere riservato va dal valore di lunghezza d’onda minimo possibile del sensore a quello massimo:

Per facilitare la selezione, sono disponibili alcune lunghezze d’onda preselezionate, adatte all’intervallo di misura del sensore più comune.

  1. I sensori della linea FS sono disponibili con lunghezze d’onda intervallate a circa 6.4 nm
  2. I sensori della linea OP sono disponibili con lunghezze d’onda intervallate a 5 nm

     

3. Controllo delle perdite ottiche

Il numero di collegamenti che possono essere utilizzati per ogni canale ottico nella catena di sensori FBG dipende non soltanto dal tipo di collegamento usato, ma anche dall’interrogatore, dal tipo e dalla lunghezza della fibra, oltre che dalle perdite del segnale ottico che possono essere causate dal processo di installazione (percorso del cavo, microcurvature ecc.).

a) Connettori vs giunzioni

Per il collegamento dei sensori ottici in catene è possibile utilizzare due modalità diverse: connettori e giunzioni.

I connettori  sono più facili da utilizzare in sito, in quanto la loro installazione è letteralmente di tipo “plug and play”. Tuttavia, implicano maggiori perdite del segnale ottico e sono più soggetti all’usura a lungo termine.

Le giunzioni, invece, sono collegamenti permanenti, costituiti dalla fusione delle due fibre che rimangono stabili nel tempo e implicano perdite ottiche molto basse. Le giunzioni, però, richiedono strumenti dedicati, installatori esperti e tempi di installazione più lunghi.

Per ridurre al minimo i tempi di installazione e, allo stesso tempo, aumentare il numero dei sensori che possono essere collegati in una catena di sensori, HBM FiberSensing mette a disposizione serie di sensori pre-assemblati collegati tramite giunzioni protette adatte all’applicazione.

b) Tipo e lunghezza della fibra

Le fibre utilizzate nelle due linee di sensori HBM FiberSensing sono diverse: la fibra utilizzata sui sensori della linea FS ha un nucleo di 9µm mentre quella utilizzata sui sensori della linea OP ha un nucleo di 6µm.

I sensori e i cavi della linea FS possono essere usati su lunghezze di svariati chilometri senza compromettere i segnali dei sensori, poiché la fibra con nucleo di 9µm ha perdite di attenuazione molto ridotte. Le fibre e i cavi della linea OP presentano perdite di attenuazione maggiori e non possono quindi essere utilizzati su distanze molto lunghe.

Quando i due tipi di fibra sono collegati insieme, anche tramite giunzioni, sono presenti perdite consistenti sull’interfaccia che limitano il numero di volte in cui i diversi tipi di fibra possono essere usati all’interno di una catena.

c) Riflettività del sensore

Il principio di misurazione del sensore FBG si basa su uno spettro riflesso di luce incidente. Il segnale riflesso è una percentuale della luce incidente. I sensori della linea FS presentano una riflettività pari a circa il 65%, mentre i sensori della linea OP presentano una riflettività < 15%. Quando si calcolano le perdite, è necessario tenere in considerazione anche la riflettività dei sensori.

d) Intervallo dinamico dell’interrogatore

Le perdite ammissibili su un sensore ottico sono dettate dall’intervallo dinamico dell’interrogatore. L’intervallo dinamico può essere percepito come la misurazione del rapporto segnale-rumore dello spettro ottico per la rilevazione del picco. I segnali con valori di perdite elevati o molto vicini all’intervallo dinamico non vengono acquisiti correttamente dall’interrogatore.

Per ottimizzare il rendimento di una catena di sensori ottici, è necessario controllare attentamente le caratteristiche tecniche di sensori interrogatori e accessori.

HBM è in grado di offrire il supporto necessario per una scelta corretta dei componenti.

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