Un’introduzione alle catene di misura ottiche basate sul reticolo in fibra di Bragg (FBG)

La presente “guida all’acquisto” ha lo scopo di aiutare i responsabili dell’integrazione dei sistemi e gli ingegneri a scegliere i componenti giusti per le soluzioni di monitoraggio ottiche multifisiche. Ciò è molto importante, poiché tutte le strutture principali (ponti, edifici, tubazioni e gallerie) sono esposte a fattori che causano deformazioni e deterioramento. Senza un monitoraggio affidabile e preciso delle deformazioni, della temperatura e di altri parametri fisici, potrebbe essere difficile rilevare malfunzionamenti e problemi strutturali che potrebbero provocare disastri.

Nelle pagine seguenti, parleremo del monitoraggio strutturale (SHM) inteso come disciplina e vi mostreremo come progettare facilmente una tipica catena di misura basata su reticolo in fibra di Bragg (FBG), composta da più sensori in un’unica fibra ottica, interrogatori e software per PC.

Monitoraggio strutturale – Prevenire i problemi invece di riparare i danni

Le strutture grandi e costose, come gallerie, ponti e condotti, necessitano di un monitoraggio regolare ed economico della loro integrità strutturale, per assicurare sicurezza e affidabilità.

Il monitoraggio strutturale (SHM) svolge un ruolo molto importante in questi casi [1], poiché utilizza un approccio proattivo alla manutenzione e al monitoraggio invece di attendere che si verifichi un danno per ripararlo. Questo metodo proattivo consente di risparmiare denaro e di evitare periodi di fermo della struttura non pianificati.

Spesso, però, nelle grandi strutture, l’importanza di un sistema SHM affidabile e preciso viene ignorata per motivi di costi, confusione riguardo ai sensori da utilizzare e difficoltà di interpretazione dei dati relativi alle deformazioni. Questa mancanza può diventare un problema quando si verificano danni strutturali dovuti alle deformazioni. L’eventualità che questi danni si verifichino non è rara, poiché le infrastrutture civili sono esposte a carichi costanti e ad agenti atmosferici che causano usura e deterioramento nel tempo.

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Ad esempio, i ponti soffrono di degrado strutturale dovuto al traffico elevato, ai cambiamenti climatici e alle condizioni metereologiche avverse [2-3]. Altri fattori che influiscono su questo degrado sono metodi di costruzione scadenti, attività sismica e costruzioni vicine [4]. Senza un monitoraggio costante, non è possibile rilevare o prevedere malfunzionamenti e problemi strutturali e possono quindi verificarsi dei disastri. Negli Stati Uniti, ad esempio, per evitare l’insorgere di problemi strutturali, tutti i ponti sono soggetti a un’ispezione visiva ogni due anni [5].

Tuttavia, in accordo all’Infrastructure Report Card ASCE 2017, circa il 10% dei ponti negli Stati Uniti hanno un qualche tipo di problema strutturale che li rende vulnerabili [6]. E in Canada, quasi un terzo dei circa 75.000 ponti autostradali presentano carenze strutturali [7]. L’incapacità di identificare e affrontare tali carenze strutturali può provocare costi di manutenzione elevati, chiusura di infrastrutture locali e, nella peggiore delle ipotesi, il collasso della struttura e incidenti mortali. Di conseguenza, esiste un vasto mercato di tecnologia per il monitoraggio semplice ed economico dell’usura delle infrastrutture [8].

Uso di sensori di deformazione resistivi tradizionali

A partire dagli anni Quaranta, l’estensimetro resistivo ha costituito lo standard nell’ambito del monitoraggio delle deformazioni strutturali [9]. Tuttavia, tali estensimetri presentano dei limiti che talvolta possono impedire l’esecuzione di misurazioni semplici e affidabili.

Ad esempio, la quantità di cavi elettrici necessari può rappresentare un problema poiché i cavi lunghi sono costosi e molti di loro possono diventare difficili da gestire se usati in strutture su larga scala con molti punti di misura [10], nonostante esistano soluzioni tecniche per la misurazione delle deformazioni elettriche su distanze fino a diverse centinaia di metri e in entrambe le tecnologie [4].

Tecnologia del reticolo in fibra di Bragg: una soluzione innovativa per il monitoraggio strutturale

I sensori ottici basati sulla tecnologia del reticolo in fibra di Bragg (FBG) offrono un’interessante alternativa alle catene di misura elettriche tradizionali. 

Ciò è dovuto al fatto che la tecnologia FBG presenta dei vantaggi, quali la presenza di più sensori in un’unica fibra ottica, un design passivo complessivamente leggero e un’attenuazione ridotta che consente l’installazione su lunghe distanze. Questa tecnologia è, inoltre, immune all’interferenza elettromagnetica (EMI) e i sensori sono più stabili rispetto agli estensimetri elettrici (e possono quindi sopportare condizioni difficili). I prezzi di questi sensori risultano essere competitivi nel caso di numero di canali da medio ad alto e quando si considera il costo totale di proprietà [12, 13].

I vantaggi dei sensori basati su FBG:

  • Immunità all’interferenza elettromagnetica (EMI) 
  • Attenuazione ridotta e possibilità di installazione su lunghe distanze 
  • Possibilità di posizionare più sensori sulla stessa linea, in modo da ridurre la lunghezza dei cavi e semplificare l’installazione (soluzione più economica) 
  • Sono in grado di sopportare condizioni difficili, riducendo al minimo la necessità di soluzioni di protezione complesse o costose
  • Stabilità del segnale a lungo termine (assenza di deriva) con riferimento allo zero assoluto (misurazioni correlate anche se diluite nel tempo)

Campi di applicazione della tecnologia FBG

Grazie al fatto che può essere utilizzata facilmente con il software del proprio fornitore e integrata in qualsiasi PC singolo, la tecnologia FBG con il tempo si è diffusa ampiamente sul mercato e oggi viene utilizzata in un’ampia gamma di applicazioni di rilevazione [13].

Ad esempio, viene utilizzata in diverse applicazioni di monitoraggio strutturale nell’ambito dell’ingegneria civile, comprese le infrastrutture stradali e ferroviarie, ma anche nelle geostrutture, nel settore oil and gas, nel monitoraggio dello scafo nell’industria marittima, nelle strutture aerospaziali e nella convalida della temperatura nel settore automotive. 

Ulteriori vantaggi della tecnologia FBG:

  • Possibilità di unire più sensori, anche diversi, in un’unica fibra. Tutti i sensori avranno poi diverse lunghezze d’onda, il che consente di ridurre la quantità di cavi necessari per la rete di rilevazione.
  • Stabilità del segnale a lungo termine e durata del sistema, anche in presenza di carichi di vibrazione elevati. I sensori non sono soggetti a danni su strade e ponti dove la presenza di traffico sempre maggiore causa un’usura di tipo strutturale.
  • La distanza e la lunghezza dei cavi ha un effetto minimo sulla precisione della misura. I sensori FBG sono soggetti a un’attenuazione molto ridotta, di conseguenza i dati sono sempre affidabili, anche quando il sistema di acquisizione dati si trova a molti chilometri di distanza dal sensore più lontano.
  • Le fibre ottiche sono più sottili e più leggere rispetto ai cavi in rame.
  • Come già detto in precedenza, la tecnologia FBG non è per niente soggetta all’interferenza elettromagnetica (EMI) e all’interferenza delle radiofrequenze (RFI), il che consente di installare il sensore vicino a componenti critici per la sicurezza come le linee aeree e i pantografi. 
  • Questi sensori FBG possono essere utilizzati anche in atmosfere altamente esplosive e in condizioni difficili.

Catene di misura ottiche: il pacchetto completo per il monitoraggio strutturale

In una catena di misura ottica completa, il sensore corretto rappresenta soltanto un terzo della soluzione. È necessario disporre anche dell’interrogatore ottico e del software corretti per ottenere risultati complessivi affidabili.

Queste tre parti (sensore, interrogatore e software) completano la catena di misura ottica.

In breve, il sensore è ciò che misura o rileva la deformazione, la temperatura, l’accelerazione, la forza o addirittura l’inclinazione. L’interrogatore ottico (il secondo componente della catena) è conosciuto anche come sistema di acquisizione dati. Si tratta di uno strumento optoelettronico che “legge” i sensori FBG. E il software è ciò che consente di visualizzare, registrare e analizzare i dati di misura.

 

A cosa bisogna quindi fare attenzione quando si scelgono questi componenti?

1. Sensori

Riportiamo qui di seguito alcune domande da fare e alcune cose da ricercare in fase di scelta dei sensori ottici (basati su tecnologia FBG):

  • Dove verranno installati i sensori e qual è il metodo di installazione preferito? I sensori possono essere imbullonati, saldati o incollati a seconda del loro design, il che significa che l’esistenza di un metodo di installazione preferito potrebbe limitare notevolmente le possibilità di scelta. Ad esempio, su una struttura metallica la scelta va istintivamente alla saldatura a punti, ma se la struttura è un serbatoio GNL (ambiente pericoloso) potrebbe essere meglio optare per dei sensori incollati sulla superficie.
  • Qual è l’intervallo di misura previsto in ogni punto? E la resistenza alla fatica? Sensori diversi hanno limiti di misurazione e fatica diversi. Le misurazioni necessarie possono limitare il numero di sensori possibili tra cui scegliere.
  • Qual è il livello di competenza del team di installazione? I sensori e i gruppi di sensori possono essere forniti con spine per un’installazione rapida che non richiedono attrezzi o conoscenze particolari, oppure senza spine per offrire maggiore flessibilità. Questa seconda ipotesi presuppone la presenza di un team in grado di eseguire le connessioni tramite giunti in sito
  • A quale tipo di ambiente saranno soggetti i sensori? Devono essere dielettrici? Necessitano di cavi rinforzati? Sensori diversi offrono livelli di protezione diversi sul sensore stesso e sui cavi.

2. Interrogatori

Ricordate che l’interrogatore è stato progettato per misurare i valori generati dai sensori. Quando scegliete un interrogatore, fate attenzione a quanto segue:

  • Qual è la frequenza di campionamento richiesta? Uno dei fattori decisivi nella scelta del modello è la velocità di acquisizione del dispositivo.
  • Qual è la precisione assoluta richiesta nella misurazione della lunghezza d’onda? Sui sensori FBG, la risoluzione e la precisione assoluta possono essere determinate non soltanto con gli errori associati alle procedure di taratura, ma anche con la risoluzione e la precisione dell’interrogatore in combinazione con la sensibilità del sensore. Alcuni strumenti comprendono un riferimento assoluto conforme agli standard NISR che garantisce una maggiore precisione nella definizione della lunghezza d’onda di ogni FBG.
  • Quanti reticoli in fibra di Bragg devono essere misurati? La capacità di misura del sistema è costituita dall’intervallo di lunghezza d’onda disponibile degli interrogatori in combinazione con il numero di connettori ottici. Il numero di sensori che possono essere misurati con ciascun dispositivo dipende da molti fattori: 
    • dalla lunghezza d’onda richiesta da ogni sensore per effettuare una misurazione completa in combinazione con l’intervallo di lunghezza d’onda disponibile sul dispositivo
    • dalle perdite ottiche sulla linea del sensore dovute alle connessioni e al cablaggio in combinazione con l’intervallo dinamico del dispositivo
    • dalla capacità di elaborazione del dispositivo
  • Siete alla ricerca di un dispositivo industriale che operi senza sosta oppure di un sistema da utilizzare per i test o in fase di installazione? I dispositivi con batterie integrati nei computer sono da preferire per le misurazioni di breve durata e distanti tra loro. Altri dispositivi, in forme diverse, sono invece più adatti, ad esempio, per installazioni su rack da 19”.
  • Qual è il livello di complessità del software richiesto dal sistema? Non tutti i software sono compatibili con tutti i tipi di interrogatori.

3. Software

Per la scelta del software, è importante tenere in considerazione quanto segue:

  • L’interfaccia del software è user-friendly? Che tipo di riscontro visivo è necessario? Un software pesante e difficile da usare può causare preoccupazioni non necessarie e nessun software o driver richiede un team di sviluppatori esperto per far funzionare il dispositivo.
  • Su quale supporto devono essere salvati i dati? Si richiede un’archiviazione su cloud o uno streaming IoT? È possibile salvare i dati su un drive USB?
  • Nel sistema di misura ci sono altri dispositivi che richiedono una misurazione sincronizzata? Un software più complesso consente di combinare più dispositivi (compresi tipi diversi di dispositivi), mentre il software più semplice è limitato a un solo dispositivo.
  • Il software serve per un’applicazione sola? Un sistema di software versatile può essere ugualmente affidabile per l’uso in mobilità e per i test su banco prova.
  • L’operatore è a suo agio con l’inglese? Non tutti i software sono disponibili in altre lingue.

Conclusione

I sensori ottici basati sul reticolo in fibra di Bragg presentano molti vantaggi rispetto agli estensimetri resistivi tradizionali. Entrambi i tipi di sensore possono completarsi a vicenda in diverse applicazioni, dall’infrastruttura civile al settore aerospaziale, ai test in laboratorio, al settore dell’energia.

Per poter approfittare di tali vantaggi è però necessario scegliere i sensori, gli interrogatori e il software giusti per la vostra catena di misura ottica. Ci auguriamo che questa breve introduzione possa aiutare gli ingegneri e i responsabili dell’integrazione dei sistemi a prendere le decisioni giuste per ottenere misurazioni delle deformazioni affidabili e precise.

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Riferimenti

[1] Engineering.com, “Italy’s Morandi Bridge Collapse—What Do We Know?”, 2018. 
https://new.engineering.com/story/italys-morandi-bridge-collapsewhat-do-we-know

[2] Alampalli, S.,  Ettouney, M., “Role of Structural Health Monitoring In Bridge Security”. Bridge Structures 4(3,4), 143-154, 2008. 
https://www.researchgate.net/publication/245494458_Role_of_structural_health_monitoring_in_bridge_security

[3] E.Cheilakou et al. “Strain Monitoring System For Steel And Concrete Structures” Procedia Structural Integrity 10, 25-32, 2018. 
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452321618300532

[4] Cristina Barbosa “Optical Fiber Sensors vs. Conventional Electrical Strain Gauges for Infrastructure Monitoring Applications”, HBM. 
https://www.hbm.com/en/6482/white-paper-optical-fiber-sensors-vs-conventional-electrical-strain-gauges/

[5] U.S. Department of Transportation, Federal Highway Administration, “State of the Practice and Art for Structural Health Monitoring of Bridge Substructures” (No. FHWA-HRT-09-040)], 2014. 
https://www.fhwa.dot.gov/publications/research/infrastructure/structures/bridge/09040/

[6] American Society of Civil Engineers, 2017 Infrastructure Report Card, 2017. 
https://www.infrastructurereportcard.org/cat-item/bridges/

[7] National Research Council Canada (NRCC), Construction Innovation, “Critical Concrete Infrastructure: Extending The Life of Canada’s Bridge Network”. 
https://www.nrc-cnrc.gc.ca/ci-ic/en/article/v18n1-5/

[8] Gastineau, A., Johnson, T., & Schult A. “Bridge Health Monitoring and Inspections–A Survey of Methods”, Minnesota Department of Transportation, 2009. 
https://www.researchgate.net/publication/282912591_Bridge_Health_Monitoring_and_Inspection_-_A_Survey_of_Methods

[9] The Strain Gauge User’s Handbook, Chapman and Hall, 1992.   
https://books.google.co.uk/books?id=YrNr00vhF_gC&printsec=frontcover&dq=resistive+strain+gauges&hl=en&sa=X&ved=0ahUKEwjBxdDgxMvjAhVJTsAKHWQlAroQ6AEIKjAA#v=onepage&q=resistive%20strain%20gauges&f=false

[10] Ramakrishnan et al. “Overview of Fiber Optic Sensor Technologies for Strain/Temperature Sensing Applications in Composite Materials”, Sensors, 16 (1), 99, 2016.  
https://doi.org/10.3390/s16010099

[11] Vishay Precision Group, “Noise Control in Strain Gage Measurements” Tech Note TN-501-2. 
http://www.vishaypg.com/docs/11051/tn501.pdf

[12] Sabri et al.“Fiber Optic Sensors: Short Review and Applications”, DOI: 10.1007/978-981-287-128-2_19, 2015. 
https://www.researchgate.net/publication/278680033_Fiber_Optic_Sensors_Short_Review_and_Applications

[13] Campanella et al., “Fibre Bragg Grating Based Strain Sensors: Review of Technology and Applications”, Sensors, 18(9):3115, 2018. 
https://www.researchgate.net/publication/327710750_Fibre_Bragg_Grating_Based_Strain_Sensors_Review_of_Technology_and_Applications 

[14] Peters et al. “Fiber Optic Sensors For Assessing And Monitoring Civil Infrastructures”, Sensor Technologies for Civil Infrastructures, 1, 121-158, 2014. 
https://doi.org/10.1533/9780857099136.121

[15] Ma et al. “Fiber Bragg Gratings Sensors for Aircraft Wing Shape Measurement: Recent Applications and Technical Analysis”, Sensors (Basel), 19(1): 55, 2019. 
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6339136/