Capitolo 3. DT e SHM per materiali compositi soggetti a LVI
3.5 Monitoraggio con sensori FBG
Le fibre ottiche possono facilmente essere integrate nelle strutture da monitorare, grazie alla loro irrilevante massa, dimensione e per la loro immunità alle interferenze elettromagnetiche, perciò sono considerate in diverse applicazioni innovative in campo aeronautico come in sistemi di Operational
Load Monitoring (OLM) e sistemi di rilevazione di danni dovuti ad impatti. I sensori a fibra ottica
possono essere usati per misure di temperatura, per monitorare lo stato di materiali compositi, per ricavare informazioni sullo stato chimico delle strutture, per acquisire acousto-ultrasonic signals e per misurare altri parametri come pressione, rotazioni, curvature e altro. Essendo di dimensioni notevolmente ridotte possono monitorare strutture difficilmente accessibili. Le fibre ottiche si basano sul principio della riflessione totale interna della luce immessa al loro interno e che viene propagata lungo tutta la fibra, grazie ad un indice di rifrazione del nucleo (vetro o silicio fuso) molto più grande dell’indice di rifrazione del cladding (materiale che riveste il nucleo). Questi due strati sono ulteriormente ricoperti da un altro strato più esterno chiamato coating, con la funzione di proteggere la fibra dall’ambiente esterno. I sensori in fibra ottica più comuni sono basati sul cosiddetto reticolo di Bragg (Fiber Bragg Gratings, FBG), dove il sensore è una zona di fibra con indice di rifrazione del nucleo modificato opportunamente tramite raggi ultravioletti, in maniera tale da fungere da filtro per una determinata lunghezza d’onda detta lunghezza d’onda di Bragg ( ). La modifica dell’indice di rifrazione viene fatta su tratti di fibra intervallati tra di loro in maniera opportuna e l’insieme di tali tratti rientra tra i 2 e i 3 mm di lunghezza e costituiscono un unico sensore. La lunghezza d’onda di Bragg è dunque la lunghezza d’onda che non riesce a propagarsi lungo tutta la fibra, ma che viene riflettuta nel senso opposto, ed è esprimibile in funzione di due parametri
Dove è l’indice di rifrazione medio del sensore e è il passo tra i vari tratti di nucleo con indice di rifrazione modificato. Una variazione di lunghezza della fibra, che può essere causata da un carico o anche da una variazione di temperatura, causa una variazione di passo e quindi una variazione della
45 lunghezza d’onda di Bragg. Analizzando perciò la lunghezza d’onda riflessa dal sensore oppure lo spettro che è riuscito a propagarsi attraverso il sensore, è possibile ricavare l’allungamento della fibra. In Figura 3.17 viene mostrato il sensore nella fibra ottica e gli effetti di una variazione di lunghezza della fibra sullo spettro propagato nella fibra.
Figura 3.17: Principio di funzionamento di un sensore FBG
Le informazioni con il sensore possono essere scambiate molto velocemente perciò è possibile utilizzare più sensori su un’unica fibra ottica e interrogarli in maniera simultanea, dove ogni sensore è riferito ad una certa banda di luce immessa e presenta una sua lunghezza d’onda di Bragg. I sensori FBG sono dunque adatti per sistemi di multiplexing che hanno il vantaggio di ridurre la strumentazione necessaria e la complessità. Le informazioni ricevute dai sensori sono poi elaborate da moduli ottico-elettronici che convertono la variazione della lunghezza d’onda di Bragg in un segnale elettrico.
Per quanto riguarda i materiali compositi, i sensori a fibra ottica inglobati nella resina con le fibre di rinforzo e opportunamente posizionati, potrebbero fornire un ottimo monitoraggio dell’avanzamento di delaminazioni interne non visibili superficialmente (come quelle causate da LVI). Infatti, durante la vita operativa in caso aeronautico, il laminato è soggetto per lunghi periodi a carichi di compressione e queste causano un imbozzamento nelle zone in cui è presente la delaminazione. L’imbozzamento provoca una deformazione nelle singole lamine, deformazione a cui è sensibile anche il sensore a fibra ottica. Il segnale fornito dal sensore FBG dipenderà dunque dall’intensità di tale imbozzamento, che a sua volta dipende sia dal carico applicato (generalmente noto) che dall’ampiezza dell’area di delaminazione. I sensori FBG potrebbero rilevare anche il manifestarsi di un impatto, andando a rilevare la deformazione flessionale che l’evento provoca. Sempre a causa di un impatto o non, un sensore FBG può rilevare la presenza di rottura di fibre di rinforzo se il sensore stesso si trova nella zona in cui le fibre hanno subito la rottura: generalmente una fibra ottica presenta caratteristiche meccaniche inferiori a una fibra di rinforzo di un laminato, perciò, in caso di rottura delle fibre circostanti il sensore, anche la fibra ottica cederebbe.
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Gli svantaggi legati all’utilizzo di sistemi a fibra ottica sono soprattutto legati ai costi, che potrebbero però essere compensati dell’efficienza di tali sistemi. Infatti si potrebbe pensare di effettuare un monitoraggio in volo dello stato di salute strutturale, andando a ridurre notevolmente i costi relativi all’ispezione e permettendo di intervenire con la manutenzione solamente nel caso in cui venga rilevata una possibilità di danno strutturale. Altri svantaggi riguardano la loro dimensione rispetto le fibre di rinforzo (soprattutto per fibre in carbonio) di un laminato in composito: avendo un diametro maggiore, possono causare una distorsione locale della resina, con conseguenti disallineamenti. Gli effetti in termini di proprietà meccaniche sembrano poter essere in gran parte trascurati, ma non per quanto riguarda la resistenza a compressione. Comunque, all’aggiunta di fibre ottiche nella struttura in composito non viene associato, per ora, nessun significativo meccanismo di danneggiamento in caso di low velocity impact.
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