SENSORI A FIBRA OTTICA
ALLA BASE DEI SENSORI OTTICI..
La radiazione elettromagnetica, è costituita da fotoni con energia proporzionale alla frequenza.
La lunghezza d’onda dipende dalla frequenza e dalla velocità della luce, la quale dipende dalle proprietà magnetiche e dielettriche del mezzo.
INTRODUZIONE
La classe dei sensori ottici è costituita da sensori che rilevano un oggetto grazie a principi ottici, di riflessione della luce, generata generalmente da un diodo rosso o infrarosso, talvolta verde, blu o bianco, a seconda del colore dell'oggetto e del suo sfondo.
Il funzionamento può essere a riflessione diretta, a riflessione con catarifrangente e a sbarramento, quando emettitore di luce e ricevitore sono separati e posti frontali uno davanti all'altro.
CLASSIFICAZIONE
I sensori ottici possono essere classificati in base al loro principio di funzionamento oppure al tipo di segnale in uscita, ma più comunemente vengono classificati in base al tipo di grandezza fisica che misurano, ad esempio :
• sensori di luce (o sensori ottici): fotocellule, fotodiodi, fototransistor, tubi fotoelettrici, CCD, CMOS, radiometri di Nichols, fotomoltiplicatori
• sensori di distanza: sensori ottici (una combinazione di fotocellula e LED o un laser. Usati principalmente nelle macchine fotografiche con autofocus, nei
binocoli sofisticati e nella robotica)
Sensore CMOS, utilizzato soprattutto in fotografia.
In un sensore CMOS ogni fotodiodo è accompagnato da un convertitore che trasforma l'energia luminosa in voltaggio, e spesso anche amplificatori di segnale, riduttori di rumore e circuiti di digitalizzazione, cosicché il segnale in uscita dal sensore è in formato digitale. Questi altri circuiti intorno al fotodiodo riducono lo spazio dedicato alla cattura della luce. Inoltre, quando ogni fotodiodo effettua la propria conversione, l'uniformità del segnale è minore.
LA FIBRA OTTICA
Le fibre ottiche sono filamenti di materiali vetrosi o plastico trasparente, realizzati in modo da poter condurre al loro interno la luce ( abbiamo un cilindro interno con indice di rifrazione più elevato di quello esterno). Il segnale trasmesso è costituito da un treno di impulsi di luce.
La propagazione in fibra ottica è descrittadal fenomeno della riflessione totale. Solo i raggi con determinati angoli di incidenza, possono essere guidati all’interno del core della fibra.
SENSORI IN FIBRA OTTICA
La tecnologia dei sensori in fibra ottica oggi giornoè utilizzata in svariati campi di applicazione poiché offre soluzioni notevolmente vantaggiose rispetto alle tecnologie sensoristiche convenzionali.
I sensori in fibra ottica sono una soluzione tecnologicamente avanzata ,utile per applicazioni
particolarmente complesse, dove i sensori elettrici tradizionali non possono soddisfare i requisiti.
Tali sensori, hanno mostratonel continuo incremento della loro produzione , il desiderio del mondo scientifico/tecnologico di :
•mantenere laboratorial passo coi tempi
• innovare tramite lo sviluppo di nuovi sensori adatti a specifiche esigenze, non completamente soddisfatte finora dai sensori elettrici/magnetici
• fare da ponte tra il mondo della ricerca e quello dell'industria
• individuare metodologie di diagnostica predittiva su strutture meccaniche, civili, aerospaziali, adatte alle peculiarità dei sensori in fibra ottica
Tali sensori sono ideali per costruire reti di monitoraggio molto estese e sono
meccanicamente e chimicamente compatibili con la gran parte dei materiali da costruzione.
Sensore in fibra ottica installato su ala in materiale composito di un UAV, per effettuare analisi sulle Sollecitazioni flessionali durante un Profilo di
missione standard.
VANTAGGI SENSORI IN FIBRA OTTICA
I sensori in fibra ottica offrono
numerosi vantaggi rispetto ai sensori elettronici convenzionali, come:
• Capacità di rilevamento multifunzionale.
• Facilità di integrazione in strutture.
• Elevata sensibilità
• Immunità alle interferenze elettromagnetiche
• Dimensioni ridotte
• Sicurezza in ambienti potenzialmente esplosivi
• Riduzione dei cablaggi
• Dimensioni ridotte e pesoleggero.
• Incapacità di condurre corrente
• elettrica.
• Immunità ai disturbi elettromagnetici e
• interferenze radio
• Elevata sensibilità e gamma.
• Capacità di multiplexing per formare le
• reti di rilevamento.
• Capacità di sensing remoto.
Le sue caratteristiche di resistenza a condizioni ambientali dove altri sensori sarebbero in difficoltà, permettono la valutazione ad esempio di temperature, pressioni e vibrazioni in «ambienti ostici»
come può essere ad esempio l’interno di un turbogetto, nell’analisi dei precedenti
parametria riguardo ad esempio della turbina
.Ad oggi, i sensori in fibra ottica vengono ampiamente utilizzati per controllare una vasta gamma di parametri fisici (quali temperatura, pressione,
spostamenti, vibrazioni, velocità, accelerazione, forza, pressione, campo acustico, campo magnetico), ambientali (come pH, umidità, viscosità) e specie chimiche.
PERCHE I SENSORI IN FIBRA OTTICA?
L’uso di sensori in fibra ottica consente in generale di beneficiare degli innumerevoli vantaggi intrinsecamente connessi alla tecnologia stessa come ad esempio:
• l’integrazione del sensore all’interno di un canale di comunicazione estremamente efficiente, veloce ed immune ai disturbi elettromagnetici
• la possibilità di applicazione in ambienti fortemente ostili
• la possibilità di misure multi-parametro nell’ambito di uno stesso sistema
• la bassa intrusività dovuta alle piccole dimensioni del sensore di base
COSA POSSIAMO MISURARE?
In maniera diretta o indiretta(tramite cioè opportune architetture o materiali di trasduzione commerciali
grandezze fisiche:
o sviluppati ad hoc) è possibile misurare le seguenti
• Temperatura
• Umidità relativa
• Indice di rifrazione e PH
• Flusso e livello di liquidi
• Radiazioni
Sensore ottico per misura della temperatura
COSA POSSIAMO MISURARE?
Nell’ambito dello studio del comportamento di materiali o componenti strutturali a determinate
di :
sollecitazioni, possono essere utilizzati per misurazioni
• Deformazione
• Spostamento
• Inclinazione
• Rotazione
• Accelerazioni
• Vibrazioni
COSA POSSIAMO MISURARE?
Sono di utile impiego anche quelli che sono
• Campo magnetico
• Campo elettrico
• Campo acustico
• Forza e pressione
in altri ambiti, permettendo inoltre di valutare
Multimetro ottico, che sfrutta le proprietà dell’effetto Kerr, secondo cui
quasi tutte le sostanze trasparenti isotrope ,se sottoposte a un campo elettrico, subiscono una variazione nelle proprietà ottiche,
FBG: FIBER BRAGG GRATING
Un FBG è una distribuzione di reticoli di Bragg inseriti
all’interno del core di un breve tratto di fibra ottica. Essi
riflettono particolari lunghezze d’onda, lasciando passare le altre,essendo composti in bande di materia di diverso indice di rifrazione ( che potremmo chiamare “filtri
ottici”), i quali si alternano tra loro andando dunquea filtrare una determinate lunghezza
d’onda.
COME FUNZIONA?
La luce bianca, che dunque possiede tutti i colori dello spettro visibile,
‘correndo’ lungo la fibra ottica, passa attraverso l’FBG.
Ognuno di questi singoli ‘filtri’
riflette determinate frequenze o colori facendo passare le altre. Ciò viene
fatto andando
periodicamente a cambiare l’indice di rifrazione delle fibre , decidendo
dunque quale
lunghezza d’onda passa e
quale no.
Fattori esterni, come calore o vibrazioni creeranno uno spostamento nella
lunghezza d’onda della luce riflessa. Queste
variazioni, possono essere dunque poi trasformate in grandezze fisiche
ingegneristiche di nostro interesse.
Variazione del colore della luce riflessa a causa della presenza di elongazione
Variazione del colore della luce riflessa a causa della presenza di variazione della temperatura
Poiché tutti i sensori FBG sono basati sulla misurazione in un certo range di frequenze di onde o colori ben determinato, è possibile porre in sequenza più di un sensore su una singola fibra ottica, con grande risparmio in spazio e riduzione di cablaggio.
A differenza poi dei convenzionali sensori elettrici, l’FBG sono non conduttori, non alimentati e
immuni a interferenze elettromagnetiche,
rendendoli dunque affidabili e precise alternative in
ambienti sottoposti a corrosione ed elevati voltaggi.
AMBITI APPLICATIVI : STRUTTURALE
Monitoraggio multi-punto di deformazioni statiche in strutture operative come edifici, ponti, tunnel.
I sensori in fibra ottica possono essere integrati nel cemento armato, permettendo così la realizzazione di strutture sensorizzate e quindi più sicure. Ciò permette inoltre una migliore manutenzione, poiché conoscendo lo stato
interno della struttura è possibile andarea lavorare direttamente sul problema, senza la previa necessità di localizzarlo.
Ambito
Aerospaziale
Monitoraggio strutturale statico e dinamicoper la rivelazione di danni tramite sistemi “custom” capaci
di resistere alle difficili condizioni operative presenti su veicoli aerospaziali.
I sensori in fibra ottica garantiscono piccole dimensioni e leggerezza e possono essere integrati in materiali compositi, permettendo di
realizzare critici.
nuovi componenti strutturali dei velivoli con sensori integrati in punti Inoltre hanno il vantaggio di fornire dei dati in tempo reale.
ESEMPIO DI FIBRA OTTICA
INTEGRATA NELLA STRUTTURA
I sensori a fibra ottica inclusi all’interno della struttura stessa permettono di avere delle
informazioni ancora più numerose e accurate di come la struttura reagisce, non soltanto durante la singola missione e dunque durantela singola sollecitazione, ma per tutto il suo ciclo vitale, a partire dallo sviluppo della struttura, passando
per la fase di test a terraed una in volo, fino alla fine del suo ciclo vitale , dove si cerca di
determinare quanta vita in realtà rimane alla
struttura.
L’utilizzo di estensimetri per lo studio dello stato della struttura, è molto più complesso sia dal punto di vista di installazione che di misurazione. Infatti, vanno localizzati i giusti punti in cui andaread installare
l’estensimetro, poiché esso restituirà una lettura puntuale della deformazione. Inoltre, ad ogni estensimetro è associato un singolo collettore, portandoanche ad una
difficoltà dal punto di vista dell’installazione, nella necessità di gestire un’elevata
quantità di cavi, che oltre che influenzare l’aerodinamica effettiva portano ad un aumento di peso della struttura.
ESTENSIMETRI CLASSICI
Non possiamo avere una visione generale della struttura, poiché abbiamo un sensore ogni 30- 40 cm. Questo porta ad una elevata
approssimazione quando vado a ricostruire quella che è la deformazione della struttura. Ad esempio, fornisce 20-
30 valutazioni.
SENSORI IN FIBRA OTTICA
Avendo la possibilità di poter disporre un sensore all’interno della fibra ogni quarto di pollice, si riescono ad
ottenere un numero molto più elevato di informazioni, che restituiscono un quadro generale molto più continuo rispetto al precedente, permettendo una ricostruzione più veritiera della situazione. E’ molto più leggero, semplice da installare, meno
complesso. Si riescono ad ottenere migliaia di valutazioni con una singola fibra.
