1.2 - Cenni sulla realizzazione degli FBG

Capitolo 1

Sensori a Fibra di Bragg

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1.1 – Introduzione

A partire dal 1967, quando il primo sensore “fotonico” è stato proposto per misurare la posizione degli utensili nell’industria meccanica, le fibre ottiche hanno cominciato a suscitare notevole interesse per la loro versatilità di utilizzo.

Da allora, il loro primo successo si registra nell’ambito delle telecomunicazioni (anni ’70-’80) per trovare un numero crescente di applicazioni, poi, in ambito fisico, medico e chimico.

In ambito aeronautico, l’obiettivo ultimo sarebbe quello di poter annegare i sensori a Fibra di Bragg (da ora in avanti FBG) all’interno della cellula al fine di permettere un’analisi continua e accurata dei processi deformativi e vibratori della struttura stessa ed andare ad affinare ed, eventualmente, personalizzare i programmi di manutenzione.

Gli FBG, infatti, vengono utilizzati soprattutto in dispositivi per la misurazione delle deformazioni e della temperatura. La loro dimensione contenuta, circa un 9

centimetro, ne permette la realizzazione in serie su una stessa fibra creando una catena di punti di raccolta informazioni alle posizioni scelte.

La loro bassa perdita di segnale, inoltre, ne facilita l’impiego anche in zone molto lontane (addirittura dell’ordine dei km) dalla sorgente luminosa o dalla strumentazione di raccolta ed elaborazione dati.

1.2 - Cenni sulla realizzazione degli FBG

Gli FBG vengono realizzati inserendo, nella parte più interna della fibra di vetro (core), una variazione periodica infinitesimale dell’indice di rifrazione.

Le dimensioni standard dell’intera fibra sono di circa 125 µm di diametro mentre il core si aggira sui 9 µm, il tutto racchiuso da uno strato protettivo esterno (Fig. 1.1).

Figura 1.1 – Struttura e dimensione FBG.

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La realizzazione risulta estremamente semplice in quanto basta imprimere al core una variazione dell’indice di rifrazione tramite luce laser ultravioletta applicata per un opportuno lasso di tempo (Fig. 1.2).

Figura 1.2 – In alto: modulazione dell’indice di rifrazione lungo il core In basso: Indice di rifrazione periodico lungo la direzione del core.

Nel momento in cui l’FBG deve essere inscritto nella fibra, si dovrà eliminare momentaneamente lo strato protettivo esterno che verrà poi ripristinato a fine inscrizione. A seguire, è necessario un processo di fissaggio ad alte temperature che renda stabile nel tempo questa variazione.

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1.3 – Cenni sul funzionamento degli FBG

Nella configurazione di misurazione finale dell’FBG, è presente una sorgente luminosa a lunghezza d’onda costante. Quando la sorgente colpisce l’FBG, la lunghezza d’onda che corrisponde al periodo del reticolo viene riflessa e reindirizzata in opportuni strumenti di rilevamento, in alternativa può essere registrata l’assenza di quella specifica lunghezza d’onda nello spettro di trasmissione che attraversa il reticolo (Fig. 1.3)

Figura 1.3 – Principi di misurazione degli FBG.

Poiché gli FBG possono essere realizzati con un indice di riflessione vicino al 100% e poiché la sorgente luminosa e la strumentazione di rilevamento possono essere realizzati in un unico apparato, risulta più conveniente utilizzare il metodo di riflessione.

La lunghezza d’onda specifica riflessa, chiamata lunghezza d’onda di Bragg

(𝜆𝜆_𝐵𝐵), risulta legata al passo del reticolo (𝛬𝛬) dalla relazione seguente:

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𝜆𝜆_𝐵𝐵 = 2𝑛𝑛𝛬𝛬 ^(1.1) 𝑛𝑛: legato all’indice di rifrazione efficace della fibra

𝛬𝛬: passo del reticolo.

Nel momento in cui il reticolo viene sottoposto a deformazione, che sia essa di trazione o compressione, il periodo del reticolo stesso subisce una variazione e, di conseguenza, anche il picco di lunghezza d’onda riflesso (Fig. 1.4).

Figura 1.4 – Risposta degli FBG in condizione indeformata (in alto) e deformata (in basso).

Poiché più reticoli possono essere inscritti in una stessa fibra, al fine di differenziare le risposte, ognuno di essi avrà un differente periodo in maniera tale che lo spettro riflesso sarà costituito da una serie di picchi discreti.

Ovviamente il tutto deve essere calcolato in maniera tale che, basandoci sui massimi valori prevedibili in trazione o compressione, i picchi riflessi non collidano tra loro perché ciò invaliderebbe i risultati.

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Una fibra con inscritto un FBG (𝜆𝜆_𝐵𝐵) è sensibile sia alla deformazione (𝜀𝜀) che alla temperatura (𝛥𝛥𝛥𝛥) attraverso la relazione seguente:

𝜆𝜆_𝐵𝐵 = 𝐾𝐾₁𝜀𝜀 + 𝐾𝐾₂∆𝛥𝛥 ^(1.2)

Con 𝐾𝐾₁ e 𝐾𝐾₂ costanti ottenute dalle misure di calibrazione e che, per fibre standard, sono:

𝐾𝐾₁ = 1.2 𝑝𝑝𝑝𝑝 µ𝜀𝜀⁄ 𝐾𝐾₂ = 10 𝑝𝑝𝑝𝑝 °𝐶𝐶⁄

La (1.2) presenta una dipendenza lineare dalla deformazione (𝜀𝜀) e dalla temperatura (𝛥𝛥𝛥𝛥) evidenziata anche da numerose prove sperimentali.

Per le misurazioni di deformazione, basta tracciare la posizione del picco di lunghezza d’onda riflesso. Nei casi in cui questo non dovesse essere ben definito, è necessario eseguire una media degli impulsi riflessi per ottenere una stima migliore.

Questo può avvenire nel caso in cui gli FBG siano soggetti a deformazioni trasversali o ad eccessiva piegatura, il che comporta una birifrangenza che dà luogo a due picchi distinti.

Nel momento in cui la fibra completa di FBG viene incollata o integrata nella struttura, le costanti della formula (1.2), ovviamente, cambiano per gli effetti combinati sia della fibra di vetro che della struttura, mantenendo tuttavia, come dimostrato sperimentalmente, la linearità della relazione.

In alcuni tipi di composito queste possono essere agevolmente calcolate. In genere, però, la costante di temperatura 𝐾𝐾₂ sarà influenzata anche dall’agente

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usato per l’incollaggio mentre la costante di deformazione 𝐾𝐾₁ si manterrà vicina al valore della costante della fibra di vetro.

Le suddette costanti possono essere ricavate andando a calibrare l’FBG incollato a un campione della superficie oggetto di studio con il medesimo agente che deve essere usato per l’incollaggio finale.

Tra le varie ipotesi formulate per la compensazione della temperatura, la più semplice risulta quella di aggiungere uno o più FBG non incollati alla struttura ma posizionati in vicinanza dei punti nei quali deve essere misurata la deformazione per poter quantificare la componente data dal 𝛥𝛥𝛥𝛥.

In questo modo, gli FBG risponderanno solo a variazioni di temperatura fornendoci la costante 𝐾𝐾₂ della (1.2). Nota quest’ultima, si potranno compensare i valori rilevati dai sensori incollati alla struttura.

Ai fini pratici, le misurazioni di deformazione vengono computate tramite la formula:

∆𝜆𝜆

𝜆𝜆₀ = 𝑘𝑘 ∙ 𝜀𝜀 + 𝛼𝛼_𝛿𝛿 ∙ ∆𝛥𝛥 ^(2.3) 𝜀𝜀 = 𝜀𝜀_𝑚𝑚 + 𝜀𝜀_𝑇𝑇

𝜀𝜀_𝑇𝑇 = 𝛼𝛼_{𝑠𝑠𝑠𝑠} ∙ ∆𝛥𝛥 𝜀𝜀 = deformazione

𝜀𝜀_𝑚𝑚= deformazione meccanica

𝜀𝜀_𝑇𝑇= deformazione dovuta alla temperatura

𝛼𝛼_{𝑠𝑠𝑠𝑠}= coefficiente di espansione

∆𝛥𝛥= variazione di temperatura in °K

∆𝜆𝜆= variazione di lunghezza d’onda

𝜆𝜆₀= lunghezza d’onda di base all’inizio del test

𝑘𝑘= gage factor = 0.78 = 1 − 𝑝𝑝

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𝑝𝑝= coefficiente fotoelastico = 0.22

𝛼𝛼_𝛿𝛿= variazione dell’indice di rifrazione = 5 … 10·10⁻⁶/K

Per gli FBG esistono vari tipi di interrogatori realizzati da costruttori diversi e con caratteristiche estremamente variabili di complessità costruttiva, costi e semplicità di impiego.

La maggior parte di queste strumentazioni viene venduta in “bundle” con una piattaforma software che permette sia la fase di “storage” che di “data processing” dei segnali rilevati.

Nella tabella a seguire (Tabella 1.1) sono riportati alcuni parametri tipici degli attuali interrogatori in commercio.

Tabella 1.1 – Performance tipiche di interrogatori presenti sul mercato.

Un range di lunghezza d’onda variabile tra i 50 nm e gli 80 nm garantisce la misurazione per mezzo di un ampio numero di sensori in serie.

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L’espansione della struttura in canali paralleli, inoltre, garantisce l’interrogazione di alcune centinaia di sensori con l’impiego di un solo apparato di rilevazione dei dati. La frequenza di scansione determina la velocità con la quale vengono effettuate le misurazioni.

1.4 - Cenni sulla configurazione tipica degli FBG

Ogni singolo FBG può essere inscritto nella fibra di vetro in una qualsivoglia posizione longitudinale alla fibra stessa.

Sulla medesima fibra, poi, più FBG possono essere inscritti in serie con l’unica limitazione dettata dalla separazione richiesta tra un FBG e il consecutivo e dalla lunghezza dell’FBG stesso. Inoltre, più fibre posizionate in parallelo, possono essere interfacciate con la stessa strumentazione.

Alcune configurazioni standard sono illustrate nella figura a seguire (Fig. 1.5).

Figura 1.5 – Configurazioni tipiche degli FBG:

In Alto: Configurazione in serie lungo una singola fibra.

Al Centro: Configurazione in serie e in parallelo.

In Basso: Configurazione in parallelo con opportunità di switch.

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1.5 – Risultati delle prove al banco

Ad oggi sono stati eseguiti esperimenti di fatica per FBG fissati a vari tipi di materiali (alluminio, acciaio, titanio, compositi, ecc.) allo scopo di valutare la durata in servizio di questi sensori.

I differenti campioni vengono sottoposti ad almeno 2 milioni di cicli e il range della deformazione applicata va da 0 µε a -2400 µε in compressione e da 0 µε

a +1000 µε (fino anche a +2400 µε) in trazione. Durante le prove sono state applicate anche misure di compensazione della temperatura senza osservare significativi limiti di fatica per i campioni investigati. Inoltre, i risultati hanno mostrato una pressoché completa insensibilità alle deformazioni perpendicolari alla fibra, dell’ordine di 2.1·10^-3, mentre le deformazioni longitudinali sono state variate da 0 µε a 1200 µε. Ciò evidenzia come gli FBG misurino solo deformazioni parallele alle fibre stesse.

Per finire, gli FBG sono stati anche testati con cicli di temperatura nel range di -45°C ÷ +90°C ed il relativo errore è stato quantificato nell’ordine dei 5 µε.

Essendo delle strutture relativamente semplici, è facilmente intuibile che la loro unica possibilità di fallimento è dovuta a microfratture meccaniche, decadenza termodinamica delle strutture che entra in contrasto con l’indice di rifrazione degli FBG o il decadimento del rivestimento protettivo che diventa permeabile agli ioni OH^- che vanno ad impattare sull’FBG stesso.

Il loro consumo è pari a quello dell’interrogatore e dell’equipaggiamento di data storage in quanto i sensori, da soli, non hanno bisogno di nessun tipo di alimentazione.

E’ stata, inoltre, evidenziata la loro immunità alle interferenze elettromagnetiche (gli FBG non generano onde elettromagnetiche né risentono delle eventuali interferenze generate da apparati contigui) e la loro sicurezza di utilizzo che li

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rende ideali per impieghi in presenza di campi magnetici od elettrici che potrebbero disturbare altri tipi di sensori.

Inoltre, pur essendo sensibili alla temperatura e rendendosi necessaria una compensazione, questa può essere trascurata nel caso in cui le variazioni siano talmente repentine al punto da non permettere alla struttura (e, quindi, al sensore che ne fa parte,) di risentirne.

1.6 – Costi di realizzazione

Gli FBG non hanno ancora un mercato molto sviluppato in quanto il loro costo risulta relativamente alto rispetto a quello dei sensori convenzionali.

Analisi di mercato dimostrano, comunque, la naturale tendenza a scendere del loro costo di produzione al pari di altre soluzioni tecnologiche ritenute innovative.

Questo comportamento è in parte dovuto anche al fatto che i materiali di base per la loro realizzazione sono relativamente economici.

Ad incidere enormemente sul prezzo sono gli interrogatori ma, anche per questi ultimi, la tendenza del mercato è a scendere: cominciano, infatti, ad essere prodotti in versioni “light” e con costi più accessibili.

In conclusione, pur essendo una strumentazione ancora in fase di sviluppo nell’ambito elicotteristico, gli FBG risultano essere i migliori candidati per un sistema HUMS permanente.

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1.7 – Vantaggi degli FBG

I vantaggi d’impiego degli FBG che li rendono i principali candidati per l’utilizzo con i materiali compositi e per una futura integrazione nel sistema HUMS sono:

• Ottimo accoppiamento con i materiali compositi rinforzati con fibra di carbonio o di vetro largamente utilizzati in campo aeronautico. Gli FBG possono essere direttamente integrati nel materiale composito oppure essere fissati sulla loro superficie;

• Possibilità di misurare anche grandi deformazioni (> 10000 µm/m) e adattabilità per l’impiego in strutture sottoposte ad elevati carichi;

• Leggerezza e dimensioni contenute;

• Insensibilità rispetto al rumore elettromagnetico. Questa caratteristica è dovuta al materiale con cui sono realizzate le fibre ottiche, il vetro: essendo un materiale dielettrico, i campi elettromagnetici non possono ovviamente indurre correnti elettriche in esso, come invece succede in presenza di cavi in rame. Inoltre, i campi elettromagnetici non possono modificare la luce che attraversa la fibra ottica;

• Non necessitano di un collegamento elettrico ed inoltre possono essere posizionati nelle zone in cui è presente corrente ad alto voltaggio;

• il loro segnale subisce decadimenti trascurabili all’aumentare della distanza del sensore rispetto all’acquisitore (è possibile, infatti, collegarli fino ad una distanza massima di circa 50 km);

• Possibilità di collegare in serie un elevato numero di FBG in un unico canale della centralina senza necessità di un cavo di ritorno;

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• Risposta Lineare dell’output – il valore della lunghezza d’onda degli FBG è una funzione lineare del valore misurato, quindi non si possono avere ambiguità nella misura per qualsiasi range di deformazione;

• Stabilità per acquisizioni di lunga durata (fino a circa 20 anni);

• Buona resistenza alla corrosione;

• Facilità d’ installazione (in termini di tempo, di collegamento, di ingombro e numero di cavi).

1.8 - Svantaggi degli FBG

Ovviamente, ci sono anche alcune caratteristiche dove gli FBG mostrano alcuni punti deboli:

• Elevata dipendenza dalla temperatura (𝛥𝛥𝜆𝜆0⁄𝜆𝜆0 causato da 1°C è equivalente a 7

µm/m di deformazione meccanica. Si richiede quindi la compensazione termica.

• Non permettono una compensazione automatica delle deformazioni. La compensazione termica deve essere fatta attraverso una misurazione indipendente della temperatura ed una post-elaborazione dei dati;

• La parte sensibile dalla fibra ottica è posizionata ad una certa distanza dalla superficie da monitorare. Questo può portare ad errori di calibrazione quando la patch è applicata su superfici curve;

• Sensibilità alle forze o pressioni laterali che causano una birifrangenza della luce riflessa. Questo comporta la nascita di un secondo picco riflesso.

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Dalla lunga lista dei vantaggi sopraelencati si evince che l’utilizzo degli FBG comporterebbe un enorme passo avanti per il monitoraggio dei carichi/deformazioni nel campo elicotteristico che, ad oggi, viene effettuato attraverso l’uso di estensimetri elettrici di tipo tradizionale.

Proprio per evidenziare le differenze a livello di impiego dei due diversi tipi di sensori, nel capitolo a seguire si riporta una breve descrizione del funzionamento e un elenco dei principali vantaggi/svantaggi degli Strain Gauges.

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