SENSORI A FIBRA OTTICA PER LA DIAGNOSTICA STRUTTURALE DEI BENI ARCHITETTONICI

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1 SENSORI A FIBRA OTTICA PER LA DIAGNOSTICA STRUTTURALE DEI BENI ARCHITETTONICI Indice Introduzione 2 1. Schema d'impiego dei sensori a fibra ottica FBG 3 2. Vantaggi nell'utilizzo di sensori a fibra ottica 3 3. Applicazione di sensori a fibra ottica per il restauro conservativo dei beni 6 architettonici 3.1 Affreschi con fessurazioni Monitoraggio di vibrazioni Monitoraggio strutturale Confronto tra i sensori in fibra ottica FBG e il distanziometro meccanico Conclusioni 14 BIBLIOGRAFIA 14 APPENDICE A - Generalità sulle fibre ottiche e i reticoli di Bragg 15 1/16

2 Introduzione Le fibre ottiche sono componenti molto conosciuti, soprattutto grazie al loro impiego nel campo delle telecomunicazioni. Molto meno noto è il loro impiego nel campo della sensoristica: infatti utilizzando componenti in fibra ottica è possibile realizzare sensori di temperatura, di deformazione, di accelerazione ecc.. Sebbene l'impiego di questi sensori non sia ancora molto diffuso a livello industriale, i vantaggi che presentano (alta risoluzione, immunità al rumore elettromagnetico, durata ecc.) e l'avanzato livello d'industrializzazione degli strumenti disponibili commercialmente, li rendono una valida e promettente alternativa ai sensori tradizionali di tipo elettrico ed elettromeccanico. I sensori a fibra ottica sono di vario tipo, a seconda del principio fisico che sfruttano per trasdurre la grandezza da misurare in segnale ottico decodificabile [1]. Oggetto di questo rapporto sono i sensori basati su reticoli di Bragg in fibra ottica (in seguito denominati sensori FBG) che, tra i vari tipi di sensori ottici, sono i più diffusi. Le prestazioni riportate in questo rapporto sono relative ai sistemi di misura realizzati dalla CELM snc, con sede a Madignano in provincia di Cremona, unica azienda italiana che produce e commercializza strumenti basati sulla tecnologia dei sensori FBG. Le prove sperimentali riportate sono state realizzate con la strumentazione e nei laboratori messi a disposizione dalla CELM. 2/16

3 1. Schema d'impiego dei sensori a fibra ottica FBG Le parti che compongono il sistema di misura che utilizza i sensori FBG sono essenzialmente (Figura 1): la fibra ottica coi sensori FBG il cavo in fibra ottica di collegamento tra i sensori e l'elettronica di controllo l'elettronica di controllo un PC connesso con l'elettronica di controllo tramite un cavo locale, rete locale, Internet, o modem GSM. Modem Rete TCP/IP Cavo L'oggetto a cui sono vincolati i sensori trasmette le proprie deformazioni ai reticoli di Bragg. FBG (n) Un reticolo di Bragg in fibra ottica è una modulazione periodica dell'indice di rifrazione (n) della fibra: esso agisce come uno specchio che riflette la luce di una specifica lunghezza d'onda. Al variare del passo della modulazione cambia la lunghezza d'onda della luce riflessa. Elettronica Cavo di fibra ottica max 10 km Figura1 Schema del sistema di misura che impiega i sensori FBG. I sensori FBG vengono vincolati all'oggetto da monitorare in modo tale da riprodurre i movimenti o deformazioni della sua superficie: le variazioni indotte alla struttura del reticolo di Bragg vengono codificate, sottoforma di variazioni di lunghezza d'onda, nel segnale ottico che raggiunge l'elettronica di controllo. L'elettronica decodifica il segnale ottico e trasmette i dati delle misure a un PC che provvede alla visualizzazione e memorizzazione dei dati. 2. Vantaggi nell'utilizzo di sensori a fibra ottica I vantaggi dei sensori a fibra ottica basati su reticoli di Bragg, rispetto ai sensori tradizionali elettrici o meccanici, sono: Alta risoluzione, dinamica e accuratezza 3/16

4 I sensori basati su reticoli di Bragg offrono un'alta risoluzione. La risoluzione, cioè la capacità di rilevare una variazione molto piccola della grandezza da misurare, è pari a una parte per milione (10-6 ) della lunghezza d'onda della luce utilizzata da questi sensori (si ricorda che i sensori a fibra ottica FBG codificano le misure sottoforma di variazioni di lunghezza d'onda della luce). In termini pratici ciò significa che questi sensori possono misurare deformazioni minime ( ε min ) pari a 1 microepsilon (1x10-6 ): questo dato, moltiplicato per la base di misura (l), fornisce la minima variazione di lunghezza misurabile ( l min ). l min =l * ε min Consideriamo ad esempio due punti distanti 1 metro: il sensore, fissato tra questi due punti, è in grado di misurare variazioni di questa distanza pari a 1 micron (10-6 metri): l=1m x 1x10-6 = 1 micron. Se la distanza tra due punti è pari a 10 cm le variazioni di distanza tra di essi rilevabili sono pari a 0,1 micron (1/ di millimetro). Quando vengono impiegati come sensori di temperatura, la risoluzione della misura è pari a 0,1 C. I sensori basati su reticoli di Bragg offrono un'alta dinamica. La dinamica, cioè la capacità misurare una grandezza fisica in un suo ampio intervallo di variazione con una determinata risoluzione, è legata soprattutto alla struttura della fibra ottica ed è pari ad almeno parti per milione della lunghezza d'onda della luce utilizzata da questi sensori. Tornando agli esempi precedenti la deformazione massima ( ε max ) misurabile è pari a microepsilon. Quindi la massima variazione di lunghezza ( l max ) misurabile è data da: l max = l * ε max Considerando due punti distanti 1 metro si ottiene (per misurare : l max = x10-6 x1 m = micron= 10 mm Per misurare variazioni di lunghezza sia positive che negative, i sensori FBG vengono precaricati nella fase d'installazione. Ad esempio, precaricando un sensore a 5000 microepsilon, si possono misurare variazioni l max = ± 5 mm Nel caso della misura di temperatura la massima variazione di temperatura misurabile è pari a 500 C. I sensori basati su reticoli di Bragg offrono un'alta accuratezza. L'accuratezza, cioè il massimo scostamento tra il valore misurato e il valore reale della grandezza fisica misurata, è espressa in percentuale del massimo valore misurabile (fondoscala). Per i sensori a FBG tale valore è pari a circa 2 parti per milione della lunghezza d'onda della luce utilizzata da questi sensori, che in percentuale corrisponde al 0,02 % del fondoscala. 4/16

5 In base a quanto precedentemente affermato, i sensori FBG permettono di effettuare la misura assoluta di deformazioni con una accuratezza di circa 2 microepsilon (2x10-6 ). Secondo l'esempio precedente, il sensore FBG fissato tra due punti distanti 1 m, è in grado di misurare variazioni di questa distanza con una accuratezza pari a 2 micron (2x10-6 metri): 2/ (0,02%) x micron = 2 micron. Immunità al rumore elettromagnetico I sensori a fibra ottica FBG sono intrinsecamente immuni 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. Pertanto i sensori a fibra ottica FBG possono attraversare o essere posti in ambienti con forte rumore elettromagnetico, dovuto ad esempio a macchinari elettrici, linee elettriche, antenne ecc. Stabilità nel tempo I sensori a fibra ottica FBG sono caratterizzati da una alta stabilità nel tempo: questa caratteristica è legata al materiale che costituisce la fibra ottica, il vetro, che non invecchia mai. Una volta installati i sensori FBG funzionano per anni senza patire le consuete derive dovute all'invecchiamento dei materiali, alla corrosione, all'azione degli agenti atmosferici a cui sono soggetti i sensori elettro-meccanici tradizionali. Questa caratteristica risulta particolarmente importante nei casi in cui si renda necessario un monitoraggio di lunga durata o permanente di strutture da proteggere per il loro alto valore artistico, architettonico, industriale o civile. Le misure effettuate in periodi diversi sono sempre coerenti e correlate fra di loro e non è necessario una sostituzione periodica dei sensori non sono più affidabili. Installazione a grande distanza i sensori a fibra ottica FBG possono essere installati a distanze dell'ordine della decina di Km dall'elettronica di controllo: questa caratteristica è legata alla bassissima attenuazione che i segnali ottici subiscono durante la loro propagazione lungo la fibra ottica. Quindi sia strutture di grandi dimensioni quali ponti, stabilimenti industriali, torri, campanili, chiese ecc. possono essere controllati da un unico sistema centralizzato a cui fanno capo sensori installati anche a grande distanza. Bassa intrusività I sensori FBG sono costituiti essenzialmente da una fibra ottica, le cui dimensioni esterne sono molto contenute (diametro della fibra ottica= 250 micron): questa caratteristica può venire sfruttata appieno quando sia necessario posizionare i sensori in spazi molto ristretti o sia necessario evitare di sovraccaricare struttura molto delicate con il peso del sensore. Si pensi ad esempio alla necessità di installare sensori di deformazione (estensimetri) su un affresco o una tela antica. Trasferimento dati via rete e/o wireless L'elettronica di controllo è predisposta per l'interfacciamento con il Personal Computer di 5/16

6 controllo tramite scheda di rete: in questo modo da qualsiasi postazione connessa alla stessa rete, ad esempio INTERNET o una rete locale, è possibile impostare le misure, controllare in tempo reale il funzionamento dei sensori, scaricare i dati acquisiti. In mancanza della rete, è possibile collegarsi all'elettronica in modo remoto tramite modulo GSM installato sia a bordo dell'elettronica che a bordo del PC di controllo. 3. Applicazione di sensori a fibra ottica per il restauro conservativo dei beni architettonici Un campo innovativo di applicazione dei sensori a fibra ottica FBG è la conservazione dei beni architettonici e artistici. Infatti la durata nel tempo di edifici antichi, sia che siano essi stessi il patrimonio artistico da proteggere, sia che costituiscano il supporto di altre opere d'arte, non può prescindere da una accurata diagnosi della loro stabilità e dei dissesti che si manifestano sotto forma di lesioni alla struttura. Gli interventi di consolidamento strutturale devono infatti basarsi sulla esatta comprensione delle cause e della dinamica del dissesto: questo compito è facilitato dall'installazione di un sistema di monitoraggio che, tramite sensori installati in punti opportuni, permette di rilevare la dinamica del quadro fessurativo (insieme delle lesioni della struttura). L'analisi degli incrementi e dei decrementi dell'ampiezza delle fessure, correlata agli effetti climatici, ambientali e di carico, consente di correlare le possibili cause ai risultati delle misure. In modo analogo possono essere misurati altri parametri, quali la planarità o la perpendicolarità tra due superfici, l'effetto di cause ambientali quali il traffico stradale o l'effetto di carichi dinamici prodotti, ad esempio, dall'oscillazione delle campane o dal passaggio dei visitatori. Terminato l'intervento di consolidamento strutturale il sistema di monitoraggio ha la funzione di validare l'efficacia dell'intervento stesso. I sensori a fibra ottica sono uno strumento diagnostico di monitoraggio strutturale che offre una miglior risoluzione, flessibilità d'impiego e minore intrusività rispetto agli strumenti tradizionali: queste caratteristiche si traducono in misure e, quindi, in valutazioni tecniche più accurate, minori tempi e costi d'indagine, minore impatto sull'opera d'arte o struttura analizzata. I sensori a fibra ottica sono trasduttori di deformazione: a seconda di come il sensore viene applicato alla struttura e della banda in cui viene acquisito il segnale, tali sensori agiscono da estensimetro, vibrometro o inclinometro. Nella funzione di estensimetro si confrontano con i distanziometri meccanici: questi strumenti sono basati sulla misura, effettuata con un'asta in materiale metallico a basso coefficiente di dilatazione termica, della distanza tra due piastrine circolari di riscontro, dotate di un foro micrometrico al centro. Questo strumento è solitamente impiegato per controllare il movimento di una fessura: le due piastrine di riscontro vengono fissate ai due lati della lesione a una distanza sufficientemente grande (circa 15 cm per lato) per evitare che la lesione aggiri le piastrine. Il sensore a fibra ottica FBG, per svolgere l'analoga funzione, deve essere fissato a cavallo della fessura mediante due punti di vincolo che trasmettono al sensore gli spostamenti relativi delle pareti ai lati della fessura. Il confronto dettagliato tra le prestazioni ottenibili con i sensori a fibra ottica e con il distanziometro è presentato nel capitolo 4. Nel seguito viene analizzati l'impiego di sensori a fibra ottica FBG per la diagnostica di alcune tipologie di dissesto. 6/16

7 3.1 Affreschi con fessurazioni La vita degli affreschi è strettamente legata alla struttura a cui sono stati applicati: i dissesti della struttura si manifestano come fessure o distacchi che danneggiano l'affresco stesso (Figura 2). Figura 2 Fessura su una parete verticale affrescata (abitazione privata). L'utilizzo di un sistema di monitoraggio del quadro fessurativo può quindi richiedere l'installazione dei i sensori direttamente sugli affreschi. Questa operazione comporta un inevitabile danneggiamento dell'affresco: si pensi ad esempio all'incollaggio delle piastrine di riscontro dei distanziometri, o alla pressione che il tecnico incaricato deve necessariamente esercitare sull'affresco per far allineare le punte dell'asta di misura del distanziometro con i fori di riferimento delle piastrine di riscontro. I sensori a fibra ottica FBG offrono il grande vantaggio di poter essere fissati all'affresco con gesso a presa rapida oppure calce: questi materiali possono infatti essere rimossi dall'affresco al termine delle misure senza danneggiarlo. Una volta fissato il sensore, i dati possono essere raccolti continuamente in modo automatico e non è più necessaria alcuna manipolazione dello stesso, ad eccezione che debba essere rimosso. Non è quindi necessario lasciare installate le strutture che permettono di accedere all'affresco, come ad esempio ponteggi o trabattelli. Altri vantaggi sono il peso pressoché nullo della fibra ottica che non carica ulteriormente la superficie dell'affresco e, se l'affresco è esposto al pubblico, la possibilità di mascherare i punti di fissaggio dando una colorazione opportuna al gesso o alla calce. In Figura 3 è mostrato lo schema di fissaggio di un sensore a fibra ottica FBG su una fessura. Fibra ottica φ= 250 µm Punti di fissaggio con calce o gesso Alla strumentazione Sensore FBG 30 cm Terminazione libera Figura 3 Schema di fissaggio di un sensore FBG a cavallo di una fessura. Nella figura 4 è mostrato l'incollaggio di fibre ottiche ad un frammento di affresco mediante calce e gesso a presa rapida. 7/16

8 Figura 4 Fissaggio di fibre ottiche su un frammento di affresco utilizzando gesso a presa rapida e calce. Questa tecnica di misura può essere applicata a condizione che l'azione di trazione esercitata dagli spostamenti relativi delle pareti o dei soffitti ai lati della fessura non porti alla rottura dei punti di fissaggio. Per verificare questo aspetto sono state effettuate prove sperimentali di trazione di un sensore FBG, fissato con gesso a presa rapida e calce sul frammento di affresco mostrato precedentemente. Nella figura 5 è mostrato il banco sperimentale utilizzato per effettuare le prove: il sensore a fibra ottica FBG è stato vincolato con gesso a presa rapida da una parte sul frammento di affresco, a sua volta vincolato rigidamente alla barra di supporto mediante annegamento nella calce, dall'altra su una piastra di materiale ceramico vincolato al carrello micrometrico. Figura 5 Banco sperimentale utilizzato per la verifica della resistenza alla trazione dei sensori FBG vincolati con su un campione di affresco. 8/16

9 La distanza tra i due punti di vincolo è di 400 mm: grazie al carrello micrometrico questa distanza è stata incrementata progressivamente fino a 401 mm. Dividendo l'allungamento di 1 mm per la base di misura di 400 mm si ottiene la deformazione (ε) imposta al sensore: ε =1/400 = 2.500x10-6 = microepsilon La figura 6 mostra Il grafico delle misure di deformazione effettuate durante la prova di adesione. L'allungamento del sensore è stato incrementato agendo sul micrometro a passi di 50 µm, corrispondenti a 125 µε. I dati riportati sono relativi alla fase di trazione e alla fase di rilascio: dalla sovrapposizione dei dati non si evidenziano fenomeni d'isteresi. Misura di deformazione con sensore FBG Deformazione misurata [microepsilon] Deformazione imposta [microepsilon] Fase di trazione Fase di rilascio Figura 6 - Misure di deformazione del sensore FBG vincolato all'affresco. Le conclusioni che si possono trarre da queste prove sperimentali è che l'adesione dei sensori all'affresco è tale da sopportare deformazioni della fibra ottica fino ad almeno 2500 microepsilon per il gesso a presa rapida (non è stato forzata la prova fino alla rottura per non danneggiare il sensore), dinamica più che sufficiente per le normali esigenze di monitoraggio. La linearità della misura è buona, i piccoli scostamenti apprezzabili sono da imputarsi agli errori di posizionamento e di lettura del micrometro meccanico. L'altro materiale utilizzato per le prove è la calce: rispetto al gesso a presa rapida è però penalizzato da una minore resistenza alla trazione: il limite massimo raggiunto è di circa 1000 microepsilon. Oltre questo valore il vincolo di calce si rompe: per aumentare la resistenza del vincolo è necessario aumentare la quantità di calce impiegata. 3.2 Monitoraggio di vibrazioni La stabilità di edifici antichi può essere peggiorata o compromessa anche dall'effetto di 9/16

10 sollecitazioni esterne dovute ad attività di vario tipo. Nei centri storici la presenza di traffico anche pesante (autobus, tram, mezzi di servizio, treni, metrò ecc.) nella vicinanza di edifici di interesse storico e artistico comporta una sollecitazione periodica di tipo vibrazionale che si trasmette alle loro strutture. Questo tipo di sollecitazione può inoltre influire sullo stato di conservazione delle opere d'arte (ad es. affreschi) o elementi di pregio (ad es. statue o decori) vincolati rigidamente alle strutture portanti degli edifici. Gli edifici aperti al pubblico sono sollecitati dal passaggio delle persone, che costituiscono un carico dinamico di entità molto variabile. Un altro esempio è ìl movimento delle campane di torri campanarie: la massa della campana in movimento genera una sollecitazione periodica assimilabile ad una vibrazione a bassa frequenza che produce un momento flettente lungo la struttura. La verifica dell'effetto reale che le varie sollecitazioni producono sulle strutture richiede l'impiego di strumenti di elevata risoluzione e con una adeguata risposta in frequenza (fino a centinaia di Hertz): i sistemi di misura che impiegano sensori a fibra ottica basati su reticoli di Bragg rispondono a questi requisiti. In figura 7 è mostrata la misura di vibrazioni effettuata con sensori FBG montati su una struttura sperimentale in cemento armato, sollecitata da una tavola vibrante per prove sismiche, effettuate presso i laboratori ENEA della Casaccia (Figura 8): lo spettro della sollecitazione è del tipo rumore bianco. La misura è espressa in lunghezza d'onda. In questo caso i sensori FBG sono stati applicato direttamente sulla struttura. Alternativamente è possibile impiegare trasduttori che impiegano un sensore FBG come elemento sensibile. Prove sismiche Lunghezza d'onda [nm ] 1532, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , Tempo [sec] Figura 7 Misure di vibrazioni indotte su una struttura in cemento armato presso i laboratori ENEA della Casaccia. Le due tracce sono riferite a due sensori FBG in posizioni diverse. Dalla misura delle vibrazioni di una struttura si può ricavare la sua caratteristica dinamica: i modi normali e le frequenze proprie di vibrazione costituiscono la risposta della struttura alle sollecitazioni e una variazione di questi parametri indica la presenza di una modifica della struttura. 3.3 Monitoraggio strutturale Gli edifici antichi spesso presentano fessure di dimensioni ragguardevoli, di cui raramente 10/16

11 si conosce l'origine e di cui è necessario prevedere l'evoluzione. La questione fondamentale a cui rispondere è se la lesione si è stabilizzata o se sta continuamente aumentando le sue dimensioni, segno che la causa del cedimento strutturale manifestatosi con la fessura è ancora presente. A causa dei movimenti molto lenti della fessura, che si rendono evidenti nel corso di anni e si sommano a effetti stagionali e climatici, non è facile dare una risposta chiara al quesito. Un sistema di monitoraggio ad elevata risoluzione e in grado di fornire una misura continua è sicuramente di grande aiuto per fornire una valutazione corretta in tempi accettabili: fenomeni molto lenti nel tempo, che quindi provocano una variazione molto piccola delle dimensioni della fessura durante il periodo di osservazione, possono essere misurati con accuratezza ed eventualmene correlati con eventi e situazioni ambientali particolari. I sensori a fibra ottica FBG possono essere installati direttamente sulla fessura in questo caso agiscono come fessurimetro - con la stessa tecnica di vincolo proposta per gli affreschi, oppure applicati a trasduttori, costituiti essenzialmente da barrette metalliche di opportune dimensioni, che a loro volta vengono fissati sulla struttura con tasselli. Considerando che le misure vengono effettuate in continua data la lentezza dei fenomeni da indagare, si possono ottenere risoluzioni della misura migliori di 0,1 µm (10-7 m). E' evidente che adottando questo tipo di tecnologia si possono mettere in evidenza informazioni che con altri strumenti di misura (ad es. il distanziometro, che ha una risoluzione di 10 µm) resterebbero nascoste. Un aspetto importante riguarda l'accessibilità alle fessure, che spesso sono localizzate a grandi altezze, come mostrato in figura8. Figura 8 - Fessura sulla parete esterna di una chiesa parrocchiale: l'accesso alla zona richiede l'ausilio di ponteggi o mezzi di sollevamento. L'utilizzo di sensori FBG permette di posizionare l'unità elettronica di controllo in una posizione facilmente accessibile, anche a notevole distanza dalla fessura, evitando 11/16

12 l'impiego ripetuto di mezzi di sollevamento o protezione per chi effettua le misure. Lo stesso tipo di tecnica può essere applicato per il monitoraggio di stabilità di strutture verticali, ad esempio pareti o colonne: lo spostamento dalla verticale in questo caso la funzione svolta è di misuratore di fuori piombo - può essere misurato con trasduttori che impiegano sensori FBG per leggere le deformazioni che lo spostamento dalla verticale di una massa nota produce sul braccio che sostiene la massa stessa. Dimensionando opportunamente la massa e il braccio di sostegno si può tarare la sensibilità del trasduttore. La misura della variazione di inclinazione tra un piano di riferimento e un piano soggetto a movimenti - la funzione svolta è di inclinometro relativo si effettua fissando il sensore FBG all'asta verticale di un profilato metallico ad L, la cui base presa come riferimento viene fissata ad esempio al pavimento, mentre la parte verticale è vincolata alla parete che è sottoposta all'inclinazione progressiva. La misura della deformazione dell'asta verticale viene convertita in inclinazione. 4. Confronto tra i sensori in fibra ottica FBG e il distanziometro meccanico Per effettuare il confronto tra il distanziometro meccanico ed i sensori a fibra ottica FBG vengono considerati sia i parametri inerenti alla misura, sia gli aspetti legati all'utilizzo dei due strumenti. Per quanto riguarda la misura, il parametro principale è la risoluzione: il distanziometro meccanico ha una risoluzione di 10 µm [2], mentre i sensori a fibra ottica FBG hanno una risoluzione, su una base di misura di 30 cm, pari a 0,3 µm. La r risoluzione dei sensori FBG, circa 30 volte migliore dei distanziometri, si traduce in misure che riproducono con re fedeltà l'andamento della larghezza della fessura. Per apprezzare la differenza tra le misure che si ottengono coi due diversi sistemi, nella Figura 9 è simulato l'andamento della larghezza di una fessura il cui movimento complessivo è dato dalla sovrapposizione di un allargamento lineare di ampiezza finale pari a 100 µm (che rappresenta, ad esempio, un cedimento progressivo costante) e di un allargamento sinusoidale (che può rappresentare un effetto climatico o ambientale). 12/16

13 100 Simulazione misure DISTANZIOMETRO - FBG Larghezza fessura [micron] Larghezza reale DISTANZIOMETRO FBG Figura 9 Confronto tra misure simulate effettuate con sensori FBG e distanziometro. All'andamento della fessura (linea rossa) sono state sovrapposte la misura simulata effettuta con sensori FBG (linea blu) e la misura simulata effettuata con il distanziometro (punti verdi). In entrambe le misure simulate è stato introdotto il relativo errore di misura, visualizzato dall'andamento irregolare della misura del sensore FBG e dalla bara di errore riportata per ogni punto di misura del distanziometro. La rappresentazione delle misure è quindi, seppur simulata, realistica. Nelle figure 10a e 10b le due misure sono mostrate separatamente: è evidente la r qualità dell'informazione che si ottiene impiegando sensori FBG. 100 Simulazione misure FBG febbraio febbraio aprile aprile giugno giugno agosto agosto ottobre ottobre dicembre dicembre febbraio febbraio aprile aprile giugno giugno agosto agosto ottobre ottobre dicembre dicembre 100 Simulazione misure DISTANZIOMETRO 90 Larghezza fessura [micron] Larghezza fessura [micron] 10 0 febbraio febbraio aprile aprile giugno giugno agosto agosto ottobre ottobre dicembre dicembre Figura 10a Misura del distanziometro meccanico. Figura 10b Misura del sensore FBG. Dalle stesse figura risulta evidente che, mentre con i sensori a fibra ottica è possibile effettuare un monitoraggio continuo in quanto l'elettronica provvede da se a memorizzare i 13/16

14 dati, con il distanziometro si ha un monitoraggio intervallato nel tempo, che richiede la presenza di un tecnico ogni volta che la misura viene ripetuta. Il sistema di interrogazione dei sensori a fibra ottica FBG permette, oltre alla memorizzazione locale dei dati, di trasmettere i dati acquisiti in tempo reale a distanza, via rete o via modem GSM, quindi senza la presenza diretta di un operatore in loco. Un altro aspetto rilevante riguarda il monitoraggio di affreschi in posizioni difficoltose da raggiungere, come ad esempio le volte delle chiese o facciate esterne di edifici alti : la misura col distanziometro richiede che venga mantenuto l'accesso alla fessura da monitorare, ad esempio con un ponteggio, con i relativi costi e impatto sulla fruibilità dell'ambiente. L'utilizzo di sensori FBG permette invece di posizionare l'unità elettronica di controllo in una posizione facilmente accessibile, anche a notevole distanza dalla fessura, evitando i costi e il disagio che comporta il mantenere un ponteggio installato per molto tempo. 5. Conclusioni I sensori in fibra ottica a reticolo di Bragg (FBG) sono una realtà promettente nel vasto campo dei sensori ottici. La diffusione di sistemi di misura commerciali permette di valutare appieno concrete applicazioni di questa tecnologia innovativa. Grazie alla loro versatilità d'impiego e alle loro caratteristiche tecniche possono essere impiegati nella diagnostica strutturale di beni architettonici e artistici, con evidenti vantaggi, rispetto agli strumenti tradizionali, dal punto di vista della semplicità d'installazione, del trasferimento dei dati, della precisione delle misure, della bassa intrusività. I sensori FBG offrono quindi l'opportunità di ridurre il costo del monitoraggio, riducendo la necessità di intervento del personale in loco e delle relative attrezzature di supporto e ottimizzando i tempi di osservazione dei fenomeni. La re qualità dei dati raccolti consente di individuare con r precisione e rapidità gli interventi necessari al consolidamento delle strutture e la loro efficacia. L'impiego di sensori FBG rappresenta quindi un indubbio salto di qualità nel monitoraggio strutturale. BIBLIOGRAFIA [1] B. Lee, Review of the present status of optical fiber sensors, Optical Fiber Technology,9-2003, pgg.57-79, Academic Press [2] L. Baruchello, G. Assenza, Diagnosi dei dissesti e consolidamento delle costruzioni, ed. DEI, /16

15 Appendice A Generalità sulle fibre ottiche e i reticoli di Bragg Una tipica fibra ottica è mostrata in Figura A: la fibra è costituita da una parte interna con un indice di rifrazione n1 e da una parte esterna con indice di rifrazione n2. Le fibre ottiche sono realizzate in vetro o polimeri e sono usualmente rivestite con una guaina protettiva. L'indice di rifrazione n1 è leggermente re di n2 e questa caratteristica premette alla fibra ottica di guidare al suo interno i raggi di luce che entrano con un angolo, rispetto all'asse della fibra, inferiore a θ. I raggi che entrano ad angoli ri di θ non vengono trasmessi dalla fibra ottica. θ n2 n1 Figura A1 - Principio di funzionamento della fibra ottica Le fibre ottiche possono essere singolo-modo o multi-modo a seconda che la luce propaghi all'interno delle fibra su un solo percorso o su più percorsi; questa caratteristica dipende dalla lunghezza d'onda della luce inviata nella fibra ottica e dalle dimensioni geometriche della fibra stessa. Le fibre ottiche impiegate per realizzare i reticoli di Bragg sono in vetro di tipo singolomodo alla lunghezza d'onda d' impiego che, per le applicazioni nel campo delle telecomunicazioni e dei sensori, è usualmente nella banda ottica dell'infrarosso (tra 1,3 e 1,6 µm). Il diametro tipico di una fibra ottica monomodo è di 0,125 mm, che diventano 0,250 mm considerando anche la guaina protettiva. n1 p n2 n1 λa λb x Figura A2 - Principio di funzionamento del reticolo di Bragg in fibra ottica. Un reticolo di Bragg (Figura A2) in fibra ottica è costituito da una modulazione periodica di passo (p) dell'indice di rifrazione (n1) della fibra : esso agisce come uno specchio che riflette la luce di una specifica lunghezza d'onda (λb): le lunghezze d'onda diverse da λb, indicate con λa, non vengono riflesse. Al variare del passo (p) della modulazione dell'indice di rifrazione n1 cambia la lunghezza d'onda della luce riflessa: il reticolo di 15/16

16 Bragg agisce come sensore quando viene fissato ad una struttura che trasmette le sue deformazioni alla fibra ottica, modificandone il passo (p) del reticolo. Analizzando la lunghezza d'onda della luce riflessa è quindi possibile risalire alla deformazione applicata al reticolo. La lunghezza d'onda riflessa varia anche in funzione della temperatura del reticolo di Bragg, sia per effetto della dilatazione del vetro di cui è costituita la fibra ottica, sia per la variazione dell'indice di rifrazione del vetro in funzione della temperatura. Pertanto il reticolo di Bragg può essere impiegato anche come sensore di temperatura. Nel caso in cui le variazioni di temperatura siano di entità tale da disturbare la misura di deformazione è necessario sottrarre l'effetto della temperatura, acquisita mediante un altro sensore. 16/16