I sensori, in quanto interfaccia tra l ambiente esterno e i sistemi di. elaborazione e gestione, hanno un profondo impatto su prodotti di larga
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- Bianca Abate
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1 CAPITOLO 1 INTRODUZIONE AI SENSORI IN FIBRA OTTICA 1.1 La sensoristica Generalità I sensori, in quanto interfaccia tra l ambiente esterno e i sistemi di elaborazione e gestione, hanno un profondo impatto su prodotti di larga diffusione: sono ad esempio un elemento essenziale per il controllo e la diagnostica in settori come la casa, l auto, la medicina, l automazione industriale, le telecomunicazioni, l ambiente, l agricoltura. Uno dei fattori che maggiormente ha accelerato il loro sviluppo è stata l evoluzione dell elaborazione dati. Lo sviluppo di microprocessori e circuiti integrati ha reso, infatti, l elaborazione a basso costo, accurata ed affidabile, aumentando l intelligenza dei sensori, dove per sensore intelligente si intende un dispositivo di sensing dotato di microprocessore per l elaborazione ed il controllo del segnale in uscita. Questo nuovo scenario ha stimolato la ricerca nell area della sensoristica e, dunque, lo sviluppo di nuovi dispositivi e delle relative tecnologie. Nuovi prodotti sono nati da questo sforzo, caratterizzati da facilità d uso, risparmio energetico, sicurezza, e da dimensioni sempre più ridotte. Tra le diverse categorie di sensori, in questi ultimi anni ha avuto notevole impulso a livello mondiale la ricerca e lo sviluppo di sensori ottici. Tale 6
2 interesse è legato ad alcune loro importanti caratteristiche, in particolare la capacità di effettuare misure a distanza (senza contatto), la notevole versatilità nella misura di grandezze fisiche e chimiche non rilevabili con altre tecniche, la flessibilità in termini di dinamiche e sensibilità [1]. I principali campi applicativi di questa classe di sensori sono: industria (controlli non distruttivi, metrologia, automazione industriale); telecomunicazioni (ricezione segnali); ingegneria civile (controlli) ; ambiente (rilievo parametri fisico-chimici); trasporti (sicurezza, comfort, monitoraggio strutturale); sicurezza (rilievo intrusioni, protezione di aree) Che cos è un sensore Le grandezze fisiche da rilevare nei processi industriali sono di varia natura; generalmente queste quantità sono difficili da trasmettere ed elaborare nella forma originaria. Per questo motivo l'obiettivo di un sensore è quello di convertire una grandezza fisica o biologica in ingresso, in un'altra di tipo elettrico più facile da manipolare (tensione, corrente, resistenza, capacità). In pratica un sensore è un dispositivo che acquisisce in ingresso un valore di una grandezza fisica nel dominio di interesse e fornisce in uscita una grandezza di natura diversa, legata alla prima da una precisa legge; la grandezza in uscita, 7
3 detta anche segnale, viene opportunamente elaborata ed inviata ad un sistema di misura o di controllo automatico. I sensori sono costituiti da una catena di quattro elementi: il rivelatore, il trasduttore, il sistema di acquisizione e il sistema di elaborazione. Il rivelatore è l'organo che ha il compito di misurare la grandezza di interesse,che, una volta rilevata, viene inviata ad un trasduttore che la converte in una grandezza di natura elettrica. Poiché la grandezza misurata può essere analogica o digitale, il sistema di acquisizione provvede a trasformare i segnali per renderli compatibili con l'unità di controllo. Se il segnale è analogico, realizza la trasformazione A/D ed invia il segnale campionato al sistema di elaborazione che aggiunge l'informazione necessaria a rendere la codifica in bit significativa per il controllore. I sensori si dividono in diverse categorie e possono essere classificati in base: al principio fisico, che può essere ottico, meccanico, pneumatico o elettrico. Questa classificazione è molto usata dai progettisti poiché fornisce una visione integrata dei processi usati nella realizzazione. alla grandezza da misurare (lunghezza, pressione, intensità, temperatura, vibrazione ecc.). Questa classificazione è adatta per la presentazione del sensore agli utenti dato che evidenzia il fine per cui è stato realizzato il dispositivo. al settore operativo che permette di comprendere a quale uso si presti un determinato sensore. 8
4 I parametri fondamentali di un sensore sono la sensibilità, che descrive l entità della variazione nella risposta del sensore in seguito ad un certo stimolo, il tempo di risposta, cioè il tempo impiegato dal sensore per rispondere in seguito a perturbazioni delle condizioni al contorno, il tempo di recupero, inteso come quel tempo necessario affinché la risposta del sensore ritorni al valore stabile iniziale dopo aver subito una variazione, la selettività, cioè la capacità di distinguere lo specifico stimolo e la vita utile, che indica il tempo per cui il sensore opera senza modificare le sue prestazioni Sensori chimici Una delle maggiori aree di sviluppo nel campo della sensoristica è il campo dei sensori chimici. Questo tipo di sensori consente di convertire grandezze chimiche in grandezze meglio trattabili, come quelle elettriche. I sensori chimici devono essere in grado di rilevare la natura e la concentrazione di una determinata specie chimica contenuta in sistemi di vario tipo (atmosfere gassose, soluzioni acquose, ecc.). Grazie a queste loro caratteristiche possono essere impiegati per il rilevamento delle sostanze inquinanti o per il riconoscimento di particolari gas, per il controllo delle sostanze disciolte nelle acque minerali e marine e per rilevare mutazioni genetiche nei microrganismi. Questo genere di sensori deve avere un tempo di analisi sufficientemente breve ed elevata affidabilità, inoltre non deve dipendere da variazioni di umidità e di temperatura e deve essere di dimensioni ridotte [2]. 9
5 Sensori in fibra ottica Quello in fibra ottica è un sensore nel quale la grandezza da misurare causa, nelle caratteristiche della luce trasmessa lungo la fibra, una variazione, che, a sua volta, modifica il segnale elettrico ottenuto tramite un opportuno dispositivo, detto fotorilevatore, a partire dal fascio luminoso [3]. Un sensore in fibra ottica è composto dai seguenti elementi: sorgente di luce; sistema di elaborazione ottica del segnale inviato al sensore; collegamento in fibra ottica dalla sorgente alla regione di misura; zona di modulazione dei parametri ottici; collegamento in fibra ottica dalla regione di misura al fotorilevatore; sistema di ricezione ed elaborazione ottica del segnale ricevuto dal sensore; sistema di elaborazione del segnale elettronico La fibra ottica Le fibre ottiche sono dei sottilissimi fili di vetro, talora di plastica, ma comunque molto trasparenti alla luce, a sezione cilindrica e flessibili. Sono costituite (Fig ) da un nucleo cilindrico (core), circondato da un mantello concentrico (cladding). Inoltre esternamente è presente un rivestimento, definito primario, che funge da protezione ed in genere realizzato con materiale plastico [4]. 10
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