Monitoraggio strutturale dinamico con fibre ottiche

Transcript

1 Monitoraggio strutturale dinamico con fibre ottiche Daniele INAUDI, Angelo FIGINI SMARTEC S.A. Via Pobiette n Manno TI - Switzerland Tel Fax smartec@smartec.ch SOMMARIO In una struttura, la misura delle variazioni nel tempo delle caratteristiche, sia della risposta statica, sia della risposta dinamica, può altrettanto validamente essere utilizzata in sistemi di monitoraggio per il rilevamento di stati di danno. I sensori in fibra ottica, impiegati da vari anni per la il monitoraggio strutturale, hanno dimostrato ottime caratteristiche di sensibilità e stabilità delle misure nel tempo, come pure di durata di vita. ABSTRACT The measurement of the time evolution of the characteristics of the static and dynamic response of a structure can be used to detect damage states in structures. Fibre optic sensing systems have been used for several years for structural monitoring, demonstrating excellent characteristics in terms of sensitivity, stability and durability 1. Introduzione La sicurezza delle opere del genio civile richiede un controllo periodico delle infrastrutture. I metodi attualmente utilizzati, quali le ispezioni visive o le misure per triangolazione sono spesso complicati nella messa in opera e richiedono la presenza di uno o più operatori specializzati. La complessità ed i costi che ne risultano sono tali da limitare la frequenza delle misure. La risoluzione spaziale è in generale ridotta e solo la presenza di gravi anomalie nel comportamento globale incita a proseguire l'analisi con maggiore dettaglio e precisione. Esiste dunque un bisogno reale, su scala internazionale, di strumenti che permettano la sorveglianza automatica e permanente all'interno delle strutture stesse, fornendo risultati di grande precisione e buona risoluzione spaziale. In quest'ottica, il concetto di struttura intelligente (dall'inglese smart structure) ha già provato la sua efficacia in diversi campi dell'ingegneria, in particolare in aeronautica e nello studio dei materiali compositi. Queste strutture sono provviste di una rete interna di sensori a fibre ottiche che permettono la sorveglianza di diversi parametri, critici per la sicurezza ed utili per una pianificazione efficace degli interventi di manutenzione. Si pensi in particolare alle deformazioni, temperature, pressioni, penetrazioni di agenti chimici nocivi, ecc. I sensori a fibre ottiche presentano dei vantaggi importanti rispetto ai metodi di misura più convenzionali. Tra questi citiamo il loro basso costo, la vasta gamma di parametri misurabili, l'insensibilità ai campi elettromagnetici (linee ad alta tensione, treni, temporali) ed alla corrosione, le loro dimensioni ridotte, la loro flessibilità d'impiego e la grande densità d'informazione che possono fornire. 2. Sensori a Fibra Ottica Esiste una grande varietà di sensori a fibra ottica adatti al monitoraggio strutturale. Questi sensori sono stati sviluppati negli ultimi 20 anni in ambito accademico ed industriale. Diversamente da quanto avviene negli Stati Uniti dove l attenzione é rivolta principalmente ai sensori di deformazione locali, in Europa si assiste ad una maggiore diversificazione delle tecniche utilizzate e dei campi d applicazione. In questo panoramica ci concentreremo sulle tipologie di sensori disponibili su scala industriale o almeno con test avanzati in campo. 8 Convegno nazionale «Strumentazione e Metodi di Misura Elettroottici» Pavia giugno 2004 Pagina 1 di 9

2 La seguente tabella riassume le principali tecnologie di sensori a fibre ottiche che verranno discusse nei prossimi capitoli: Parametri misurati Aziende e istituti attivi (selezione) SOFO Spostamento, deformazione, inclinazione Microbending Spostamento Osmos (Francia) Bragg gratings Fabry-Perot Raman Brillouin Deformazione, spostamento, temperatura, pressione Deformazione, temperatura, pressione Temperatura distribuita Temperatura e deformazione distribuite SMARTEC, IMAC-EPFL (Svizzera) SMARTEC (Svizzera) Micron Optics (USA) FOS&S (Belgio) AOS (Germania) LETI (Francia) EMPA (Svizzera) CiDRA (USA) Blue Road Research (USA) E molti altri Fiso, Rocktest (Canada) Luna Innovations (USA) BAM (Germania) SENSA/Schlumberger (UK/USA) Sumitomo (Giappone) Omnisens, MET-EPFL, SMARTEC (Svizzera) ANDO (Giappone) 3. Il Sistema SOFO Il sistema di monitoraggio SOFO (acronimo francese di Surveillance d Ouvrages par Fibres Optiques Monitoraggio Strutturale per mezzo di Fibre Ottiche) si basa sul principio fisico dell interferometria a bassa coerenza applicata a sensori a fibre ottiche. Lo schema di funzionamento del sistema SOFO é rappresentato in Figura 1. 8 Convegno nazionale «Strumentazione e Metodi di Misura Elettroottici» Pavia giugno 2004 Pagina 2 di 9

3 Le componenti del sistema sono i sensori a fibre ottiche, l unità di lettura ed il software di programmazione, acquisizione ed analisi delle misure. Ciascun sensore è formato da due fibre ottiche, una di misura ed una di riferimento, entrambe preservate all interno di un tubo di protezione in materiale plastico. La fibra di misura é tesa, risultando perciò solidale alla struttura in modo da seguirne le deformazioni. Al fine di poter rilevare deformazioni in estensione ma anche in contrazione della struttura la fibra di misura é pretesa allo 0.5% della sua lunghezza. La fibra di riferimento é invece lasca, perciò libera ed indipendente dalle deformazioni della struttura. Questa fibra ha lo scopo di auto-compensare gli effetti termici sulle misure fornite dal sensore. Il segnale ottico viene emesso dall unità di lettura tramite un LED a infrarossi, sdoppiato nelle due fibre all interno del sensore e quindi riflesso da due specchi (ottenuti per trattamento chimico) posti all estremità di ciascuna fibra, per ritornare poi all unità di lettura dove viene demodulato. Il segnale di ritorno, contenente le informazioni sulle deformazioni che hanno interessato la struttura, viene debitamente trattato e decodificato dall unità di lettura, per essere quindi visualizzato in forma tabellare e grafica su di un PC grazie al software dedicato SOFO SDB. La base di misura del sensore standard è compresa tra 25 cm e 10 m con una risoluzione di 2 µm (2/1000 di mm) e una precisione dello 0,2% della deformazione apprezzata. L intervallo dinamico di misura va da -0.5% in contrazione a +1.0% in estensione. Il sistema SOFO é stato sviluppato nei primi anni 90 e dal 1995 é commercializzato ed impiegato per il monitoraggio di svariate infrastrutture civili, di opere del patrimonio storico artistico e nel settore industriale (ponti, dighe, gallerie, edifici storici e residenziali, macchinari industriali, etc.). Il sistema SOFO é insensibile ai cambiamenti di temperatura, ai campi elettromagnetici, all umidità e alla corrosione e a tutt'oggi non presenta alcuna deriva o instabilità nelle misure fornite. Il sistema é ideale per monitoraggi a breve e/o a lungo termine. I sensori non necessitano alcuna calibrazione ed inoltre possono essere annegati nel getto di calcestruzzo oppure installati in superficie grazie ad appositi supporti. La notevole lunghezza che la parte attiva di misura dei sensori SOFO può avere, ne fa un prodotto unico nella famiglia dei sensori a fibra ottica. Affidabile e più accurato dei sensori tradizionali, il sistema SOFO può inoltre contare su una misura di deformazione mediata lungo tutta la parte attiva del sensore, offrendo perciò un monitoraggio strutturale globale e non puntuale della struttura, senza quindi influenze dirette da parte di fenomeni locali, quali fessure, zone disomogenee, eccetera. Struttura Sensore Unità di lettura portatile PC portatile Specchio mobile Coupler Processore interno A/D µ Filtro Amplificatore Fotodiodo LED 1300nm Figura 1: Componenti e funzionamento del Sistema SOFO 8 Convegno nazionale «Strumentazione e Metodi di Misura Elettroottici» Pavia giugno 2004 Pagina 3 di 9

4 Il sistema SOFO Dinamico L unità di lettura SOFO Dinamico consente la lettura dei sensori SOFO ad alta frequenza. Ogni unità di lettura può essere utilizzata per acquisire sino ad 8 sensori SOFO in simultanea. Qualora fosse necessaria la lettura di più sensori, è possibile integrare più unità con funzionamento in parallelo. L unità SOFO Dinamico fa uso di sensori SOFO Standard compatibili i quali garantiscono le acquisizioni anche con l unità SOFO V, per misure statiche nel lungo periodo. La maggior parte dei sensori SOFO standard già installati possono essere acquisiti anche con la nuova unità SOFO Dinamico, grazie all utilizzo di un compensatore esterno appositamente concepito. L unità di lettura SOFO Dinamico basa il suo funzionamento sul principio dell interferometria eterodina a bassa coerenza. Il segnale ottico lanciato da un laser a 1550 nm è modulato in fase mediante un interferometro demodulatore. Acquisito il segnale di ritorno, l unità di lettura traccia la modulazione di fase introdotta dai sensori e converte lo sfasamento registrato in uno spostamento. La deformazione che ne deriva è trasferibile in formato analogico attraverso gli 8 canali disponibili, oppure in formato digitale attraverso la porta USB, utile per il trasferimento diretto delle acquisizioni ad un PC (salvataggio e conseguente trattamento del segnale). Lo schema di funzionamento ed i componenti del sistema sono illustrati in Figura 2. Le misure sono relative, intendendo con questo che lo zero di riferimento è perso ogni qualvolta si interrompe l acquisizione. Tuttavia, con l utilizzo complementare dell unità di lettura SOFO statica, è possibile legare le diverse campagne di misurazione senza perdere il riferimento allo zero iniziale della prima lettura. L utilizzo combinato del sistema statico permette inoltre l ottenimento di un quadro completo delle reali condizioni della struttura investigata. La Tabella 1 mette a confronto le caratteristiche del sistema SOFO nelle versioni statica e dinamica. Come si può osservare, le caratteristiche del sistema dinamico sono addirittura migliori di quelle del sistema statico, anche se le misure (relativa auto referenziata quella del sistema statico e relativa incrementale quella del sistema dinamico) sono di tipo profondamente diverso. Sensore Demodulatore SOFO Dinamico Uscite analogiche Uscita digitale Fotodiodo DSP Modulatore di fase Laser nm Figura 2: Schema delle componenti del sistema SOFO Dinamico 8 Convegno nazionale «Strumentazione e Metodi di Misura Elettroottici» Pavia giugno 2004 Pagina 4 di 9

5 Campi di applicazione Sistema SOFO V Statico Monitoraggio statico in quasi real-time nel breve e lungo periodo Sistema SOFO Dinamico Misure dinamiche in real-time nel breve periodo Tipo di misura Relativa auto referenziata Relativa incrementale Compatibilità dei sensori Compatibile con tutti i sensori SOFO Compatibile con tutti i sensori SOFO Range di misurazione Max 50 mm, funzione della lunghezza del sensore ± 5 mm Risoluzione 2 µm 0,01 µm Linearità < 0,2 % della misura < 0,2 % della misura Deriva delle misure Al di sotto della risoluzione di misura < 0,003 µm/s, dopo un ora di accensione < 0,5 µm/giorno, usando la compensazione della deriva Frequenze di acquisizione Tempo di acquisizione di circa 7 secondi Da 0 (acquisizione continua) a 1 khz (10 khz con configurazione speciale) Uscite Database SDB 8 analogiche (20 bits) Digitale: USB 2.0 (32 bits) Numero di canali Teoricamente illimitato 8 per unità Acquisizioni Sequenziale Simultanea Registrazione dati Data logger integrato Attraverso dispositivi esterni o tramite PC di controllo TABELLA 1 CONFRONTO FRA I SISTEMI SOFO STATICO E DINAMICO 4. Sensori Microbending Un altro sistema utilizzato per la misura di deformazione su base di misura lunga é basato sul principio del microbending. In questa configurazione, una fibra ottica multimodale é attorcigliata ad una seconda fibra o ad un filo metallico. Quando questo doppino ottico viene allungato, si riscontra un aumento delle perdite di luce trasmessa, causate dalle curvature introdotte vicendevolmente tra le fibre. Misurando l intensità della luce trasmessa é dunque possibile risalire alla deformazione della struttura sulla quale é montato il sensore. Tipicamente é possibile ottenere una risoluzione dell ordine della decina di micron per corti periodi e di 100 µm nel lungo periodo. Questo tipo di sensori é concettualmente semplice, ma presenta delle difficoltà di realizzazione notevoli, in particolare per quanto concerne la calibrazione, la compensazione degli effetti termici e delle derive di intensità a lungo termine. Questi sensori sono dunque più adatti per applicazioni dinamiche e a corto termine, come pure per la realizzazione di sistemi di allarme. 5. Reticoli di Bragg I reticoli di Bragg basano il funzionamento sulle alterazioni periodiche nell'indice di rifrazione nel cuore della fibra ottica che può essere ottenuta esponendo la fibra ad una adeguata intensità di radiazione UV. I reticoli utilizzati hanno tipicamente una lunghezza di misura dell'ordine di 10 millimetri. Se della luce bianca viene iniettata nella fibra che contiene un reticolo, la lunghezza d'onda che corrisponde al passo del reticolo verrà riflessa, mentre tutte le altre lunghezze d'onda attraverseranno il reticolo indisturbate. Visto che il periodo dei reticoli dipende dall allungamento della fibra e dalla sua temperatura, é possibile misurare questi due parametri analizzando lo spettro della luce riflessa. Ciò avviene di solito utilizzando un filtro accordabile (quale una cavità di Fabry-Perot) o uno spettrometro. Con i 8 Convegno nazionale «Strumentazione e Metodi di Misura Elettroottici» Pavia giugno 2004 Pagina 5 di 9

6 migliori demodulatori si possono ottenere delle risoluzioni dell'ordine 1 µe e 0,1 C. Se le variazioni di temperatura e le deformazione avvengono simultaneamente, è necessario utilizzare un reticolo di riferimento libero che misuri la temperatura, e utilizzare questa misura per correggere quella ottenuta dei reticoli accoppati meccanicamente alla struttura. L'interesse principale nel uso dei reticoli di Bragg risiede nel loro potenziale di funzionamento in multiplexing. Molti reticoli possono infatti essere scritti nella stessa fibra in posizioni differenti ed essere impostati per riflettere alle lunghezze d'onda diverse. Ciò permette la misura in punti diversi lungo una fibra, pur usando un singolo cavo. Si possono tipicamente misurare tra 4 e 25 reticoli su una singola linea della fibra. Dato che i reticoli devono spartirsi lo spettro della sorgente luminosa usata per illuminarle, il numero dei reticoli e la loro gamma di misura sono tra loro concorrenti ed é perciò necessario trovare un adeguato compromesso per le specifiche applicazioni. ~ 10 mm Figura 3: Principio di misura dei sensori a reticoli di Bragg Per la loro lunghezza, i reticoli di Bragg possono essere utilizzati come equivalenti ottici degli estensimetri convenzionali ed essere installati incollandoli su metalli ed altre superfici regolari. Attraverso un appropriato imballaggio possono anche essere usati per misurare gli sforzi nel calcestruzzo con base di misura tra 10 cm e 2 m. 6. Sensori di Fabry Perot Gli interferometri di Fabry-Perot (EFPIs: Extrinsic Fabry Perot Interferometer) sono costituiti da un tubo capillare di vetro che contiene due fibre ottiche accuratamente tagliate che si fronteggiano lasciando una piccola fenditura tra le due dell ordine di alcuni micron o decine di micron. Quando la luce è lanciata in una delle fibre, si ottiene un segnale retro - riflesso di interferenza. Ciò è dovuto alla riflessione della luce all'interfaccia vetro - aria e aria - vetro. ~ 10 mm 8 Convegno nazionale «Strumentazione e Metodi di Misura Elettroottici» Pavia giugno 2004 Pagina 6 di 9

7 Figura 4: Principio di misura dei sensori di Fabry Perot Questa interferenza può essere demodulata con tecniche di interferometria coerente o in bassa coerenza per ricostruire le variazioni di distanza tra le fibre. Se le due fibre sono fissate al tubo capillare vicino alle sue estremità, il cambiamento di distanza tra le fibre corrisponderà alla variazione media di tensione fra i due punti di collegamento. Questi sensori costituiscono un alternativa ai reticoli di Bragg, ma non consentono di installare più sensori lungo la stessa linea. 5. Diffusione Raman La diffusione Raman è il risultato di un'interazione non lineare fra la luce che si propaga nella fibra ottica e la fibra stessa. Quando un segnale intenso è introdotto nella fibra, si generano due nuove componenti con lunghezze d onda maggiori e minori del segnale originale. L'intensità relativa di questi due componenti dipende dalla temperatura locale della fibra. Se il segnale luminoso è pulsato e l'intensità retro-riflessa è registrata in funzione del tempo di volo, diventa possibile ottenere un profilo termico lungo la fibra. Usando delle fibre ottiche multimodali, si può tipicamente ottenere una risoluzione in temperatura dell'ordine di 0.1 C e una risoluzione spaziale dell ordine di 1m su distanze fino a circa 10 chilometri. Un nuovo sistema basato sull'uso delle fibre monomodali potrebbe estendere la gamma fino a circa 30km con una risoluzione spaziale di 8 m e una risoluzione in temperatura di 2 C. Luce trasmessa Luce in ingresso Fibra ottica Luce retro-diffusa Spettro retro-diffuso Intensità I s I a T Lunghezza d onda Figura 5: Principio di misura dei sensori distribuiti a diffusione Raman 6. Diffusione Brillouin L utilizzo della diffusione Brillouin presenta un interessante potenziale per il controllo distribuito della temperatura e delle deformazioni. Questi sistemi sono in grado di misurare le variazioni locali di questi parametri su distanze fino a km con una risoluzione spaziale dell ordine del metro in condizioni d uso non di laboratorio. Per le misure di temperatura, i sensori Brillouin sono un temibile concorrente ai sistemi basati sulla diffusione Raman, mentre per le misure di deformazione non hanno praticamente rivali. La Brillouin è il risultato dell'interazione fra le onde acustiche e ottiche che si propagano nella fibra. Le onde acustiche termicamente eccitate (fononi) producono una modulazione periodica dell'indice di rifrazione. La dispersione Brillouin ha luogo quando la luce che si propaga nella fibra viene diffratta all indietro da questo reticolo in movimento, generando una componente spostata in frequenza (un fenomeno simile allo spostamento di Doppler). Questo processo è denominato 8 Convegno nazionale «Strumentazione e Metodi di Misura Elettroottici» Pavia giugno 2004 Pagina 7 di 9

8 dispersione Brillouin spontanea. Le onde acustiche possono anche essere generate iniettando alle due estremità opposte della fibra due fasci di luce con una differenza di frequenza uguale allo spostamento di Brillouin. Tramite un fenomeno di elettrostrizione, queste due onde provocano un'onda acustica mobile che rinforza la popolazione di fononi. Questo processo è denominato diffusione Brillouin stimolata. Se il segnale della sonda è costituito in un impulso luminoso corto e l intensità riflessa è rilevata in funzione dello spostamento di frequenza e del tempo di volo, é possibile ottenere un profilo dello spostamento di Brillouin su tutta la lunghezza della fibra. La caratteristica più interessante della diffusione Brillouin risiede nella dipendenza dello spostamento in frequenza dallo stato di tensione e dalla temperatura locale della fibra ottica. Questo è il risultato del cambiamento della velocità acustica in funzione delle variazione nella densità del vetro. La misura dello spostamento Brillouin può avvenire utilizzando sia la dispersione spontanea, sia quella stimolata. La sfida principale nell uso della diffusione Brillouin spontanea per applicazioni nel campo del monitoraggio risiede nel livello estremamente basso del segnale rilevato. Ciò richiede un'elaborazione sofisticata dei segnali e tempi di integrazione relativamente lunghi. Figura 6: Principio di misura dei sensori distribuiti a diffusione Brillouin I sistemi basati sulla diffusione Brillouin stimolata presentano il vantaggio di un segnale relativamente più forte, ma presentano per contro un'altra sfida: per produrre un segnale rappresentativo, le due onde in contro-propagazione devono presentare una differenza di frequenza estremamente stabile. Ciò richiede solitamente la sincronizzazione di due laser che devono iniettare i due segnali alle estremità opposte della fibra in esame. Il Politecnico federale di Losanna (laboratorio MET) ha proposto un metodo più elegante basto sulla generazione di entrambe le onde da una singola sorgente laser, usando un modulatore di fase in ottica integrata. Questa disposizione offre il vantaggio di eliminare la necessità di due laser separati, assicurando inoltre che la differenza di frequenza rimanga costante indipendentemente dalle derive del laser. Omnisens e SMARTEC commercializzano un sistema basato su questo principio chiamato DiTeSt. Questo sistema garantisce una distanza di misura di 10 chilometri con una risoluzione spaziale di 1m o una distanza di 25 chilometri con una risoluzione di 5m. La risoluzione in deformazione é di 20 µe e la risoluzione in temperatura è di 1 C. Il sistema è portatile e può essere usato per le applicazioni in campo. Questi valori sono vicino ai limiti teorici per un sistema Brillouin. Poiché lo spostamento di frequenza della diffusione Brillouin dipende sia dallo stato tensionale locale, sia dalla temperatura della fibra, la concezione del cavo-sensore determinerà il tipo di sensibilità del sistema. Per la misura delle temperature è sufficiente usare un cavo standard per telecomunicazioni. Questi cavi sono appositamente concepiti in modo da proteggere le fibre ottiche in caso di allungamento del cavo. La fibra di misura rimane quindi permanentemente lasca e gli spostamenti di frequenza possono essere assegnati senza ambiguità alle variazioni di temperatura. Se lo spostamento di frequenza della fibra è conosciuto per una data temperatura di riferimento, é possibile calcolare la temperatura assoluta in ogni punto lungo la fibra. La misurazione degli allungamenti distribuiti richiede invece un sensore specialmente progettato che garantisca un 8 Convegno nazionale «Strumentazione e Metodi di Misura Elettroottici» Pavia giugno 2004 Pagina 8 di 9

9 accoppiamento meccanico fra il sensore e la struttura ospite sull intera lunghezza della fibra. Per risolvere la sensibilità parassita alle variazioni di temperatura, è inoltre necessario installare una fibra di riferimento lungo il sensore di deformazione. Come per il caso della temperatura, la conoscenza dello spostamento in frequenza nella fibra lasca, permette una misura assoluta delle deformazioni. 7. Conclusioni Il controllo delle strutture nuove ed esistenti è uno degli strumenti essenziali per una gestione intelligente, moderna ed efficiente delle infrastrutture. I sensori sono il primo elemento nella catena di controllo e sono responsabili dell'esattezza e dell'affidabilità dei dati. Il progresso nella tecnologia di rilevamento può quindi tradursi in misure più precise, ma anche in sistemi che sono più facili da installare, usare e gestire. Negli ultimi anni i sensori a fibre ottiche hanno mosso con successo i primi passi nel campo del controllo strutturale ed in particolare nell'ingegneria civile. Diverse tecnologie di misura sono emerse ed alcune sono evolute in prodotti commerciali. È difficile trovare un elemento comune per motivare il successo dei vari tipi di sensori: ognuno sembra aver trovato una nicchia di mercato dove può offrire delle prestazioni che sorpassano o completano quelle dei sensori più tradizionali. Dovendo scegliere tre caratteristiche dei sensori a fibre ottiche che possano spiegarne il successo presente e futuro, citerei la stabilità delle misure, l'affidabilità nel lungo termine e la possibilità di acquisire misure distribuite e a grande distanza. Nell'immediato futuro é dunque da prevedere che i sensori a fibre ottiche consolidino la loro presenza nell'industria del monitoraggio strutturale. Bibliografia [1] Glisic B., D. Inaudi, A. Del Grosso, F. Lanata e G. Brunetti,2002, Monitoraggio a breve e a lungo termine delle strutture in calcestruzzo tramite sensori a fibre ottiche, Atti del 22 Convegno Nazionale AICAP, Pàtron Editore, Bologna, pp [2] "Photonic sensing technology in civil engineering applications", D. Inaudi, Handbook of optical fibre sensing technology, J. M. Lopez-Higuera editor, Wiley'(2002), Wiley. 8 Convegno nazionale «Strumentazione e Metodi di Misura Elettroottici» Pavia giugno 2004 Pagina 9 di 9