ITBO20130135A1 - Sensore di deformazione con reticolo di bragg in fibra ottica termocompensato, resistenze agli urti, con sensibilita¿ registrabile e flangie orientabili - Google Patents

Description

“SENSORE DI DEFORMAZIONE CON RETICOLO DI BRAGG IN FIBRA OTTICA TERMOCOMPENSATO, RESISTENZE AGLI URTI, CON SENSIBILITA’ REGISTRABILE E FLANGIE ORIENTABILIâ€

D E S C R I Z I O N E

La presente invenzione à ̈ relativa ad un sensore di deformazione impiegante come elemento sensibile un reticolo di Bragg in fibra ottica.

E’ comunemente noto l’impiego di reticoli di Bragg in fibra ottica come sensori di temperatura o deformazione meccanica.

Sono anche note svariate soluzioni tecniche atte a migliorare le prestazioni come sensore di deformazione del reticolo di Bragg in fibra ottica impiegato come elemento nudo e semplice.

I documenti EP2549254A2 e US2009126501A1 descrivono soluzioni costruttive di sensori di deformazione mirate a produrre un pretensionamento del reticolo di Bragg e/o aventi accorgimenti che ne semplificano la riproducibilità industriale.

Sono note molteplici soluzioni tecniche atte a realizzare sensori di deformazione in cui la sensibilità termica intrinseca del reticolo di Bragg sia automaticamente compensata, come ad esempio nei documenti “A novel temperature-insensitive fiber Bragg grating sensor for displacement measurement†(Dong. X. et al., Smart Mater. Struct. 14, 2005) e “A tip deflection calculation method for a wind turbine blade using temperature compensated FBG sensors†(Ki-Sun C. et al., Smart Mater. Struct. 21,2012, 025008).

E’ anche nota la soluzione descritta nel documento “FBG Strain Sensor With Simple Temperature Compensation Mechanism†(Hayano H. and Mita A., Struct. Eng. Earthqu. Eng. J., 22(2) pp. 167S-173S) in cui a dilatazione termica di un elemento libero da carichi esterni e solidale alla fibra in prossimità del reticolo di Bragg pretensionato à ̈ impiegata per ottenere detta compensazione termica, soluzione che à ̈ utilizzata per realizzare sensori di deformazione in contenitori corazzati e dotati di flangie di installazione.

Tutte i dispositivi noti presentano però diverse limitazioni tecniche, tra le quali:

- i dispositivi da installarsi con flangie o punti di saldatura sono caratterizzati da un accoppiamento rigido tra elemento sensore e punti di ancoraggio che, quando il sensore à ̈ installato su una superficie irregolare o curva, à ̈ responsabile di una indesiderata sollecitazione a flessione in grado di danneggiare il reticolo di Bragg ed alterare le sue caratteristiche di linearità di misura;

- il fattore di scala che determina la sensibilità finale del sensore à ̈ stabilito in modo rigido e non variabile dalla posizione relativa tra le flangie di fissaggio e i punti di accoppiamento tra la fibra ottica e il corpo del sensore;

- i dispositivi dotati di compensazione termica con elemento libero da carichi e solidale alla fibra risultano molto delicati e possono essere danneggiati facilmente in presenza di urti e vibrazioni.

Scopo della presente invenzione à ̈ quello di realizzare una sensore di deformazione a reticolo di Bragg caratterizzato da flangie di montaggio in grado di tollerare rotazioni sufficientemente ampie tra i punti di installazione senza che il sensore subisca dannose flessioni.

Ulteriore scopo della presente invenzione à ̈ quello di realizzare una sensore di deformazione dotato di compensazione termica e caratterizzato da una maggior tolleranza nei confronti di urti e vibrazioni.

Ulteriore scopo della presente invenzione à ̈ quello di realizzare una sensore di deformazione in cui la sensibilità di misura possa essere regolata in modo semi-permanente con semplici regolazioni meccaniche.

I precedenti scopi sono raggiunti dalla presente invenzione in quanto essa à ̈ relativa ad un sensore di deformazione impiegante un reticolo di Bragg come elemento sensibile, accoppiato alle flangie di installazione mediante cerniere a sfera, caratterizzato da un sistema di compensazione termica annegato in una gelatina di riempimento che ne impedisce il movimento a seguito di urti e vibrazioni ed inoltre caratterizzato dalla possibilità di regolare la posizione dei punti di fissaggio delle flangie sul corpo sensore al fine di variare la sensibilità e l’ampiezza del campo di misura del sensore stesso.

Nella figura 1 Ã ̈ mostrata una raffigurazione in sezione schematica non limitativa di una possibile variante realizzativa del sensore di deformazione di cui al presente documento.

Nella forma realizzativa di figura 1 il sensore comprende un corpo costituito da almeno un primo elemento (5) caratterizzato da un prolungamento cilindrico cavo che si innesta parzialmente in una cavità di un almeno un secondo elemento (6), la cui cavità à ̈ attraversata da una fibra ottica (2) che porta inscritto su di sé l’elemento sensore a reticolo di Bragg (8) e che à ̈ resa solidale agli elementi dei corpo nei punti (9a) e (9b), convenientemente anche se non esclusivamente simmetrici rispetto alla lunghezza del sensore, con un opportuno pretensionamento. Il punto di innesto tra gli elementi (5, 6) del corpo può essere convenientemente sigillato da almeno una guarnizione elastica (13) o un sigillante gommoso.

Alle estremità di uscita dal corpo la fibra ottica (2) può proseguire in una guaina di protezione (1a, 1b) che può essere ad esempio fissata per accoppiamento forzato con manicotti deformabili (3a, 3b) su boccole (4a, 4b).

Gli elementi del corpo (5, 6), convenientemente anche se non necessariamente in corrispondenza dei punti di accoppiamento (9a, 9b) tra fibra ottica e corpo stesso, sono accoppiati in modo semi-permanente a manicotti (21a, 21b) caratterizzati da una forma sferica, ai quali si accoppiano gli elementi di ammorsamento (14a, 14b 15a, 15b) delle flangie di fissaggio del sensore al substrato di misura. Detti elementi di ammorsamento (14a, 14b 15a, 15b) sono caratterizzati da una cavità di accoppiamento con i manicotti sferici (21a, 21b) che à ̈ sagomata secondo una combinazione di almeno due superfici coniche e/o cilindriche al fine di realizzare una cerniera sferica tra il manicotto e la coppia di flangie di installazione che vi si accoppia.

I manicotti sferici (21a, 21b) sono bloccati nella posizione voluta ciascuno convenientemente anche se non esclusivamente, ad esempio ciascuno mediante un proprio grano di bloccaggio (22a, 22b) che rimane interno al corpo del manicotto stesso.

Il sensore comprende inoltre almeno un manicotto di compensazione termica (7) solidale ad un tratto di fibra compreso tra i punti di accoppiamento (9a, 9b) al corpo sensore e non comprendente il reticolo di Bragg (8), realizzato in un materiale con coefficiente di dilatazione termica idoneo e con lunghezza tra i punti di fissaggio alla fibra (2) opportunamente calcolata in modo tale da compensare con il proprio allungamento per dilatazione termica la naturale deriva termica del sensore Bragg riducendo la pretensione originale della fibra ottica imposta tra i due punti di fissaggio (9a, 9b) della stessa.

Il manicotto di compensazione (7) à ̈ inoltre sagomato in modo da poter scorrere liberamente rispetto alla cavità del corpo del sensore (5) che lo contiene.

La cavità dove alloggia la fibra ottica (2) ed il manicotto (7) può essere inoltre riempita con una gelatina (10) di tipo opportuno iniettata attraverso almeno un foro (11) sul corpo. Detto foro (11) può essere successivamente sigillato mediante una vite, un sigillante chimico oppure mediante lo scorrimento del manicotto anulare (12) il quale, una volta portato in posizione di chiusura, viene bloccato in posizione, oppure con altro sistema.

Nella figura 2 à ̈ mostrata una variante della raffigurazione di cui alla figura 1 in cui la posizione dei manicotti sferici (21a, 21b), che può essere variata una volta liberate le viti (22a, 22b), à ̈ simmetricamente spostata in modo tale che essi si trovino ad una distanza (Lflange) diversa rispetto alla distanza (LFBG) tra i punti di fissaggio (9a, 9b) della fibra ottica (2) agli elementi del corpo (5, 6) di una quantità opportuna al fine di ottenere il valore di sensibilità effettiva del sensore desiderato. Opportuni segni di graduazione e/o indentature di invito sulla superficie esterna del corpo sensore (5, 6) per il bloccaggio delle viti (22a, 22b) potranno essere eventualmente presenti per indicare il corretto posizionamento dei manicotti sferici (21a, 21b) per realizzare configurazioni del sensore aventi valori predeterminati di sensibilità di misura.

Nella figura 3 sono mostrate alcune viste di proiezioni assonometriche e sezioni di una possibile forma realizzativa, non vincolante, del sensore oggetto della presente invenzione. Il riquadro (17) illustra in particolare una vista in pianta del sensore, mentre il riquadro (18) ne illustra una vista in alzato. I riquadri (19) e (20) illustrano viste in sezione dell’ammorsamento tra flangie e manicotti sferici.

Il riquadro (16) illustra infine una vista in pianta ed una vista in alzato di un particolare dell’ammorsamento tra flangia e manicotto sferico quando essi assumono una posizione relativa ruotata tra loro in virtù dell’accoppiamento di cerniera sferica che essi realizzano.

Da quanto sopra detto risultano chiari i vantaggi della presente invenzione in quanto relativa ad un sensore di deformazione impiegante un reticolo di Bragg in fibra ottica caratterizzato da punti di fissaggio delle flangie incernierati al corpo sensore mediante cerniere sferiche, dotato di compensazione della deriva termica dell’elemento sensore, resistente alla possibilità di danneggiamento per causa di urti e vibrazioni ed in grado di poter essere configurato per diversi valori di sensibilità e/o ampiezza del campo di misura.

Risulta infine chiaro che modifiche e varianti possono essere apportate al dispositivo descritto senza peraltro uscire dall’ambito di tutela della presente invenzione.

Claims (1)

1. "SENSORE DI DEFORMAZIONE CON RETICOLO DI BRAGG IN FIBRA OTTICA TERMOCOMPENSATO, RESISTENZE AGLI URTI, CON SENSIBILITÀ' REGISTRABILE E FLANGIE ORIENTABILI" R I V E N D I C A Z I O N I 4. Un apparato atto a tradurre la variazione di distanza tra i propri punti di fissaggio al substrato in esame in una deformazione assiale di almeno un reticolo di Bragg in fibra ottica, caratterizzato dal fatto di comprendere una pluralità di protuberanze sulla superficie esterna del corpo del sensore (5, 6) dislocate, anche eventualmente a coppie, in modo tale da offrire almeno due alternative distinte per 1'ammorsamento del sensore al substrato di misura, ciascuna alternativa delle quali permette di selezionare un diverso rapporto tra la distanza (LFBG)tra i punti di fissaggio della fibra (9a, 9b) e la distanza {Lflange)tra i punti di fissaggio delle flangie (14b, 15b) al fine di selezionare un diverso valore di proporzionalità tra la deformazione imposta tra i punti di ammorsamento (14b, 15b) e la deformazione trasferita al sensore Bragg (8). 5. Un apparato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto di comprendere almeno un elemento (2la, 21b) avente superficie sferica convessa che può essere accoppiato rigidamente e in modo non permanente al corpo del sensore (5, 6) al fine di poter essere spostato in almeno due distinte posizioni rispetto al corpo (5, 6) ciascuna delle quali permette di selezionare un diverso valore di proporzionalità tra la deformazione imposta tra le flangie (14a, 14b, 15a, 15b) che si ammorsano all'elemento e la deformazione trasferita al sensore Bragg (8). 6. Un apparato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto di comprendere una qualsiasi combinazione di almeno una protuberanza ricavata sulla superficie esterna del corpo sensore e di almeno un elemento mobile (2la, 21b) che può essere accoppiato rigidamente e in modo non permanente al corpo del sensore (5, 6), entrambi caratterizzati dal presentare almeno parzialmente una superficie sferica convessa e tali da permettere di selezionare mediante una combinazione di spostamento del punto di ammorsamento mobile e di selezione di un diverso punto di ammorsamento fisso, diversi valori di proporzionalità tra la deformazione imposta tra le flangie (14a, 14b, 15a, 15b) che si ammorsano all'elemento e la deformazione trasferita al sensore Bragg (8). 7. Un apparato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1, 2, 3, 5 o 6 caratterizzato dal fatto di comprendere almeno un sistema atto a bloccare in modo semi permanente al corpo del sensore (5, 6) in almeno due delle diverse possibili posizioni reciproche permesse, dove 1' elemento (2la, 2lb) che in grado di accettare 1'ammorsamento di almeno una flangia di installazione (14b, 15b) del sensore al substrato di misura. 8. Un apparato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto di comprendere almeno un sistema regolabile meccanicamente atto a pre-tensionare almeno una porzione di fibra ottica (2) comprendente almeno un reticolo di Bragg (8). 9. Un apparato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto di comprendere almeno un elemento di compensazione termica (7) solidale ad almeno due punti distinti in un tratto di fibra ottica (2) che non comprende il reticolo di Bragg (8) e caratterizzato da materiale, dimensioni e distanza tra i punti di fissaggio opportunamente selezionati al fine di compensare con la propria dilatazione la deriva termica del sensore Bragg {8). 10. Un apparato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che la cavità del corpo sensore (5, 6) che ospita la fibra ottica (2) à ̈ almeno parzialmente riempita con una gelatina e/o un fluido tixotropico.