ITTO20130825A1 - Dispositivo per la rilevazione di deformazioni e la trasmissione dei dati rilevati e metodo per la sua realizzazione - Google Patents

Dispositivo per la rilevazione di deformazioni e la trasmissione dei dati rilevati e metodo per la sua realizzazione

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ITTO20130825A1
ITTO20130825A1 IT000825A ITTO20130825A ITTO20130825A1 IT TO20130825 A1 ITTO20130825 A1 IT TO20130825A1 IT 000825 A IT000825 A IT 000825A IT TO20130825 A ITTO20130825 A IT TO20130825A IT TO20130825 A1 ITTO20130825 A1 IT TO20130825A1
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deformation sensor
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composite material
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IT000825A
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Marco Bonvino
Guido Maisto
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Marco Bonvino
Guido Maisto
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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Description

"Dispositivo per la rilevazione di deformazioni e la trasmissione dei dati rilevati e metodo per la sua realizzazione"
DESCRIZIONE
Settore tecnico
La presente invenzione si riferisce ad un dispositivo per la rilevazione di deformazioni e la trasmissione dei dati rilevati.
In particolare, la presente invenzione si riferisce ad un dispositivo per rilevare le deformazioni che si manifestano in una struttura a seguito di un carico applicato.
La presente invenzione si riferisce inoltre ad un metodo per la realizzazione di un dispositivo del tipo sopra indicato.
Arte nota
La possibilità di rilevare e monitorare le deformazioni di una struttura è di primaria importanza in un gran numero di settori tecnici diversi, fra cui è possibile citare – a titolo di esempio non limitativo – il settore edile, il settore automobilistico, il settore nautico, il settore aeronautico e così via.
Secondo tecnica nota, la rilevazione delle deformazioni viene realizzata mediante l’impiego di sensori che sono applicati esternamente alla struttura da monitorare oppure inseriti all’interno della struttura stessa.
Entrambe queste soluzioni, tuttavia, sono soggette a forti limitazioni.
Nel caso di sensori applicati esternamente ad una struttura, si ricorre solitamente ad estensimetri applicati mediante incollaggio alla superficie della struttura da monitorare. Fra gli svantaggi di una siffatta soluzione è possibile evidenziare i seguenti:
- i sensori sono esposti all’azione degli agenti atmosferici;
- il processo di applicazione mediante incollaggio del/i sensore/i alla struttura risulta laborioso e difficile;
- anche a causa dei summenzionati agenti atmosferici, l’adesione del/i sensore/i alla struttura si degrada alquanto rapidamente nel corso del tempo, con una conseguente perdita di affidabilità dei dati raccolti;
- un monitoraggio accurato ed affidabile delle deformazioni subite dalla struttura richiederebbe un numero molto elevato di sensori; tuttavia, i collegamenti filari fra i sensori ed i corrispondenti strumenti di lettura limita drasticamente il numero di sensori realisticamente utilizzabili;
- nel caso di impiego di estensimetri in lega metallica (in particolare costantana, lega binaria rame – nichel), la fragilità strutturale di detti estensimetri ne limita le dimensioni, limitando di conseguenza l’area sulla quale le deformazioni sono rilevate.
Nel caso di sensori inseriti all’interno della struttura stessa si preferisce ricorrere a sensori in fibra ottica con reticoli di Bragg piuttosto che a estensimetri. Anche questa soluzione comporta numerosi inconvenienti, fra i quali è possibile citare i seguenti:
- detti sensori in fibra ottica sono molto costosi;
- detti sensori in fibra ottica influiscono sullo stato deformativo della struttura all’interno della quale sono inseriti, alterando così i valori rilevati,
- dal momento che detti sensori in fibra ottica devono essere collegati con un collegamento filare ai rispettivi strumenti di lettura, i fili e cavi che fuoriescono dalla struttura creano vie di comunicazione tra l’esterno e l’interno della struttura stessa, favorendo, ad esempio, l’ingresso di umidità;
- la realizzazione all’interno della struttura di sedi per l’inserimento di detti sensori in fibra ottica creano una discontinuità nelle proprietà di resistenza strutturale della struttura, che rischia di portare a punti o linee di frattura;
- l’inserimento di tali sensori all’interno di una struttura richiede un’accurata ingegnerizzazione, dal momento che i punti di rilevamento debbono essere scelti e decisi in fase progettuale, poiché non è possibile spostarli in un secondo momento, e le caratteristiche fisiche del manufatto subiranno le modifiche sopra menzionate in termini di resistenza strutturale che vanno preventivamente calcolate.
Inoltre, entrambi i tipi di soluzioni note sopra descritti richiedono l’impiego di sistemi hardware ingombranti, pesanti e costosi, nonché l’impiego di corrispondenti mezzi di alimentazione per alimentarli elettricamente.
Per superare gli inconvenienti sopra elencati, in tempi più recenti sono stati sviluppati sensori in materiale composito, che contengono un elemento conduttore in grado di variare la propria resistenza elettrica in funzione della variazione dimensionale subita in seguito al carico applicato.
Detti sensori in materiale composito possono essere sia applicati esternamente alla struttura da monitorare, sia inseriti direttamente all’interno di tale struttura.
In particolare, al fine di superare le limitazioni connesse alla presenza di collegamenti filari fra i sensori ed i rispettivi strumenti di lettura, è stato proposto di utilizzare i suddetti sensori in materiale composito in combinazione con un sistema di trasmissione senza fili (“wireless”) delle rilevazioni effettuate.
Si veda a tale proposito il documento WO 2004/068095.
Benché a livello teorico le soluzioni proposte in merito all’utilizzo di sensori in materiale composito per la rilevazione di deformazioni ed alla trasmissione senza fili dei dati rilevati siano potenzialmente in grado di fornire prestazioni soddisfacenti, la loro implementazione pratica non ha finora dato i risultati sperati in termini di fattibilità e di affidabilità dei dati rilevati.
La realizzazione pratica di un dispositivo che impieghi sensori in materiale composito per la rilevazione di deformazioni e combini detti sensori con un’elettronica in grado di trasmettere a distanza i dati rilevati relativi a dette deformazioni pone infatti una serie di problematiche sia dal punto di vista meccanico, sia dal punto di vista elettronico di difficile soluzione.
Tale problematiche hanno finora reso impossibile ottenere un dispositivo del tipo summenzionato dotato delle caratteristiche di semplicità nell’acquisizione di dati e – soprattutto – di affidabilità dei dati rilevati e trasmessi richieste per un accurato monitoraggio delle deformazioni in una struttura.
Scopo principale della presente invenzione è quello di ovviare ai suddetti inconvenienti, fornendo un dispositivo per la rilevazione di deformazioni e la trasmissione dei dati rilevati che possa essere applicato alla superficie di una struttura da monitorare o incorporato in detta struttura e che consenta di acquisire e trasmettere in modo affidabile i dati relativi alle deformazioni che detta struttura subisce.
In particolare, uno scopo della presente invenzione è quello di fornire un dispositivo per la rilevazione di deformazioni e la trasmissione dei dati rilevati che consenta una rilevazione delle deformazioni corretta, e non viziata da errori dovuti a perturbazioni nel posizionamento del sensore.
In particolare, un altro scopo della presente invenzione è quello di fornire un dispositivo per la rilevazione di deformazioni e la trasmissione dei dati rilevati che consenta una trasmissione delle deformazioni corretta, e non viziata da errori dovuti a perturbazioni nella elettronica associata al sensore.
Questi ed altri scopi sono raggiunti mediante il dispositivo per la rilevazione di deformazioni e la trasmissione dei dati rilevati ed il metodo per la sua realizzazione come rivendicati nelle unite rivendicazioni.
Esposizione dell’invenzione
Il dispositivo per la rilevazione di deformazioni e la trasmissione dei dati rilevati comprende:
- uno strato intermedio, nel quale sono previsti almeno un sensore di deformazione, le cui variazioni dimensionali dovute al carico applicato si traducono in variazioni di un parametro elettrico (quale ad esempio la resistenza elettrica), un circuito elettronico in grado di rilevare dette variazioni di detto parametro elettrico, almeno un’antenna in grado di trasmettere all’esterno in modalità senza fili i dati rilevati da detto sensore di deformazione e elaborati da detto circuito elettronico;
- un primo ed un secondo strati esterni, fra i quali detto strato intermedio è collocato.
Secondo l’invenzione, detto sensore di deformazione di detto strato intermedio è realizzato impiegando un materiale composito contenente fibre impregnabili elettricamente conduttive e detti strati esterni sono realizzati impiegando un materiale composito contenente fibre impregnabili elettricamente isolanti.
Secondo esempi di realizzazione preferiti e non limitativi del dispositivo secondo l’invenzione, dette fibre impregnabili elettricamente conduttive comprendono fibre di carbonio, fibre di titanio e/o fibre di poliestere con deposizione di un metallo, ad esempio nichel.
Secondo esempi di realizzazione preferiti e non limitativi del dispositivo secondo l’invenzione, dette fibre impregnabili elettricamente isolanti comprendono fibre di vetro oppure fibre di poliestere (senza deposizione metallica).
Secondo esempi di realizzazione preferiti e non limitativi del dispositivo secondo l’invenzione, la matrice con cui sono impregnate dette fibre potrà essere costituita da resine e/o colle, quali ad esempio poliesteri, vinilesteri, resine epossidiche e/o resine fenoliche. Grazie al fatto che il sensore di deformazione è realizzato impiegando fibre impregnabili elettricamente conduttive, è possibile realizzare sensori di deformazione di dimensioni molto più grandi rispetto agli estensimetri tradizionali, il che consente di rilevare un valore medio di deformazione – quindi di sollecitazione – su una superficie maggiore della struttura cui il dispositivo è applicato.
Inoltre, la geometria del sensore di deformazione potrà essere realizzata secondo un pattern desiderato, il che consente di adattare detta geometria alle specifiche esigenze in termini di rilevazione delle deformazioni.
Grazie al fatto che gli strati esterni del dispositivo secondo l’invenzione sono realizzati in un materiale composito, il dispositivo secondo l’invenzione potrà essere laminato sulla superficie della struttura cui il dispositivo è applicato o all’interno di essa, diventando parte integrante della struttura stessa, il che risolve i problemi dei sensori della tecnica nota legati alla perdita di adesione con il passare del tempo.
Le condizioni impostate per la laminazione sulla superficie della struttura (tipo di resina utilizzata, condizioni di vuoto, condizioni di temperatura) potranno esser scelte opportunamente in funzione delle esigenze della specifica applicazione.
Inoltre, l’impiego di fibre impregnabili elettricamente isolanti per la realizzazione degli strati esterni del dispositivo secondo l’invenzione consente l’applicazione di detto dispositivo a strutture realizzate in materiali conduttori elettrici senza alcun deterioramento delle prestazioni del dispositivo stesso nella rilevazione di deformazioni e nella trasmissione dei dati rilevati.
Nel caso in cui il dispositivo secondo l’invenzione sia applicato alla superficie della struttura da monitorare, detta struttura può essere una struttura esistente o una struttura di nuova realizzazione e può essere realizzata in qualsiasi materiale (legno, cemento, materiali compositi, e così via).
In alternativa, nel caso di strutture di nuova realizzazione, ed in particolare nel caso di strutture in materiale composito, il dispositivo secondo l’invenzione può essere integrato all’interno della struttura stessa.
In questo caso è possibile prevedere che gli strati esterni del dispositivo secondo l’invenzione siano parte integrante della struttura di cui si desiderano rilevare le deformazioni, cioè siano strati della struttura stessa, il che limita considerevolmente le perturbazioni alle proprietà fisiche e meccaniche della struttura connesse all’introduzione del dispositivo stesso.
In alternativa, sarà possibile prevedere che i materiali compositi utilizzati per la realizzazione del dispositivo secondo l’invenzione siano il più possibile omogenei in termini di proprietà chimiche e fisiche con il materiale composito della struttura da monitorare, sempre al fine di limitare le perturbazioni alle proprietà fisiche e meccaniche della struttura connesse all’introduzione del dispositivo stesso.
La presenza di almeno un’antenna nello strato intermedio del dispositivo secondo l’invenzione consente di trasmettere i dati rilevati ad uno strumento di lettura esterna in modalità senza fili (“wireless”), impiegando ad esempio una comunicazione in radiofrequenza (RFID).
Vantaggiosamente, detta almeno una antenna consente di evitare l’impiego di mezzi di alimentazione interni nel dispositivo secondo l’invenzione, in quanto l’energia necessaria per eccitare il sensore di deformazione, rilevare i dati e trasmettere detti dati può essere fornita dall’esterno, via radio-frequenza.
Secondo una forma preferita di realizzazione, al circuito elettronico e all’antenna presenti nello strato intermedio del dispositivo secondo l’invenzione è accoppiato uno strato di schermatura, il quale consente di preservare la corretta comunicazione in radio-frequenza fra il dispositivo e lo strumento esterno dalle perturbazioni dovute alle correnti parassite all’interno degli strati conduttivi della struttura cui il dispositivo stesso è applicato.
Detto strato di schermatura è realizzato preferibilmente in materiale ferritico.
La presente invenzione riguarda anche un metodo per la realizzazione del dispositivo sopra descritto.
Il metodo secondo l’invenzione prevede almeno le fasi di:
- predisporre almeno un primo strato esterno, realizzato impiegando un materiale composito contenente fibre impregnabili elettricamente isolanti;
- predisporre su detto primo strato esterno almeno un sensore di deformazione, realizzato impiegando un materiale composito contenente fibre impregnabili elettricamente conduttive;
- disporre su detto primo strato esterno un circuito elettronico comprendente mezzi per rilevare le variazioni di uno o più parametri elettrici di detto sensore di deformazione;
- disporre su detto primo strato esterno almeno un’antenna;
- collegare elettricamente detto almeno un sensore di deformazione e detta almeno un’antenna a detto circuito elettronico;
- ricoprire con un secondo strato esterno, realizzato impiegando un materiale composito contenente fibre impregnabili elettricamente isolanti.
Secondo una forma preferita di realizzazione dell’invenzione, è prevista una fase di catalisi degli strati così assemblati, preferibilmente sottovuoto e a temperatura controllata.
Grazie al fatto che gli strati esterni e lo strato intermedio comprendente il sensore di deformazione e l’elettronica ad esso associata sono fatti catalizzare insieme, il dispositivo secondo l’invenzione risulta realizzato come un pezzo unico, il che consente di evitare spostamenti e/o scivolamenti dello strato intermedio – o comunque del sensore di deformazione – rispetto agli strati esterni che lo racchiudono e perturbazioni nella rilevazione dei dati che ne potrebbero derivare.
Secondo una possibile forma di realizzazione dell’invenzione, la fase di predisporre il sensore di deformazione in materiale composito prevede le fasi di:
- predisporre uno strato di fibre elettricamente conduttive;
- impregnare detto strato con una resina o una colla;
- sottoporre a catalisi;
- ritagliare lo strato così ottenuto secondo il pattern desiderato.
Secondo una forma di realizzazione alternativa dell’invenzione, la fase di predisporre il sensore di deformazione in materiale composito prevede le fasi di:
- predisporre uno strato di fibre elettricamente conduttive;
- impregnare detto strato con una resina o una colla;
- ritagliare lo strato così ottenuto secondo il pattern desiderato.
In questo caso, il sensore di deformazione viene sottoposto a catalisi solo dopo l’assemblaggio con il primo ed il secondo strato esterno.
Secondo una ulteriore forma di realizzazione alternativa dell’invenzione, la fase di predisporre il sensore di deformazione in materiale composito prevede la fase di predisporre uno strato in materiale composito comprendente fibre elettricamente isolanti e di rendere localmente elettricamente conduttive le fibre elettricamente isolanti di detto strato mediante deposizione di un metallo (ad esempio nichel) secondo un pattern desiderato.
Breve descrizione dei disegni
Caratteristiche e vantaggi dell’invenzione saranno ulteriormente chiariti grazie alla descrizione dettagliata che segue di una forma di realizzazione preferita, fornita a titolo di esempio non limitativo con riferimento ai disegni allegati, in cui:
- la Figura 1 è una vista schematica in sezione trasversale di un dispositivo per la rilevazione di deformazioni e la trasmissione dei dati rilevati secondo una forma di realizzazione preferita della presente invenzione.
- la Figura 2 è una vista schematica in sezione lungo il piano II-II del dispositivo di Figura 1.
Descrizione dettagliata di una forma di realizzazione preferita dell’invenzione
Con riferimento alla Figura 1, è illustrato un dispositivo 1 secondo l’invenzione per la rilevazione di deformazioni e la trasmissione dei dati rilevati.
Secondo l’invenzione, detto dispositivo comprende:
- un primo strato esterno 3, realizzato in un materiale composito contenente fibre impregnabili ed elettricamente isolanti;
- uno strato intermedio, indicato nel suo complesso con il riferimento 5;
- un secondo strato esterno 7, realizzato in un materiale composito contenente fibre impregnabili ed elettricamente isolanti.
Con riferimento anche alla Figura 2, detto strato intermedio 5 comprende almeno:
- almeno un sensore di deformazione 9, realizzato in un materiale composito contenente fibre impregnabili ed elettricamente conduttive, le cui variazioni dimensionali (dovute ad un carico applicato) si traducono in variazioni di un parametro elettrico (quale ad esempio la resistenza elettrica);
- un circuito elettronico 11 comprendente mezzi per rilevare dette variazioni di detto parametro elettrico di detto sensore di deformazione 9;
- almeno un’antenna 13;
in cui detto almeno un sensore di deformazione 9 e detto circuito elettronico 11 sono collegati elettricamente in corrispondenza di corrispondenti contatti o piazzole 10 ed in cui detto circuito elettronico 11 e detta almeno un’antenna 13 sono collegati elettricamente in corrispondenza di corrispondenti contatti o piazzole 12.
Il sensore di deformazione 9 è preferibilmente realizzato in un materiale composito comprendente fibre di carbonio, fibre di titanio e/o fibre di poliestere con deposizione di un metallo (ad esempio nichel).
Detto sensore di deformazione 9 può presentare le dimensioni e la geometria desiderate; in particolare esso può presentare dimensioni molto superiori a quelle degli estensimetri utilizzati nella tecnica nota e la sua geometria può seguire pattern complessi.
Il circuito elettronico 11 e l’antenna 13 possono essere realizzati secondo qualsiasi tecnologia adatta alla portata del tecnico del settore.
Nella forma preferita di realizzazione illustrata nelle Figure, detto circuito elettronico 11 e detta antenna 13 potranno essere realizzati su un unico circuito stampato (PCB) 15.
In particolare, detto circuito stampato 15 è preferibilmente realizzato sotto forma di circuito stampato flessibile, realizzato ad esempio in film di poliammide o un tessuto sintetico di tipo PEEK, cosicché il dispositivo 1 corrispondente nel suo complesso mostrerà una certa flessibilità, il che consentirà di adattarsi a strutture con superfici complesse.
In una forma di realizzazione alternativa, anche l’antenna 13 – come il sensore di deformazione 9 – può essere realizzata in un materiale composito contenente fibre impregnabili ed elettricamente conduttive. Secondo questa forma di realizzazione, lo stesso elemento in materiale composito contenente fibre impregnabili ed elettricamente conduttive può essere progettato per svolgere sia la funzione di sensore di deformazione, sia la funzione di antenna.
Tale soluzione può risultare preferibile nel caso in cui il dispositivo 1 sia destinato ad essere integrato all’interno di una struttura in materiale composito, in quanto consente di limitare le perturbazioni alle proprietà fisiche della struttura stessa.
Lo strato intermedio 5 può inoltre comprendere uno o più sensori (non illustrati) in grado di rilevare condizioni ambientali nell’ambiente circostante al dispositivo 1, quali ad esempio temperatura ed umidità.
Qualora siano previsti, detti sensori addizionali saranno anch’essi elettricamente collegati al circuito elettronico 11 mediante corrispondenti contatti o piazzole.
Il circuito elettronico 11 può inoltre comprendere una unità di memoria che consenta di immagazzinare informazioni sul dispositivo 1 e sui dati rilevati da detto dispositivo durante il suo funzionamento.
In particolare detta unità di memoria permette di immagazzinare in permanenza nel sensore stesso tutte le informazioni necessarie all'interpretazione delle rilevazioni effettuati (inclusi i parametri di taratura del sensore) e all'identificazione del sensore.
Nel caso del monitoraggio di una struttura complessa, che richiede l’impiego di un numero elevato di dispositivi 1, questo semplifica molto la gestione, eliminando la necessità di mantenere documentazioni specifiche esterne, complesse da gestire e potenzialmente soggette a perdita o smarrimento.
Di nuovo con riferimento alla forma di realizzazione illustrata nelle Figure, lo strato intermedio 5 del dispositivo 1 comprende inoltre uno strato di schermatura 17 associato a detto strato intermedio 5, ed in particolare al circuito stampato 15. Esso potrà essere disposto, ad esempio, al di sotto del circuito stampato 15 (come nell’Esempio di Figura 1) oppure al di sopra di esso.
Detto strato di schermatura 17 è preferibilmente realizzato in materiale ferritico e la sua funzione risulterà chiara dalla descrizione del funzionamento del dispositivo 1 secondo l’invenzione che viene fornita qui di seguito.
Come sopra anticipato, detto dispositivo 1 può essere applicato ad una struttura di nuova costruzione o ad una struttura già esistente.
In particolare esso può essere laminato su detta struttura, in modo da diventare parte integrante di essa e da evitare qualsiasi deterioramento nella accuratezza della rilevazione di dati dovuto a perdite di adesione.
La parte sensibile del dispositivo, costituita dallo strato intermedio 5 che porta il sensore di deformazione 7 e dal circuito elettronico 11 ad esso collegato risulta protetta da agenti esterni dagli strati esterni 3, 7. In particolare, detti strati esterni 3, 7 non solo proteggono lo strato intermedio 5 dagli agenti atmosferici, ma lo isolano anche elettricamente, grazie al fatto di essere realizzati in un materiale composito contenete fibre elettricamente isolanti. L’antenna 13 consente di comunicare in modalità senza fili – ad esempio mediante radiofrequenza – con uno strumento esterno 100.
In una forma particolarmente semplice di realizzazione dell’invenzione, lo strumento 100 è in grado di ricevere i dati trasmessi dall’antenna 13. In questo caso, il dispositivo 1 deve essere provvisto di mezzi di alimentazione propri (batterie) per l’eccitazione del sensore di deformazione 9 e l’alimentazione del circuito elettronico 11.
Tuttavia, nella forma preferita di realizzazione dell’invenzione illustrata, la comunicazione senza fili fra il dispositivo 1 e lo strumento 100 avviene in entrambe le direzioni, come anche evidenziato in Figura 1.
In questo modo, è possibile evitare di dotare il dispositivo 1 di una sorgente di alimentazione interna, in quanto l’energia necessaria al suo funzionamento proviene dallo strumento esterno 100, via radio-frequenza o simile modalità senza fili.
Pertanto, quando si desidera rilevare le deformazioni subite dalla struttura cui è applicato il dispositivo 1, lo strumento esterno 100 fornisce al dispositivo 1 l’energia necessaria ad eccitare il sensore di deformazione 9.
La variazione dimensionale subita dal suddetto sensore di deformazione a causa del carico (sollecitazione) cui è sottoposto si traduce in una corrispondente variazione di un parametro elettrico, quale la resistenza elettrica; detta variazione di detto parametro elettrico è rilevata dal circuito elettronico 11 e trasmessa allo strumento esterno 100 attraverso l’antenna 13.
Nel caso in cui siano presenti sensori addizionali atti al rilevamento di condizioni ambientali (temperatura, umidità, ecc.), anche i dati rilevati da detti sensori addizionali sono elaborati dal circuito elettronico 11 e trasmessi allo strumento esterno 100 attraverso l’antenna 13.
Si noti che l’energia di eccitazione può essere somministrata al sensore di deformazione 9 contemporaneamente alla sua interrogazione; in alternativa è possibile prevedere di somministrare energia al sensore di deformazione 9 e interrogarlo in momenti diversi, dotandolo al tempo stesso di un mezzo di accumulo di energia (sempre somministrata dall’esterno in modalità senza fili).
Sarà evidente che le operazione di rilevazione e trasmissione di dati sopra descritte potranno avvenire in modo continuo oppure discreto, ed in quest’ultimo caso potranno avvenire ad intervalli di tempo regolari e prefissati oppure su input dell’utilizzatore.
Sarà inoltre evidente dalla descrizione che precede, l’importanza di prevedere lo strato di schermatura 17 associato allo strato intermedio 5 del dispositivo 1 secondo l’invenzione. Poiché la comunicazione in radio-frequenza fra il dispositivo 1 e lo strumento esterno 100 avviene a breve distanza, la componente magnetica dell’emissione in radiofrequenza è quella di maggior importanza. La presenza di materiali conduttivi nella struttura cui il dispositivo 1 è applicato (carbonio, cemento armato, metalli e così via) vicino all’antenna 13 disturba o annulla la comunicazione, a causa delle correnti parassite che l’emissione in radio-frequenza genera in tali materiali. Tali correnti parassite a loro volta generano un campo magnetico simmetrico e opposto a quello dell’emissione in radio-frequenza, che risulta così attenuata o annullata.
Nel caso del dispositivo secondo l’invenzione, il problema posto dalle correnti parassite è ancora più grave, in quanto non solo la comunicazione in radio-frequenza dall’antenna 13 allo strumento esterno 100 deve essere preservata dall’influsso di dette correnti parassite al fine di preservare corrispondentemente l’accuratezza dei dati trasmessi, ma è anche necessario che lo strumento esterno 100 trasmetta a detto dispositivo 1 un’energia sufficiente ad eccitare correttamente il sensore di deformazione 9 senza alcuna influenza negativa da parte di dette correnti parassite.
Da qui l’importanza dello strato di schermatura 17.
Come sopra anticipato, detto strato di schermatura è realizzato in materiale ferritico.
Si noti a tale proposito che detto materiale ferritico dovrà essere preferibilmente scelto in funzione dei materiali conduttivi nella struttura cui il dispositivo 1 è applicato, in modo tale che l’effetto di schermatura sia ottimizzato in funzione delle specifiche caratteristiche del campo magnetico generato dalle correnti parassite. Questo è possibile quando già in fase di produzione è nota la destinazione finale del dispositivo 1 – cioè il tipo di struttura cui sarà applicato e i materiali che la compongono.
Esistono tuttavia casi in cui si desidera ottenere un dispositivo per la rilevazione di deformazioni “universale”, il cui comportamento sia efficace qualsiasi sia la sua destinazione finale.
In questi casi è possibile prevedere di associare allo strato di schermatura 17 un ulteriore strato conduttivo (non illustrato) dalle caratteristiche note sul quale è stata tarata la scelta del materiale ferritico dello strato di schermatura 17. Detto ulteriore strato conduttivo può essere realizzato (ad esempio) in carbonio.
Poiché detto strato conduttivo è più vicino allo strato di schermatura 17 rispetto ai materiali conduttivi presenti nella struttura da monitorare, il campo magnetico generato in detto strato conduttivo è molto più forte di quello generato in detta struttura. Ne consegue che – essendo il materiale ferritico scelto proprio sulla base delle caratteristiche di detto strato conduttivo - il dispositivo 1 secondo l’invenzione risulta efficacemente schermato qualunque siano le caratteristiche della struttura cui è associato.
Da quanto sopra, si evince che grazie alla struttura del dispositivo 1 secondo l’invenzione è pertanto possibile rilevare correttamente le deformazioni subite dalla struttura associata e trasmettere i dati rilevati a distanza ad uno strumento esterno 100.
L’assenza di collegamenti filari consente di applicare ad una medesima struttura un numero elevato di dispositivi per la rilevazione di deformazioni secondo l’invenzione e assicura una notevole libertà nella scelta delle posizioni in cui applicare detti dispositivi. Essa garantisce inoltre una grande flessibilità, in quanto il numero e la posizione dei dispositivi per la rilevazione di deformazioni secondo l’invenzione può essere variata nel corso del tempo a seconda delle specifiche esigenze che possono di volta in volta presentarsi.
È possibile prevedere di associare ad ognuno dei dispositivi secondo l’invenzione un corrispondente strumento esterno (ad esempio nel caso di applicazioni in cui la rilevazione delle deformazioni debba avvenire in modo continuo) oppure di utilizzare un solo strumento esterno in associazione con tutti i dispositivi secondo l’invenzione (ad esempio nel caso di applicazioni in cui detti dispositivi siano interrogati solo ad intervalli di tempo discreti).
Come sopra anticipato, il dispositivo 1 secondo l’invenzione può essere realizzato secondo un metodo che prevede almeno le fasi di:
- predisporre il primo strato esterno 3, realizzato impiegando un materiale composito contenente fibre impregnabili elettricamente isolanti;
- predisporre su detto primo strato esterno 3 almeno un sensore di deformazione 9 realizzato impiegando un materiale composito contenente fibre impregnabili elettricamente conduttive;
- disporre su detto primo strato esterno 3 il circuito elettronico 11 ed almeno un’antenna 13;
- collegare elettricamente detto circuito elettronico 11 a detto sensore di deformazione 9 e a detta antenna 13;
- ricoprire con il secondo strato esterno 7, realizzato anch’esso impiegando un materiale composito contenente fibre impregnabili elettricamente isolanti.
I diversi strati possono essere fatti catalizzare separatamente o insieme.
Secondo una forma preferita di realizzazione dell’invenzione, gli strati sono fatti catalizzare insieme, dopo essere stati assemblati.
Grazie a tale accorgimento, i diversi strati del dispositivo 1 secondo l’invenzione risultano integrati in un unico copro, il che consente di evitare qualsiasi scivolamento del sensore di deformazione 9 rispetto agli strati esterni 3, 7, che potrebbe condurre a errori nella rilevazione delle deformazioni durante il funzionamento del dispositivo stesso.
Per quanto riguarda la realizzazione del sensore di deformazione 9 è possibile prefigurare diverse possibilità.
Secondo una prima alternativa, il sensore di deformazione 9 è ottenuto mediante le fasi di: - predisporre uno strato di fibre elettricamente conduttive;
- impregnare detto strato con una resina o una colla;
- sottoporre a catalisi;
- ritagliare lo strato così ottenuto secondo il pattern desiderato.
Il sensore di deformazione 9 così ottenuto presenta una notevole isteresi e tende a mantenere la sua forma se non viene sollecitato. Inoltre, se lo strato di fibre impregnate viene fatto catalizzare fra due strati “peel ply”, dopo la loro rimozione esso presenta la superficie ottimale per l’assemblaggio successivo.
Secondo una seconda alternativa, detto sensore di deformazione 9 è ottenuto mediante le fasi di:
- predisporre uno strato di fibre elettricamente conduttive;
- impregnare detto strato con una resina o una colla;
- ritagliare lo strato così ottenuto secondo il pattern desiderato.
In questo caso, il sensore di deformazione 9 viene disposto fra gli strati esterni 3,7 senza essere stato catalizzato (cioè “fresco”) e viene sottoposto a catalisi solo dopo l’assemblaggio detti strati esterni.
In questo modo, è del tutto scongiurato il rischio di spostamenti o scivolamenti del sensore di deformazione 9 così ottenuto rispetto agli strati esterni durante il funzionamento. In questo caso è comunque preferibile prevedere negli strati esterni dei riscontri per il corretto posizionamento del sensore di deformazione prima della catalisi.
Secondo una terza alternativa, il sensore di deformazione 9 è ottenuto predisponendo uno strato intermedio di materiale composito contenente fibre elettricamente isolanti e rendendo localmente elettricamente conduttive le fibre elettricamente isolanti di detto strato mediante deposizione di un metallo secondo un pattern desiderato.
In particolare, il metallo è depositato – ad esempio nichel – è depositato su entrambe le facce di detto strato intermedio per ottenere l’effetto di conduzione elettrica e detto strato intermedio è poi collocato fra i due strati esterni 3,5.
Ad esempio, è possibile prevedere di realizzare lo strato intermedio in fibre di poliestere (come gli strati esterni 3,7) e di depositare successivamente del nichel su entrambe le facce di detto strato intermedio secondo un pattern corrispondente alla geometria che si vuole conferire al sensore di deformazione.
Il vantaggio di questa soluzione consiste principalmente nel fatto che lo strato intermedio è molto più agevole da maneggiare in quanto non ha una forma complessa ed il suo posizionamento rispetto agli strati esterni può avvenire con maggiore facilità.
Da quanto sopra descritto, risulta evidente che l’invenzione raggiunge gli scopi sopra prefissati, in quanto fornisce un dispositivo che consente di rilevare deformazioni e trasmettere i dati rilevati con grande accuratezza ed affidabilità e che mostra al tempo stesso una grande versatilità in termini di applicazioni pratiche.
Sarà inoltre evidente che la forma di realizzazione sopra descritta in relazione ai disegni allegati è stata data a titolo puramente esemplificativo, senza alcuna connotazione limitativa, e che numerose modifiche e varianti alla portata del tecnico del settore possono essere apportate senza per questo uscire dall’ambito di tutela definito dalle unite rivendicazioni.

Claims (11)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo (1) per la rilevazione di deformazioni e la trasmissione dei dati rilevati, comprendente, un primo strato esterno (3), un secondo strato esterno (7) ed uno strato intermedio (5) disposto fra detto primo strato esterno e detto secondo strato esterno, in cui detto strato intermedio (5) comprende almeno un sensore di deformazione (9), almeno un’antenna (13) ed un circuito elettronico (11) elettricamente collegato a detto almeno un sensore di deformazione e a detto almeno un’antenna, caratterizzato dal fatto che detto primo strato esterno (3) e detto secondo strato esterno (7) sono realizzati in un materiale composito contenente fibre impregnabili ed elettricamente isolanti e detto almeno un sensore di deformazione (9) è realizzato in un materiale composito contenente fibre impregnabili ed elettricamente conduttive.
  2. 2. Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 1, in cui detto primo strato esterno (3), detto secondo strato esterno (7) e detto strato intermedio (5) sono catalizzati insieme a formare un corpo unico.
  3. 3. Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 1, in cui detto circuito elettronico (11) e detta antenna (13) sono realizzati su un unico circuito stampato (15), ed in cui detto circuito stampato (15) è realizzato sotto forma di circuito stampato flessibile.
  4. 4. Dispositivo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto strato intermedio (5) comprende inoltre uno strato di schermatura (17), in particolare realizzato in materiale ferritico.
  5. 5. Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 4, in cui a detto strato di schermatura è associato un ulteriore strato conduttivo.
  6. 6. Dispositivo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto strato intermedio (5) comprende uno o più sensori in grado di rilevare condizioni ambientali nell’ambiente circostante a detto dispositivo (1), quali ad esempio temperatura ed umidità.
  7. 7. Metodo per la realizzazione di un dispositivo (1) per la rilevazione di deformazioni e la trasmissione dei dati rilevati comprendente le fasi di: - predisporre un primo strato esterno (3), realizzato impiegando un materiale composito contenente fibre impregnabili elettricamente isolanti; - predisporre su detto primo strato esterno (3) almeno un sensore di deformazione (9) realizzato impiegando un materiale composito contenente fibre impregnabili elettricamente conduttive; - disporre su detto primo strato esterno (3) un circuito elettronico (11) ed almeno un’antenna (13); - collegare elettricamente detto almeno un sensore di deformazione (9) e detta almeno un’antenna (13) a detto circuito elettronico (11); - ricoprire con un secondo strato esterno (7), realizzato anch’esso impiegando un materiale composito contenente fibre impregnabili elettricamente isolanti.
  8. 8. Metodo secondo la rivendicazione 7, in cui detto primo strato esterno (3), detto almeno un sensore di deformazione (9) e detto secondo strato esterno (7), dopo essere stati assemblati, sono sottoposti ad una fase di catalizzazione.
  9. 9. Metodo secondo la rivendicazione 7 o 8, in cui detto almeno un sensore di deformazione (9) è ottenuto mediante le fasi di: - predisporre uno strato di fibre elettricamente conduttive; - impregnare detto strato con una resina o una colla; - sottoporre a catalisi; - ritagliare lo strato così ottenuto secondo il pattern desiderato.
  10. 10. Metodo secondo la rivendicazione 7 o 8, in cui detto almeno un sensore di deformazione (9) è ottenuto mediante le fasi di: - predisporre uno strato di fibre elettricamente conduttive; - impregnare detto strato con una resina o una colla; - ritagliare lo strato così ottenuto secondo il pattern desiderato. ed in cui detto almeno un sensore di deformazione (9) viene sottoposto a catalisi solo dopo l’assemblaggio a detti strati esterni (3,7).
  11. 11. Metodo secondo la rivendicazione 7 o 8, in cui detto almeno un sensore di deformazione (9) è ottenuto mediante le fasi di: - predisporre uno strato intermedio di fibre elettricamente isolanti; - impregnare detto strato con una resina o una colla; - rendere localmente elettricamente conduttive le fibre elettricamente isolanti di detto strato intermedio mediante deposizione di un metallo su dette fibre elettricamente isolanti di detto primo strato esterno su entrambe le facce di detto strato intermedio e secondo un pattern desiderato.
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