Monitoraggio di Viadotti, Ponti, Gallerie, Dighe mediante sensori distribuiti in fibra ottica

Luigi Zeni - Ph.D., Cofondatore Optosensing srl & Professore di Elettronica e Fotonica - Università della Campania Luigi Vanvitelli - Dipartimento di Ingegneria Maurizio Mirabile - Presidente & CEO Optosensing srl 12/10/2018 2660

Sistemi innovativi per il monitoraggio di strutture 

Architettura dei sistemi di monitoraggio strutturale di grandi opere

L’architettura di un sistema di monitoraggio, dedicato al controllo di una grande opera, pur dipendendo da una serie di parametri connessi alle caratteristiche strutturali dell’opera ed alla geologia dei terreni in/su cui insiste, trova, nell’utilizzo integrato di nuove ed innovative tecnologie, una nuova frontiera per l’elevazione degli standard di sicurezza e per una corretta gestione delle risorse da destinare alla manutenzione.

Le tecnologie disponibili, vanno dai sensori puntuali in nanotecnologia, ai sistemi radar interferometrici terrestri e satellitari, a quelli topografici di alta precisione, fino ai sensori distribuiti in fibra ottica.

I sensori di monitoraggio in fibra ottica

Fermo restando che è l’integrazione di più tipologie di sensori a garantire l’acquisizione di tutti i parametri significativi, ai fini di una diagnosi completa sullo stato “di salute” dell’opera, focalizzeremo l’attenzione sui sistemi di monitoraggio che utilizzano la fibra ottica come sensore distribuito di deformazione e temperatura. Questa tecnologia, infatti, ha un vantaggio intrinseco che nessun altro sensore possiede: permette l’individuazione di anomalie strutturali lungo tutto l’asse di installazione della fibra.  

Sostanzialmente è come se venisse installato un sensore di deformazione ogni 20 centimetri con la possibilità di collegare, ad un’unica unità di misura, decine di chilometri di fibra ottica, realizzando una sorta di "sistema nervoso", in grado di mappare, in tempo reale, lo stato tenso-deformativo della struttura e di identificare e localizzare criticità quali cedimenti strutturali o crepe.

I sensori distribuiti in fibra, dunque, permettendo l’individuazione delle anomalie strutturali e della loro precisa ubicazione, danno la possibilità di diagnosticare, immediatamente, l’innesco di fenomeni di degrado, con evidenti vantaggi in termini di sicurezza e di economicità nella gestione e pianificazione degli interventi manutentivi.

L’installazione di sensori puntuali dedicati, ad esempio, alla misura dei cedimenti dei piani di fondazione, alla rotazione delle pile, all’escursione dei giunti ed alle variazioni del modo proprio di vibrare delle strutture, completeranno il sistema di monitoraggio permettendo, oltre l’identificazione delle anomalie, anche l’individuazione delle cause che le hanno indotte.

Fibra ottica e infrastrutture

Fig. 1 Fibra ottica e infrastrutture

La tecnologia dei sistemi di misura distribuita in fibra ottica: lo scattering di Brillouin

Lo scattering di Brillouin stimolato (SBS) che è il fenomeno su cui si basano i sensori dedicati alla misura distribuita di deformazioni e temperatura sulle strutture, si genera attraverso l’interazione tra onde luminose e un’onda acustica, trasformando una fibra ottica per telecomunicazioni in un sensore per tutta la sua lunghezza. 

In particolare per quanto riguarda lo scattering Brillouin stimolato, due onde luminose, una detta di “pump” e l’altra detta di “Stokes” o anche di probe, a frequenze differenti νpump e νprobe, vengono iniettate ai due capi opposti di una fibra monomodo. La sovrapposizione delle due onde che si contropropagano nella fibra genera un battimento, cioè una variazione periodica a frequenza νpump - νprobe dell’ampiezza massima dell’onda risultante, che per effetto elettostrostrittivo genera un’onda acustica alla frequenza νpumpprobe (Fig.2).

Descrizione dello Scattering di Brillouin stimolato

Fig.2 Descrizione dello Scattering di Brillouin stimolato

L’onda acustica generata modula l’indice di rifrazione, per cui la luce di pump diffonde per diffrazione alla Bragg. Per effetto della diffrazione si ha un trasferimento di potenza dall’onda di pump all’onda di Stokes. Il trasferimento rinforza l’onda acustica che sostiene lo scattering stimolato di Brillouin – SBS. Variando la differenza (o shift) di frequenza tra le due sorgenti si può misurare l’amplificazione dell’onda di Stokes, ottenendo una curva di guadagno, che in prima approssimazione è descritta da una curva Lorentziana, con una larghezza a mezza altezza di circa di 30 – 40 MHz (Fig. 3) e con un massimo νB intorno ai 10 – 13 GHz.

 Curva di guadagno dello scattering di Brillouin stimolato

Fig.3 Curva di guadagno dello scattering di Brillouin stimolato

Lo shift in frequenza di Brillouin νB dipende dalla lunghezza d’onda della luce di pump e dalla velocità delle onde acustiche secondo la relazione:                       velocita-onde-acustiche.JPG  (1)

Dove n è l’indice di rifrazione efficace della fibra (1.45), Va è la velocità delle onde acustiche nel mezzo e λ0 è la lunghezza d’onda nel vuoto della luce incidente.

Lo shift Brillouin dipende dalla temperatura T e dallo strain ε locale:          velocita-onde-acustiche-2.JPG   (2)

Da questa relazione si comprende che dalla misura dello shift Brillouin è possibile avere informazioni sulla temperatura e/o le deformazioni della fibra in analisi ma non è possibile discernere tra le due grandezze.

Per discernere le due grandezze vengono, tipicamente utilizzate due fibre in parallelo. La prima resa solidale alla struttura, misurerà lo strain, mentre la seconda in configurazione non solidale, eseguirà la misura della temperatura.

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