ITBO20130135A1 - DEFORMATION SENSOR WITH BRAGG FIBER OPTICAL RETICLE, THERMOCOMPENSED, IMPACT RESISTANCE, WITH ADJUSTABLE SENSITIVITY AND ADJUSTABLE FLANGES - Google Patents

Description

“SENSORE DI DEFORMAZIONE CON RETICOLO DI BRAGG IN FIBRA OTTICA TERMOCOMPENSATO, RESISTENZE AGLI URTI, CON SENSIBILITA’ REGISTRABILE E FLANGIE ORIENTABILI†⠀ œSENSOR OF DEFORMATION WITH BRAGG RETICLE IN THERMOCOMPENSATED FIBER OPTIC, IMPACT RESISTANCE, WITH ADJUSTABLE SENSITIVITY AND ADJUSTABLE FLANGESâ €

D E S C R I Z I O N E DESCRIPTION

La presente invenzione à ̈ relativa ad un sensore di deformazione impiegante come elemento sensibile un reticolo di Bragg in fibra ottica. The present invention relates to a deformation sensor using an optical fiber Bragg grating as a sensitive element.

E’ comunemente noto l’impiego di reticoli di Bragg in fibra ottica come sensori di temperatura o deformazione meccanica. The use of fiber optic Bragg gratings as temperature or mechanical deformation sensors is commonly known.

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. Various technical solutions are also known which are suitable for improving performance as a deformation sensor of the fiber optic Bragg grating used as a bare and simple element.

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. Documents EP2549254A2 and US2009126501A1 describe constructive solutions of strain sensors aimed at producing a pretensioning of the Bragg grating and / or having devices that simplify their industrial reproducibility.

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). Numerous technical solutions are known for producing deformation sensors in which the intrinsic thermal sensitivity of the Bragg grating is automatically compensated, as for example in the documents â € œA novel temperature-insensitive fiber Bragg grating sensor for displacement measurementâ € (Dong. X. et al., Smart Mater. Struct. 14, 2005) and â € œA tip deflection calculation method for a wind turbine blade using temperature compensated FBG sensorsâ € (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. The solution described in the document â € œFBG Strain Sensor With Simple Temperature Compensation Mechanismâ € (Hayano H. and Mita A., Struct. Eng. Earthqu. Eng. J., 22 (2) pp. 167S-173S is also known. ) in which thermal expansion of an element free from external loads and integral with the fiber near the pretensioned Bragg grating is used to obtain said thermal compensation, a solution that is used to make deformation sensors in armored containers equipped with flanges installation.

Tutte i dispositivi noti presentano però diverse limitazioni tecniche, tra le quali: However, all known devices have various technical limitations, including:

- 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; - the devices to be installed with flanges or welding points are characterized by a rigid coupling between the sensor element and the anchor points which, when the sensor is installed on an irregular or curved surface, is responsible for an undesired bending stress capable of to damage the Bragg grating and alter its linearity of measurement characteristics;

- 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; - the scale factor that determines the final sensitivity of the sensor is established in a rigid and non-variable way by the relative position between the fixing flanges and the coupling points between the optical fiber and the sensor body;

- 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. - devices equipped with thermal compensation with an element free from loads and integral with the fiber are very delicate and can be easily damaged in the presence of shocks and vibrations.

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. The purpose of the present invention is to provide a Bragg grating deformation sensor characterized by mounting flanges capable of tolerating sufficiently large rotations between the installation points without the sensor undergoing harmful bending.

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. A further object of the present invention is that of realizing a deformation sensor equipped with thermal compensation and characterized by a greater tolerance towards shocks and vibrations.

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. A further object of the present invention is that of realizing a deformation sensor in which the measurement sensitivity can be adjusted in a semi-permanent way with simple mechanical adjustments.

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. The previous purposes are achieved by the present invention as it relates to a deformation sensor using a Bragg grating as a sensitive element, coupled to the installation flanges by means of ball hinges, characterized by a thermal compensation system embedded in a gelatin of filling that prevents movement as a result of shocks and vibrations and also characterized by the possibility of adjusting the position of the fixing points of the flanges on the sensor body in order to vary the sensitivity and the amplitude of the measuring range of the sensor itself.

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. Figure 1 shows a non-limiting schematic sectional representation of a possible variant embodiment of the deformation sensor of this document.

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. In the embodiment of figure 1, the sensor comprises a body consisting of at least a first element (5) characterized by a hollow cylindrical extension which partially engages in a cavity of at least one second element (6), the cavity of which is crossed by an optical fiber (2) which carries the Bragg grating sensor element (8) inscribed on it and which is made integral with the body elements at points (9a) and (9b), conveniently though not exclusively symmetrical with respect to the length of the sensor, with an appropriate pre-tensioning. The coupling point between the elements (5, 6) of the body can be conveniently sealed by at least one elastic gasket (13) or a rubbery sealant.

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). At the ends of the body exit, the optical fiber (2) can continue in a protective sheath (1a, 1b) which can be fixed for example by forced coupling with deformable sleeves (3a, 3b) on bushings (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. The elements of the body (5, 6), conveniently although not necessarily in correspondence with the coupling points (9a, 9b) between the optical fiber and the body itself, are semi-permanently coupled to sleeves (21a, 21b) characterized by a spherical shape, to which the clamping elements (14a, 14b 15a, 15b) of the fixing flanges of the sensor to the measuring substrate are coupled. Said clamping elements (14a, 14b 15a, 15b) are characterized by a coupling cavity with the spherical sleeves (21a, 21b) which is shaped according to a combination of at least two conical and / or cylindrical surfaces in order to create a hinge spherical between the sleeve and the pair of installation flanges that mate with it.

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. The spherical sleeves (21a, 21b) are locked in the desired position, each conveniently although not exclusively, for example each by means of its own locking dowel (22a, 22b) which remains inside the body of the sleeve itself.

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. The sensor also comprises at least one thermal compensation sleeve (7) integral with a fiber section between the coupling points (9a, 9b) to the sensor body and not including the Bragg grating (8), made of a material with coefficient of suitable thermal expansion and with length between the fixing points to the fiber (2) suitably calculated in such a way as to compensate with its own extension due to thermal expansion the natural thermal drift of the Bragg sensor, reducing the original pre-tension of the optical fiber imposed between the two points fastening (9a, 9b) of the same.

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. The compensation sleeve (7) is also shaped so that it can slide freely with respect to the cavity of the sensor body (5) which contains it.

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. The cavity where the optical fiber (2) and the sleeve (7) are housed can also be filled with a suitable type of gelatin (10) injected through at least one hole (11) on the body. Said hole (11) can be subsequently sealed by means of a screw, a chemical sealant or by sliding the annular sleeve (12) which, once brought to the closed position, is locked in position, or with another system.

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. Figure 2 shows a variant of the representation in figure 1 in which the position of the spherical sleeves (21a, 21b), which can be varied once the screws (22a, 22b) have been released, is symmetrically displaced in such a way that they are at a distance (Lflange) different from the distance (LFBG) between the fixing points (9a, 9b) of the optical fiber (2) to the elements of the body (5, 6) of an appropriate quantity in order to obtain the actual sensitivity value of the desired sensor. Appropriate tick marks and / or indentations on the external surface of the sensor body (5, 6) for locking the screws (22a, 22b) may possibly be present to indicate the correct positioning of the spherical sleeves (21a, 21b) to make sensor configurations having predetermined measurement sensitivity values.

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. Figure 3 shows some views of axonometric projections and sections of a possible non-binding embodiment of the sensor object of the present invention. The inset (17) shows in particular a plan view of the sensor, while the inset (18) illustrates an elevation view thereof. The boxes (19) and (20) show sectional views of the clamping between flanges and spherical sleeves.

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. The box (16) finally illustrates a plan view and an elevation view of a detail of the clamping between the flange and the spherical sleeve when they assume a relative position rotated to each other by virtue of the coupling of the spherical hinge they make.

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. From the above the advantages of the present invention are clear as it relates to a deformation sensor using an optical fiber Bragg grating characterized by fixing points of the flanges hinged to the sensor body by means of spherical hinges, equipped with compensation of the thermal drift of the ™ sensor element, resistant to the possibility of damage due to shocks and vibrations and able to be configured for different sensitivity values and / or amplitude of the measuring range.

Risulta infine chiaro che modifiche e varianti possono essere apportate al dispositivo descritto senza peraltro uscire dall’ambito di tutela della presente invenzione. Finally, it is clear that modifications and variations can be made to the device described without however departing from the scope of protection of the present invention.

Claims (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."DEFORMATION SENSOR WITH BRAGG RETICLE IN THERMOCOMPENSATED FIBER OPTIC, IMPACT RESISTANCE, WITH ADJUSTABLE SENSITIVITY AND ADJUSTABLE FLANGES" R I V E N D I C A Z I O N I 4. An apparatus suitable for translating the variation in distance between its fixing points to the substrate under examination into an axial deformation of at least one optical fiber Bragg grating, characterized in that it comprises a plurality of protuberances on the external surface of the body of the sensor (5, 6) located, even possibly in pairs, in such a way as to offer at least two distinct alternatives for clamping the sensor to the measuring substrate, each of which allows to select a different ratio between the distance (LFBG) between the fiber fixing points (9a, 9b) and the distance {Lflange) between the fixing points of the flanges (14b, 15b) in order to select a different proportionality value between the deformation imposed between the clamping points (14b, 15b) and the deformation transferred to the Bragg sensor (8). 5. An apparatus according to any one of the preceding claims characterized in that it comprises at least one element (2a, 21b) having a convex spherical surface which can be rigidly and non-permanently coupled to the sensor body (5, 6) in order to be able to be moved to at least two distinct positions with respect to the body (5, 6) each of which allows you to select a different proportionality value between the deformation imposed between the flanges (14a, 14b, 15a, 15b) that clamp onto the element and the deformation transferred to the Bragg sensor (8). 6. An apparatus according to any one of the preceding claims characterized in that it comprises any combination of at least one protuberance obtained on the external surface of the sensor body and of at least one movable element (2a, 21b) which can be rigidly and non-permanently coupled to the sensor body (5, 6), both characterized by having at least partially a convex spherical surface and such as to allow for the selection of different values of proportionality between the deformation imposed between the flanges (14a, 14b, 15a, 15b) that clamp onto the element and the deformation transferred to the Bragg sensor (8). 7. An apparatus according to any one of claims 1, 2, 3, 5 or 6 characterized in that it comprises at least one system capable of semi-permanently locking the sensor body (5, 6) in at least two of the different possible reciprocal positions allowed, where the element (2a, 2lb) capable of accepting the clamping of at least one installation flange (14b, 15b) of the sensor to the measuring substrate. 8. An apparatus according to any one of the preceding claims characterized in that it comprises at least one mechanically adjustable system suitable for pre-tensioning at least one portion of optical fiber (2) comprising at least one Bragg grating (8). 9. An apparatus according to any one of the preceding claims characterized in that it comprises at least one thermal compensation element (7) integral with at least two distinct points in an optical fiber section (2) which does not include the Bragg grating (8) and characterized by material, dimensions and distance between the fixing points suitably selected in order to compensate with its own expansion the thermal drift of the Bragg sensor {8). 10. An apparatus according to any one of the preceding claims characterized in that the cavity of the sensor body (5, 6) which houses the optical fiber (2) is at least partially filled with a gelatin and / or a thixotropic fluid.