IT201700022654A1 - Procedimento e sistema per misurare forze - Google Patents

Description

“PROCEDIMENTO E SISTEMA PER MISURARE FORZE”

Campo dell’invenzione

La presente invenzione è relativa alla misurazione di forze. In particolare, la presente invenzione è relativa alla misurazione di forze meccaniche quali, ad esempio, forze trasversali (pressione) e forze rotazionali (torsione) applicate su una fibra ottica.

Più in dettaglio, la presente invenzione è relativa alla misurazione di forze per mezzo di trasduttori ottici. Ancora più in dettaglio, la presente invenzione è relativa alla misurazione di forze per mezzo di trasduttori e/o sensori ottici comprendenti fibre ottiche.

Infine, la presente invenzione è relativa a un procedimento e a un sistema per la misurazione di forze, detto sistema comprendente trasduttori e/o sensori ottici e/o sensori in fibra ottica.

Descrizione dello stato della tecnica

Nel recente passato sono stati fatti numerosi tentativi per superare i difetti tipici dei sistemi elettronici per la misurazione di forze.

In particolare, negli ultimi anni, sono stati dedicati sforzi notevoli allo sviluppo di trasduttori ottici in sostituzione dei trasduttori elettronici.

I trasduttori ottici noti sono basati sulla considerazione che forze, in particolare forze meccaniche quali forze di pressione o di torsione, possono essere misurate e/o rilevate sfruttando le valutazioni degli effetti causati sulla luce trasmessa attraverso un percorso ottico da una forza che agisca, sia direttamente che indirettamente, su detto percorso ottico.

In particolare, il principio di lavoro o di funzionamento della maggior parte dei trasduttori ottici noti sfrutta la variazione di foto-corrente rilevata all’uscita di un percorso ottico in funzione della attenuazione di segnale ottico generata dalla variazione del collegamento ottico o dalla interferenza di segnale che sono controllate dalla forza che si vuole rilevare.

Infatti, è sempre possibile stabilire una relazione tra la foto-corrente rilevata all’uscita di un percorso ottico e lo stress meccanico che agisce sul percorso ottico. In particolare, alcuni dei trasduttori ottici noti sfruttano la variazione di polarizzazione delle fibre ottiche con microstress indotti e causati da una forza esterna applicata.

Tuttavia, anche i trasduttori ottici noti basati sulla variazione della polarizzazione non sono esenti da difetti o problemi che ne limitano l’impiego a solo poche applicazioni.

Inoltre, i risultati delle misurazioni eseguite per mezzo di questi trasduttori ottici noti sono per la maggior parte non così affidabili come desiderato. Infine, l’assemblaggio e la fabbricazione di questi trasduttori ottici noti si sono rivelati piuttosto complicati e quindi decisamente costosi poiché richiedono tolleranze meccaniche molto ridotte.

Gli svantaggi o difetti che affliggono i trasduttori ottici noti sono per la maggior parte da ricondurre al fatto che i trasduttori ottici sono basati sull’interferenza di due modi di polarizzazione ortogonali e richiedono quindi fibre speciali altamente birifrangenti e involucri meccanici molto precisi. Più in dettaglio, i trasduttori ottici noti sono basati sulla rilevazione delle variazioni in polarizzazione del raggio di luce trasmesso attraverso una fibra ottica birifrangente.

L’applicazione di uno stress meccanico alla fibra ottica produce un numero rilevante di frange di interferenza mentre un sistema di misurazione della fase è usato per determinare il cambiamento in termini di birifrangenza indotto dello stress meccanico, in modo da poter risalire quindi al valore dello stress meccanico.

È pertanto possibile stabilire una relazione tra il segnale ottico in uscita dal percorso ottico e le forze agenti sul questo percorso ottico.

Ne consegue quindi che è possibile stabilire una relazione tra la potenza e/o intensità del segnale ottico in uscita dal percorso ottico e la forza che agisce sul percorso ottico.

Inoltre, poiché il segnale ottico in uscita dal percorso ottico può essere convertito in una misura di corrente e/o tensione, sarà anche possibile stabilire una relazione tra la corrente o tensione misurati e la forza che agisce sul percorso ottico.

Sebbene il principio di rilevazione delle forze possa apparire piuttosto generale si è comunque dimostrato molto affidabile allo scopo di rilevare e/o misurare forze, in particolare forze meccaniche quali ad esempio pressioni o torsioni.

Il documento EP 1 748 284 B1 descrive un trasduttore ottico per rilevare forze agenti sul trasduttore.

Il trasduttore comprende un percorso ottico atto a trasmettere segnale ottici, in cui il percorso ottico comprende mezzi sensori atti a modificare la trasmissione dei segnali ottici lungo il percorso ottico come risultato di una forza che agisca su di essi; il percorso ottico comprende inoltre mezzi di elaborazione della polarizzazione atti a rendere la polarizzazione di segnali ottici che entrino nei mezzi sensori parallela ad una prima direzione predefinita, i mezzi sensori essendo inoltre atti a modificare la polarizzazione dei segnali ottici immessi nei mezzi sensori come risultato di una forza agente su di essi; il trasduttore comprende inoltre mezzi di polarizzazione atti a raccogliere i segnali ottici in uscita dai mezzi sensori ed aventi un asse di polarizzazione parallela a una direzione predefinita in modo da permettere solo a segnali ottici con una polarizzazione parallela all’asse di polarizzazione di uscire dai mezzi di polarizzazione.

Con riferimento alla figura 1a, viene descritto un primo esempio di un trasduttore ottico noto.

In figura 1a, il numero di riferimento 1f identifica un percorso ottico (per esempio una fibra ottica) atta a ricevere, trasmettere ed emettere un segnale ottico.

In particolare, in figura 1a, il segnale ottico che viene immesso nel percorso ottico 1f è identificato dal numero di riferimento 2a, mentre il segnale ottico in uscita dal percorso ottico è identificato dal numero di riferimento 2b.

Il trasduttore ottico 1 di figura 1a comprende inoltre mezzi 1a di elaborazione della polarizzazione, mezzi sensori 1b e mezzi di polarizzazione 1c.

I mezzi 1a di elaborazione della polarizzazione, i mezzi sensori 1b e i mezzi di polarizzazione 1c possono comprendere o addirittura essere definiti da uno o più anelli 1aa, 1bb e 1cc, rispettivamente, della fibra ottica 1f.

Infine, in figura 1a, il numero di riferimento 5 identifica una forza e/o uno stress meccanico (per esempio una forza di pressione o una forza di rotazione) che agisce sul trasduttore 1, in particolare sui mezzi sensori 1b del trasduttore 1.

Con l’espressione “mezzi di elaborazione della polarizzazione” si intendono mezzi adatti a modificare la polarizzazione di una segnale ottico 2a (per esempio un segnale luminoso) che entri nei mezzi 1a di elaborazione della polarizzazione (dopo essere entrato nel percorso ottico o nella fibra ottica 1f) in modo da rendere la polarizzazione del segnale ottico in uscita dai mezzi di elaborazione della polarizzazione parallela a un asse predefinito o a una direzione predefinita.

Inoltre, con l’espressione “mezzi di polarizzazione” si intendono mezzi atti a emettere segnali ottici con una polarizzazione predefinita.

Per esempio, i mezzi di polarizzazione 1c di figura 1a possono comprendere un asse di polarizzazione parallelo a una direzione predefinita, in modo da permettere solo a segnali ottici con una polarizzazione parallela a detto asse di polarizzazione di uscire dai mezzi di polarizzazione 1c, mentre segnali ottici con una polarizzazione non parallela all’asse di polarizzazione dei mezzi di polarizzazione saranno assorbiti o riflessi.

Va quindi apprezzato che i mezzi di polarizzazione 1c facenti parte del trasduttore ottico 1 di figura 1a agiscono come una sorta di filtro ottico poiché solo segnali ottici con una polarizzazione parallela all ́asse di polarizzazione possono propagarsi lungo i mezzi di polarizzazione 1c ed essere emessi, mentre segnali ottici la cui polarizzazione non sia parallela all ́asse di polarizzazione dei mezzi di polarizzazione 1c verranno assorbiti e quindi né trasmessi o propagati lungo i mezzi di polarizzazione e né emessi dai mezzi di polarizzazione 1c.

Se si apprezza che il segnale ottico 2a all’entrata del percorso ottico 1f comprende normalmente diverse componenti con altrettante diverse caratteristiche, in particolare con altrettante lunghezze d’onda e polarizzazioni diverse, si potrà anche apprezzare che solamente quelle componenti all’entrata dei mezzi di polarizzazione 1c che avranno una polarizzazione parallela all’asse di polarizzazione verranno propagati e trasmessi attraverso i mezzi di polarizzazione 1c e quindi emessi.

Con l’espressione “mezzi sensori” si intendono i mezzi atti a modificare la trasmissione di segnali ottici immessi nei mezzi sensori 1b.

In particolare, l’espressione “mezzi sensori” indica mezzi atti a modificare la polarizzazione di segnali ottici immessi nei mezzi sensori 1b in funzione di una forza (per esempio una pressione o una torsione o anche uno stress meccanico) agente sui mezzi sensori.

Per esempio, nel caso in cui i mezzi sensori 1b comprendano uno o più anelli 1bb di una fibra ottica, si apprezzerà che le forze agenti sui mezzi sensori (e quindi su uno o più di detti anelli di fibra ottica, sia direttamente che indirettamente) potrà deformare o addirittura danneggiare uno o più degli anelli della fibra ottica; le micro-deformazioni che si generano quindi nella fibra come risultato dello stress meccanico agente sulla fibra produrranno variazioni nella polarizzazione dei segnali ottici trasmessi e propagati attraverso i mezzi sensori. Le variazioni della polarizzazione dei segnali ottici possono essere messe in relazione con le forze o gli stress agenti sui mezzi sensori 1b.

Il principio di funzionamento del trasduttore ottico 1 rappresentato in figura 1a può essere riassunto come segue. In assenza di forze applicate 5, i mezzi di elaborazione della polarizzazione 1a sono programmati in modo da definire i segnali ottici 2b in uscita dal trasduttore ottico 1; in altre parole, per mezzo dei mezzi 1a di elaborazione della polarizzazione, la polarizzazione del segnale ottico 2a immesso nel percorso ottico 1f verrà modificata fino a che la polarizzazione del segnale ottico in uscita dai mezzi 1a di elaborazione della polarizzazione non sarà parallela a una direzione predefinita. Per esempio, la polarizzazione del segnale ottico in uscita dai mezzi 1a di elaborazione della polarizzazione può essere resa parallela all ́asse di polarizzazione dei mezzi di polarizzazione 1c. Alternativamente, sempre per mezzo dei mezzi 1a di elaborazione della polarizzazione, la polarizzazione del segnale ottico in uscita dai mezzi 1a di elaborazione della polarizzazione può essere resa ortogonale all ́asse di polarizzazione dei mezzi di polarizzazione 1c. Nel primo caso, e cioè nel caso in cui la polarizzazione del segnale ottico in uscita dai mezzi 1a di elaborazione della polarizzazione sia resa parallela all ́asse di polarizzazione dei mezzi di polarizzazione 1c, il segnale ottico 2b in uscita dal percorso ottico 1f (dai mezzi di polarizzazione 1c) corrisponderà essenzialmente al segnale ottico 2a immesso nel percorso ottico 1f o, in altre parole, l’intensità del segnale ottico 2b in uscita corrisponderà sostanzialmente a quella del segnale ottico 2a in entrata ad eccezione di perdite trascurabili di potenza dovute a imperfezioni inevitabili del percorso ottico. Ne consegue quindi che il segnale ottico 2b massimo o più intenso verrà raccolto all’uscita del trasduttore ottico 1. Al contrario, nel caso in cui la polarizzazione del segnale ottico 2a immesso nel trasduttore ottico 1 e quindi anche quello in uscita dai mezzi 1a di elaborazione della polarizzazione siano resi ortogonali al asse di polarizzazione dei mezzi di polarizzazione 1c, e sempre nel caso in cui non sia applicata nessuna forza o stress 5 al trasduttore 1 (sui mezzi sensori 1b), praticamente non si raccoglieranno o riceveranno segnali all’uscita del trasduttore ottico 1 o si raccoglieranno i segnali 2b più deboli.

Nel caso invece di una forza o stress agente sul trasduttore (sui mezzi sensori 1b) la trasmissione dei segnali ottici lungo il percorso ottico 1f verrà modificata come risultato della forza o stress 5. In particolare, la polarizzazione dei segnali ottici in uscita dai mezzi di elaborazione della polarizzazione verrà modificata a causa della forza 5, per esempio a cause delle micro-deformazioni prodotte nei mezzi sensori 1b (per esempio in una porzione di uno o più degli anelli 1bb).

Ciò significa che almeno alcune componenti del segnale ottico in uscita dai mezzi sensori 1b (e quindi immesso nei mezzi di polarizzazione 1c) avrà una polarizzazione diversa dalla polarizzazione delle componenti corrispondenti del segnale ottico in uscita dai mezzi di elaborazione della polarizzazione; in altre parole, la polarizzazione di almeno alcune componenti del segnale ottico in uscita dai mezzi sensori 1b sarà diversa dalla polarizzazione delle componenti corrispondenti in uscita dai mezzi di elaborazione della polarizzazione 1a poiché, come spiegato, la polarizzazione era stata resa parallela a una direzione predefinita. Riassumendo, la polarizzazione di almeno alcune componenti del segnale ottico in uscita dai mezzi sensori 1b non sarà più parallela alla direzione predefinita.

Ne consegue quindi che, nel caso in cui la polarizzazione del segnale ottico in uscita dai mezzi 1a di elaborazione della polarizzazione sia stata resa parallela all ́asse di polarizzazione dei mezzi di polarizzazione 1c, la polarizzazione di almeno alcune componenti del segnale ottico in uscita dai mezzi sensori 1b non sarà più parallela al asse di polarizzazione dei mezzi di polarizzazione 1c. Ne consegue quindi che anche l’intensità del segnale ottico 2b in uscita dai mezzi di polarizzazione 1c (dal percorso ottico 1f) sarà minore dell’intensità del segnale ottico 2a immesso nel percorso ottico 1f e in uscita dai mezzi 1a di elaborazione della polarizzazione. La differenza tra le intensità dei segnali ottici 2b e 2a dipenderà dall’intensità della forza 5 applicata ai mezzi sensori 1b, così che sarà possibile mettere in relazione la differenza tra il segnale 2b in uscita e il segnale 2a in entrata e l’intensità della forza 5. Allo stesso modo, nel caso in cui la polarizzazione del segnale ottico in uscita dai mezzi 1a di elaborazione della polarizzazione sia resa ortogonale all ́asse di polarizzazione dei mezzi di polarizzazione 1c, almeno alcune delle componenti del segnale ottico in uscita dai mezzi sensori 1b avranno una polarizzazione che non sarà più ortogonale all ́asse di polarizzazione dei mezzi di polarizzazione 1c a causa della forza o stress 5 agente sui mezzi sensori 1b. Sarà quindi possibile raccogliere il segnale ottico 2b in uscita dal trasduttore ottico 1 (dai mezzi di polarizzazione) e stabilire una relazione tra l’intensità o potenza del segnale 2b e l’intensità della forza o stress 5 agente sul trasduttore 1.

I mezzi 1a di elaborazione della polarizzazione possono comprendere una prima porzione della fibra ottica 1f; in particolare, i mezzi di elaborazione della polarizzazione possono comprendere uno o più anelli 1aa della fibra ottica 1f. Allo stesso modo, i mezzi sensori 1b possono comprendere una seconda porzione della fibra ottica 1f; in particolare, i mezzi sensori 1b possono comprendere uno o più degli anelli 1bb della fibra ottica 1f.

Con riferimento alla figura 1b, è descritto un esempio dello schema elettrico di un dispositivo di misura; in figura 1b, le parti e/o caratteristiche già descritte precedentemente con riferimento alla figura 1a sono identificate dagli stessi numeri di riferimento.

In figura 1b, i numeri di riferimento 6a e 6b identificano rispettivamente un dispositivo di emissione di segnali ottici e un dispositivo di ricezione di segnali ottici. Il dispositivo 6a genera e/o emette segnali ottici che vengono immessi nel percorso ottico 1f e si propagano o sono trasmessi attraverso il percorso ottico definito dai mezzi 1a di elaborazione della polarizzazione, dai mezzi sensori 1b e dai mezzi di polarizzazione 1c e sono eventualmente parzialmente o totalmente assorbiti dai mezzi di polarizzazione 1c.

I segnali ottici risultanti in uscita dai mezzi di polarizzazione 1c sono ricevuti e/o raccolti dal dispositivo di ricezione 6b. Per esempio, il dispositivo 6a può comprendere un generatore di corrente o tensione collegato a una sorgente di luce laser; nello stesso modo, il dispositivo di ricezione 6b può comprendere un fotorivelatore amplificato con un fotodiodo seguito da un amplificatore a baso rumore.

Comunque, diverse soluzioni possono essere adottate allo scopo di generare segnali ottici da immettere nel percorso ottico 1f nonché allo scopo di ricevere segnali ottici all’uscita del percorso ottico 1f.

Con questo tipo di trasduttori è solamente essenziale che i segnali di corrente o tensione vengano convertiti in segnali ottici 2a da immettere nel trasduttore 1 e che i segnali ottici 2b in uscita dal trasduttore 1 vengono convertiti o in segnali di corrente o in segnali di tensione in modo che i segnali di corrente e/o tensione risultanti possano essere elaborati allo scopo di rivelare la forza 5 agente sul trasduttore 1.

Pertanto, nasce l’esigenza di soluzioni semplificate e che permettano una ulteriore riduzione dei costi di realizzazione.

Scopo e sintesi

Scopo della presente invenzione è dunque quello di proporre un procedimento e un sistema di misura delle forze tramite un trasduttore ottico.

Breve descrizione delle figure

Ulteriori vantaggi, obiettivi e caratteristiche nonché forme di realizzazione della presente invenzione sono definite nelle rivendicazioni e risulteranno chiare dalla descrizione dettagliata esposta nel seguito con riferimento alle tavole di disegno nelle quali parti identiche o corrispondenti sono identificate per mezzo degli stessi numero di riferimento. Nelle figure:

- le Figure 1a e 1b rappresentano schematicamente il principio di funzionamento di un trasduttore ottico noto e una vista schematica del layout elettrico di un dispositivo di misura che faccia uso del trasduttore noto di figura 1a;

- le Figure 2a,2b,2c, 2d e 2e mostrano un particolare del ricevitore secondo la presente invenzione e grafici dell’andamento delle potenze in uscita dal ricevitore.

Descrizione particolareggiata

Nella seguente descrizione sono illustrati vari dettagli specifici finalizzati ad una approfondita comprensione di esempi di una o più forme di attuazione. Le forme di attuazione possono essere realizzate senza uno o più dei dettagli specifici, o con altri metodi, componenti, materiali ecc. In altri casi, strutture, materiali o operazioni noti non sono mostrati o descritti in dettaglio per evitare di rendere oscuri vari aspetti delle forme di attuazione. Il riferimento ad “una forma di attuazione” nell’ambito di questa descrizione sta ad indicare che una particolare configurazione, struttura o caratteristica descritte in relazione alla forma di attuazione è compresa in almeno una forma di attuazione. Quindi, frasi come “in una forma di attuazione”, eventualmente presenti in diversi luoghi di questa descrizione, non sono necessariamente riferite alla stessa forma di attuazione. Inoltre, particolari conformazioni, strutture o caratteristiche possono essere combinati in un modo adeguato in una o più forme di attuazione.

I riferimenti qui utilizzati sono soltanto per comodità e non definiscono dunque l’ambito di tutela o la portata delle forme di attuazione.

Mentre la presente invenzione verrà chiarita nel seguito per mezzo di una descrizione dettagliata con riferimento alle tavole di designi di alcune sue forme di realizzazione, va notato che la presente invenzione non è limitata alle forme di realizzazione descritte e rappresentate nelle tavole di disegno, ma piuttosto che le forme di realizzazione descritte e illustrate esemplificano i vari aspetti della presente invenzione, lo scopo della quale è definito dalle rivendicazioni.

La presente invenzione si è dimostrata particolarmente vantaggiosa quando usata per la rilevazione e/o misura di forze trasversali e rotazionali quali ad esempio pressioni e torsioni. Per questo motivo, verranno descritti nel seguito esempi nei quali forme di realizzazione di un trasduttore ottico secondo la presente invenzione sono usate per la rilevazione e/o la misura di pressioni e torsioni.

Va comunque notato che l’uso dei trasduttori ottici secondo la presente invenzione non è limitato alla rilevazione o alla misura di pressioni e torsioni; al contrario, i trasduttori ottici secondo la presente invenzione possono anche essere usati allo scopo di misurare e/o rilevare forze differenti agenti su di essi. La presente invenzione è quindi altrettanto utile nel caso di misurazione di tutte queste forze, mentre le forze trasversali (pressioni) e/o rotazionali (torsioni) descritte nel seguito sono rappresentative di forze di ogni tipo agenti sui trasduttori.

Lo stato dell’arte è definito dal brevetto EP 1748 284 B1. Viene qui descritta una soluzione che si profila come evoluzione che fornisce una semplificazione ed in prospettiva una riduzione del costo di realizzazione di un sistema di misura.

L’ambito applicativo è lo stesso descritto nel brevetto EP 1748 284 B1, ma la realizzazione prevede alcune modifiche che permettono di ridurre ulteriormente i costi del sistema complessivo.

In particolare, una forma di realizzazione del sistema di misura secondo la presente invenzione prevede dal lato sorgente l’impiego di una sorgente ottica, come ad esempio un laser singolo modo. Più nel dettaglio, tale laser singolo modo non è strettamente a polarizzazione nota. Pertanto, il lato trasmettitore può utilizzare una sorgente meno complessa. Questo perché il controllore di polarizzazione e/o il polarizzatore previsti nella soluzione nota descritta nel brevetto EP 1748 284 B1 non sono più necessari, e può essere utilizzata una sorgente più semplice.

La fibra sensibile usata per realizzare il percorso ottico e i mezzi sensori rimane invariata rispetto alla soluzione nota.

Ad esempio in varie forme di attuazione la fibra sensibile è scelta tra le fibre ottiche single mode.

Dal lato ricevitore, anziché utilizzare un polarizzatore, si utilizzata un dispositivo divisore PBS (Polarizing Beam Splitter), ossia un dispositivo con un ingresso IN e due uscite separate U1 e U2.

In particolare, con riferimento alla Figura 2a, il dispositivo divisore PBS prevede un ingresso IN su cui arriva dal percorso ottico il segnale che comprende due componenti di polarizzazione x e y lungo i due assi principali della fibra e due uscite U1 e U2. Sul primo ramo U1 in uscita è presente la componente x e sul secondo ramo U2 in uscita è presente la componente y del segnale.

Più nel dettaglio, le due uscite U1 e U2 del dispositivo divisore PBS sono collegate a due dispositivi ricevitori, ad esempio due fotodiodi PD1 e PD2, che convertono il segnale ottico in segnale elettrico. I due segnali elettrici in uscita dai fotodiodi PD1 e PD2 possono essere elaborati in modo semplice, ad esempio con una misura diretta di tensione o di corrente.

Il segnale in ingresso al dispositivo divisore PBS avrà una potenza totale PTOTche scorre lungo la fibra. La potenza totale PTOT è divisa sulle due polarizzazioni fondamentali, ovvero sulle componenti x ed y, che sono parallele ai due assi principali della fibra. Pertanto ogni componente x e y avrà una corrispondente potenza Px e Py e la somma delle due potenze sarà sempre pari alla potenza totale.

La potenza totale PTOT soddisfa quindi la seguente relazione matematica: PTOT=Px+Py, ovvero la potenza totale PTOTè la somma delle potenze delle due compenti di segnale x e y degli assi principali della fibra.

La potenza totale PTOTpuò anche essere espressa come: PTOT=αPTOT βPTOT

dove, in ogni momento, nel tempo e lungo la fibra, considerando trascurabile l’attenuazione dovuta alla propagazione, ossia la perdita di potenza complessiva non è determinante sul risultato, la potenza totale PTOTè costante, ovvero vale la relazione α+β=1.

In seguito ad una sollecitazione qualsiasi sulla fibra (vibrazione, colpo, stress, variazioni di temperatura, etc.) come effetto si ottiene che cambiano tutte le altre relazioni tra i coefficienti α e β. In particolare si ha che la loro somma è sempre costante (α+β=1), ma lavorando ad esempio sulla variazione dei singoli α e β o della loro differenza (α-β) o del loro rapporto (α/β) o del loro prodotto (α*β), è possibile scoprire che è avvenuto un fenomeno sulla fibra ed eventualmente è possibile valutare l’entità della sollecitazione. Altre relazioni sono possibili.

Se è di interesse solo una valutazione di tipo qualitativo della sollecitazione (è avvenuto qualcosa, ad esempio la fibra ha ricevuto un colpo) è sufficiente notare che c’è stata una variazione relativa nei valori dei coefficienti α e β (differenza, rapporto, o prodotto) processando il segnale elettrico a valle dei fotodiodi PD1 e PD2. Infatti, i segnali elettrici in uscita dai fotodiodi PD1 e PD2 sono proporzionali alle rispettive potenze Px e Py associate alle diverse componenti x e y. In particolare, il segnale in uscita dal fotodiodo PD1 sarà proporzionale alla potenza Px, mentre il segnale in uscita dal fotodiodo PD2 sarà proporzionale alla potenza Py.

Se viceversa interessa una valutazione quantitativa, è necessario effettuare prima una calibrazione del sistema che associ un valore del fenomeno ad ogni coppia di coefficienti (α, β), ad esempio in una lookup table immagazzinata in un sistema digitale.

Sono inoltre possibili altre tipologie di elaborazioni, a seconda delle informazioni che si vogliono ottenere.

Se si vogliono ad esempio misurare solo variazioni veloci e depurare il segnale da variazioni lente (ad esempio dovute alle variazioni di temperatura) si può inserire a valle del fotodiodo (PD1 e PD2) un filtro (analogico o digitale) di tipo passa-alto.

Viceversa, se si vogliono misurare solo variazioni lente e depurare le uscite dalle variazioni veloci (ad esempio se si vuole misurare una variazione di temperatura e si vuole che una vibrazione od un colpo non interferisca sul risultato) si può inserire a valle del fotodiodo (PD1 e PD2) un filtro (analogico o digitale) di tipo passa-basso.

Un possibile esempio di applicazione di tipo qualitativo è quello di un vetro antisfondamento dotato di una fibra per il monitoraggio delle sollecitazioni. In tal caso non interessa sapere l’entità della sollecitazione, basta sapere se vi è stata una sollecitazione.

Tornando alla Figura 2a, tali due uscite U1 e U2 possono variare nel tempo in conseguenza delle sollecitazioni subite dalla fibra sensibile che realizza il percorso ottico.

Con questa soluzione, non serve un controllore di polarizzazione in trasmissione, quindi in trasmissione può essere utilizzata una qualsiasi sorgente laser senza necessità di conoscere a priori la polarizzazione del segnale generato.

In fase di ricezione si avrà una suddivisione del segnale in arrivo x+y secondo le sue due polarizzazioni fondamentali, parallele agli assi principali della fibra, ottenendo due componenti di potenza Px+Py=αPTOT+βPTOT. Tali componenti x e y del segnale vengono ricevute dai due fotodiodi PD1 e PD2 che ne misurano le rispettive potenze Px e Py (vedere grafici figure 2b e 2c). In particolare, la somma delle potenze Px e Py delle due componenti x e y del segnale è sempre costante (a meno delle perdite trascurabili). Viceversa, il rapporto (o la differenza o il prodotto) delle potenze Px e Py delle due componenti x e y del segnale varia in seguito a sollecitazioni esterne.

Pertanto, nell’espressione PTOT=α*PTOT+β*PTOTi coefficienti α e β cambiano nel tempo e nello spazio lungo la fibra. In particolare, con riferimento alle figure 2b e 2c, è possibile notare che in ogni istante la somma di Px e Py è pari a uno, ma ad esempio all’istante 17 entrambi i coefficienti α e β variano (vedere Figure 2b e 2c) e il loro rapporto cambia per segnalare l’effetto di una sollecitazione. Di conseguenza, analizzando a titolo di esempio i grafici delle Figure 2b e 2c è possibile rilevare che all’istante 17 c’è stata una sollecitazione, e che la potenza Px è scesa dal suo valore costante di 0,7 al nuovo valore 0,2 mentre la potenza Py è salita dal valore costante di 0,3 al valore di picco 0,8. Come è possibile valutare dai grafici riportati nelle Figure 2b e 2c, la somma dei due coefficienti α e β è sempre pari a 1 (vedere Figura 2d), ma nel tempo ad esempio la loro differenza varia (vedere Figura 2e). In particolare, ad esempio all’istante 6 la differenza vale α-β= 0,7-0,3= 0,4 mentre all’istante 17 vale α-β= 0,2-0,8= -0,6).

I vantaggi di questa soluzione rispetto alla soluzione nota descritta nel suddetto brevetto sono:

- non occorre avere un controllo di polarizzazione al trasmettitore; questo permette di semplificare l’architettura della sorgente ottica e riduce pertanto il costo;

- al lato ricevitore, si dispone di due uscite la cui somma ha una potenza costante e le variazioni dei coefficienti α e β indicano che vi è stata una sollecitazione.

In questo modo aumenta la possibile dinamica di misura. Infatti nella precedente soluzione nota che utilizza un polarizzatore, parte della potenza in ingresso veniva riflessa e pertanto la potenza in uscita non era massima perché una parte veniva dispersa.

La soluzione qui proposta, che prevede il dispositivo divisore PBS e i due fotodiodi PD1 e PD2, è facilmente realizzabile in ottica integrata (ad esempio silicon photonics), a differenza della soluzione con polarizzatore. Questo perché ad oggi sono difficilmente realizzabili forme di controllo della polarizzazione in ottica integrata, ad esempio su piattaforme quali il silicio.

Diversamente, il dispositivo PBS e i fotodiodi PD1 e PD2 sono dei componenti classici discreti per i quali è più semplice una realizzazione sotto forma di circuito ottico integrato.

In particolare si possono avere tutti e tre i componenti discreti realizzati su un’unica piattaforma, ovvero su uno stesso dispositivo integrato realizzato in ottica integrata. In questo caso si ha una riduzione dello spazio necessario per la realizzazione e una riduzione dei costi.

Diversamente è possibile che i tre componenti siano realizzati separatamente e poi utilizzati per realizzare il sistema.

In alternativa è possibile avere una realizzazione in cui il PBS e un fotodiodo sono integrati su uno stesso dispositivo, mentre il secondo fotodiodo è un componente separato. Le implementazioni qui descritte ipotizzano che tutta la fibra utilizzata sia sensibile.

Tuttavia avere una realizzazione in cui tutta la fibra è potrebbe essere inefficiente, a seconda degli obiettivi del sistema.

In una forma di attuazione alternativa, per limitare il tratto di fibra sensibile, si utilizza al trasmettitore un laser con una uscita a mantenimento di polarizzazione (PM) seguito da un tratto di fibra PM con polarizzazione accordata all’uscita del laser (si tratta di comprare la fibra giusta, non occorre polarizzatore tra i due). La fibra PM è una fibra in cui la simmetria è così rotta (ossia con un core così ellittico) che una polarizzazione lungo un asse principale è mantenuta fino all’uscita. Poiché la seconda polarizzazione non è mai eccitata, la dispersione dei modi di polarizzazione PMD non si verifica.

La fibra PM sarà poi collegata alla porzione di fibra sensibile, seguita dal dispositivo divisore PBS e dai due fotodiodi PD1 e PD2.

In una forma di realizzazione alternativa, qualora fosse necessario mantenere i fotodiodi PD1 e PD2 lontani dal PBS, il collegamento tra questi può essere effettuato tramite spezzoni di fibra ottica lunghi a piacere. In questo modo, l’interrogatore sarebbe mantenuto a distanza dal tratto di fibra sensibile. In questo modo, si possono avere i fotodiodi anche a chilometri dal PBS. Nel caso in cui siano realizzati con componenti discreti anziché con un circuito integrato, il PBS ed i due fotodiodi sono comunque collegati con una fibra, solitamente corta.

Mentre la presente invenzione è stata descritta con riferimento a forme di realizzazione particolari, va sottolineato che la presente invenzione non è limitata alle forme di realizzazione particolari descritte e rappresentate nelle figure ma piuttosto che la presente invenzione comprende tutte quelle varianti e/o modifiche delle forme di realizzazione descritte e rappresentate nelle figure che rientrano nello scopo delle rivendicazioni.

Claims (17)

1. RIVENDICAZIONI 1) Procedimento per la rilevazione di forze agenti su di un trasduttore ottico (1), comprendente le fasi di: - predisporre una sorgente di segnale ottico atta a trasmettere segnali ottici (2a, 2b), - predisporre detto trasduttore (1) su di un percorso ottico (1f) atto a propagare segnali ottici (2a, 2b) tra detta sorgente e un ricevitore, - predisporre su detto percorso ottico (1f) mezzi sensori (1b) atti a modificare la trasmissione di detti segnali ottici lungo detto percorso ottico come conseguenza di una sollecitazione (5) agente su di essi, caratterizzato dal fatto che detto procedimento prevede la fase di predisporre in detto ricevitore un dispositivo divisore di polarizzazione (PBS) per la suddivisione del segnale ottico (x,y,PTOT) in arrivo in due componenti (U1,U2,αPTOT,βPTOT) da inviare a due dispositivi ricevitori (PD1,PD2) in cui ciascun dispositivo ricevitore (PD1,PD2) converte il segnale ottico ricevuto in un corrispondente segnale elettrico ed in cui: - la somma delle potenze (αPTOT,βPTOT) delle due componenti (U1,U2) del segnale è sempre costante, - in assenza di una sollecitazione anche le altre relazioni tra le potenze (αPTOT,βPTOT) delle due componenti (U1,U2) del segnale sono costanti, e - in presenza di una sollecitazione variano le altre relazioni tra le potenze (αPTOT,βPTOT) delle due componenti (U1,U2) del segnale.
2. 2) Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che dette altre relazioni tra le potenze (αPTOT,βPTOT) delle due componenti (U1,U2) sono selezionate tra differenza, rapporto e prodotto delle potenze (αPTOT,βPTOT).
3. 3) Procedimento secondo la rivendicazione 1 o la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detta sorgente di segnale ottico è selezionata tra i laser singolo modo.
4. 4) Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 3, caratterizzato dal fatto che detto percorso ottico (1f) e detto trasduttore (1) sono realizzati da una fibra ottica sensibile.
5. 5) Procedimento secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detta fibra ottica è selezionata tra le fibre ottiche single mode.
6. 6) Procedimento secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni 4 a 5, caratterizzato dal fatto che detti mezzi sensori (1b) comprendono una porzione (1bb) di detta fibra ottica atta a essere deformata in seguito a una sollecitazione (5) agente su di essa in modo da modificare la potenza (αPTOT,βPTOT) associata ad ogni polarizzazione dei segnali ottici che si propagano lungo detto percorso ottico.
7. 7) Procedimento secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che detti due dispositivi ricevitori (PD1,PD2) sono dei fotodiodi (PD1,PD2).
8. 8) Procedimento secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che è prevista la fase di realizzare in ottica integrata detto dispositivo divisore di polarizzazione (PBS) e detti due dispositivi ricevitori (PD1,PD2) su un’unica piattaforma.
9. 9) Procedimento secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che prevede di selezionare come sorgente di segnale ottico un laser con una uscita a mantenimento di polarizzazione seguito da un tratto di fibra a mantenimento di polarizzazione con polarizzazione accordata all’uscita del laser.
10. 10) Sistema per la rilevazione di forze agenti su di un trasduttore ottico (1), comprendente: - una sorgente di segnale ottico atta a trasmettere segnali ottici (2a, 2b), - un trasduttore (1) predisposto su di un percorso ottico (1f) atto a propagare detti segnali ottici (2a, 2b), - mezzi sensori (1b) predisposti su detto percorso ottico (1f) e atti a modificare la trasmissione di detti segnali ottici (2a, 2b) lungo detto percorso ottico (1f) come conseguenza di una sollecitazione (5) agente su di essi, caratterizzato dal fatto che detto sistema comprende un ricevitore dotato di un dispositivo divisore di polarizzazione (PBS) per la suddivisione del segnale ottico (x,y,PTOT) in arrivo in due componenti (U1,U2,αPTOT,βPTOT) da inviare a due dispositivi ricevitori (PD1,PD2) in cui ciascun dispositivo ricevitore (PD1,PD2) converte il segnale ottico ricevuto in un corrispondente segnale elettrico, in cui - la somma delle potenze (αPTOT,βPTOT) delle due componenti (U1,U2) del segnale è sempre costante, - in assenza di una sollecitazione anche le altre relazioni tra le potenze (αPTOT,βPTOT) delle due componenti (U1,U2) del segnale sono costanti, e - in presenza di una sollecitazione variano le altre relazioni tra le potenze (αPTOT,βPTOT) delle due componenti (U1,U2) del segnale.
11. 11) Sistema secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto detta sorgente di segnale ottico è un laser singolo modo.
12. 12) Sistema secondo la rivendicazione 10 o la rivendicazione 11, caratterizzato dal fatto che detto percorso ottico (1f) comprende una fibra ottica sensibile.
13. 13) Sistema secondo la rivendicazione 12, caratterizzato dal fatto che detta fibra ottica è una fibra ottica single mode.
14. 14) Sistema secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni 12 a 13, caratterizzato dal fatto che detti mezzi sensori (1b) comprendono una porzione (1bb) di detta fibra ottica atta a essere deformata in seguito a una sollecitazione (5) agente su di essa in modo da modificare la potenza (αPTOT,βPTOT) associata ad ogni polarizzazione dei segnali ottici che si propagano lungo detto percorso ottico.
15. 15) Sistema secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni 10 a 14, caratterizzato dal fatto che detti due dispositivi ricevitori (PD1,PD2) sono due fotodiodi (PD1,PD2).
16. 16) Sistema secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni 10 a 15, caratterizzato dal fatto che dispositivo divisore di polarizzazione (PBS) e/o i due fotodiodi (PD1,PD2) sono realizzati in ottica integrata su una singola piattaforma.
17. 17) Sistema secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni 10 a 16, in cui detta sorgente di segnale ottico è un laser con una uscita a mantenimento di polarizzazione seguito da un tratto di fibra a mantenimento di polarizzazione con polarizzazione accordata all’uscita del laser.