ITTO960850A1 - Apparecchio a circuito ottico ritracciante per la misura di grandezze fisiche insensibile a perturbazioni ambientali - Google Patents

Description

Descrizione dell'invenzione industriale dal titolo:

' ' APPARECCHIO A CIRCUITO OTTICO RITRACCIANTE PER LA MISURA DI GRANDEZZE FISICHE INSENSIBILE A PERTURBAZIONI AMBIENTALI"

SOMMARIO

Apparecchio per la misura di grandezze fisiche, del tipo che utilizza un trasduttore per trasformare le variazioni di una grandezza fisica in variazioni dello stato di polarizzazione di un raggio di luce polarizzato, in cui:

- il trasduttore (38; 48A; 58A; 68; 78) è inserito in un circuito ottico (I) il quale è provvisto di separatori di fascio polarizzanti (33 A 33B; 43A; 43B; 53A; 53B; 63A; 63B; 73A; 73B) per scomporre il raggio di luce in componenti avente differente stato di polarizzazione e inviarli lungo un primo cammino ottico (A) e un secondo cammino ottico (B) differenti, che si incontrano in ulteriori separatori di fascio polarizzanti (33A 33B; 43A; 43B; 53A; 53B; 63A; 63B; 73A; 73B) posti all’uscita del circuito ottico I, che ricombinano dette componenti;

- all’uscita del circuito ottico (I) è previsto un elemento riflettore (6; 16; 36; 76) che riflette il raggio di luce all’interno del circuito ottico (I) operando una variazione del piano di polarizzazione del raggio di luce.

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda un sensore ottico per la misura di grandezze fisiche, dotato di una elevata reiezione nei confronti di perturbazioni ambientali non desiderate.

Detto sensore converte queste grandezze in una variazione dello stato di polarizzazione della luce che propaga in esso.

Nei sistemi di sensori polarimetrici, nei quali l'informazione sull’entità della grandezza misurata è codificata nello stato di polarizzazione della luce, un problema particolarmente sentito è il controllo della polarizzazione stessa sia nel sensore che sia sulla linea di trasmissione del segnale codificato in polarizzazione, la quale è solitamente realizzata tramite fibre ottiche. Per evitare l’introduzione di rumore od alterazioni dell'informazione, lo stato di polarizzazione non deve essere alterato da perturbazioni dovute all'ambiente esterno. Questo effetto si accentua qualora vengano usate fibre ottiche per il collegamento delle varie parti costituenti il sistema e per realizzare la linea di trasmissione del segnale codificato in polarizzazione. Infatti parametri ambientali quali vibrazioni, variazioni di temperatura., pressioni e sforzi, alterano la birifrangenza della fibra ottica e quindi lo stato di polarizzazione della luce che in essa propaga.

Per un impiego operativo in un ambiente non controllato, quale ad esempio un complesso industriale, di un sistema di sensori a fibra ottica è pertanto indispensabile ridurre i disturbi ed i conseguenti errori di misura causati dalle condizioni ambientali. Vari metodi sono stati utilizzati al fine di eliminare o ridurre tali errori. Ad esempio, è noto impiegare delle fibre ottiche speciali, dette a mantenimento di polarizzazione, che conservano inalterato lo stato di polarizzazione (lineare) della luce guidata. Lo svantaggio di dette fibre ottiche a mantenimento depolarizzazione è che il grado di polarizzazione che sono in grado di mantenere degrada progressivamente all’aumentare della lunghezza della tratta di fibra.

Una seconda soluzione nota consiste nell'adottare dei metodi di compensazione, attivi o passivi, in grado di riportare lo stato di polarizzazione della luce nella condizione voluta compensando, quindi, gli effetti ambientali indesiderati.

Pertanto sono noti metodi di compensazione attivi che utilizzano dispositivi ottici, comandati con segnali elettrici, per introdurre una correzione opportuna. L'entità della correzione è derivata da una precedente analisi del segnale. Tuttavia la necessità di utilizzare conduttori elettrici per il trasporto dei segnali di correzione e di comando riduce l’insensibilità ai disturbi elettromagnetici propria dei sistemi basati solo su sensori ottici; inoltre la necessità di una prima elaborazione del segnale per ottenere la correzione da apportare introduce una limitazione alla banda passante del sistema dovuta ai tempi di analisi necessari. Spesso si ha inoltre una limitazione della dinamica del sistema, dovuta all'entità massima dell'errore che è possibile correggere. Ad esempio nel brevetto W095 100046 è descritto un sistema nel quale la luce uscente da un sensore a effetto Faraday è separata in due componenti con polarizzazione lineare differente. Dette componenti vengono tradotte in variazione di intensità di una corrente elettrica e come tali poi subiscono operazioni di normalizzazione e di modulazione al fine di rendere il segnale insensibile alla variazione di temperatura. Detto sistema realizza però un immediata conversione del segnale ottico in segnale elettrico, esponendolo perciò ai disturbi elettromagnetici e, secondariamente, si applica solo alle misure delle grandezze elettriche alternate.

Sono anche noti metodi di compensazione passivi che attuano direttamente la correzione del segnale, sia mediante una opportuna elaborazione dello stesso, sia adottando particolari configurazioni ottiche. Ad esempio nel brevetto americano US500861 1 è insegnato un metodo per calcolare l’orientazione del mezzo ottico che costituisce il sensore, di modo che gli effetti di birifrangenza sul mezzo ottico possano essere trascurati rispetto al contributo dell’ effetto Faraday.

Per ottenere una riduzione dei disturbi indotti, sono pure noti sistemi che codificano l'informazione impiegando non la polarizzazione della luce, ma la sua intensità. Infatti in questo caso identiche variazioni dei parametri ambientali producono perturbazioni di intensità del segnale ottico notevolmente inferiori rispetto a quelle di polarizzazione. I sensori ottici che trasducono variazioni di parametri fisici in variazioni di intensità del segnale, però, sono generalmente meno sensibili e lineari dei corrispettivi sensori polarimetrici, e presentano spesso limitazioni di dinamica.

Sono noti poi metodi per annullare gli effetti di perturbazioni di tipo reciproco. Una configurazione ottica particolarmente interessante per attuare ciò è costituita da un sistema ottico ritracciante. In un sistema siffatto la luce percorre due volte, prima in un senso e poi nell'altro, lo stesso cammino ottico: una fibra ottica con uno specchio ad una estremità è un esempio comune di circuito ritracciante. In un sistema ottico così configurato, gli effetti dovuti alle- perturbazioni si accumulano sia all'andata che al ritorno del segnale con modalità precise, che dipendono sia dalle variazioni di biriffangenza indotte nel circuito ottico, sia dallo stato iniziale di polarizzazione. E' altresì noto che sostituendo lo specchio con un particolare dispositivo detto riflettore ortoconiugatore di polarizzazione, si osserva che in un qualsiasi punto del circuito ottico lo stato di polarizzazione della luce al ritorno è ortogonale rispetto all'andata. Ne! caso particolare di una fibra ottica, lo stato di polarizzazione in uscita dalla stessa è ortogonale rispetto a quello in ingresso. Un riflettore ortoconiugatore di polarizzazione è un dispositivo ottico che riflette la luce incidente con polarizzazione ortogonale rispetto a quella d'ingresso. Un esempio pratico di un dispositivo di tal genere è il cosiddetto Mirrored Faraday Rotator (MFR): esso è costituito da un rotatore di Faraday con potere rotatorio di 45°, seguito da uno specchio. La compensazione ottenuta è indipendentemente dall'entità dei disturbi presenti lungo la fibra, purché questi siano di tipo reciproco, ossia indipendenti dal senso di propagazione della luce. Un effetto non reciproco, quale l'effetto Faraday stesso, invalida l'abilità del circuito ottico summenzionato nel compensare variazioni di birifrangenza.

La presente invenzione si propone di risolvere gli inconvenienti sopra citati e di indicare un apparecchio in grado di misurare diverse grandezze fisiche con elevata reiezione ai disturbi ambientali.

Scopo della presente invenzione è quello di realizzare un apparecchio in grado di misurare varie grandezze fisiche traducendole in variazioni dello stato di polarizzazione di un segnale ottico; e successivamente in variazioni di intensità luminosa, al fine di ridurre la sensibilità dell'intero apparecchio a perturbazioni ambientali ed allo stato di polarizzazione iniziale del segnale ottico.

Un altro scopo della presente invenzione è quello di realizzare un apparecchio in grado di misurare grandezze fisiche traducendole in variazioni dello stato di polarizzazione e successivamente in variazioni di intensità luminosa, nel quale sia impiegato un trasduttore dotato di elevata reiezione ai disturbi ambientali.

Per raggiungere tali scopi, forma oggetto della presente invenzione l’apparecchio in grado di misurare varie grandezze fisiche incorporante le caratteristiche delle rivendicazioni allegate.

Ulteriori scopi, caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risulteranno chiari dalla descrizione particolareggiata che segue e dai disegni annessi, fomiti a puro titolo di esempio esplicativo e non limitativo, in cui:

- in figura 1 è riportato uno schema di principio dell’apparecchio di misura secondo la presente invenzione;

- in figura 2 è riportato uno schema di principio di una seconda forma realizzai iva della presente invenzione;

- in figura 3 é riportata uno schema particolareggiato della forma realizzativa rappresentata di Fig. 1;

- in figura 4 è riportato uno schema di una variante di una parte della forma realizzativa rappresentata in Fig. 3;

- in Fig. S è riportato uno schema di una seconda variante di una parte della forma realizzativa rappresentata in Fig. 3;

- in Fig. 6 è riportato uno schema di una terza forma realizzativa della presente invenzione;

- in Fig. 7 è riportato lo schema di una terza variante di una parte della forma realizzativa rappresentata in Fig. 3.

In Fig.1 è rappresentata una sorgente ottica 1 che genera un fascio di luce collimato, che incide su di un separatore di fascio polarizzante 3 .Detto separatore di fascio polarizzante 3 ha la proprietà di separare un fascio di luce incidente in due fasci distinti dotati di stati di polarizzazione ortogonali fra loro e dotati di due direzioni pure ortogonali fra loro, una lungo la direzione di riflessione e l’altra lungo la direzione di trasmissione. Uno dei due fasci ottenuti, quello riflesso, viene perciò diretto al di fuori del sistema ottico, mentre l’altro fascio ottico polarizzato ottenuto in trasmissione percorre un cammino ottico 5 sino a un blocco sensore I. In generale la polarizzazione della luce all'ingresso del blocco sensore I sarà di tipo arbitrario, in dipendenza dalle caratteristiche ottiche del mezzo attraversato, ed inoltre varierà nel tempo a causa delle perturbazioni ambientali agenti lutigo il cammino ottico 5.

L’effetto del blocco sensore I è di tradurre l’entità della grandezza fisica sotto misura in un proporzionale effetto di dicroismo proprio del blocco sensore I, pertanto la luce in uscita dal blocco sensore I, oltre ad avere un nuovo stato di polarizzazione, avrà subito anche una riduzione di intensità proporzionale all’entità della grandezza fisica di misura. Il segnale in uscita incide su di un riflettore ortoconiugatore di polarizzazione 6, che lo riflette nuovamente verso il blocco sensore I. Le particolari proprietà del riflettore ortoconiugatore di polarizzazione 6 producono uno stato di polarizzazione della luce che rientra nel blocco sensore I, ortogonale a quello in uscita dal blocco sensore I. Poiché l’effetto di dicroismo presentato dal blocco sensore I è di tipo reciproco, verrà ora attenuata la componente di polarizzazione che nel primo passaggio attraverso il blocco sensore I non era stata influenzata. Quindi all'uscita del blocco sensore I si avrà in definitiva luce dotata di uno stato di polarizzazione ortogonale rispetto a quello della luce in ingresso, ma attenuata proporzionalmente all'entità della grandezza fisica misurata. Inoltre l’attenuazione totale è indipendente dallo stato della polarizzazione della luce in ingresso al blocco sensore I.

Il segnale ottico modulato in intensità ripercorre infine il cammino ottico 5 in senso inverso e analogamente si presenta in uscita con polarizzazione ortogonale rispetto a quella in ingresso. Esso verrà pertanto indirizzato dal separatore di fascio polarizzante 3 su di un fotorivelatore 2 che trasformerà la modulazione di intensità in una proporzionale variazione di corrente elettrica in uscita. L’insensibilità ai disturbi del circuito verrà illustrata più in dettaglio con riferimento alla Fig. 3.

Per la comodità di trasportare segnali ottici in luoghi remoti e la bassa attenuazione presentata, la fibra ottica, come detto, può essere vantaggiosamente utilizzata per collegare la sorgente ottica 1 e il fotorivelatore 3 con il blocco sensore I ed eventualmente quest'ultimo con il riflettore ortoconiugatore di polarizzazione 6. Nella Fig. 2 è quindi mostrato un circuito ottico equivalente a quello di Fig. 1, realizzato però impiegando fibra ottica. Gli elementi già descritti nella figura precedente vengono indicati con il medesimo numero aumentato di un fattore 10 (es. sorgente ottica 1 in Fig. 1 diventa sorgente ottica 11 in Fig. 2), e non viene pertanto fornita una nuova descrizione degli stessi. La luce proveniente dalla sorgente ottica 11 viene inviata mediante una lente 14 in un separatore di fascio polarizzante 13 realizzato in fibra ottica, detto anche accoppiatore a mantenimento di polarizzazione. Una uscita di detto separatore di fascio polarizzante 13 è collegata mediante un giunto ottico 17 alla fibra ottica 15, che può essere di qualunque tipo, purché non soggetta ad effetti nonreciproci; altre lenti 14 sono poste nel circuito per focalizzare la luce nella fibra ottica 15 o per collimarla in uscita dalle stesse, ma il funzionamento essenziale del circuito rimane inalterato. Con il circuito proposto si è ottenuta pertanto una misura della grandezza fisica di interesse, legata al solo dicroismo indotto nel blocco sensore I, ma indipendente dalle perturbazioni di polarizzazione indotte dall'ambiente esterno sulle fibre ottiche.

Lo schema ottico di un generico sensore di grandezze fisiche secondo l'invenzione proposta è mostrato in Fig. 3, insieme con una possibile realizzazione del blocco sensore I. Esaminando in dettaglio tale blocco, si nota che la luce uscente dal primo tratto di fibra ottica 35 viene collimato dalla lente 34 ed incide quindi su di un separatore di fascio polarizzante 33A. Le due componenti ortogonalmente polarizzate tra loro vengono inviate rispettivamente lungo un cammino ottico A ad un trasduttore 38 e lungo un cammino ottico B a uno specchio 39 . Il trasduttore 38 consiste in un dispositivo che converte la grandezza fisica da misurare in una variazione della polarizzazione della luce che lo attraversa. Tale effetto può essere di tipo sia reciproco che nonreciproco e tra le grandezze fisiche misurabili si possono annoverare il campo elettrico, il campo magnetico (e quindi sia la tensione che la corrente elettrica) e la temperatura. In seguito alla modifica dello stato di polarizzazione della luce introdotta dal trasduttore 38, solo una parte di questa luce e segnatamente la sua componente lungo la direzione di polarizzazione originaria prima del passaggio attraverso il trasduttore 38, sarà trasmessa dal secondo separatore di fascio polarizzante 33B al di fuori del blocco sensore I, con il risultato di ottenere una attenuazione del segnale proporzionale alla grandezza fisica misurata. Il secondo fascio proveniente dalila riflessione sul separatore di fascio polarizzante 33A viene riflesso dai due specchi 39 e riflesso dal separatore di fascio polarizzante 33B, ivi ricombinandosi con la componente della luce attenuta tramite il passaggio per il trasduttore 38. Il fascio in uscita dal blocco sensore I viene infine focalizzato dalla lente 34 e immesso nella fibra ottica 35 verso il riflettore orto coniugato re di polarizzazione 36. Per le proprietà di questo dispositivo, la luce da esso riflessa e rilanciata nella stessa fibra ottica 35 si ripresenterà all'ingresso del blocco sensore I sul separatore di fascio ottico polarizzante 33B, ma con polarizzazione ortogonale: pertanto, la componente che all'andata era passata attraverso il trasduttore 38 ed era stata perciò attenuata, verrà ora riflessa verso i due specchi 39 e si presenterà in uscita senza ulteriori attenuazioni. La componente inizialmente non attenuata passerà invece attraverso il trasduttore 38 e pertanto subirà anch'essa una attenuazione proporzionale alla grandezza da misurare: tale dispositivo si comporta quindi come il blocco sensore I dicroico descritto in precedenza. La luce che in uscita dal tratto di fibra ottica 35 incide sul separatore di fascio polarizzante 33, avrà pertanto una polarizzazione ortogonale rispetto a quella in ingresso, ed una intensità legata alla grandezza fisica misurata, ma non alle perturbazioni di polarizzazione indotte da effetti ambientali. Infatti l’insieme della fibra ottica 35 e del riflettore ortoconiugatore di polarizzazione 36 realizzano un circuito ottico ritracciante che, come detto, è insensibile ai disturbi di tipo reciproco e inoltre, dato l’impiego del riflettore ortoconiugatore di polarizzazione 36, determina una variazione di 90° sulla luce che ripercorre il cammino nella fibra 35. Avendo polarizzazione ortogonale rispetto al cammino di andata la luce verrà perciò totalmente riflessa dal separatore di fascio polarizzante verso il fotorivelatore 32.

Il sistema proposto si presta a varie modifiche realizzative, a seconda delle necessità di misura ed ad eventuali vincoli di dimensionamento. Ad esempio, il secondo tratto di fibra ottica 35 posto tra il blocco sensore I ed il riflettore ortoconiugatore di polarizzazione 36 può essere eliminato senza inficiare il funzionamento del sistema e risparmiando l'inserimento di due lenti, al fine di ottenere un insieme più compatto. Nella Fig. 4 è mostrata una possibile variante del blocco sensore I. In essa i due specchi 39 sono stati sostituiti da due ulteriori separatori di fascio polarizzanti 43 C e 43D, mentre sono stati aggiunti degli ulteriori trasduttori 48B, 48C e 48D, di modo che una componente di polarizzazione passi attraverso il trasduttore 48A, come già in precedenza, mentre l’altra componente subisca ulteriori scomposizioni e rotazioni di polarizzazione ad opera degli ulteriori separatori di fascio polarizzanti 43C e 43D e degli ulteriori trasduttori 48B, 48C e 48D, che operano in maniera analoga a quella descritta a proposito di figura 3. In tal modo è possibile misurare contemporaneamente più grandezze fisiche, anche tra loro distinte.

La Fig. 5 è analoga alla Fig. 4, con l'aggiunta di due lamine birifrangenti 50 di ritardanza pari a 180°: esse sono orientate con l'asse veloce a 45° rispetto agli assi dei separatori di fascio polarizzanti 53 A, 53B, 53 C, 53D. Con questa aggiunta è possibile ottenere una diversa disposizione dell’ingresso e dell’uscita del segnale ottico dal blocco sensore I, ove si renda necessario per particolari necessità dalla geometria del sistema in cui il blocco sensore I è inserito avere come in figura ingresso e uscita sul medesimo lato.

Per le realizzazioni interamente in fibra ottica è possibile usare separatori di fascio polarizzanti in fibra ottica come pure tratti di collegamento realizzati con fibre ottiche a mantenimento di polarizzazione. In Fig. 6 i due separatori di fascio polarizzanti 63A e 63B sono realizzati in fibra ottica. Il trasduttore 68 è posto tra due uscite degli stessi, previa interposizione di due lenti 64, mentre le altre due uscite sono tra loro connesse mediante un giunto ottico 67 . Gli assi delle fibre a mantenimento di polarizzazione che costituiscono le terminazioni del separatore di fascio ottico polarizzante 63A o 63B sono orientate in modo opportuno a seconda dell'applicazione prevista. E' anche possibile inserire un secondo trasduttore al posto del giunto ottico 67 per realizzare la misura congiunta di due diversi parametri fisici. E' anche possibile realizzare una configurazione che preveda l'uso congiunto di separatori di fascio polarizzanti realizzati in ottica convenzionale e di fibre ottiche, possibilmente a mantenimento di polarizzazione, che sono usate per collegare gli stessi.

In Fig. 7 è mostrata una realizzazione preferita dell’ invenzione, nella quale il blocco sensore I stesso è dotato di un’elevata reiezione nei confronti dei disturbi ambientali. Il circuito ottico è il medesimo già illustrato nelle figure precedenti, con la sorgente ottica 71, i separatori di fascio polarizzanti 73 A, 73B, 73C, il fotorivelatore 72, il cammino ottico 75, il riflettore ortoconiugatore di polarizzazione 76 e le lenti 74. A differenza delle realizzazioni mostrate nelle figure precedenti, in questo caso il cammino ottico B è quello percorso dalla luce che non viene deflessa dal separatore di fascio polarizzante 73A, la quale quindi raggiunge imperturbata il separatore di fascio polarizzante 73B, mentre la luce deflessa e dotata di stato di polarizzazione ortogonale viene avviata sul cammino ottico A sul quale si trova il trasduttore 78. Il trasduttore 78 è costituito da un elemento di fibra ottica F avvolta in spire attorno a un conduttore elettrico 85. Il trasduttore 78 converte in questo caso il campo magnetico generato dal conduttore elettrico 85 in una rotazione del piano di polarizzazione della luce che lo attraversa. In uscita dal trasduttore 78, il fascio ottico incide su di una lamina 79 di materiale otticamente attivo e su di un rotatore di Faraday 80. Detto rotatore di Faraday ha potere rotatorio variabile, in funzione della rotazione che si desidera ottenere. Alternativamente può anche essere utilizzata una lamina birifrangente lineare in luogo del rotatore di Faraday 80, che procura parimenti una rotazione variabile dello stato di polarizzazione della luce incidente, anche se con minore immunità ai disturbi. La lamina 79 di materiale otticamente attivo viene introdotta per ovviare alla sensibilità del trasduttore 78 alle perturbazioni ambientali, in particolare alle variazioni di temperatura. E’ noto infatti che nel trasduttore 78, realizzato in fibra ottica avvolta attorno al conduttore 85 di corrente come riportato in figura, durante l’operazione di avvolgimento e tensionamento della fibra ottica F, viene generata una birifrangenza lineare che si somma a quella intrinseca della fibra ottica stessa. Ciò, come già rilevato, riduce la sensibilità del sensore all’efFetto Faraday. A questo problema viene ovviato torcendo la fibra ottica F intorno al suo asse, il che provoca la comparsa di una birifrangenza circolare puntualmente molto più elevata della birifrangenza lineare, ripristinando cosi la sensibilità all’effetto Faraday. La birifrangenza circolare presenta però un’elevata sensibilità alle variazioni di temperatura, proporzionale alle variazioni della temperatura stessa, che introduce errori nella misura della corrente. Per ovviare a tali errori la fibra ottica F inserita nel trasduttore 78 viene ritorta per metà della sua lunghezza in un senso e per l’altra metà in senso opposto. Si ottiene cosi il duplice scopo di eliminare gli effetti di birifrangenza lineare e di compensare le variazioni dovute ai cambiamenti di temperatura.

Tramite la lamina 79 di materiale otticamente attivo è possibile poi realizzare la compensazione termica per le differenze rimaste fra le due metà della fibra ritorte in senso opposto. La lamina 79 introduce una dipendenza dalla temperatura di egual entità, ma di segno opposto rispetto a quella introdotta dal trasduttore 78.

Il rotatore di Faraday 80 assolve invece alla funzione di variare il punto di lavoro del trasduttore 78 stesso, introducendo un angolo fisso di rotazione e quindi un’attenuazione fissa del segnale di misura. Lo spostamento del punto di lavoro così ottenuto permette ad esempio di azzerare un contributo anche molto grande in corrente continua mantenendo un elevata sensibilità per segnali variabili nel tempo di entità più modesta.

Il trasduttore 78 può anche essere alternativamente realizzato tramite una particolare fibra ottica F denominata “Spun-Fibre”, dotata di bassa birifrangenza lineare sia intrinseca che indotta meccanicamente durante l avvolgimento della fibra stessa, risultando dotato di reiezione particolarmente alta ai disturbi dovuti a vibrazioni meccaniche.

Un modo alternativo per introdurre un effetto equivalente della birifrangenza circolare nella fibra ottica F costituente il trasduttore 78 è quello di avvolgerla in modo da produrre una bassa tensione meccanica e un piccolo piegamento della stessa e realizzare congiuntamente una variazione del piano di polarizzazione per effetti geometrici. E’ noto che ciò può essere ottenuto avvolgendo la fibra attorno a un toro di dimensioni opportune.

Infine si può impiegare una fibra ottica F per il trasduttore 78 la cui birifrangenza lineare sia stata ridotta mediante il noto processo di ricottura (“annealing”) dell’avvolgimento, che elimina la tensioni interne, fonti di birifrangenza, prodotte dalla torsione.

Tutti questi accorgimenti riducono la dipendenza dalla temperatura.

Dalla descrizione effettuata risultano chiare le caratteristiche della presente invenzione, così come chiari risultano i suoi vantaggi.

L’invenzione sfrutta le caratteristiche più vantaggiose dei metodi a codifica in polarizzazione e codifica in intensità luminosa, in modo che la variazione di polarizzazione causata dalla grandezza fisica da misurare, che consente una grande sensibilità, viene convertita localmente all'uscita dal sensore ottico stesso in una corrispondente variazione d'intensità luminosa, che è relativamente immune ai disturbi ambientali, la quale viene infine guidata da una fibra ottica ad un semplice rivelatore fotoelettrico.

Un altro vantaggio è costituito dalla disponibilità ed economicità dei materiali necessari. Il tipo di fibra ottica impiegata per i collegamenti tra il blocco sorgente/rivelatore ed il blocco sensore I non è critico, purché essa non presenti caratteristiche nonreciproche riguardo alla propagazione della luce polarizzata. Una fibra ottica monomodale standard per telecomunicazioni è la scelta meno costosa. Anche la lunghezza d'onda della sorgente non è critica, se non in relazione ai componenti ottici utilizzati ed ai trasduttori impiegati. Un diodo laser od un LED per telecomunicazioni costituiscono la scelta più conveniente. I separatori di fascio polarizzanti possono essere di vario tipo, sia ‘tutto-fibra’ che normali realizzazioni in ottica convenzionale, quali cubi "polarizing beam splitter" o separatori in calcite. La scelta di piccoli cubi beam splitter è la meno costosa pur consentendo di ottenere buone prestazioni dal circuito.

Un altro vantaggio è costituito dal fatto che l’invenzione permette l’impiego di un gran numero di trasduttori differenti per misurare grandezze fisiche differenti.

Per misurare una tensione o un campo elettrico il trasduttore può essere composto da un cristallo elettro-ottico più alcuni eleménti birifrangenti, tutti posizionati con opportuno orientamento degli assi ottici rispetto ai separatori di fascio polarizzanti. Sottoponendo il cristallo ad un campo elettrico od applicando una differenza di potenziale allo stesso si ottiene all'uscita del sistema una rotazione della polarizzazione della luce per effetto elettroottico. Per la misura di tensioni più basse possono essere convenientemente usati dispositivi a cristalli liquidi.

Per la misura di campi magnetici o di correnti elettriche il trasduttore è realizzato con un materiale ottico di alta costante di Verdet (ad esempio del vetro FR-5 o del cristallo YIG). Per effetto Faraday esso ruota lo stato di polarizzazione della luce che lo attraversa in funzione dell'ampiezza e della direzione del campo magnetico presente. Se tale campo magnetico è generato da una corrente circolante in un conduttore elettrico, è anche possibile utilizzare della fibra ottica avvolta in spire attorno a tale conduttore per rilevare la corrente stessa.

Benché tale effetto sia nonreciproco, il circuito proposto secondo l'invenzione non risente in alcun modo di tale fatto.

Per la misura di temperatura il trasduttore può essere realizzato con una lamina di materiale biri frangente, la cui birifrangenza sia fortemente influenzata dalla temperatura (ad esempio del rutilo, Ti02).

Per la misura di grandezze meccaniche si può pure impiegare della fibra ottica come elemento sensore ed è possibile misurare parametri meccanici quali pressioni, sforzi e deformazioni.

Indipendentemente dalla particolare applicazione prevista, l’intera famiglia di sensori realizzabili sulla base dell'invenzione sopradescritta possiede le caratteristiche comuni di seguito elencate:

-il particolare trasduttore utilizzato codifica la grandezza fisica da misurare in una corrispondente variazione dello stato di polarizzazione del segnale ottico; all'interno del blocco sensore tale variazione viene trasformata in una variazione di intensità: tutto il segnale di ritorno, codificato in intensità, viene rivelato con un fotorivelatore. - grazie alla presenza del riflettore ortoconiugatore di polarizzazione, il circuito non richiede un controllo costante della polarizzazione della luce nei tratti di cammino ottico afferenti al sensore stesso, ed inoltre esso è insensibile ai disturbi ambientali, quali vibrazioni, pressioni, variazioni di temperatura, presenti lungo il cammino ottico. La cancellazione di tali disturbi è effettiva fintantoché questi non provochino attenuazioni del segnale ottico trasportato.

Inoltre, l'invenzione proposta non richiede dispositivi attivi per la correzione degli errori in quanto effettua una compensazione automatica degli stessi,

E’ da osservare che, perché si abbia una buona soppressione degli errori ed una corretta misurazione, occorre che il tempo di volo della luce nell'intero dispositivo ottico, ossia l’intervallo di tempo che trascorre tra il passaggio del segnale all'andata ed al ritorno dello stesso, sia più breve delle variazioni più rapide sia del segnale che del rumore. Quindi brevi tratti di fibra ottica usati come collegamento e piccoli trasduttori garantiscono una banda complessiva più estesa.

E' chiaro che numerose varianti sono possibili per l'uomo del ramo all’apparecchio per la misura di grandezze fisiche descritto come esempio, senza per questo uscire dai principi di novità insiti nell'idea inventiva, cosi come è chiaro che nella sua pratica attuazione le forme dei dettagli illustrati potranno essere diverse, e gli stessi potranno essere sostituiti con degli elementi tecnicamente equivalenti.

Claims (24)

1. RIVENDICAZIONI 1. Apparecchio per la misura di grandezze fisiche, del tipo che utilizza un trasduttore per trasformare le variazioni di una grandezza fisica in variazioni dello stato di polarizzazione di un raggio di luce polarizzato, caratterizzato dal fatto che - il trasduttore (38; 48A; 58A; 68; 78)è inserito in un circuito ottico (I) il quale è provvisto di separatori di fascio polarizzanti (33A; 43A; 53A; 63A; 73A) per scomporre il raggio di luce in componenti aventi differente stato di polarizzazione e inviarli lungo un primo cammino ottico (A) e un secondo cammino ottico (B) differenti, che si incontrano in ulteriori separatori di fascio polarizzanti (33B; 43B; 53B; 63B; 73B) posti all’uscita del circuito ottico I, che ricombinano dette componenti; - all’uscita del circuito ottico (I) è previsto un demento riflettore (6; 16; 36; 76) che riflette il raggio di luce all’interno del circuito ottico (I) operando una variazione del piano di polarizzazione del raggio di luce.
2. 2. Apparecchio per la misura di grandezze fisiche secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il trasduttore (38; 48A; 58A; 68; 78) è posto sul primo cammino ottico (A), mentre il secondo cammino ottico (B) è provvisto di mezzi di guida ottica (39; 67) che non influenzano Io stato di polarizzazione di un raggio di luce.
3. 3. Apparecchio per la misura di grandezze fisiche secondo la rivendicazione 2 caratterizzato dal fatto che l’elemento riflettore (6; 16; 36; 76) opera una variazione di 90 del piano di polarizzazione del raggio di luce incidente.
4. 4. Apparecchio per la misura di grandezze fisiche secondo la rivendicazione 3 caratterizzato dal fatto che l’elemento riflettore (6; 16; 36; 76) è un riflettore ortoconi ugatore di polarizzazione.
5. 5. Apparecchio per la misura di grandezze fisiche secondo la rivendicazione 3 caratterizzato dal fatto che il raggio di luce riflesso dall’elemento riflettore (6, 16; 36, 76) giunge attraverso un cammino ottico (5) che passa per il circuito ottico (I) e un ulteriore separatore di fascio polarizzante (3; 13; 33; 73) a un rivelatore di intensità luminosa (2; 32).
6. 6. Apparecchio per la misura di grandezze fisiche secondo la rivendicazione 5 caratterizzato dal fatto che il circuito ottico (I) comprende due separatori di fascio ottico polarizzanti (13A e I3B), due specchi (19) posti sul secondo cammino ottico (B) ed un trasduttore (38; 48A; 58A; 68; 78) posto sul primo cammino ottico (A) che trasduce la grandezza fisica da misurare in una variazione del piano di polarizzazione del raggio di luce che lo attraversa.
7. 7. Apparecchio per la misura di grandezze fisiche secondo la rivendicazione 5 caratterizzato dal fatto che i separatori di fascio polarizzante (3; 13; 33A, 33B; 43A; 43B; 53A; 53B; 63A; 63B; 73A; 73B) possono essere realizzati interamente in fibra ottica, particolarmente tramite accoppiatori a mantenimento di polarizzazione e/o il secondo cammino ottico (B) può essere realizzato tramite un giunto ottico (67) in fibra ottica.
8. 8. Apparecchio per la misura di grandezze fisiche secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che il trasduttore (38, 48 A) è posto su uno dei due cammini ottici (A), mentre l’altro cammino ottico (B) prevede uno o più trasduttori (48B, 48C, 48D) e uno più mezzi ottici (43 C, 43D) che operano da separatori di fascio polarizzante.
9. 9. Apparecchio per la misura di grandezze fisiche secondo la rivendicazione 8 caratterizzato dal fatto che comprende due lamine a mezz'onda (50) orientate con asse ottico a 45° rispetto agli assi dei separatori di fascio polarizzanti (53A, 53B, 53C, 53D), al fine di cambiare la disposizione geometrica degli ingressi e delle uscite ottiche del circuito ottico (I).
10. 10. Apparecchio di misura di grandezze fisiche secondo la rivendicazione 3 caratterizzato dal fatto che tra il circuito ottico (I) e il riflettore (6; 16; 36; 76) è interposto un tratto di fibra ottica (5).
11. 11. Apparecchio di misura di grandezze fisiche secondo la rivendicazione 5 caratterizzato dal fatto che il trasduttore (38; 48A; 58A; 68) è un trasduttore sensibile alle variazioni di tensione e/o campo elettrico.
12. 12. Apparecchio di misura di grandezze fisiche secondo la rivendicazione 5 caratterizzato dal fatto che il trasduttore (38; 48 A; 58 A; 68) è un trasduttore sensibile alle variazioni di corrente elettrica.
13. 13. Apparecchio di misura di grandezze fisiche secondo la rivendicazione 5 caratterizzato dal fatto che il trasduttore (38; 48A; 58A; 68) è un trasduttore sensibile alle variazioni di temperatura.
14. 14. Apparecchio di misura di grandezze fisiche secondo la rivendicazione 5 caratterizzato dal fatto che il trasduttore (38; 48A; 58A; 68) è un trasduttore di grandezze meccaniche.
15. 15. Metodo di misura di grandezze fisiche caratterizzato dal fatto di prevedere i seguenti passi: a- polarizzazione di un raggio di luce emesso da una sorgente ottica; b- scomposizione in due componenti .aventi stati di polarizzazione ortogonali del raggio di luce tramite un separatore di fascio polarizzante; c- immissione su due cammini ottici differenti delle Sue componenti, l’uno originante una variazione delio stato di polarizzazione proporzionale alla grandezza da misurare, l’altro a variazione dello stato di polarizzazione sostanzialmente nullo. d- ricombinazione delle due componenti polarizzate ortogonalmente del raggio di luce in un separatore di fascio polarizzante; e- riflessione del raggio di luce e variazione di sostanzialmente 90° del suo stato di polarizzazione; f- ripetizione dei passi b, c, d; g- misura dell’intensità del raggio di luce risultante.
16. 16. Trasduttore di grandezze fisiche, particolarmente di corrente elettrica, di tipo polarimetri co, caratterizzato dal fatto che è inserito in un circuito ottico (I) il quale è provvisto di mezzi ottici (3) per scomporre il raggio di luce in componenti aventi differente stato di polarizzazione e inviarli lungo due cammini ottici (A, B) differenti, detti mezzi ottici (3) essendo atti anche ricombinare dette componenti all’uscita del circuito ottico I; - all’uscita del circuito ottico (I) è previsto un elemento riflettore (76) che riflette il raggio di luce all’interno del circuito ottico (I) operando una variazione del piano di polarizzazione del raggio di luce; -il trasduttore (78) è inserito sul cammino ottico (A) del circuito ottico (I), mentre l’altro cammino ottico (B) è a variazione dello stato di polarizzazione del raggio di luce sostanzialmente nulla.
17. 17. Trasduttore di grandezze fisiche secondo la rivendicazione 16 caratterizzato dal fatto che sul cammino ottico (A) del trasduttore (78) è inserita un rotatore di Faraday (80) e/o una lamina (79) di materiale otticamente attivo.
18. 18. Trasduttore di grandezze fisiche secondo la rivendicazione 17 caratterizzato dal fatto che il trasduttore (78) è realizzato per mezzo di una fibra ottica avvolta intomo a un conduttore elettrico (85) in cui passa una corrente elettrica da misurare.
19. 19. Trasduttore di grandezze fisiche secondo la rivendicazione 18 caratterizzato dal fatto che alla fibra ottica (F) è applicata una torsione intoro al suo proprio asse.
20. 20. Trasduttore di grandezze fisiche secondo la rivendicazione 19, caratterizzato dal fatto che la torsione è applicata alla fibra ottica (F) in un verso di variazione per metà della sua lunghezza e nel verso opposto per la restante metà,
21. 21. Trasduttore di grandezze fisiche secondo la rivendicazione 17 caratterizzato dal fatto di impiegare una fibra ottica (F) di tipo “Spun fibre”.
22. 22. Trasduttore di grandezze fisiche secondo la rivendicazione 17 caratterizzato dal fatto che la fibra ottica (F) è avvolta intorno a un toro.
23. 23. Trasduttore dì grandezze fisiche secondo la rivendicazione 17 caratterizzato dal fatto che la fibra ottica (F) subisce un processo di ricottura dopo essere stata avvolta sul conduttore (85).
24. 24. Apparecchio per la misura di grandezze fisiche e/o metodo per la misura di grandezze fisiche e/o trasduttore di grandezze fisiche secondo gli insegnamenti della presente descrizione e dei disegni annessi.