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I sensori di vibrazione a fibre ottiche potrebbero prevenire gli incidenti ferroviari

Una nuova tipologia di accelerometri consentirebbe di impiegare delle reti di rilevamento completamente ottiche per il monitoraggio di treni o di problemi lungo il percorso.

I ricercatori hanno sviluppato nuovi sensori per misurare l’accelerazione e le vibrazioni sui treni. La tecnologia potrebbe essere integrata con intelligenza artificiale per prevenire incidenti ferroviari e catastrofici deragliamenti.

“Ogni anno gli incidenti ferroviari portano a gravi lesioni e persino morti”, ha detto il leader del team di ricerca Hwa-yaw Tam, Professore Ordinario di Fotonica del Politecnico di Hong Kong. “I nostri accelerometri in fibra ottica potrebbero essere utilizzati per il monitoraggio in tempo reale dei difetti nel binario ferroviario o nel treno nonché per individuare eventuali problemi prima che si verifichi un incidente”.

I ricercatori descrivono i loro nuovi accelerometri nella rivista della The Optical Society (OSA) Optics Express. I dispositivi possono rilevare frequenze più del doppio maggiori di quelle dei tradizionali accelerometri a fibra ottica, rendendoli adatti al monitoraggio delle interazioni ruota-rotaia. I sensori durevoli non includono parti mobili e funzionano bene negli ambienti rumorosi e ad alta tensione presenti nelle applicazioni ferroviarie.

Schema dell’accelerometro

“Oltre al monitoraggio ferroviario, questi nuovi accelerometri possono essere utilizzati in altre applicazioni di monitoraggio delle vibrazioni, come ad esempio il monitoraggio strutturale della salute (Structural Health Monitoring) degli edifici e dei ponti nonché la misurazione delle vibrazioni delle ali dell’aeromobile,” ha detto Zhengyong Liu del Dipartimento di Ingegneria Elettrica.

RILEVAMENTO FERROVIARIO COMPLETAMENTE OTTICO

I ricercatori hanno lavorato per oltre 15 anni su sistemi di monitoraggio delle condizioni che utilizzano una rete di rilevamento completamente ottica per monitorare continuamente le componenti critiche delle ferrovie. Questi sistemi possono contribuire a sostituire routine di manutenzione ferroviaria inefficienti e costose con una manutenzione predittiva basata sulle condizioni reali. I sistemi sviluppati dai ricercatori sono stati installati a Hong Kong e Singapore.

“Una rete di rilevamento completamente ottica ha molti vantaggi in quanto è immune alle interferenze elettromagnetiche, ha una lunga distanza di trasmissione e i sensori non richiedono energia elettrica”, ha affermato Liu. “Tuttavia, vi è la necessità di sensori in fibra ottica che siano ottimizzati per misurare diversi parametri nei sistemi ferroviari.”

Gli accelerometri a fibra ottica tipicamente utilizzati nei sistemi di monitoraggio delle condizioni sono basati sulla tecnologia Fiber Bragg Grating (FBGs) e non possono essere utilizzati per rilevare vibrazioni superiori a 500 Hz. Sebbene siano adeguati alla maggior parte delle applicazioni ferroviarie non possono essere utilizzati per misurare le interazioni ruota-rotaia che sono una importante fonte di usura del binario.

Una struttura Fiber Bragg Grating

Per superare questo problema, i ricercatori hanno progettato un nuovo tipo di accelerometro a fibra ottica che utilizza una speciale fibra ottica conosciuta come “polarization-maintaining photonic crystal fiber” che è avvolta in forma di dischi aventi soli 15 millimetri di diametro. La fibra arrotolata è incollata tra un substrato di acciaio inossidabile e un blocco cilindrico. Quando si verifica una vibrazione, il blocco premerà sulla fibra avvolta ad una frequenza corrispondente a quella della vibrazione. Questa forza esterna fa sì che la lunghezza d’onda della luce nella fibra varii in modo misurabile.

“Questa configurazione interferometrica utilizza cambiamenti nella luce all’interno della fibra per acquisire informazioni precise sulle vibrazioni”, ha detto Liu. “L’installazione di questi accelerometri sul telaio di un treno in servizio consente loro di monitorare le vibrazioni che indicherebbero difetti nel binario. Possono anche essere utilizzati per rilevare problemi nelle linee aeree usate per alimentare i treni.”

PROVE DI CONFRONTO SUL CAMPO

Dopo aver accuratamente testato i prototipi del nuovo accelerometro in laboratorio, i ricercatori hanno effettuato una prova sul campo installando il dispositivo su un treno in servizio. Hanno anche installato un accelerometro basato su FBG e un accelerometro piezoelettrico per il confronto.

Hanno scoperto che il nuovo accelerometro a fibra ha rilevato l’accelerazione in modo simile all’accelerometro piezoelettrico. Tuttavia, i sensori piezoelettrici richiedono costosi cavi schermati per ridurre gli effetti del rumore da interferenza elettromagnetica. Poiché l’accelerometro basato su FBG non può funzionare bene alle alte frequenze, il rumore ha nascosto alcune delle informazioni utili sulle vibrazioni.

“I nostri risultati hanno dimostrato che i nostri nuovi accelerometri funzionano molto meglio degli accelerometri usati per monitorare l’accelerazione nei treni”, riferisce Liu.

Dopo questa prima sperimentazione, i ricercatori hanno progettato e fabbricato un nuovo tipo di fibra con diametri esterni più piccoli, perdite di flessione inferiori e una maggiore birifrangenza, che consentirebbe loro di costruire un accelerometro più piccolo ma con una sensibilità ancora maggiore.

“Questi nuovi accelerometri possono aprire nuove possibilità nel rilevamento e monitoraggio fornendo informazioni che supportano l’implementazione di intelligenza artificiale nell’industria ferroviaria” ribadisce Tam. “Nonostante il monitoraggio ferroviario sia un buon esempio di come la sensoristica in fibra ottica possa essere combinate con l’intelligenza artificiale, crediamo che questa combinazione possa essere promettente anche per un ampio numero di industrie e applicazioni”.

Fonti:

https://www.osapublishing.org/DirectPDFAccess/1506BCD5-BBE8-CCD1-A5A46F35596C2105_415546/oe-27-15-21597.pdf?da=1&id=415546&seq=0&mobile=no

https://www.sciencedaily.com/releases/2019/07/190717122617.htm

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