ITTO20120325A1 - MEASUREMENT SYSTEM FOR STRESS AND ENVIRONMENTAL PARAMETERS WITHIN COMPOSITE MATERIALS AND FOR REMOTE TRANSMISSION OF SUCH MEASUREMENTS. - Google Patents
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- G01M5/00—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings
- G01M5/0041—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings by determining deflection or stress
Description
"SISTEMA PER LA MISURAZIONE DI "SYSTEM FOR THE MEASUREMENT OF
SOLLECITAZIONI E PARAMETRI AMBIENTALI ALL'INTERNO DI MATERIALI COMPOSITI E PER LA TRASMISSIONE A DISTANZA DI TALI MISURAZIONI". STRESSES AND ENVIRONMENTAL PARAMETERS WITHIN COMPOSITE MATERIALS AND FOR THE DISTANCE TRANSMISSION OF SUCH MEASUREMENTS ".
DESCRIZIONE DESCRIPTION
La presente invenzione si riferisce ad un sistema di misurazione e trasmissione atto ad essere integrato in un materiale composito come parte o tutto della fase dispersa, allo scopo di misurare dall'interno del materiale composito le sollecitazioni meccaniche alle quali il materiale è sottoposto e di misurare diversi parametri ambientali all'interno del materiale stesso, e di trasmettere all'esterno di detto materiale composito le informazioni rilevate. The present invention refers to a measurement and transmission system suitable for being integrated into a composite material as part or all of the dispersed phase, in order to measure the mechanical stresses to which the material is subjected from within the composite material and to measure different environmental parameters inside the material itself, and to transmit the detected information to the outside of said composite material.
Il materiale composito in oggetto è costituito, a titolo a di esempio non limitativo, da fibre e/o tessuti di materiale impregnatile (quali ad esempio fibre/tessuti in fibra di The composite material in question consists, by way of non-limiting example, of fibers and / or fabrics of impregnable material (such as for example fibers / fabrics in fiber
carburo di silici silica carbide
basalto) con resine e/o colle (quali ad esempio poliesteri, vinilesteri, epossidiche, fenoliche) . basalt) with resins and / or glues (such as polyesters, vinyl esters, epoxies, phenolics).
E ' notò integrare sensori, e gli eventuali processori di segnale, in manufatti diversi allo scopo di rilevare dall'esterno tramite trasmissione via cavo o senza cavo informazioni riguardo le It is known to integrate sensors, and any signal processors, in different artifacts in order to detect from the outside via cable or wireless transmission information about the
sollecitazioni meccaniche che agiscono sul materiale di detto manufatto, introducendo, però, un corpo estraneo nel materiale stesso che ne altera la composizione e le caratteristiche. mechanical stresses which act on the material of said product, however introducing a foreign body in the material itself which alters its composition and characteristics.
E' altresì nota l'integrazione di sensori di deformazione all'interno di materiali compositi; attualmente si impiegano prevalentemente sensori in fibra ottica con reticoli di Bragg, che, rispetto agli estensimetri in lega metallica, possiedono caratteristiche chimico-fisiche tali da alterare in maniera meno gravosa le proprietà meccaniche del materiale composito. Allo stato dell'arte attuale tale integrazione rimane però problematica : The integration of deformation sensors within composite materials is also known; Currently, optical fiber sensors with Bragg gratings are mainly used, which, compared to strain gauges in metal alloy, have chemical-physical characteristics such as to alter the mechanical properties of the composite material in a less severe way. However, at the current state of the art, this integration remains problematic:
-sensori in fibra ottica con reticoli di Bragg influiscono sullo stato deformativo interno al composito, alterando cosi i valori rilevati, - fiber optic sensors with Bragg gratings affect the deformation state inside the composite, thus altering the detected values,
-dal momento che tali sensori ottici devono essere fisicamente collegati ad un generatore/lettore di segnale, i fili e cavi che fuoriescono dal manufatto in materiale composito attraverso la sua superficie, creano vie dì comunicazione tra esempio, l'ingresso di umidità. - since these optical sensors must be physically connected to a signal generator / reader, the wires and cables that come out of the composite material product through its surface, create communication paths, for example, the ingress of humidity.
- l'inserimento di fibre ottiche sotto forma di un cavo continuo crea una discontinuità lineare all'interno del manufatto in materiale composito, creando una potenziale linea di frattura, e lungo il cavo possono iniziare cedimenti della struttura . - the insertion of optical fibers in the form of a continuous cable creates a linear discontinuity inside the composite material product, creating a potential fracture line, and failure of the structure may begin along the cable.
- l'inserimento di tali sensori all'interno di un manufatto in materiale composito richiede un'accurata ingegneri zzazione, dal momento che i punti di rilevamento debbono essere scelti e decisi in fase progettuale, poiché non è possibile spostarli in un secondo momento, e le caratteristiche fisiche del manufatto subiranno modifiche (la struttura si indebolisce) che vanno preventivamente calcolate. - the insertion of these sensors inside a composite material product requires careful engineering, since the detection points must be chosen and decided in the design phase, since it is not possible to move them at a later time, and the physical characteristics of the building will undergo changes (the structure weakens) which must be calculated in advance.
-detti sensori in fibra ottica sono molto costosi. - these fiber optic sensors are very expensive.
E' altresì noto applicare sensori sulla superficie di manufatti, anche in materiale composito. Gli svantaggi dell'applicazione sulla superficie sono molteplici: It is also known to apply sensors on the surface of manufactured articles, also in composite material. The disadvantages of the application on the surface are many:
-il processo di applicazione, in particolar modo sui materiali compositi, risulta laborioso e difficile, - the application process, especially on composite materials, is laborious and difficult,
-i sensori sono esposti all'azione degli agenti esterni, - sensors are exposed to the action of external agents,
-i sensori tendono a scollarsi in un certo arco di tempo, e i dati raccolti, soprattutto dai sensori dì deformazione, perdono gradualmente di affidabilità - the sensors tend to become unglued over a certain period of time, and the data collected, especially from the deformation sensors, gradually lose reliability
La presente invenzione risponde alle necessità più sentite e risponde in modo innovativo a molti dei problemi sopra esposti. L'impiego di materiali compositi si sta diffondendo sempre più in moltissimi campi, quali ad esempio l'edilizia civile, sia per le nuove costruzioni che per il restauro o il consolidamento di quelle esistenti. The present invention responds to the most felt needs and responds in an innovative way to many of the above problems. The use of composite materials is spreading more and more in many fields, such as civil construction, both for new buildings and for the restoration or consolidation of existing ones.
In questo specifico settore risultano di grandissima importanza la possibilità di poter misurare costantemente le sollecitazioni alle quali è sottoposto un manufatto in materiale composito al suo interno nonché la possibilità di misurare costantemente le caratteristiche ambientali interne di detto materiale, in maniera affidabile ma flessibile ed a un costo contenuto. In this specific sector, the possibility of being able to constantly measure the stresses to which a composite material product is subjected inside it is of great importance as well as the possibility of constantly measuring the internal environmental characteristics of said material, in a reliable but flexible way and to a low cost.
Il primo scopo della presente invenzione è quello di dare una risposta valida alle esigenze sopra specificate e di migliorare il controllo strutturale e l'affidabilità di manufatti in materiale composito. The first object of the present invention is to provide a valid response to the above-specified requirements and to improve the structural control and reliability of manufactured articles made of composite material.
Un secondo scopo dell'invenzione consiste nell'inserire durante il processo di produzione un'elettronica miniaturizzata ed integrata all'interno di un manufatto in materiale composito, in grado di identificare in maniera inequivocabile tale manufatto, paragonabile ad un vero e proprio documento d'identità . A second object of the invention consists in inserting, during the production process, a miniaturized and integrated electronics inside a composite material product, capable of unequivocally identifying this product, comparable to a real document of identity.
Un terzo scopo dell'invenzione è la possibilità di memorizzare nel manufatto in materiale composito stesso dati storici, relativi ad esempio alle sollecitazioni meccaniche o alle temperature e ai valori di umidità registrati all'interno durante processi di cottura e/o in condizioni di pressione controllata . A third object of the invention is the possibility of storing historical data in the composite material product itself, relating for example to mechanical stresses or to the temperatures and humidity values recorded inside during firing processes and / or under controlled pressure conditions. .
Un ulteriore scopo dell'invenzione consiste nel semplificare il processo di ingegnerizzazione riguardo alla distribuzione dei punti e delle zone da monitorare :grazie alla ottima compatibilità e al costo contenuto del sistema oggetto della presente invenzione, è possibile inserire un grande numero di unità durante il processo di costruzione del manufatto, e la lettura delle informazioni raccolte da ogni singola unità avverrà di volta in volta secondo le esigenze. A further object of the invention is to simplify the engineering process regarding the distribution of the points and areas to be monitored: thanks to the excellent compatibility and low cost of the system object of the present invention, it is possible to insert a large number of units during the process. construction of the artifact, and the reading of the information collected by each individual unit will take place from time to time according to needs.
Per compatibilità si intende la possibilità che i componenti del sistema, realizzati in fibra impregnabile e conduttiva (ad esempio fibra di carbonio o fibra di titanio) e con componenti elettronici incapsulati in matrice impregnabile (ad esempio epossidica) vengano impregnati dalla matrice (ad esempio resine e/o colle epossidiche, poliesteri, vinile steri, fenoliche) cosi come la rimanente parte della fase dispersa di detto composito, qualora presente : l'utilizzo e l'inserimento del sistema cosi realizzato non altera quindi le caratteristiche del composito dal punto di vista meccanico e non costituisce un potenziale punto di debolezza del composito stesso. Compatibility means the possibility that the system components, made of impregnable and conductive fiber (for example carbon fiber or titanium fiber) and with electronic components encapsulated in an impregnable matrix (for example epoxy) are impregnated by the matrix (for example resins and / or epoxy, polyester, vinyl ester, phenolic glues) as well as the remaining part of the dispersed phase of said composite, if present: the use and insertion of the system thus created does not alter the characteristics of the composite from the point of view mechanical and does not constitute a potential weakness of the composite itself.
Questi ed altri scopi della presente invenzione vengono raggiunti tramite un sistema di misurazione e trasmissione integrabile all'interno di un materiale composito durante la fase di costruzione del materiale stesso, atto a rilevare dall'interno le sollecitazioni alle quali viene sottoposto il manufatto nel quale il sistema è integrato, oltre che a rilevare i valori di uno o più parametri ambientali all'interno tale manufatto in materiale composito. These and other purposes of the present invention are achieved by means of a measurement and transmission system that can be integrated into a composite material during the construction phase of the material itself, capable of detecting from the inside the stresses to which the product is subjected in which the the system is integrated, as well as detecting the values of one or more environmental parameters within this composite material product.
Con riferimento al disegno annesso (Tavola 1) , che ne illustra un esempio di realizzazione non limitativo, il sistema (1) è caratterizzato dal fatto di comprendere i seguenti elementi: With reference to the attached drawing (Table 1), which illustrates a non-limiting example of implementation, system (1) is characterized by the fact that it includes the following elements:
-uno o più sensori di deformazione (2), realizzati con fibra impregnabile e elettricamente conduttiva e compatibile con la matrice di detto materiale composito e compatibile con la eventuale altra parte della fase dispersa di detto materiale composito (ad esempio realizzati in fibra di carbonio), -one or more deformation sensors (2), made with impregnable and electrically conductive fiber and compatible with the matrix of said composite material and compatible with any other part of the dispersed phase of said composite material (for example made of carbon fiber) ,
-uno o più sensori (3) in grado di rilevare uno o più parametri ambientali all'interno di detto materiale composito, realizzati in un materiale compatibile con la matrice e con la eventuale altra parte della fase dispersa, - one or more sensors (3) capable of detecting one or more environmental parameters within said composite material, made of a material compatible with the matrix and with any other part of the dispersed phase,
-un'elettronica integrata (4), in grado di leggere le informazioni raccolte da detti sensori (2) e/o (3) e ritrasmetterle all'esterno attraverso una o più antenne (5) quando colpita attraverso dette antenne (5) da una emissione modulata di onde elettromagnetiche o quando alimentata da una sorgente di energia, - an integrated electronics (4), capable of reading the information collected by said sensors (2) and / or (3) and retransmitting them to the outside through one or more antennas (5) when hit through said antennas (5) to be a modulated emission of electromagnetic waves or when powered by an energy source,
-uno o più antenne (5), realizzate con fibra impregnabile e elettricamente conduttiva e compatibile con la matrice di detto materiale composito e compatibile con la eventuale altra parte della fase dispersa di detto materiale composito (ad esèmpio realizzate in fibra di carbonio). -one or more antennas (5), made with impregnable and electrically conductive fiber and compatible with the matrix of said composite material and compatible with any other part of the dispersed phase of said composite material (for example made of carbon fiber).
Questi elementi sono collegati tra loro in maniera opportuna, in modo tale che l'elettronica integrata rileva i valori dei sensori e li trasmette attraverso la o le antenne quando attivata/e. L'elettronica non richiede necessariamente alimentazione elettrica propria, ma può ricavare l'energia necessaria da un'emissione modulata di onde elettromagnetiche proveniente dall'esterno e contenente la richiesta di informazioni; in alternativa può essere dotata di sorgente di energia autonoma, a perdere o ricaricabile. These elements are connected to each other in an appropriate manner, so that the integrated electronics detect the values of the sensors and transmit them through the antenna (s) when activated. Electronics do not necessarily require its own electrical power supply, but can obtain the necessary energy from a modulated emission of electromagnetic waves coming from the outside and containing the request for information; alternatively it can be equipped with an autonomous, disposable or rechargeable energy source.
Nella figura 1 viene, a tìtolo esemplificativo, illustrato una versione del sistema nella quale l'elettronica non possiede un'alimentazione elettrica propria. In questa configurazione il sistema conferisce a un manufatto in materiale composito caratteristiche di "risonanza", vale a dire che il materiale composito emette un'informazione sotto forma di onde elettromagnetiche quando investito da un'emissione radio modulata secondo codice specifico, senza necessità di sorgente di energia propria ma rimodulando l'emissione radio proveniente dall'esterno ("risonando") . Figure 1 illustrates, by way of example, a version of the system in which the electronics do not have their own electrical power supply. In this configuration, the system gives a composite material product "resonance" characteristics, that is to say that the composite material emits information in the form of electromagnetic waves when hit by a radio emission modulated according to specific code, without the need for a source of its own energy but remodeling the radio emission coming from the outside ("resonating").
Una delle caratteristiche fondamentali del sistema è la omogeneità dei suoi componenti con il materiale composito nel quale viene integrato come fase dispersa, in modo da non compromettere le caratteristiche chimico-fisiche del manufatto. One of the fundamental characteristics of the system is the homogeneity of its components with the composite material in which it is integrated as a dispersed phase, so as not to compromise the chemical-physical characteristics of the product.
inserimento in un manufatto di materiale composito: il numero dei sensori da inserire e la profondità delle loro posizioni nel materiale non sono vincolati da necessità strutturali. L' ingegnerizzazione di un eventuale monitoraggio di un manufatto in materiale composito viene notevolmente facilitata da questa caratteristica del sistema. Inoltre si può decidere a posteriori e in ogni momento quali delle unità presenti nel manufatto andare a leggere. insertion in a composite material product: the number of sensors to be inserted and the depth of their positions in the material are not constrained by structural needs. The engineering of a possible monitoring of a composite material product is considerably facilitated by this characteristic of the system. Furthermore, it is possible to decide afterwards and at any time which of the units present in the artifact to read.
La o le antenne e uno o più sensori possono fisicamente coincidere . The antenna (s) and one or more sensors can physically coincide.
Dal momento che il sistema viene integrato come fase dispersa all'interno di un manufatto in materiale composito, esso è protetto dalle aggressioni di agenti esterni ; la sua durata nel tempo risulta quindi essere la stessa del manufatto in cui si trova, e il suo grado di protezione dagli agenti esterni è determinato dalla resistenza del materiale che costituisce il manufatto stesso a detti agenti esterni. Since the system is integrated as a dispersed phase inside a composite material product, it is protected from the aggression of external agents; its duration over time is therefore the same as the product in which it is located, and its degree of protection from external agents is determined by the resistance of the material that constitutes the product itself to said external agents.
L'assenza di collegamenti fisici con l'esterno, quali ad esempio fili o cavi, previene il rischio di infiltrazioni lungo queste "vie di comunicazione" tra l'esterno e l'interno del materiale, potenzialmente in grado di deteriorarlo. Questo risulta particolarmente importante per certe misurazioni come ad esempio quella dell'umidità all'interno del manufatto : la misurazione non viene falsata da infiltrazioni lungo fili o cavi collegati con l'esterno. The absence of physical connections with the outside, such as wires or cables, prevents the risk of infiltrations along these "communication routes" between the outside and inside of the material, potentially capable of deteriorating it. This is particularly important for certain measurements such as that of the humidity inside the product: the measurement is not distorted by infiltrations along wires or cables connected to the outside.
L'elettronica può integrare una memoria non volatile, in grado di memorizzare dati di identificazione permanenti e valori rilevati dai sensori durante determinate fasi della vita del manufatto in materiale composito. The electronics can integrate a non-volatile memory, capable of storing permanent identification data and values detected by the sensors during certain phases of the life of the composite material product.
Il sistema impiega un software proprietario, appositamente sviluppato per la lettura, l'elaborazione e la trasmissione delle informazioni rilevati dai sensori, tramite specifici algoritmi di campionamento, filtraggio e normalizzazione (es. in funzione della temperatura interna al manufatto in materiale composito) delle informazioni ricevute dall'elettronica interna. The system uses proprietary software, specially developed for the reading, processing and transmission of the information detected by the sensors, through specific sampling, filtering and normalization algorithms (e.g. as a function of the internal temperature of the composite material product) of the information received from the internal electronics.
Il sistema è caratterizzato dal fatto che detto sistema può essere calibrato, reimpostato, interrogato dall'esterno con 1' impiego di tecniche non-invasive. The system is characterized by the fact that said system can be calibrated, reset, interrogated from the outside with the use of non-invasive techniques.
Il sistema collabora con un ricetrasmettitore da posizionare in prossimità ma sempre all'esterno del materiale composito, che interroga (fornendo contemporaneamente, se necessario, l'energia richiesta) l'elettronica interna. The system collaborates with a transceiver to be positioned near but always outside the composite material, which interrogates (simultaneously supplying, if necessary, the required energy) the internal electronics.
Il sistema, per le sue caratteristiche di semplicità e grazie all'impiego di materiali altamente compatibili con i più diffusi materiali compositi, è producibile industrialmente a basso costo e The system, due to its characteristics of simplicity and thanks to the use of materials highly compatible with the most common composite materials, can be industrially produced at low cost and
quindi utilizzabile in quantità, ad esempio disponendone un numero prestabilito per unità di superficie su fogli di materiale impregnabile utilizzati per la produzione di laminati. therefore it can be used in quantities, for example by arranging a predetermined number per surface unit on sheets of impregnable material used for the production of laminates.
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2012
- 2012-04-13 IT IT000325A patent/ITTO20120325A1/en unknown
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