RICERCA ITALIANA     

Materiali Magneto-Elastici e Sensori Optoelettronici: Integrazione di Tecnologie per la Realizzazione di Attuatori e Sensori "Smart".

Università degli Studi del Sannio di Benevento

Abstract

La combinazione di materiali innovativi con la tecnologia dell'informazione permette di realizzare dispositivi che reagiscono e si adattano ai cambiamenti dell'ambiente circostante ("intelligenti"). Tali dispositivi, utilizzano materiali piezolelettrici, magnetostrittivi, leghe a memoria di forma. In particolare, alcuni dei suddetti materiali, di più recente sviluppo, presentano elevate forze esplicate e notevoli accoppiamenti magneto-elastici e suscitano interesse in diversi settori tecnologici (robotica, ingegneria aerospaziale, etc.).
Inoltre, tali materiali, correlando grandezze magnetiche e meccaniche, permettono anche di sviluppare diverse tipi di sensori, promettenti in molti campi avanzati della tecnologia (avionica, automazione, etc.) Tra questi, i sensori multipunto di campo magnetico sono quelli che suscitano il maggiore interesse.
Un elemento cruciale, sia nella catena di controllo di un attuatore che nella realizzazione di sensori di campo, è la rilevazione della deformazione del materiale. I sensori in Fibra ottica (FOS) ed i reticoli di Bragg in particolare, con le loro caratteristiche d'elevata sensibilità, basso ingombro, ridotta intrusività ed immunità alle interferenze, facilità di multiplexing, sembrano ideali per tali scopi.

Le proprietà dei moderni materiali ad elevato accoppiamento magneto-elastico e le interessanti proprietà degli FBG, giustificano ulteriori ricerche sia di carattere fisico-modellistico dei materiali sia di sviluppo e integrazione di diverse tecnologie innovative.

Pertanto, il progetto proposto si propone come obiettivo
l'analisi e l'integrazione di materiali ad elevato accoppiamento magneto-elastico (GME), con le tecnologie dei sensori in fibra ottica (FOS) per lo sviluppo di attuatori intelligenti e sensori di campo avanzati.

Le attività operative, necessarie per il raggiungimento dell'obiettivo si possono raggruppare come segue:

CARATTERIZZAZIONE
I materiali selezionati nella fase preliminare del progetto (Terfenol, leghe Ni-Mn-Ga) verranno caratterizzati in termini di relazioni campo-induzione a stress assegnato e in termini di stress-deformazione ad induzione imposta, mediante classici metodi estensimetrici e mediante FOS;
MODELLISTICA
Tale fase prevede lo sviluppo di modelli in grado di descrivere, dal punto di vista macroscopico, il comportamento del singolo campione di materiale magneto-elastico, sia in termini statici (memoria rate-independent), che dinamici. Inoltre, si svilupperanno le adeguate procedure di identificazione e la definizione di algoritmi di compensazione numericamente efficienti; si prevede, inoltre, l'ottimizzazione dei sensori in fibra ottica, sulla base dei risultati ottenuti nella fase di caratterizzazione;
PROGETTAZIONE DIMOSTRATORI
Sulla base delle specifiche dei dimostratori selezionati, mediante l'analisi elettromagnetica e meccanica dell'elemento attivo, si definiranno le caratteristiche geometriche sia dell'attuatore che dell'elemento attivo per il sensore di campo. Parallelamente si procederà, alla definizione delle procedure e degli algoritmi di controllo dell'attuatore e alla sintesi dei FOS. Infine si procederà all'analisi modellistica dei dispositivi integrati.
REALIZZAZIONE DIMOSTRATORI E TESTING
Tale fase prevede la realizzazione di due prototipi con cui mostrare le potenzialità dei suddetti dispositivi, sia come attuatori intelligenti sia come sensori di campo, confrontandone le prestazioni con quelle dei dispositivi commerciali disponibili.

Risulta evidente che il raggiungimento di tali obiettivi richiede la sintesi di competenze molto diverse che spaziano dalla fisica dei materiali, all'optoelettronica ai controlli automatici, all'elettrotecnica. Ciò giustifica, pertanto, la diversificazione delle competenze delle varie unità, che vantano non soltanto solide esperienze in ciascun settore, ma anche attività di cooperazione scientifica, indispensabili per realizzare un progetto di ricerca fortemente interdisciplinare. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Antonello CUTOLO Università degli Studi del SANNIO di BENEVENTO

Obiettivo del Programma di Ricerca

Il progetto si pone come obiettivo la valutazione dell'impiego di materiali ad elevato accoppiamento magneto-elastico (MST, MSMA, etc), integrati con la tecnologia dei sensori in fibra ottica (FOS) e, in particolare, con i Reticoli di Bragg (FBG), per la realizzazione di attuatori intelligenti e sensori di campo ad alte prestazioni, capaci così di rispondere alle esigenze di industrie ad elevato contenuto tecnologico. Tali settori industriali, dovendo far fronte a vari e difficili problemi che spaziano dal controllo attivo delle vibrazioni, all'attuazione di precisione (in campo biomedico, aerospaziale e automotive), alla sensoristica avanzata, spingono la ricerca a guidare, in questo campo, una rapida evoluzione attraverso l'opportuna integrazione di tecnologie.

La realizzazione di un tale progetto, che parte dall'analisi delle proprietà dei materiali e si concretizza nella realizzazione di archetipi dimostratori, in grado, da un lato, di mostrare le caratteristiche e le funzionalità di un attuatore intelligente e, dall'altro di evidenziare le potenzialità di sensori di campo avanzati e distribuiti in una rete, mette in gioco competenze nei settori della fisica della materia, delle misure di precisione, della modellistica elettromagnetica, dell'optoelettronica e dei controlli automatici e, pertanto, richiede l'integrazione ed il coordinamento di diverse competenze disciplinari presenti nelle diverse unità operative coinvolte.

Lo sviluppo del progetto, che si conclude con la realizzazione di due dimostratori, può essere sinteticamente distinto in tre aspetti tematici, che coincidono con le tre fasi operative intermedie del progetto stesso.

Il primo tema riguarda l'indagine sperimentale finalizzata alla caratterizzazione del comportamento magnetico e magnetostrittivo, sia di MST che di MSMA o di altri materiali che possano essere utili in tale ambito per le finalità del progetto. Oltre a metodologie di caratterizzazione convenzionali (strain gages), si svilupperà, a tal scopo, un sistema di caratterizzazione in fibra ottica basato su FBG, facilmente integrabile con MSMA/MST e che richiede la definizione di adeguate tecniche d'incollaggio (FBG bonded), per l'integrazione delle due tecnologie.
Un aspetto importante sarà rappresentato dallo studio di fattibilità per la realizzazione di dispositivi "embedded", in cui cioè il reticolo è posto all'interno del materiale, in modo da ottenere dispositivi realmente integrati.

Una seconda tematica concerne la modellazione delle proprietà magneto-elastiche dei materiali attivi selezionati, con particolare riferimento all'analisi dei fenomeni d'isteresi, caratteristici dei materiali magnetici e magneto-elastici, in particolare. All'interno di questa tematica s'inquadrano anche le attività di ottimizzazione del sistema di misura in fibra ottica e di identificazione e definizione dell'architettura del sistema di controllo dell'attuatore SMART, oggetto del primo prototipo.
In questo campo la ricerca si articola secondo tre linee diverse, ma non antagoniste:

• Analisi dei fenomeni elettromagnetici ed elastici, che hanno luogo nell'elemento attivo, su scala macroscopica, con lo scopo di fornire modelli adeguati alla descrizione dei meccanismi fisici che ne determinano le diverse funzionalità. I modelli dovranno, altresì, tener conto anche dell'accoppiamento dell'elemento attivo con eventuali circuiti di alimentazione.

• Definizione di modelli facilmente implementabili nella logica di controllo, in grado di effettuare la compensazione delle non linearità e dell'isteresi che ogni materiale di tale tipo manifesta. Nel corso del progetto si cercherà, inoltre, di generalizzare i modelli dei materiali e dei dispositivi, per descrivere anche fenomeni dinamici, non trascurabili quando si richiede un funzionamento del dispositivo in un ampio intervallo di frequenze (compensazione attiva delle vibrazioni, sensori di campo a larga banda).

• Ottimizzazione del sistema di misura FOS con particolare riferimento alle tecniche d'integrazione con l'elemento attivo, al progetto dell'elemento sensore e alle strategie per l'interrogazione dei sensori.

Alla conclusione di tale attività si disporrà di tutti gli elementi necessari al progetto ed alla realizzazione dei due prototipi dimostratori. In particolare saranno disponibili
-modelli utili ai fini del progetto del materiale attivo con le funzionalità e le caratteristiche desiderate
-modelli utili alla compensazione e al controllo, nelle diverse condizioni operative
-dispositivi per il "sensing" in tecnologia opto-elettronica con la definizione dei criteri di progetto e d'integrazione.

Il terzo tema si riferisce al progetto ed alla realizzazione dei dimostratori (attuatore intelligente e sensori di campo, basati su FBG, integrati nel campione di materiale attivo) e sfrutta appieno le conclusioni ed i risultati delle attività precedenti.
In particolare, sulla base delle specifiche definite per i dimostratori, si procederà al progetto
- degli elementi attivi, nucleo dell'attuatore SMART e del sensore di campo integrato, in grado di operare in condizioni statiche e dinamiche;
- di sistemi di misura FOS integrati per la chiusura del feedback del sistema di controllo dell'attuatore nelle diverse condizioni di funzionamento;
- di sistemi di misura FOS in grado di gestire il multiplexing di reti di sensori basati sull'integrazione dei materiali magneto-elastici con i sensori FBG.
-di algoritmi di compensazione dell'isteresi magneto-elastica e di controllo, necessari ad una corretta sintesi del dispositivo intelligente, utilizzando tecnologie che ne permettano l'integrazione sul dispositivo. L'analisi delle proprietà del sistema a ciclo chiuso verrà effettuata dapprima sulla base di modelli e, successivamente, validata con sistemi "rapid prototyping" (dSPACE).

I risultati di tutte queste attività convergeranno nella realizzazione di due dispositivi, equipaggiati di sensori FBG e di algoritmi di controllo "embedded". Gli archetipi costituiranno un importante dimostratore, sia verso il mondo scientifico sia verso quello industriale, delle potenzialità dei dispositivi basati sull'impiego di materiali ad elevato accoppiamento magneto-elastico.
L'attuatore sarà dapprima, utilizzato come semplice attuatore compensato, per verificarne i limiti dinamici come trasduttore rapido. L'integrazione del materiale con l'equipaggio sensoristico, basato su FBG, ed il sistema per l'elaborazione dei dati, implementato su microcontrollore o DSP, costituirà un vero attuatore smart, che verrà utilizzato in connessione ad altri dispositivi commerciali per la compensazione attiva delle oscillazioni di una trave. Quest'ultima applicazione rappresenta uno dei punti tecnologicamente più avanzati dell'intero Progetto e costituisce un banco di prova molto severo, oltre che per l'attuatore, anche per l'intero sistema di controllo chiamato a gestire in modo coordinato dispositivi differenti, secondo un approccio tipico dei sistemi di controllo distribuiti.

L'altro dimostratore verrà impiegato nella rilevazione di campi magnetici grazie, come già detto, all'uso integrato del sensore optoelettronico FBG con il materiale magneto-elastico. Anche tale applicazione utilizzerà appieno le tecniche di compensazione per la ricostruzione del campo e sarà caratterizzato da un sistema di elaborazione dati "embedded". Il dispositivo, inoltre, grazie all'intrinseca caratteristica di rilevare i campi di temperatura, nonché alle caratteristiche di "multiplexing" potrà permettere la realizzazione di una rete di sensori multi-parametro per la rilevazione multipunto. Quest'ultimo risultato è un ulteriore elemento d'innovazione del Progetto, verso lo sviluppo di dispositivi magneto-elastici intelligenti, con i quali incrementare l'interesse e la collaborazione del mondo industriale verso la ricerca di soluzioni innovative che rappresentino il naturale sbocco delle attività scientifiche verso le applicazioni tecnologiche. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Premessa

La magnetostrizione [1] è un fenomeno noto da oltre 150 anni e consiste nella deformazione di materiali, come il ferro, in risposta a campi magnetici applicati. Tuttavia, a causa dell'esiguità della deformazione, il fenomeno non ha avuto significative applicazioni, fino all'avvento, negli anni '70, dei primi materiali artificiali, caratterizzati da magnetostrizioni migliaia di volte superiori a quelle dei materiali fino allora conosciuti. Tali materiali, detti a magnetostrizione gigante (GMM), [2] hanno stimolato moltissimo la ricerca tecnologica in questo settore. Infatti, la disponibilità, dagli inizi degli anni '80, di materiali a magnetostrizione gigante, come il Terfenol-D, o più recentemente, altri materiali con accoppiamenti magneto-elastici ancora più consistenti, ma fondati su processi fisici diversi dalla classica magnetostrizione (le leghe a memoria di forma controllate in campo magnetico, Ni-Mn-Ga) ed il contemporaneo incremento delle capacità di calcolo, con la conseguente possibilità di realizzare efficienti algoritmi di controllo, ha dato luogo ad un crescente interesse applicativo per questi materiali.

Nei suddetti materiali [1, 2], una variabile meccanica (forza o deformazione) è controllata da un campo magnetico applicato; inoltre, si manifestano forze di notevole intensità, con elevato rapporto potenza/peso ed una rilevante rapidità di risposta in termini dinamici. Tali proprietà possono essere sfruttate nella realizzazione di sensori/attuatori e, in particolare, dei sensori/attuatori "intelligenti" che costituiscono un'area di ricerca emergente con una promettente gamma di applicazioni, quali la misura di microspostamenti e di accelerazioni, il micro-posizionamento, il controllo attivo di strutture vibranti (vibrazioni strutturali e rumore acustico), l'azionamento di elettrovalvole ultra veloci (iniettori, stampanti), controllo attivo di forma, realizzazione di freni e smorzatori, applicazioni robotiche e biomediche (muscoli e protesi artificiali). I materiali utilizzati per la costruzione di dispositivi "intelligenti" sono, oltre ai magnetostrittivi (MST), i piezoelettrici (PZT), le leghe e i polimeri a memoria di forma (SMA), i fluidi elettroreologici (ERF) e magnetoreologici (MRF), o le leghe Ni-Mn-Ga (MSMA), [3-5].

Da un diverso punto di vista i suddetti materiali possono costituire la "parte attiva" di sensori di campo dalle caratteristiche innovative. Tale applicazione, sicuramente meno analizzata, presenta aspetti di notevole interesse scientifico e tecnologico, specialmente se riferita alla misura di campi magnetici.
Un aspetto cruciale nello sviluppo di dispositivi di questo tipo è la rilevazione accurata della deformazione, necessaria per chiudere la catena di reazione o per risalire al campo magnetico, a seconda che si tratti di un attuatore intelligente o di un sensore di campo, rispettivamente.
Negli ultimi anni la tecnologia dei sensori in fibra ottica (FOS) e dei reticoli di Bragg (FBG) in particolare, ha permesso di disporre di sensori di deformazione con elevate prestazioni, in termini di sensibilità, immunità ai disturbi elettromagnetici, bassa intrusività ed elevate caratteristiche di multiplexing, [6-8], grazie ai quali promette di realizzare sensori di campo "Smart" realmente integrati.

Diversamente dai materiali PZT (di gran lunga i più studiati), i MST (o i MSMA) sembrano essere i materiali più promettenti, in termini d'applicabilità a breve termine per scopi di attuazione, come confermato dal crescente numero di aziende sorte negli ultimi anni ed impegnate nella loro produzione, [9-11] e dai numerosi progetti a livello europeo approvati.
Il maggior problema di sensori/attuatori MST o MSMA, consiste nel loro comportamento, intrinsecamente non lineare e con isteresi che complica in modo rilevante il progetto del sistema di controllo del dispositivo stesso. Inoltre, la memoria del sistema complica anche la ricostruzione di campo dalla misura della deformazione.

La compensazione dell'isteresi facilita sia la progettazione dei dispositivi sia le loro prestazioni complessive, ma richiede una capacità di modellare accuratamente sistemi con isteresi. Tali modelli, tuttavia, richiedono accurate caratterizzazioni sperimentali dei materiali ed adeguati sistemi di misura delle grandezze coinvolte (campo magnetico e deformazione). Inoltre, lo sviluppo del dispositivo necessita della definizione di procedure d'identificazione e di efficienti algoritmi di compensazione e controllo, dell'analisi elettromagnetica e meccanica dei dispositivi, dello sviluppo e integrazione di FBG con il materiale attivo.

E' chiaro allora che la progettazione di un attuatore intelligente, con caratteristiche innovative mette in gioco competenze molto specifiche e diversificate nel campo dell'ingegneria e della fisica, che possono sinteticamente raggrupparsi nei filoni tematici descritti in dettaglio nel seguito.


Analisi delle proprietà dei materiali
Per definire adeguate relazioni costitutive, sono stati proposti diversi modelli dei processi di magnetizzazione e molti non sono direttamente connessi ai fenomeni fisici effettivamente coinvolti (Black Box). Tra questi, alcuni risultano di particolare interesse [12-18] ed in grado di rappresentare la relazione tra deformazione e magnetizzazione da un lato e sforzo e campo magnetico dall'altro. Tali modelli sono basati sulla composizione di operatori elementari ed alcuni rientrano nel novero dei modelli Preisach-like [12, 13]. Tra i differenti modelli proposti, alcuni propongono approcci più sofisticati [13-15], onerosi dal punto di vista computazionale e poco adatti nel controllo di attuatori intelligenti, o nelle applicazioni sensoristiche; altri, più semplici (Jiles-Atherton [16,17]), sembrano più vantaggiosi da un punto di vista computazionale. Inoltre, in alcuni casi, quando nello schema di controllo le uniche variabili d'interesse sono deformazione e campo magnetico, il modello di Preisach [19-23] può rappresentare un buon compromesso tra accuratezza ed efficienza computazionale [19-23].

In sintesi, dalla disamina dello stato della ricerca in questo settore emerge la necessità di:
o approfondire l'analisi dei modelli (statici) di magnetostrizione esistenti, definendo eventualmente approcci innovativi con le relative procedure di identificazione;
o definire modelli dinamici per la magnetostrizione, e prevedere il comportamento dei materiali/dispositivi in un ampio spettro di frequenze.


Analisi elettromagnetica
La conoscenza delle proprietà dei materiali costituisce il punto di partenza per l'analisi elettromagnetica di un dispositivo MST, MSMA etc., perché fornisce un'adeguata rappresentazione delle relazioni costitutive magnetiche o magneto-elastiche da inserire nelle equazioni di campo. Esistono diversi e notevoli risultati per quanto concerne l'analisi elettromagnetica dei materiali, sia quando il materiale è sufficientemente omogeneo, [24-26] sia in presenza di strutture fortemente disomogenee che richiedono un accoppiamento delle equazioni di campo con la dinamica delle pareti di dominio [27-30], sia quando l'accoppiamento del circuito di alimentazione è incluso nell'analisi, [31]. Al contrario, per quanto concerne la modellistica di materiali e dispositivi magneto-elastici, lo stato delle conoscenze è meno assestato [32-34] e richiede ulteriori ricerche e approfondimenti. In modo particolare l'analisi della risposta elastica di un materiale in campo magnetico o di quella magnetica per assegnate configurazioni del carico meccanico. Tale analisi, migliorando le conoscenze del comportamento del materiale, consente una più facile sintesi del dispositivo e del suo controllo.


Algoritmi ed architetture di controllo
L'analisi finora effettuata, permettendo di modellare le non linearità e la memoria del materiale, [35], che in molti casi, può dare luogo sia a dinamiche non modellate ad alta frequenza, sia ad oscillazioni auto-sostenute indesiderate (cicli limite) [36], assume un'importanza sostanziale nella progettazione del sistema del controllo del sistema "intelligente".
Lo studio di strategie di controllo in presenza di isteresi è stato affrontato in [37, 38], mentre in [39, 40], è stato affrontato il problema della compensazione dell'isteresi che permette alla cascata attuatore-controllore di esibire una caratteristica approssimativamente lineare, [41, 42]. Inoltre, la linearizzazione del sistema a ciclo chiuso, possibile grazie ad un'accurata rappresentazione modellistica dei sistemi, semplifica notevolmente la progettazione degli algoritmi e, come sperimentalmente osservato, di migliorare l'accuratezza del sistema di controllo. Lo specifico problema del controllo di dispositivi "Smart" e le prestazioni richieste, (attuatori a larga banda, sensori con capacità di elaborazione dati embedded ecc.), impongono lo sviluppo di architetture di controllo (o di elaborazione e filtraggio dati) di prestazioni molto elevate, ricorrendo all'impiego di componenti integrati e in molti casi miniaturizzati
Appare quindi di sicuro interesse lo studio delle potenzialità che tecnologie elettroniche o informatiche mature o allo stato dell'arte possano fornire per lo sviluppo di sistemi di controllo embedded e distribuito di elevate prestazioni, e in quale misura tali scelte possano condizionare o vincolare lo studio dei modelli e degli algoritmi di controllo. In questo campo le tecnologie più utilizzate sono quelle basate su controllori a logica programmabile (PLC). L'impiego di PLC permette di usare in maniera naturale protocolli di comunicazione standard per le reti di controllori impiegate in ambito industriale, come ad esempio le reti CAN (Controller Area Network) utilizzate in ambito automotive o Foundation Fieldbus, impiegate per il controllo di processo.


Trasduttori e sensori in fibra ottica
Per realizzare attuatori "smart" e sensori di campo, integrati con MST o MSMA, è fondamentale la scelta di sensori di deformazione aventi una minima influenza sulle proprietà magneto-elastiche e meccaniche del materiale attivo.
La tecnologia dei sensori in fibra ottica (FOS) permette di integrare il dispositivo di sensing, all'interno di strutture, alterandone al minimo le caratteristiche meccaniche grazie alle loro ridotte dimensioni, monitorando punti inaccessibili ad altri sensori come gli strain gages [43, 44]. Essi, inoltre, sono in grado di effettuare misure simultanee multiparametro, resistendo bene in condizioni operative ostili [45, 46].
Una ulteriore caratteristica, peculiare dei FOS, è la possibilità di utilizzare il medesimo supporto fisico (la fibra stessa), sia per la trasmissione che per la trasduzione del segnale, mantenendo eccellenti proprietà d'immunità alle interferenze elettromagnetiche (EMI). Tra i FOS, i reticoli di Bragg (FBG) presentano anche eccellenti proprietà di sensibilità, risoluzione e banda passante, [47, 48], mentre i costi competitivi, la semplicità di multiplexing ed una buona robustezza strutturale forniscono ulteriori ragioni per ritenere tale tecnologia di estremo interesse. La loro caratteristica di trasdurre la deformazione in una misura di lunghezza d'onda li rende immuni a fluttuazioni dei livelli di potenza.
Per l'uso dei FBG, é importante rilevare accuratamente le variazioni di lunghezza d'onda associate alle deformazioni d'interesse. Le metodologie basate su filtri ottici passivi sono un ottimo compromesso in termini di risoluzione, flessibilità d'impiego e costi [49]. Tali sistemi sono ampiamente impiegati in applicazioni SMART, sia statiche sia dinamiche [49-51]. Un altro aspetto fondamentale, legato all'utilizzo dei FBG, è rappresentato dalla realizzazione di reti di dispositivi, particolarmente utili per sensori di campo multipunto e distribuiti.
Diverse tecniche sono state proposte: tecniche a divisione di lunghezza d'onda, di tempo, ibride, basate su approcci FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) [52].
I FOS sono di grande interesse anche per la realizzazione di sensori multipunto di campo magnetico/corrente, aventi eccellenti proprietà d'immunità ad EMI, bassa intrusività e non conduttori per garantire elevati livelli di sicurezza. Le tecniche convenzionali, basate sull'effetto Faraday, presentando, al contrario, bassa sensibilità e richiedendo sistemi di demodulazione polarimetrica, difficilmente integrabili e multiplexabili, presentano un campo di applicazione molto ridotto rispetto a tecniche ottiche non convenzionali [53-55]. Recentemente, in letteratura, è stata proposta una soluzione di sensore di campo e corrente elettrica ad un solo punto di misura, basato sull'utilizzo di MST e FBG, che dimostra le potenzialità di tale approccio [55]. Pertanto, tale tecnologia promette di essere un elemento chiave per applicazioni SMART nei più diversi ambiti industriali. <<<