Sviluppo e testing di un sistema WIM con sensori in fibra ottica FBG

This report presents the work carried out for the development of a WIM (weight-in-motion) system aimed at the dynamic weighing of heavy vehicles, based on steel bending plates instrumented with fiber optic sensors FBG (Fiber Gragg Grating). The work carried out considered both the design and the prototype realization of the mechanical structure, and the systemic development of the acquisition system and the integral development of data analysis algorithms. For the realization of the structure, preliminary characterization activities of the components were carried out in the laboratory, through mechanical tests and accelerated aging cycles in the climatic chamber on instrumented steel specimens. In particular, characterization measures considered the comparative comparison between FBG sensors with different coating types, to determine the most appropriate one for the efficiency and durability of the deformation transfer function from the plate to the sensor. For the development of algorithms procedures implementable at low-level and in real-time on microprocessors of modest computing power have been implemented and compared. In particular, the procedure to decode the signal of the FBG sensors corresponding to the passage of vehicles has been defined and optimized, with the development of the most appropriate algorithm for reducing the error in the determination of the dynamic weight of the vehicle in transit. The developed system has been validated with the realization of a demonstration site on the road inside the C.R. ENEA Trisaia, performing test campaigns with controlled transits of heavy vehicles. The results made it possible to test the prototype system and to acquire data suitable for the definition of improvements for the construction of a system suitable for installation on highways.

In questo rapporto si presenta il lavoro svolto per lo sviluppo di un sistema WIM (weight-in-motion) finalizzato alla pesatura dinamica di veicoli pesanti, basato su piastre flettenti in acciaio strumentate con sensori in fibra ottica FBG (Fiber Gragg Grating). Il lavoro svolto ha considerato sia il design e la realizzazione del prototipo della struttura meccanica, sia lo sviluppo sistemistico del sistema di acquisizione e lo sviluppo integrale degli algoritmi di analisi dei dati. Per la realizzazione della struttura sono state eseguite preliminari attività di caratterizzazione dei componenti in laboratorio, mediante prove meccaniche e cicli di aging accelerato in camera climatica su provini in acciaio strumentati. In particolare, le misure di caratterizzazione hanno considerato il confronto comparativo fra sensori FBG con diversa tipologia di coating, al fine di determinare quella più appropriata con riferimento all’efficienza e durabilità della funzione di trasferimento della deformata dalla piastra al sensore. Per lo sviluppo degli algoritmi sono state implementate e comparate procedure di analisi implementabili a basso livello ed in tempo reale su microprocessore di modesta potenza di calcolo. In particolare, è stata definita ed ottimizzata la procedura di decodifica del segnale dei sensori FBG corrispondente al passaggio dei veicoli, con sviluppo dell’algoritmo più opportuno per la riduzione dell’errore nella determinazione del peso dinamico del veicolo in transito. Il sistema sviluppato è stato validato con la realizzazione di un sito dimostratore su sede stradale all’interno del C.R. ENEA Trisaia, eseguendo campagne di prove con transiti controllati di veicoli pesanti. I risultati hanno permesso di testare il sistema prototipale e di acquisire dati idonei alla definizione di interventi migliorativi per la realizzazione di sistema idoneo ad installazione su viabilità autostradale.