Misura del segnale Termo-elastico mediante termocamere IR a sensore raffreddato

Il presente lavoro propone una procedura di post-processamento del segnale termografico misurato su provini sollecitati in modo ciclico al fine di ricavare il segnale termoelastico. Dopo aver descritto la Correlazione Lock-In, usata tradizionalmente dai sistemi commerciali per ricavare il segnale termoelastico, il lavoro mostra come tale procedura sia numericamente equivalente alla determinazione delle armoniche della Trasformata di Fourier Discreta (TFD) del segnale campionato. Viene quindi proposta ed implementata una procedura di filtraggio del segnale termoelastico basata sulla applicazione diretta della TFD, che ha il vantaggio di poter in alcune circostanze fare a meno di un segnale di riferimento esterno. Il lavoro mostra quindi i risultati di una campagna sperimentali condotta su provini con campo tensionale noto, dimostrando come la procedura proposta sia semplice da implementare, versatile e robusta.

La termografia è una tecnica di analisi non distruttiva che, partendo da immagini acquisite tramite apposite strumentazioni (termocamere), consente di misurare l’energia emessa dai corpi, trasformando un’acquisizione ad infrarossi in una radiometrica e correlando di fatto l’informazione contenuta in ogni singolo pixel ad una variazione di temperatura. Soprattutto negli ultimi anni, la termografia, si sta rivelando uno strumento di grande valore per la soluzione di problemi e quesiti di carattere scientifico, e ha trovato applicazioni nei più svariati campi. Questo perché non solo permette di eseguire misure ripetibili e non invasive, ma anche e soprattutto perché consente di individuare precocemente eventuali problemi, permettendo di documentarli e correggerli prima che diventino più gravi e costosi da riparare.
In questo studio sperimentale si è portata avanti un’indagine volta alla misura dello stato tensionale di un corpo sottoposto a diverse storie di carico, tramite rilevazioni di temperatura superficiale, utilizzando una termocamera ad alta risoluzione FLIR X6540sc. I dati di temperatura misurati, sono stati post-processati previa implementazione di un algoritmo di signal processing, che ha consentito analisi di tipo FFT e di tipo Lock-In, volte all’estrazione della variazione di temperatura indotta dall’effetto termoelastico. Effetto Termoelastico che è la relazione di proporzionalità tra la temperatura di un corpo ed il carico ad esso applicato.

Per questo lavoro di tesi è stato messo a punto un setup sperimentale molto articolato, ma allo stesso tempo molto flessibile, che ha consentito l’acquisizione di dati sperimentali su tre tipologie diverse di provini realizzati in PMMA, al variare della frequenza e dell’ampiezza di carico. Si è scelto di sfruttare anche la tecnica ottica della fotoelasticità, prima di dare il via alle prove dinamiche, sia per verificare che i provini fossero posizionati correttamente (al fine di evitare problemi relativi ad una scorretta presa di carico), sia per ottenere un modello di riferimento col quale confrontare i risultati ottenuti con l’analisi termografica.
Le diverse tecniche di signal processing proposte con lo sviluppo dell’algoritmo, chiamato IRSA Unipa, hanno restituito valori molto simili tra loro, dimostrando la robustezza dello stesso, e hanno permesso di notare una buona dipendenza lineare tra il segnale termoelastico misurato e l’ampiezza del carico applicato, in perfetto accordo con quanto previsto dalla Teoria dell’Effetto Termoelastico. Un valore aggiunto è stato dato all’algoritmo, confrontandone i risultati con il software commerciale rilasciato dalla FLIR (casa produttrice della termocamera utilizzata) e, anche se dal punto di vista di velocità computazionale si è rivelato meno efficiente, i risultati numerici sono stati sorprendentemente simili, dando prova di affidabilità ed efficienza.
Il lavoro è stato diviso in cinque principali:
1. Introduzione ai concetti principali della fisica della radiazioni: sono presentati e descritti i fenomeni e le relative equazioni che stanno alla base del trasferimento di energia tramite onde elettromagnetiche.
2. Presentazione della Termocamera FLIR X6540sc: sono descritti i principali elementi costitutivi ed principi di funzionamento che consentono la corretta acquisizione del segnale digitale.
3. Descrizione dell’Effetto Termoelastico e della procedura di filtraggio dati Lock-In.
4. Realizzazione dei provini e messa a punto del setup sperimentale per l’acqusizione dei dati sperimentali.
5. Analisi e post-processamento dei dati acquisiti: la mole di informazioni è stata analizzata e corretta, per poter trarre le dovute conclusioni.