Resumen de Monitorización estructural SHM mediante redes de Bragg.
- español
En esta Tesis doctoral se demuestra el alto potencial y elevado nivel de disponibilidad tecnológico de las redes de Bragg como sensor principal en sistemas de monitorización de estructuras aeronáuticas. Se trata de sensores precisos, fiables, “embebibles”, inertes a la radiación electromagnética, fácilmente multiplexables, etc. La monitorización mediante redes de Bragg permite controlar el estado estructural, incrementando la seguridad y reduciendo los costes de mantenimiento. Permite cambiar el paradigma de revisiones de basadas en tiempo a basadas en condiciones. Además, el estudio de los datos procedentes de los sensores posibilita mejorar los criterios de diseño y retroalimentar los modelos informáticos dando lugar a generaciones de estructuras más ligeras y eficientes. Este trabajo tiene como principal objetivo la evaluación de redes de Bragg en fibra óptica como sensor para monitorización estructural en el ámbito aeronáutico. Este objetivo general se articula a su vez en otros más específicos. En primer lugar, se estudia su respuesta ante distintos tipos de esfuerzo y métodos de integración en el material en comparación con otros sensores como galgas extensiométricas y extensómetros y sistemas de videocorrelación. Estos ensayos permiten calibrar los sensores de forma adecuada y con ello poder predecir su futuro comportamiento y precisión. Al tener unas dimensiones y peso prácticamente despreciables, la fibra óptica se puede introducir entre las capas de material compuesto sin provocar distorsión. Se verifica el funcionamiento de los ensores embebidos y se determina la posición más adecuada en un laminado. En el sector aeroespacial, el material compuesto se somete a un ciclo de autoclave durante su fabricación. La presión y el calor durante el proceso provocan un efecto adverso en las redes de Bragg, llamado birrefringencia, que dificulta o imposibilita la extracción de datos de los sensores. En este trabajo se desarrolla un algoritmo que permite analizar el fenómeno para obtener la máxima información posible. Este procesamiento puede funcionar en tiempo real y no requiere una base computacional intensiva. Se estudia también el comportamiento de la fibra cuando se la somete a incrementos térmicos y el proceso de conversión de la señal extraída del sensor a temperatura. Se implementan y comparan varios métodos teóricos y experimentales. Cualquier magnitud física-química que se pueda transformar mediante algún mecanismo en deformación o temperatura es medible mediante redes de Bragg. Cuando una estructura se encuentra sujeta a esfuerzos dinámicos, es especialmente útil tener acceso a medidas de aceleración. Por ello, se diseña un acelerómetro basado en una red de Bragg y fabricado haciendo uso de tecnologías de fabricación aditiva. Se trata de un sensor muy ligero, con buena sensibilidad y alta frecuencia de resonancia. Este desarrollo abre las puertas a la implementación de redes de sensores de fibra que puedan cubrir todas las magnitudes estructurales necesarias en una aeronave sin necesidad de añadir sensores de tipo electrónico o con otro principio de funcionamiento. Una vez se han explorado las capacidades de la fibra a nivel probeta en laboratorio, se diseñan y fabrican demostradores tecnológicos que permiten poner en valor sus capacidades mediante aplicaciones prácticas e industriales. En el primero de ellos, se instala una red de sensores embebidos en el ala de una aeronave no tripulada. Su posicionamiento se realiza en base a un modelo de elementos finitos. A continuación, se ensaya y se diseñan algoritmos que permiten analizar en tiempo real, alarmas de carga, conteo de ciclos de fatiga, despliegue de mecanismos en función de las deformaciones, etc. Esta serie de características podrían estar en el futuro implementadas en estructuras inteligentes. Para que las redes de Bragg avancen en su nivel de disponibilidad tecnológica es necesario probar que pueden instalarse y sobrevivir en un ambiente relevante o industrial. En este trabajo se implementa una red con 4 líneas y 14 sensores sobre una cabina de fibra de carbono-epoxy (CFRP) fabricada por AIRBUS D&S. Esta se usa para monitorizar con éxito sus deformaciones en distintos ensayos de presurización. Las redes de Bragg en fibra óptica demuestran ser un sensor excelente con una respuesta igual de precisa y estable que galgas extensiométricas y termopares en todos los ensayos realizados, añadiendo importantes ventajas como su capacidad de multiplexación y su peso y dimensiones despreciables, etc. Además permiten la implementación de otro tipo de sensores como acelerómetros. Se posicionan de esta manera como una tecnología muy a tener en cuenta en el desarrollo de sistemas de monitorización estructural.
- English
This thesis demonstrates the high technology readiness level (TRL) and potential of fiber Bragg gratings (FBGs) as main sensor in structural monitoring systems installed in composite materials. They are accurate, reliable, embeddable, inert to electro-magnetic radiation, easily multiplexable, etc. Structural monitoring by means of FBGs allows controlling the state of a structure, increasing safety and reducing maintenance costs. The use of monitoring systems makes possible the change from time-based to condition-based maintenance without penalizing safety, allowing also in-service life extension. Furthermore, the data harvested from sensors can be used for improving design criteria and retrofeed numerical and computational models allowing new generations of structures lighter and more efficient.
The main objective of this work is the evaluation of fiber Bragg as a sensor for structural monitoring in aeronautical field. This goal divides in some more specific. First, its response to different types of efforts and integration methods is studied in comparison with other sensors like strain gauges and extensometers and digital image correlation (DIC) systems. These tests allow calibrating the sensors and predicting their future behavior and precision. By having practically negligible dimensions and weight, the optical fiber can be introduced between the layers of composite material without causing distortion. The operation of the embedded sensors is verified and the most suitable position is determined in a composite laminate.
In the aerospace sector, the composite material undergoes an autoclave cycle during its manufacture. The pressure and heat during the process cause an adverse effect on the Bragg gratings, called birefringence. This makes it difficult or impossible to extract data from the sensors. In this work an algorithm is developed that allows analyzing the phenomenon to obtain the maximum possible information. This processing can work in real time and does not require an intensive computational base. The behavior of the fiber is also studied when it is subjected to thermal increases and the conversion process from the signal extracted from the sensor to temperature. Several theoretical and experimental methods are implemented and compared.
Any physical-chemical magnitude that can be transformed by some echanism in strain or temperature is measurable through Bragg gratings. When a structure is subject to dynamic efforts, it is especially useful to have access to acceleration measures. Therefore, an accelerometer is designed based on a Bragg grating and manufactured using additive manufacturing (AM) technologies. It is a very light sensor, with good sensitivity and high resonance frequency. This development is a gateway to the implementation of fiber sensor networks that can cover all the necessary structural magnitudes in an aircraft without the need to add electronic or other operating principle sensors.
Once the capacities of the fiber optic sensors have been proved in laboratory, technological demonstrators are designed and manufactured. These applications make patent the industrial and practical uses of the technology. In the first of the demonstrators, a sensor network is embedded into a wing of an Unmanned Aerial System (UAS). Their installation locations are obtained by means of a finite element method (FEM). Next, the system is tested and algorithms are designed to obtain real time load alarms, cycles counting, automatic mechanism deployment based on strain level, etc. This series of features could be implemented in smart structures in the future.
For increasing the TRL of FBGs, it is necessary to prove that they can be installed and survive in a relevant or industrial environment. In this work a sensor network with 4 lines and 14 FBGs is installed in a carbon fiber reinforced plastic (CFRP) cabin manufactured by AIRBUS D&S. This is used to successfully monitor its strain in different pressurization tests. FBGs prove to be an excellent sensor as accurate and stable as strain gauges and thermocouples in all developed tests, adding important advantages such as multiplexing capacity and negligible weight and dimensiones, etc. They also allow the implementation of other types of sensors like accelerometers. They are positioned in this way as a technology to be taken into account in the development of structural monitoring systems.
