Dynamic strain analysis with micro-structured fiber optic strain sensors embedded in structural components

Sidney Goossens
Vliegtuig van de toekomst is veiliger en milieuvriendelijker dankzij slimme plastics.Vliegtuigen worden steeds vaker opgebouwd uit lichtgewicht materialen, meestal zijn dit plastics versterkt met koolstofvezels. Deze versterkte plastics hebben vele voordelen ten opzichte van hun traditionele metalen tegenhangers, maar ze zijn wel gevoeliger voor schade. Hierdoor zijn er vandaag regelmatige en dure controles nodig van deze nieuwe vliegtuigen en zijn deze plastics uit veiligheidsoverwegingen voorlopig veel dikker dan strikt noodzakelijk.

Dynamic strain analysis with micro-structured fiber optic strain sensors embedded in structural components

Vliegtuig van de toekomst is veiliger en milieuvriendelijker dankzij slimme plastics.

Vliegtuigen worden steeds vaker opgebouwd uit lichtgewicht materialen, meestal zijn dit plastics versterkt met koolstofvezels. Deze versterkte plastics hebben vele voordelen ten opzichte van hun traditionele metalen tegenhangers, maar ze zijn wel gevoeliger voor schade. Hierdoor zijn er vandaag regelmatige en dure controles nodig van deze nieuwe vliegtuigen en zijn deze plastics uit veiligheidsoverwegingen voorlopig veel dikker dan strikt noodzakelijk. Dankzij een klein en licht meetsysteem gebaseerd op glasvezels kunnen de versterkte plastics nu “slim” worden en zelf schade opsporen om komaf te maken met deze beperkingen.

Dat vliegtuigen worden opgebouwd uit steeds lichtere materialen, is goed nieuws voor de natuur. Dit reduceert namelijk het gewicht van het hele vliegtuig en brengt zo een lager brandstofgebruik en dus lagere CO2-uitstoot met zich mee. Deze nieuwe materialen kennen echter ook nadelen. Zo zijn zij erg gevoelig voor impactschade. Dit zijn kleine scheurtjes die kunnen ontstaan door een botsing met een vogel, door een blikseminslag of zelfs door gereedschap dat tijdens een onderhoudsbeurt per ongeluk op het vliegtuig valt.

Impactschade is erg moeilijk vast te stellen met het blote oog, omdat de scheurtjes heel erg klein kunnen zijn en zich meestal aan de binnenkant van de plastics bevinden. Daarom worden deze plastic vliegtuigonderdelen voor de zekerheid dikker gemaakt dan strikt nodig en worden ze regelmatig en uitgebreid gecontroleerd op scheurtjes. Om hiervoor een oplossing te bieden wil men sensoren in en op de versterkte plastics aanbrengen om van de vliegtuigonderdelen slimme structuren te maken die zelf in staat zijn om scheurtjes vast te stellen.

In onze dagdagelijkse wereld komen we vooral in aanraking met elektrische sensoren, denk maar aan je keukenweegschaal, digitale thermometer enz. Elektrische sensoren zijn echter niet geschikt binnenin dunne lichtgewicht versterkte plastics omdat ze vrij groot zijn en er veel bedrading nodig is om hen aan te sluiten. Dit kan de sterkte van de plastics teniet doen en betekent ook veel extra gewicht.

De nieuwe sensoren zijn zo dun als een menselijke haar.

Een speciaal soort sensoren gebaseerd op heel erg dunne glasvezels, biedt hiervoor de oplossing. De nieuwe sensoren zijn zo dun als een menselijke haar, en kunnen daarom makkelijk in de plastics worden verwerkt. Met één glasvezel kunnen bovendien tientallen sensoren worden aangesloten, wat dus zeer weinig bedrading betekent.

De glasvezel die hiervoor werd ontwikkeld is geen standaard glasvezel, zoals diegene die gebruikt wordt voor het internet, maar is binnenin voorzien van een microscopische structuur van luchtgaatjes in de vorm van een vlinder, waardoor zij ook ‘vlinder’-glasvezels worden genoemd.

Deze resultaten worden nu verder uitgewerkt in samenwerking met de Europese luchtvaartindustrie.

In dit werk werd experimenteel aangetoond dat de ‘vlinder’-glasvezel binnenin in een versterkt plastic toelaat om een impact vast te stellen en zelfs tegelijkertijd in drie dimensies de druk in het plastic op te meten. Deze resultaten worden nu verder uitgewerkt in samenwerking met de Europese luchtvaartindustrie.

Verder werd in dit onderzoek ook een eenvoudig toestel ontwikkeld voor het uitlezen van deze glasvezelsensoren. Dit toestelletje bestaat uit slechts één kleine laser en één kleine detector, beide niet groter dan een euro muntstuk. Dit apparaat is bovendien erg goedkoop en kan zelfs mee ingebed worden in de versterkte plastics, om de vliegtuigonderdelen nog makkelijker te controleren op scheurtjes.

De slimme vliegtuigen van de toekomst worden veiliger, milieuvriendelijker en goedkoper.

Deze ontwikkelingen maken het mogelijk om deze nieuwe versterkte plastics beter te begrijpen, en er slimme vliegtuigen mee te bouwen die zelf in staat zijn schade vast te stellen en op te volgen. Op deze manier hoeven de versterkte plastics in een vliegtuig niet meer overdreven dik te worden gemaakt en is het niet meer nodig om zeer geregelde controles uit te voeren. De slimme vliegtuigen van de toekomst worden veiliger, milieuvriendelijker en goedkoper.

Bibliografie

[1]          C. Sonnenfeld, “Microstructured Optical Fibre Bragg Grating Sensors for Production and Health Monitoring of Carbon Reinforced Polymer Materials and Structures,” PHD Dissertation, Vrije Universiteit Brussel, Brussel, Belgium, 2013.

[2]          F. Berghmans, Optical Sensor Course. Brussel: Vrije Universiteit Brussel, 2015.

[3]          L. Thévenaz, Advanced Fiber Optics: Concepts and Technology. EPFL Press, 2011.

[4]          A. Othonos, “Bragg Gratings in Optical Fibers: Fundamentals and Applications,” in Optical Fiber Sensor Technology, K. T. V. Grattan and B. T. Meggitt, Eds. Springer US, 2000, pp. 79–187.

[5]          T. Geernaert, “Microstructured Fiber Bragg Grating Sensors,” PHD Dissertation, Vrije Universiteit Brussel, Brussel, 2010.

[6]          K. O. Hill, “Photosensitivity in optical fiber waveguides: from discovery to commercialization,” IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron., vol. 6, no. 6, pp. 1186–1189, Nov. 2000.

[7]          E. A. Al-Fakih, N. A. A. Osman, A. Eshraghi, and F. R. M. Adikan, “The Capability of Fiber Bragg Grating Sensors to Measure Amputees’ Trans-Tibial Stump/Socket Interface Pressures,” Sensors, vol. 13, no. 8, pp. 10348–10357, Aug. 2013.

[8]          C. Voigtländer, R. G. Becker, J. Thomas, D. Richter, A. Singh, A. Tünnermann, and S. Nolte, “Ultrashort pulse inscription of tailored fiber Bragg gratings with a phase mask and a deformed wavefront [Invited],” Opt. Mater. Express, vol. 1, no. 4, p. 633, Aug. 2011.

[9]          FBGS, “Draw Tower Gratings, http://www.fbgs.com/,” May 2015.

[10]        A. Yariv and P. Yeh, Optical Waves in Crystals: Propagation and Control of Laser Radiation. Wiley, 2002.

[11]        A. Bertholds and R. Dandliker, “Determination of the Individual Strain-Optic Coefficients in Single-Mode Optical Fibers,” J. Light. Technol., vol. 6, no. 1, pp. 17–20, Jan. 1988.

[12]        P. Russell, “Photonic Crystal Fibers,” Science, vol. 299, no. 5605, pp. 358–362, Jan. 2003.

[13]        P. Yeh, A. Yariv, and E. Marom, “Theory of Bragg fiber,” J. Opt. Soc. Am., vol. 68, no. 9, pp. 1196–1201, Sep. 1978.

[14]        D. M. Atkin, T. J. Shepherd, T. A. Birks, P. S. J. Russell, and P. J. Roberts, “Full 2-D photonic bandgaps in silica/air structures,” Electron. Lett., vol. 31, no. 22, pp. 1941–1943, Oct. 1995.

[15]        NKT Photonics, “http://www.nktphotonics.com/,” May 2015.

[16]        P. S. J. Russell, “Photonic-Crystal Fibers,” J. Light. Technol., vol. 24, no. 12, pp. 4729–4749, Dec. 2006.

[17]        C. Sonnenfeld, S. Sulejmani, T. Geernaert, S. Eve, N. Lammens, G. Luyckx, E. Voet, J. Degrieck, W. Urbanczyk, P. Mergo, M. Becker, H. Bartelt, F. Berghmans, and H. Thienpont, “Microstructured Optical Fiber Sensors Embedded in a Laminate Composite for Smart Material Applications,” Sensors, vol. 11, no. 12, pp. 2566–2579, Feb. 2011.

[18]        F. C. Campbell, Introduction to composite materials. ASM International, 2010.

[19]        P. K. Mallick, Fiber-reinforced composites: materials, manufacturing, and design, 3rd ed., [expanded and rev. ed.]. Boca Raton, FL: CRC Press, 2008.

[20]        J.-P. Pascault, H. Sautereau, J. Verdu, and R. J. J. Williams, Thermosetting Polymers. CRC Press, 2002.

[21]        J. K. Gillham, “Formation and properties of thermosetting and high tg polymeric materials,” Makromol. Chem. Macromol. Symp., vol. 7, no. 1, pp. 67–74, Jan. 1987.

[22]        E. Turi, Thermal Characterization of Polymeric Materials. Elsevier, 2012.

[23]        G. Jr and R. E, “Existing technologies for condition monitoring of construction materials and bridges,” FIBER Opt. Sens. Constr. Mater. Bridg. - Proc. Int. Workshop HELD MAY 1998, 1998.

[24]        V. Karbhari and V. M. Karbhari, “Health monitoring, damage prognosis and service-life prediction - Issues related to implementation,” Sens. Issues Civ. Struct. Health Monit., p. 301, 2005.

[25]        G. Housner, L. Bergman, T. Caughey, A. Chassiakos, R. Claus, S. Masri, R. Skelton, T. Soong, B. Spencer, and J. Yao, “Structural Control: Past, Present, and Future,” J. Eng. Mech., vol. 123, no. 9, pp. 897–971, 1997.

[26]        G. F. Fernando, “Fibre optic sensor systems for monitoring composite structures,” Reinf. Plast., vol. 49, no. 11, pp. 41–49, Dec. 2005.

[27]        SPIE, “www.optics.org, visited on 2015-05-14.” .

[28]        T. Geernaert, S. Sulejmani, C. Sonnenfeld, K. Chah, G. Luyckx, N. Lammens, E. Voet, M. Becker, H. Thienpont, and F. Berghmans, “Internal strain monitoring in composite materials with embedded photonic crystal fiber Bragg gratings,” 2014, p. 92260D.

[29]        J. A. Guemes and J. M. Menendez, “Response of Bragg grating fiber-optic sensors when embedded in composite laminates,” Compos. Sci. Technol., vol. 62, no. 7, pp. 959–966, 2002.

[30]        M. S. Mueller, H. J. El-Khozondar, T. C. Buck, and A. W. Koch, “Analytical solution of four-mode coupling in shear strain loaded fiber Bragg grating sensors,” Opt. Lett., vol. 34, no. 17, pp. 2622–2624, Sep. 2009.

[31]        M. S. Willer, L. Hoffmann, A. Sandmair, and A. W. Koch, “Full Strain Tensor Treatment of Fiber Bragg Grating Sensors,” Ieee J. Quantum Electron., vol. 45, no. 5–6, pp. 547–553, Jun. 2009.

[32]        Ericsson Cables AB, “User’s manual for the FSU 975 single fiber fusion splicer by Ericsson,” Sundbyberg Swed.

[33]        T. Geernaert, K. Chah, T. Nasilowski, H. Ottevaere, F. Berghmans, and H. Thienpont, “Fiber Bragg Grating Inscription in Highly Asymmetric HiBi PCF with a Low Intensity UV CW laser,” presented at the Proceedings Symposium IEEE/LEOS Benelux Chapter, Brussel, Belgium, 2007.

[34]        Corning Incorporated, “Corning SMF-28 ULL Opical Fiber Datasheet,” 2014.

[35]        Bruker, “http://www.skyscan.be/products/1172.htm,” 18-May-2015.

[36]        FBGS, “Hardware Manual FBG-Scan X00-X04D-X08D Dynamic Units,” Geel, Belgium.

[37]        ANDO Electric CO., LTD, “AQ6317 Optical Spectrum Analyzer Instruction Manual,” 1999.

[38]        Micron Optics, “Datasheet Optical Sensing interrogator sm125,” Atlanta GA 30345 USA, 2009.

[39]        T. Vella, S. Chadderdon, R. Selfridge, S. Schultz, S. Webb, C. Park, K. Peters, and M. Zikry, “Full-spectrum interrogation of fiber Bragg gratings at 100 kHz for detection of impact loading,” Meas. Sci. Technol., vol. 21, no. 9, p. 094009, Sep. 2010.

[40]        A. Propst, K. Peters, M. A. Zikry, W. Kunzler, Z. Zhu, M. Wirthlin, R. Selfridge, and S. Schultz, “Dynamic, full-spectral interrogation of fiber Bragg grating sensors for impact testing of composite laminates,” 2009, p. 75030G–75030G–4.

[41]        B. Van Hoe, E. Bosman, J. Missinne, S. Kalathimekkad, G. Lee, Z. Yan, K. Sugden, D. J. Webb, G. Van Steenberge, and P. Van Daele, “Low-cost fully integrated fiber Bragg grating interrogation system,” 2012, p. 83510U–83510U–8.

[42]        J. Frieden, J. Cugnoni, J. Botsis, T. Gmür, and D. Ćorić, “High-speed internal strain measurements in composite structures under dynamic load using embedded FBG sensors,” Compos. Struct., vol. 92, no. 8, pp. 1905–1912, Jul. 2010.

[43]        The MathWorks Inc., MATLAB R2013a (8.1.0.604). USA, 2013.

[44]        G. Verschaffelt, “LASERs course: Semiconductor lasers,” Brussel: Vrije Universiteit Brussel, 2014.

[45]        N. G. Basov, “Semiconductor lasers,” Nobel Lect. Phys. 1963 Ë 1970, p. 89, 1998.

[46]        A. Lamberti, S. Vanlanduit, B. De Pauw, and F. Berghmans, “Influence of Fiber Bragg Grating Spectrum Degradation on the Performance of Sensor Interrogation Algorithms,” Sensors, vol. 14, no. 12, pp. 24258–24277, Dec. 2014.

[47]        A. Lamberti, S. Vanlanduit, B. De Pauw, and F. Berghmans, “A novel fast phase correlation algorithm for peak wavelength detection of fiber Bragg grating sensors,” Opt. Express, vol. 22, no. 6, p. 7099, Mar. 2014.

 

Universiteit of Hogeschool
Master of Science in de Ingenieurswetenschappen: Fotonica
Publicatiejaar
2015
Kernwoorden
Deel deze scriptie