Sensores de fibra óptica tipo redes de Bragg embebidos en material compuesto para medir deformaciones y temperaturas criogénicas

摘要

RESUMENudLa Tesis Doctoral que se presenta tiene como principal objetivo el de contribuir a posibilitar la implementación de los sensores de Bragg en estructuras operativas en el ámbito de la ingeniería aerospacial y dar unos primeros pasos hacia su certificación para el vuelo.udPara conseguir dicho objetivo, se han diseñado y realizado múltiples ensayos mecánicos con el fin de estudiar el impacto estructural de la fibra óptica sobre el material huésped y verificar la validez y calidad de las mediciones de los sensores pegados y embebidos en materiales compuestos, bajo cargas de tracción y compresión en un amplio intervalo de temperaturas incluyendo las criogénicas hasta 20K.udLos resultados experimentales proporcionados por los sensores objeto de esta Tesis, se comparan con cálculos teóricos de respuesta de dichos sensores para evaluar las técnicas de cálculo y poder desarrollar y ofrecer una herramienta válida para calibrar sensores de Bragg adheridos o embebidos en estructuras reales y poder predecir su comportamiento en servicio.udPor otro lado se han estudiado y aplicado diferentes técnicas de integración de los sensores de Bragg en estructuras de material compuesto, técnicas que han debido ajustarse a las necesidades de la industria para la aplicación de los sensores en estructuras aeroespaciales, y verificando la validez de los diseños de integración desarrollados a lo largo de la presente Tesis mediante ensayos de fatiga y ciclos térmicos.udLos resultados obtenidos en esta Tesis Doctoral, muestran un muy alto potencial de los sensores de Bragg para poder sustituir las galgas óhmicas en las mediciones de deformaciones en estructuras aeronáuticas en servicio, que son el medio empleado hoy en día para este tipo de mediciones, mejorando la situación actual de los sensores convencionales pegados a la superficie y ofreciendo sensores fiables que pueden ser embebidos en las estructuras de material compuesto para medir deformaciones y temperaturas a lo largo de toda la vida operativa, desde la fase de fabricación hasta su final.udLos sensores de Bragg ofrecen además la posibilidad de supervisar la salud de la estructura huésped mediante la monitorización de las cargas a cuales la estructura esta expuesto y estimar con estos datos la fatiga estructural y la vida restante del vehiculo en servicio.ududSUMMARYudThe main objectives of the present thesis are to contribute in the implementation of the fiber Bragg grating sensors in operative aerospace structures and to make some first steps ahead for its flight certification.udMany mechanical tests have been designed and performed to meet these objectives as to study the structural impact of the optical fibers on the host material and to verify the validity and quality of the sensors, being surface bonded or embedded in composite materials, under tensile and compression load within a broad temperature range including cryogenic temperatures down to 20K.udThe experimental results of the Bragg grating sensors have been compared in several cases with theoretical calculations with the intention to verify the applied calculation techniques and to develop and offer a helpful tool to calibrate Bragg grating sensors that are surface bonded or embedded in real operative structures and to be able to predict it’s in service behaviour.udIn a further part of the investigation different integration techniques of the Bragg grating sensors in aerospace composite structures have been developed according to the needs of aerospace industrial manufacturing processes. The performances of these integration techniques have been verified in fatigue tests and thermal cycling tests.udThe results obtained in this thesis show that the fiber Bragg grating sensors have the potential to substitute the conventionally used electrical strain gages in the strain measurement of aerospace operative structures. The Bragg grating sensors can improve the actual situation of surface bonded conventional sensors by offering reliable sensors that can be embedded in composite materials and that can measure deformation and temperature along the entire life cycle of the host structure from the fabrication up to its operative end.udAdditionally, the optical fiber Bragg grating sensors offer the possibility to monitor the structural health of its host structure by monitoring the loads to which the structure is exposed to and by estimating the structural fatigue state and the remaining life time of the vehicle.