Publication details
Composite structures with integrated fiber optic sensors
Abstracts and keywords
Niniejsza praca dotyczy zagadnień związanych z technologią fotonicznych czujników wielkości fizycznych wykorzystujących światłowodowe siatki Bragga. Przedstawiono rodzaje periodycznych struktur światłowodowych, ich właściwości spektralne oraz wyniki modelowania widm siatek o różnych parametrach technicznych. Ponadto przedstawione zostały wyniki badań eksperymentalnych oraz analiza zachowania widm czujników światłowodowych wbudowanych w strukturę płytek kompozytowych poddawanych zginaniu. W szczególności przedstawione zostały przesunięcia centralnych długości fal czujników wbudowanych w formie sieci czujników w różnych miejscach płytek. W pierwszej części pracy zawarto teoretyczne podstawy, które opisują zasady działania światłowodowych siatek Bragga. Przedstawione zostały schematy budowy wewnętrznej różnych rodzajów struktur periodycznych powstałych poprzez modyfikacje ich budowy wewnętrznej. Przedstawione zostały przykładowe charakterystyki widmowe oraz omówione zostały podstawowe różnice w charakterystykach spektralnych siatek o modyfikowanej budowie wewnętrznej. Ponadto przedstawiony został przegląd metod pomiaru wydłużenia względnego wykorzystujących czujniki światłowodowe. W pierwszej części pracy omówione zostały również właściwości materiałów kompozytowych o różnych strukturach wewnętrznych. Przedstawiono przegląd metod pomiarowych stosowanych do pomiaru naprężeń w elementach konstrukcyjnych wykonanych z materiałów kompozytowych. Druga część pracy przedstawia wyniki symulacji komputerowych, których celem było wykreślanie widm światłowodowych siatek Bragga o różnych parametrach budowy wewnętrznej. Przedstawiono także metodę wykorzystaną do opracowania modeli symulacyjnych. Część eksperymentalna związana jest z badaniami charakterystyk widmowych siatek wbudowanych w kompozytowe płytki kontrolne zbudowane na potrzeby niniejszej pracy. Zaprezentowana zastała procedura tworzenia pytek kompozytowych zbudowanych z warstw tkaniny włókna węglowego oraz żywicy epoksydowej. Pomiędzy warstwami włókna węglowego wbudowane zostały włókna światłowodowe z zapisanymi siatkami Bragga o wybranych parametrach. Każda ze zbudowanych płytek zawierała czujniki rozmieszczone w różny sposób, dzięki czemu możliwe było wykonanie analizy rozkładu naprężeń w różnych miejscach płytek poddawanych wyginaniu. W ramach części eksperymentalnej przedstawiono wyniki pomiarów naprężeń występujących w różnych segmentach płytek kontrolnych. Pomiary wykonano przy wykorzystaniu trzech elementów kompozytowych z czujnikami rozmieszczonymi w różny sposób. Dodatkowo każda z płytek była poddawana różnym typom gięcia. Na tej podstawie wyznaczono charakterystyki zmian wydłużenia względnego materiału kompozytowego w miejscu wbudowanego czujnika FBG na jego długości pod wpływem gięcia płytek. Zastosowano także sieć czujników wbudowanych pod kątem 90 stopni względem siebie, co może posłużyć do wyznaczania rodzaju gięcia przyłożonego do elementu kontrolnego. Reasumując niniejsza praca przedstawia analizę zastosowań i struktury materiałów kompozytowych wraz z czujnikami występującymi w takich materiałach. Zbudowano trzy płytki kompozytowe z różnie rozmieszczonymi czujnikami w postaci światłowodowych siatek Bragga. W ramach badań eksperymentalnych przedstawiono wyniki pomiarów rozkładu naprężeń dla płytek kompozytowych poddawanych różnym rodzajom gięcia. Wyznaczono charakterystyki zmian wydłużenia względnego dla różnych rodzajów gięcia przy zastosowaniu sieci czujników wbudowanych w strukturę wewnętrzną materiału kompozytowego.
This paper deals with issues related to the technology of photonic sensors of physical quantities using fiber Bragg gratings (FBGs). The types of periodic fiber structures, their spectral properties and the results of modeling spectra of gratings with different technical parameters are presented. In addition, the results of experimental research and the analysis of the spectra of optical fiber sensors embedded in the structure of composite plates subjected to bending are presented. In particular, the shifts of the central wavelengths of sensors embedded in form of mesh at various locations on the plates are presented. The first part of the thesis contains theoretical foundations that describe the principles of operation of fiber Bragg gratings. Diagrams of the internal structure of various types of periodic structures created by modifying their internal structure are presented. Examples of spectral characteristics are presented and the basic differences in spectral characteristics of gratings with modified internal structure are discussed. In addition, an overview of the methods for measuring the relative elongation using fiber optic sensors is presented. In the first part of the work, the properties of composite materials with different internal structures were also discussed. An overview of the measurement methods used to measure the stresses in structural elements made of composite materials is presented. The second part of the work presents the results of computer simulations aimed at plotting the spectra of FBGs with different internal structure parameters. The method used to develop simulation models is also presented. The experimental part is related to the study of the spectral characteristics of the gratings embedded in composite control plates built for the purposes of this study. The procedure for creating composite tiles made of layers of carbon fiber fabric and epoxy resin was presented. Between the layers of carbon fiber, optical fibers with FBGs with selected parameters are embedded. Each of the built plates contained sensors arranged in different ways, thanks to which it was possible to perform an analysis of the stress distribution in different places of the plates subjected to bending. As part of the experimental part, the results of measurements of stresses occurring in various segments of the control plates were presented. Measurements were made using three composite elements with sensors arranged in differentways. Additionally, each of the tiles was subjected to different types of bending. On this basis, the characteristics of changes in the relative elongation of the composite material in the place of the built–in FBG sensor along its length were determined due to bending of the plates. A network of sensors built–in at an angle of 90 degrees to each other was also used, which can be used to determine the type of bend applied to the control element. Summing up, this paper presents an analysis of the applications and structure of composite materials with sensors present in such materials. Three composite plates with differently arranged sensors in the form of fiber Bragg grating were built. As part of the experimental tests, the results of measurements of the stress distribution for composite tiles subjected to various types of bending were presented. The characteristics of changes in relative elongation for different types of bending were determined with the use of a network of sensors embedded in the internal structure of the composite material.
В данной работе рассматриваются вопросы, связанные с технологией создания фотонных датчиков физических величин с использованием волоконно–оптических решеток Брэгга. Представлены типы периодических волоконно–оптических структур, их спектральные свойства и результаты моделирования спектров решеток с различными техническими параметрами. Кроме того, представлены экспериментальные результаты и анализ поведения спектров оптоволоконных датчиков, встроенных в структуру композитных пластин, подвергающихся изгибу. В частности, представлены смещения центральных длин волн датчиков, встроенных в виде сети датчиков в различных местах пластин. Первая часть работы содержит теоретические основы, описывающие принципы работы волоконно–оптических решеток Брэгга. Представлены схемы внутренней структуры различных типов решеток, образованных путем модификации их внутренней структуры. Приведены примеры спектральных характеристик и обсуждены основные отличия спектральных характеристиках решеток с измененной внутренней структурой. Кроме того, представлен обзор методов измерения относительного удлинения с использованием волоконно–оптических датчиков. В первой части работы также рассматриваются свойства композитных материалов с различной внутренней структурой. Представлен обзор методов, используемых для измерения напряжений в композитных элементах конструкций. Во второй части работы представлены результаты компьютерного моделирования, направленного на построение спектров волоконно– оптических брэгговских решеток с различными параметрами внутренней структуры. Также представлен метод, использованный для разработки имитационных моделей. Экспериментальная часть связана с исследованием спектральных характеристик решеток, встроенных в композитные пластины, созданные для целей данной работы. Представлена процедура создания композитных испытательных пластин, состоящих из слоев ткани из углеродного волокна и эпоксидной смолы. Между слоями углеродного волокна были встроены оптоволокна с записанными брэгговскими решетками выбранных параметров. Каждая из изготовленных пластин содержала датчики, расположенные по–разному, так чтобы можно было проанализировать распределение напряжения в различных областях пластин, подвергающихся изгибу. В экспериментальной части представлены результаты измерений напряжений, возникающих в различных частях испытуемой пластины. Измерения проводились с использованием трех композитных образцов с датчиками, расположенными по–разному. Кроме того, каждая пластина подвергалась различным видам изгиба. На этой основе были определены характеристики изменения относительного удлинения композитного материала в месте расположения встроенного ВБР–датчика по его длине под воздействием изгиба пластин. Также использовалась сеть датчиков, встроенных под углом 90 градусов друг к другу, с помощью которых можно определить тип изгиба, приложенного к управляющему элементу. В целом, в данной диссертации представлен анализ применения и структуры композитных материалов, а также датчики, используемые в таких материалах. Были изготовлены три композитные пластины с разным расположением датчиков на основе волоконно–оптических решеток Брэгга. В экспериментальном исследовании представлены результаты измерений распределения напряжений композитных пластин, подвергнутых различным видам изгиба. Характеристики изменения относительного удлинения при различных видах изгиба определялись с помощью сети датчиков, встроенных во внутреннюю структуру композитного материала.
