Development and testing of optical fiber based monitoring systems for a wind tunnel application

Fiber Bragg Grating are sensors inscribed in Optical Fiber, attractive in aerospace applications due to their small non invasive size, multiplexing capabilities and real time monitoring. The basic operating principle behind optical sensors yields distinct advantages over conventional strain gauges, most of all electromagnetic immunity, which could be notable in wind tunnel testing. Their features are ideal when some types of force or strain must be measured directly on the aircraft model. The first part of the thesis focuses on instrumentation of a trainer's horizontal tail, which is equipped with some Wheatstone bridges for the detection of three force component. The work demonstrates that it is possible to create some customized optical rosettes, reducing the number of sensors and using only two fiber. The procedure implies the use of composite material, allowing to create very small-sized sensors. In order to fulfill all the size requirements it has been necessary to study the implication of small-radius curvature on optical fiber, like signal losses and material, in order to choose the most suitable fiber. The second part of the project aimed to analyze the use of FDM technique with ULTEM 9085 to create wind tunnel models designed with special features for optical fiber sensor application. The additive manufacturing technique permits to create some channels. It was investigated the compatibility of glues with ULTEM 9085, which is ideal for this application due to its high elastic modulus and since the accuracy of the printer is very high. Some tests on a simple printed beam are performed and finally the horizontal tail model was produced choosing the proper printing direction and tested. The load envelope was chosen analyzing data obtained from low speed wind tunnel.

I sensori basati sulle fibre ottiche, in particolare quelli a reticolo di Bragg, sono interessanti per applicazioni in ambito aerospaziale grazie alle dimensioni ridotte, la possibilità di inscrivere diversi sensori in una sola fibra e di acquisire il segnale in tempo reale. Il principio ottico sul quale si basano li rende naturalmente immuni alle interferenze elettromagnetiche, al contrario degli estensimetri resistivi. Questo può essere un grande vantaggio in galleria del vento, in cui diverse sorgenti di disturbo sono comunemente presenti. La particolare morfologia dei sensori in fibra ottica permette di ridurre l'invasività del sistema di misura, ed è interessante nei casi in cui sia necessario ottenere delle misure di forza o deformazione direttamente sui componenti del modello da galleria. La prima parte della tesi si pone lo scopo di strumentare un modello di stabilizzatore di un velivolo da addestramento, sul quale erano già stati applicati degli estensimetri per la misura di tre componenti di carico. Il sistema di misura è stato progettato e dimensionato, portando alla riduzione complessiva dell'ingombro, del numero di cavi e sensori rispetto al sistema estensimetrico. Si è analizzata la fattibilità di rosette in fibra ottica su misura, create attraverso l'impiego di tessuto di fibra di vetro e resina strutturale. Il sistema così creato è stato testato sia su un provino semplice che sul modello proposto come caso di studio, validando la tecnica. A causa delle ridotte dimensioni della zona di applicazione, è stato necessario effettuare un'analisi di sensitività a piccoli raggi di curvatura e scegliere di conseguenza la fibra più adatta. Nella seconda parte della tesi è stata analizzata la possibilità di realizzare modelli da galleria in tecnologia additiva, progettati in modo da prevedere l'inglobamento di fibre ottiche. In particolare si è utilizzata la tecnica FDM con ULTEM 9085, che ha permesso di creare canali appositi durante la stampa. L'analisi a elementi finiti è stata sfruttata per la scelta dei carichi da imporre per la validazione del sistema di misura e per una stima delle deformazioni. La tecnica è stata implementata su una trave semplice, dimostrando che la soluzione proposta è in grado di sopportare notevoli deformazioni imposte. In conclusione si è progettato e stampato il modello di stabilizzatore analizzato nella prima parte della tesi, con modifiche relative al design. L'inviluppo di carico è stato scelto analizzando i dati ottenuti da prove in galleria del vento a basse velocità.