Design and development of a bypass technique for fiber optic monitoring systems

Structural Health Monitoring (SHM) and Smart Structures are topical and constantly evolving fields. Thanks to low-invasivity and possibility to be influenced by the surrounding environment, Fiber Bragg Grating (FBG) sensors are becoming more and more relevant. These sensors, once embedded in structural components, allow to monitor both the curing process and the normal operative life. One particularly critical point, which nowadays has not found a univocal solution, is the management of fiber’s terminations. The fiber optics, once embedded in the component to be monitored, must exit from it to be connected to a specific data acquisition system, by means of connectors. The most critical area is exactly where the fibers exit from the component, since the sudden discontinuity and the lack of protection may easily cause their failure. This thesis is focused on trying to design, develop and test an embedding system for fiber optic connectors capable of solving the terminations problem. Starting from previous studies, a solution is looked-for with the aim of achieving “plug-and-play” structural components. The main critical features which limited the adoption on large-scale of this kind of SHM systems regard almost exclusively the manufacturing and installation processes of the components, which demand specific shrewdness and highly skilled labor to ensure the health and the protection of the sensors themselves. At the last chapter of this thesis, the invasivity of the achieved solution for the terminations problem is analyzed from a manufacturing process point of view, especially referring to the production of a helicopter tail rotor blade with and without FBG sensors.

Il monitoraggio strutturale (SHM) e la realizzazione di strutture intelligenti sono realtà molto attuali ed in continuo sviluppo. Grazie alle caratteristiche di poca invasività e possibilità di rispondere alle modifiche dell’ambiente che li circondano, i sensori a fibra ottica FBG stanno riscuotendo sempre più successo. Questi infatti, inglobati in componenti strutturali, ne consentono il monitoraggio sia durante il processo di produzione che durante la normale vita operativa. Un aspetto particolarmente cruciale, e che finora non ha trovato soluzione univoca, è la gestione delle terminazioni ottiche. Le fibre, una volta inserite nel componente da monitorare, devono potervi uscire per essere collegate ad un apposito sistema di acquisizione dati, tramite connettori. La zona più critica per i sensori è esattamente il punto in cui questi escono dalla struttura, in quanto l’improvvisa discontinuità e la mancanza di protezione possono facilmente causarne la rottura. Nel presente lavoro di tesi si è cercato di progettare, sviluppare e testare un sistema di inglobamento per connettori a fibra ottica che fosse una soluzione al problema della gestione delle terminazioni. Partendo da studi già condotti in precedenza, si è cercata una soluzione con lo scopo finale di ottenere componenti dotati di sistema di monitoraggio “plug-and-play”. Le principali criticità che hanno limitato l’adozione su grande scala di questa tipologia di monitoraggio strutturale sono relative quasi esclusivamente alla fase di produzione dei componenti, la quale richiede particolari accortezze e manodopera altamente specializzata per garantire la salute e la protezione dei sensori stessi. Nell’ultimo capitolo di questa tesi, l’invasività della soluzione ottenuta per il problema delle terminazioni viene analizzata dal punto di vista del processo produttivo, in particolar modo riferendosi alla produzione di una pala del rotore di coda di un elicottero con e senza sensori FBG.