Development of an FBG sensor able to decouple mechanical-thermal and hygroscopic effects

In the last decades the aviation world has been increasingly characterized by the use of composite materials, from the production of small components to the fabrication of impressive structural parts. However, aircrafts are subjected to extreme environmental conditions during their operational life. Composite components are exposed to temperature leaps and high humidity generating a degradation in characteristics and properties. Therefore, temperature and humidity values inside composite structures must be monitored, as well as strains and stresses. This thesis work focuses attention on fiber optics with Fiber Bragg Gratings (FBGs) inscribed inside them as the chosen technology for the monitoring of the state of health of aircraft composite components during the operational life. In particular, FBG sensors allow the transmission of all wavelengths with one exception: the Bragg wavelength, which is totally reflected and captured by the interrogator. The value of the reflected wavelength changes due to a change in the grating period or in the glass refractive index caused by external environmental conditions or mechanical loads applied. The first step consists in characterizing the FBG sensor inscribed inside the fiber. The Bragg wavelength must be identified for each temperature and relative humidity value recreated inside a climate chamber. Once these values are available, sensor sensitivities to temperature and relative humidity can be easily determined since the relation between wavelengths, T and RH is linear. Subsequently, a new form of the photo-thermal elastic law will be derived and validated. The idea behind this law claims that the photo-elastic coefficient is related to stresses and not to strains. In addition, to complete the validation the sensor must be subjected to an external mechanical load. By means of an external support, an axial load has been introduced exploiting gravitational force acting on lead weights directly attached to the fiber. Experimental data allowed to successfully validate the new law. Lastly, the thesis work presents the creation of a sensor able to decouple mechanical-thermal and hygroscopic effects exploiting the FBG technology. In particular, three FBG sensors inscribed in three different fibers have been used. The first sensor, completely closed inside a metallic capillary tube, detects only temperature changes as it is isolated both from a mechanical and hygroscopic point of view (being glued and not in contact with the resin, responsible for the humidity diffusion). A temperature value can be obtained from the first FBG. The second sensor is inserted inside a metallic micro-perforated capillary tube, which allows detection of both humidity and temperature. The sensor is still mechanically isolated but the micro-holes allow the infiltration of moisture. Since temperature is obtained from the previous sensor, a relative humidity value can be obtained from the second one. As for the third sensor, it is sensitive to all three quantities as it is completely free. It provides a deformation value. Thus, a sensor able to decouple the three effects and provide values for the three quantities has been developed.

Da decenni ormai il mondo dell'aviazione è interessato sempre più dall'impiego di materiali compositi, dalla produzione di piccoli componenti fino alla realizzazione di imponenti parti strutturali. Durante la vita operativa i velivoli si trovano spesso in ambiente ostile, sottoponendo i materiali compositi a grandi sbalzi di temperatura ed elevate condizioni di umidità che ne deteriorano caratteristiche e proprietà. Si rende, quindi, necessario monitorare non solo l'andamento di sforzi e deformazioni, ma anche la temperatura e il livello di umidità all'interno di tali strutture. Il presente lavoro di tesi concentra l'attenzione sull'impiego di fibre ottiche dotate di particolari sensori a reticolo chiamati FBGs (Fiber Bragg Gratings), quale tecnologia volta al monitoraggio continuo dello stato di salute dei componenti durante la vita operativa del velivolo. In particolare, i sensori FBG consentono la trasmissione di tutte le lunghezze d'onda eccetto una, chiamata lunghezza d'onda di Bragg, che viene totalmente riflessa e rilevata tramite interrogatore e computer. A seconda delle condizioni ambientali e di eventuali carichi esterni applicati, sia il reticolo del sensore che l'indice di rifrazione del vetro vengono modificati, causando una variazione nella lunghezza d'onda di Bragg riflessa. Il primo passo consiste nel caratterizzare il sensore FBG inscritto all'interno di una fibra, ovvero identificare la lunghezza d'onda rilevata dall'interrogatore al variare delle condizioni esterne di temperatura ed umidità relativa simulate all'interno di una camera climatica. Dal momento che la lunghezza d'onda riflessa varia linearmente al variare di temperatura e umidità, la determinazione delle sensitività alle due variabili è immediata. Successivamente, sfruttando le sensitività appena determinate sperimentalmente, si procede con la validazione di una nuova legge foto-termo elastica: l'idea di base poggia sulla considerazione che il coefficiente fotoelastico sia legato agli sforzi e non alle deformazioni. Per poter completare la validazione è necessario sottoporre il sensore a una deformazione meccanica. Tramite un apposito supporto esterno, è stato introdotto un carico assiale sfruttando l'azione della forza di gravità su pesini di piombo appesi direttamente alla fibra ottica. I dati sperimentali così raccolti hanno permesso di validare con successo la nuova legge. Il lavoro di tesi si conclude con la realizzazione di un sensore in grado di disaccoppiare gli effetti meccanici, termici e igroscopici, sfruttando la tecnologia FBG. In particolare, sono stati utilizzati tre sensori FBG inscritti in tre differenti fibre ottiche. Il primo sensore, completamente incapsulato in un capillare metallico, è sensibile alle sole variazioni di temperatura, in quanto isolato dal punto di vista meccanico e non in contatto diretto con la resina che veicola l'umidità. Da qui è possibile ottenere un valore di temperatura. Il secondo sensore è inserito in un capillare metallico microforato che consente a sua volta la lettura del valore di umidità, in presenza di valori di temperatura già noti. Il sensore resta isolato dal punto di vista meccanico, ma le microforature permettono l'infiltrazione di umidità. Da ultimo, il terzo sensore è libero e pertanto sensibile alle tre grandezze. Da quest'ultimo sensore verrà ricavato il valore di deformazione. Con questo procedimento si è ottenuto un sensore in grado di disaccoppiare i tre effetti e fornire i valori delle tre variabili misurate.