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Tesis:

Detección de daño en estructuras aeronáuticas mediante sensores piezoeléctricos y de fibra óptica

  • Autor: FERNANDEZ LOPEZ, Antonio

  • Título: Detección de daño en estructuras aeronáuticas mediante sensores piezoeléctricos y de fibra óptica

  • Fecha: 2009

  • Materia: Sin materia definida

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS AERONAUTICOS

  • Departamentos: MOTOPROPULSION Y TERMOFLUIDODINAMICA

  • Acceso electrónico:

  • Director/a 1º: GÜEMES GORDO, Jesús Alfredo

  • Resumen: En esta tesis se han estudiado las técnicas de monitorización estructural orientadas a la detección de daño. Estas técnicas son ampliamente multidisciplinares, ya que se requiere no solo conocer las características de la estructura, sino las técnicas para realización de la medida con sensores compatibles con esta tecnología, además de conocer como procesar los datos obtenidos. Así, la tesis se ha estructurado respecto a los dos temas más innovadores: los sensores, estudiando sus capacidades de medida, y las técnicas de proceso de datos. Los sensores son una parte fundamental del proceso, en tanto la información que se obtiene de ellos ha de permitir la detección de la existencia de daño. Se han estudiado los dos sensores que se consideran más prometedores para la detección de daño estructural: los sensores piezoeléctricos, que también puede hacer funciones de actuador, y los sensores de fibra óptica, concretamente las redes de Bragg y los sensores distribuidos. Así, los sensores piezoeléctricos, se han modelado desde el punto de vista de la medida a deformaciones a alta velocidad, verificando experimentalmente algunas de ellas. Una de las técnicas más comunes en la bibliografía es la detección de ondas elásticas en sólidos con sensores y actuadores piezoeléctricos, técnica que también se ha modelado y se ha comparado con los resultados experimentales. Las redes de Bragg han sido ampliamente estudiadas desde el punto de vista de la deformación. En esta tesis se ha modelado el efecto de los esfuerzos transversales a la fibra, partiendo de un modelo teórico del problema. También se ha desarrollado un equipo para la detección de ondas elásticas con redes de Bragg. La dificultad de este equipo radica en que normalmente no es posible detectar a alta velocidad (del orden de cientos de kilohertzios) con la sensibilidad necesaria (centésimas de microdeformación). Para su desarrollo se ha utilizado la experiencia adquirida en la universidad de Tokio durante una estancia realizada en el verano de 2007. La medida distribuida es una de las técnicas más recientes y más prometedoras. En esta tesis se ha profundizado en la teoría de adquisición de datos y en el fundamento de la medida, no desarrollados hasta ahora. También se han realizado pruebas de su capacidad como sensor bajo las condiciones normales de las técnicas de detección de daño. Una vez que se determinó con precisión el comportamiento de los sensores empleados, se han utilizado diferentes técnicas aplicadas a dos casos prácticos: La detección de desencolados y la detección de delaminaciones. Aprovechando la sensibilidad a los esfuerzos transversales de las redes de Bragg se han introducido en uniones y se ha tratado de monitorizar el despegue de componentes de la estructura. Otra forma de medir despegues en componentes ha sido mediante la técnica de los esfuerzos diferenciales. Usando esta técnica, mediante una red de sensores es posible determinar cambios en el campo de deformaciones de la estructura, y determinar defectos incluso lejos del daño. Con las redes de Bragg también se han medido ondas de propagación en el sólido, aprovechando su menor tamaño y su mejor comportamiento en altas frecuencias. La medida distribuida, básicamente estática, se ha utilizado para la realización de redes sensoras de alta densidad, aprovechando también la sensibilidad de la fibra en las diferentes direcciones. ---------- ABSTRACT---------- In this thesis have been studied the techniques of strain and load monitoring, with the main aim of detecting structural damage, mostly know as Structural Health Monitoring (SHM). Damage detection is a multidisciplinary activity because involves many different technical branch, as it requires to know not only the characteristics of the structure, measurement techniques and data processing are required as well. This thesis has been structured on the two most innovative sensors, studying extent of their capabilities, and data processing techniques. Sensors are a fundamental part of SHM process, as the information obtained from them should provide damage detection. For this reason, we have focused the study of the most promising sensors for this technology: piezoelectric, which can act as actuator as well as sensor, and fiber optic sensor networks, specifically Fiber Bragg Grating sensors (FBG) and distributed optical sensing. Thus, piezoelectric sensors have been studied from the viewpoint of the deformation measured at high speed, checking some of them experimentally. One of the most common techniques in the literature is the detection of elastic waves in solids with piezoelectric sensors and actuators, a technique that has also been modeled and compared with experimental results. FBG networks had been extensively studied from the viewpoint of the deformation. In this thesis had been modeled the transversal stress effect to the fiber from a theoretical point of view. It had been also developed a detection system for elastic waves propagation in structures with FBG, combining the difficulty of high speed measurement (in the order of hundreds of kiloHertzs) with the extremely high sensitivity (one hundred times smaller than microstrains). In this development has been much useful the experience acquired at the University of Tokyo during a summer stay at 2007. Distributed sensing is a new and revolutionary form of measuring, with promising applications for SHM purposed. In this thesis data acquisition theory is deeply study, and strain and temperature sensing techniques are developed. High density strain sensor network capabilities that offer this technique are explored for damage detection. Once it was established precisely the behavior of the sensors used, different techniques are applied to two common damage cases of study, representatives of the aerospace environment: Debonding detection of components and subcomponents and delamination detection in composites. Using the sensibility of fiber optic sensors to transverse stress field, an optical fiber have been placed between subcomponents of the structure, and debonding have been monitored using FBG and distributed sensing. Another possibility to monitor subcomponent debonding is analyzing the changes caused in the strain field using the technique of differential strains. FBG network had been used for Lamb waves detection, due to the excellent directional capabilities and the potential of a most suitable size than piezoelectric for damage detection.