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Aplicação de fibras óticas para avaliar as alterações de temperatura em compósitos laminados

Author(s): Rato, Jorge Daniel dos Santos

Date: 2015

Persistent ID: http://hdl.handle.net/10400.6/5796

Origin: uBibliorum

Subject(s): Materiais Compósitos; Monitorização de Saúde Estrutural; Sensor de Temperatura; Sensores de Fibra Ótica; Domínio/Área Científica::Engenharia e Tecnologia::Engenharia Mecânica; Domínio/Área Científica::Engenharia e Tecnologia::Engenharia Mecânica; Domínio/Área Científica::Engenharia e Tecnologia::Engenharia Mecânica


Description

Hoje em dia os materiais compósitos são usados nas mais diversas áreas devido às suas propriedades únicas como a sua elevada resistência mecânica, elevada rigidez específica, resistência à corrosão, baixa densidade e bom desempenho à fadiga. Por outro lado os sensores de fibra ótica possuem um conjunto de vantagens como o seu tamanho e peso reduzidos, imunidade a interferências eletromagnéticas e à corrosão e também a possibilidade de serem facilmente introduzidas no interior das estruturas compósitas que se pretende monitorizar. Estas características únicas permitem que os sistemas sensoriais de fibra ótica sejam incorporados em estruturas complexas e, principalmente sujeitas a solicitações dinâmicas como pontes, turbinas eólicas, infraestruturas ferroviárias, aeronaves, etc. No presente trabalho foram testados vários tipos de fibras óticas comerciais para perceber a influência da temperatura no sinal ótico que as percorre. As fibras óticas mais sensíveis à temperatura foram incorporadas em dois tipos de materiais compósitos diferentes (compósito carbono/epoxy e compósito vidro/poliéster). Desta forma, analisou-se a influência do processo de fabrico nas propriedades óticas. Para este fim foi implementado um circuito ótico que permitiu, em tempo real, realizar as leituras do sinal proveniente de uma fonte luminosa (laser) que atravessa a fibra ótica (output) e compará-lo com um sinal de referência originário da mesma fonte. Através desta comparação o erro e as perdas são conhecidas e a confiança nos resultados obtidos foi garantida. Comparando o sinal obtido antes e depois da incorporação no compósito verifica-se que, ao serem incorporadas no material compósito, as fibras óticas sofrem alterações provocadas pelo processo de fabrico, nomeadamente na intensidade do sinal que as atravessa. Verificou-se que, para uma gama de temperaturas (25-55° C), uma fibra ótica comercial tem uma alteração de intensidade no sinal suficiente para atuar como um sensor, quando incorporada num material compósito. Essa alteração pode chegar a ser de 54% em compósitos de fibra de carbono (usando fibra ótica do tipo F-MLD) e 46% em compósitos de fibra de vidro (usando fibra ótica do tipo F-SPF).

Nowadays, composite materials are used in several areas due to its unique properties such as its high mechanical strength, high specific stiffness, corrosion resistance, low density and good fatigue performance. Moreover, fiber optic sensors have a number of advantages such as its reduced size and weight, immunity to electromagnetic interference and corrosion and the possibility of being easily introduced within the composite structure that is intended to monitor. These unique features enable the incorporation of fiber optic sensing systems into complex structures mainly subject to dynamic loads such as bridges, wind turbines, railway infrastructures, aircrafts, etc. In this study, several types of commercial optical fibers were tested to study the influence of temperature on the optical signal that travels through it. Optical fibers more sensitive to temperature were incorporated into two different types of composites (carbon/epoxy and glass/polyester). Therefor, the influence of the manufacturing process in the optical properties was analyzed. To this end, an optical circuit was implemented which performs real time readings in the signal from a light source (laser), which passes through the optical fiber (output), and compares it with a reference signal originating from the same source. Through this comparison the error and losses are known and the results are trustworthy. Comparing the signal obtained before and after the incorporation in the composite is found that, when incorporated in the composite material, optical fibers experience changes caused by the manufacturing process, namely in the strength of the signal that passes through them. It was found that, for a range of temperatures (25-55° C), commercial optical fibers have a sufficient intensity change in the signal to act as a sensor when incorporated into a composite material. This changes can reach 54% in carbon fiber composites (using F-MLD type optical fiber) and 46 % for glass fiber composites (using F-SPF type optical fiber).

Document Type Master thesis
Language Portuguese
Advisor(s) Silva, Abílio Manuel Pereira da
Contributor(s) Rato, Jorge Daniel dos Santos
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