Analysis and implementation of optical fiber sensors for process monitoring of composite materials

Abstract

The use of composite materials in many industrial applications and structures under high stress (airplane wings, unmanned air vehicles, wind turbines, etc.) has been exponentially growing thanks to their lightweight, superior strength, durability, and corrosion resistance. However, the unique mechanical properties of composite materials cannot be fully exploited without monitoring them when material is placed under constraints. It is essential to monitor their behavior not only in the field but also during manufacturing process to ensure the high quality of manufactured materials. For this purpose, the use of optical fiber sensing, particularly the embedding of fiber Bragg grating (FBG) sensors into composite materials has been gaining growing popularity thanks to various advantages of FBGs. In this context, the main purpose of this thesis is to demonstrate the feasibility of using optical fiber sensors for process monitoring (cure and resin flow) of fiber reinforced thermoset composite materials. The first sensor type studied in the thesis was based on Fresnel reflection. The capability of monitoring the curing profile of liquid matrix (mixture of resin and hardener) has been demonstrated by the way of Fresnel reflection sensor interrogated by Optical Time Domain Reflectometry (OTDR). Then, FBG sensors were embedded into composite plates to measure the temperature change during resin injection and cure cycle, as well as determining the residual strain inside the material. In spite of the popularity of using FBG sensors, most recent researches clearly prove that there is still a lack of technical maturity in real life applications in interrogating embedded FBGs for strain measurements. There is still room for new sensing approaches. In the last part of the thesis, we proposed a novel method to interrogate fiber cavity ring-down (CRD) loop by using OTDR which makes this sensing approach more practical and cheaper than the conventional techniques. Thanks to these advantages, our proposed interrogation method can be implemented for strain measurements inside the composite materials as an alternative to the FBG sensors.

Pek çok endüstriyel uygulamada ve yüksek mekanik gerilime maruz yapılarda (uçak kanatları, insansız hava araçları, rüzgar türbinleri, vb.) kompozit malzemelerin kullanımı sağladıkları hafiflik, üstün sağlamlık, dayanıklılık ve korozyon direnci gibi özellikler sayesinde gittikçe artmaktadır. Ancak kompozit malzemelerin bu avantajlı özellikleri tam anlamıyla faydalanabilmek için malzemenin yük altındaki davranışının izlenmesi gerekmektedir. İmal edilen malzemelerin yüksek kalitesini sağlamak için malzemenin davranışlarını yalnızca sahada değil, aynı zamanda üretim süresince de izlemek gereklidir. Bu amaçla, fiber optik algılamanın kullanılması, özellikle fiber Bragg grating (FBG) sensörlerinin kompozit malzemelere yerleştirilmesi, FBG'lerin çeşitli avantajları sayesinde popülarite kazanmaktadır. Bu bağlamda, bu tezin temel amacı, fiber takviyeli termoset kompozit malzemelerin üretiminin izlenmesi (kürlenme ve reçine akış) için optik fiber sensörlerin uygulanabilirliğini göstermektir. Tezde incelenen ilk sensör tipi Fresnel yansımasına dayanmaktadır. Sıvı matrisin (reçine ve sertleştirici karışımı) kürlenme profilinin izlenebilmesi, Optik Zaman Alanı Reflektometresi (OTDR) tarafından sorgulanan Fresnel yansıma sensörü yolu ile gösterilmiştir. Ardından, FBG sensörleri, reçine enjeksiyonu ve kürlenme döngüsü sırasında sıcaklık değişimini ölçmek ve malzemenin içindeki artık gerinimi (residual strain) belirlemek için kompozit plakalara gömülmüştür. FBG sensörlerinin popülerliğine rağmen, yapılan araştırmalar, gerinim ölçümleri sırasında FBG sorgulama yöntemlerinin pratikte teknik olarak yeterli olgunlukta olmadığını göstermektedir. Yeni sensör sorgulama yaklaşımları için çalışmalar hala devam etmektedir. Tezin son bölümünde, fiber kavite ring-down (CRD) döngüsünü, OTDR kullanarak, konvansiyonel tekniklerden daha pratik ve ucuz bir yöntemle sorgulanmasını sağlayan yeni bir yöntem önerilmiştir. Bu yöntemin, sağladığı avantajlar sayesinde, kompozit malzemelerin içindeki gerinimleri ölçmek için (FBG sensörlerine alternatif olarak) uygulanabileceği gösterilmiştir.