Χρήση αισθητήρων οπτικών ινών για τη μέτρηση παραμορφώσεων σε σύνθετα υλικά και κολλητούς συνδέσμους με κολλητικά μέσα

Abstract

Οι αισθητήρες οπτικών ινών που έχουν αναπτυχθεί τα τελευταία χρόνια, διαθέτουν ελκυστικά χαρακτηριστικά που τους κάνουν πολύ χρήσιμους σε πολλές περιπτώσεις, ενώ σε μερικές άλλες αποτελούν τη μοναδική λύση. Χρησιμοποιούνται ευρέως για την παρακολούθηση της ακεραιότητας των κατασκευών (κτίρια, πλοία, αεροσκάφη κ.α.) και τείνουν να υποσκελίσουν τους παραδοσιακούς αισθητήρες. Στην παρούσα εργασία περιγράφεται η διαδικασία και αναλύονται τα αποτελέσματα μιας σειράς στατικών πειραμάτων που διεξήχθησαν στο Εργαστήριο Ναυπηγικής Τεχνολογίας (ΕΝΤ) της Σχολής Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών του ΕΜΠ, με την χρήση αισθητήρων οπτικών ινών. Οι πειραματικές δοκιμές αφορούν τρία διαφορετικά είδη δοκιμίων τα οποία φορτίστηκαν κυρίως από στατικό εφελκυστικό φορτίο και υπολογίστηκαν σε αυτά οι παραμορφώσεις με χρήση αισθητήρων οπτικών ινών. Πιο συγκεκριμένα πρόκειται για ένα χαλύβδινο έλασμα, έναν κολλητό σύνδεσμο μετάλλου με μέταλλο και ένα μεγάλου μεγέθους δοκίμιο από χάλυβα με κεντρική διαμπερή εγκοπή ενισχυμένο με επίθεμα από σύνθετα υλικά. Οι αισθητήρες οπτικών ινών τοποθετήθηκαν στο πρώτο πείραμα στην επιφάνεια του δοκιμίου, ενώ στα άλλα δυο ενσωματώθηκαν στο κολλητικό μέσο και στο επίθεμα, αντίστοιχα. Δόθηκε ιδιαίτερη βαρύτητα στη χρήση και τοποθέτηση των οπτικών ινών που ήταν άλλωστε και το κύριο θέμα της εργασίας. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν σε κάθε πείραμα συγκρίθηκαν με τα αντίστοιχα από αριθμητικές αναλύσεις ούτως ώστε να αξιολογηθεί η αξιοπιστία της χρήσης των αισθητήρων οπτικών ινών ως μετρητικά μέσα παραμορφώσεων. Αρχικά γίνεται μια αναφορά στις βασικές αρχές λειτουργίας των αισθητήρων οπτικών ινών και της σημασίας που έχουν αυτοί στη ζωή μας. Αναλύονται μερικές από τις βασικές εφαρμογές αυτών και πιο συγκεκριμένα αυτές που αφορούν τον υπολογισμό παραμορφώσεων στις κατασκευές. Έπειτα παρουσιάζεται ο βασικός εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε για την εκτέλεση των πειραμάτων όσον αφορά τη λειτουργία των αισθητήρων οπτικών ινών και στη συνέχεια παρουσιάζεται ο τρόπος τοποθέτησης των αισθητήρων οπτικών ινών πάνω σε επίπεδες επιφάνειες. Ακολουθεί αναλυτικά ο σχεδιασμός, η εκτέλεση και η αριθμητική προσομοίωση των τριών εφαρμογών ξεχωριστά, ενώ στο τέλος κάθε κεφαλαίου συγκρίνονται τα πειραματικά με τα αριθμητικά αποτελέσματα και εξάγονται τα απαραίτητα συμπεράσματα.

The fiber optic sensors that have been developed in recent years, have attractive features that make them very useful in many cases, while in some others the only solution. They are widely used for monitoring the integrity of structures (buildings, ships, aircraft etc.) and tend to supplant traditional sensors. This work describes the process and analyzes the results of a series of static experiments conducted at the Laboratory of Naval Technology (LNT) of Naval Architecture and Marine Engineering School at NTUA, using fiber optic sensors. Three different kinds of specimens loaded mainly by static tensile load in which the strains calculated using optical fiber sensors. More specifically the specimens were a steel plate, a metal to metal adhesive joint and a large steel plate with central notch which was reinforced with composite materials patch. The fiber optic sensors were placed in the first experiment on the surface of the specimen, while in the other two were embedded in the adhesive and the patch, respectively. It was placed particular emphasis on the use and installation of optical fiber which was also the main theme of the work. The results obtained in each experiment were compared with those from numerical analyzes in order to assess the reliability of the use of fiber optic sensors as a means of measuring deformations.