Diseño e implementación de un sensor óptico basado en redes de difracción de Bragg para el monitoreo de estructuras

Abstract

Esta tesis presenta el estudio y aplicación de sensores ópticos basados en redes de difracción de Bragg, del ingl´es (FBG) Fiber Bragg Gratings, de cara al desarrollo de sistemas de monitoreo estructural, a partir de la implementación y validación de un sistema de medición de deformación en estructuras metálicas. Para realizar la validación de este tipo de sensores directamente en aplicaciones de ingeniería civil, se realizó una caracterización de la respuesta de las redes de difracción de Bragg y se contrastó contra la de dos tipos de sensores comúnmente usados para medir deformaciones (galga extensiométrica y extensómetro) en tres ensayos diferentes. Estos ensayos, llevados a cabo In-Situ, son: un experimento de viga en voladizo, un análisis distribuido de las deformaciones presentadas en una lámina metálica y un ensayo a tracción de una varilla estructural. A partir de estas pruebas se obtiene la relación directa entre la deformación ejercida en una estructura en microstrains μ" y la longitud de onda reflejada, en nm, para las FBGs fabricadas en el Grupo de Comunicaciones Ópticas y Cuánticas de la Universidad Politécnica de Valencia. El documento se divide en dos secciones. La primera sección presenta los aspectos teóricos de las redes de difracción de Bragg y de su utilización como sensores. Mientras que, la segunda sección presenta los experimentos y mediciones realizadas para validar el funcionamiento de los sensores FBG. Los resultados obtenidos mediante estos experimentos permitieron establecer un sistema de medición de deformación en estructuras mediante sensores ópticos tipo FBG, analizar su desempeño y demostrar las ventajas y limitaciones de la utilización de este sistema para el monitoreo estructural de deformaciones mecánicas.

Abstract. This thesis aims at presenting the study and application of Fiber Bragg Grating (FBG) optical sensors, with particular emphasis on their implementation in structural Health Monitoring (SHM) systems. This study was carried out by the implementation and validation of a FBG optic-based measurement system in metal structures. With the purpose of validating FBG sensors, fabricated in the Optical Communications Group at Universidad Politécnica de Valencia, directly in Civil Engineering applications; a characterization of the FBG’s strain response against two commonly used types of strain sensors (strain gauge and extensometer) in three different scenarios was performed. This characterization was carried out In-situ with a cantilever experiment, a distributed analysis on strain presented in a foil, and a tensile test of a structural steel bar. Through these experiments, it is obtained the direct relationship between induced strain (microstrains μ") and reflected wavelength (nanometers nm). The document is divided into two sections. The first section presents theoretical aspects on FBGs and their usage as sensors. The second section describes the experiments and measurements carried out in order to validate the performance of FBG strain sensors. Results obtained from these experiments allowed to establish a strain measurement system (based on FBGs), evaluate its performance, and demonstrate the advantages and limitations of using this kind of sensors in structural health monitoring.