Packaging and testing of fiber Bragg gratings for use as strain sensor for rock specimens

This paper reports a packaging and calibration procedure for surface mounting of fiber Bragg grating (FBG) sensors to measure strain in rocks. The packaging of FBG sensors is performed with glass fiber and polyester resin, and then subjected to tensile loads in order to obtain strength and deformability parameters, necessaries to assess the mechanical performance of the sensor packaging. For a specific package, an optimal curing condition has been found, showing good repeatability and adaptability for non-planar surfaces, such as occurs in rock engineering. The successfully packaged sensors and electrical strain gages were attached to standard rock specimens of gabbro. Longitudinal and transversal strains under compression loads were measured with both techniques, showing that response of FBG sensors is linear and reliable. An analytical model is used to characterize the influences of rock substrate and FBG packaging in strain transmission. As a result, we obtained a sensor packaging for non-planar and complex natural material under acceptable sensitivity suitable for very small strains as occurs in hard rocks.

Development and Testing of a Fiber Bragg Grating Strain Sensor for Uniaxial Compression of Rock Specimens

Los sensores de fibra óptica son una tecnología que ha madurado en los últimos años, sin embargo, se requiere un mayor desarrollo de aplicaciones para materiales naturales como las rocas, que por ser agregados complejos pueden contener partículas minerales y fracturas de tamaño mucho mayor que las galgas eléctricas usadas tradicionalmente para medir deformaciones en las pruebas de laboratorio, ocasionando que los resultados obtenidos puedan ser no representativos. En este trabajo fueron diseñados, fabricados y probados sensores de deformación de gran área y forma curvada, usando redes de Bragg en fibra óptica (FBG) con el objetivo de obtener registros representativos en rocas que contienen minerales y estructuras de diversas composiciones, tamaños y direcciones. Se presenta el proceso de elaboración del transductor, su caracterización mecánica, su calibración y su evaluación en pruebas de compresión uniaxial en muestras de roca. Para verificar la eficiencia en la transmisión de la deformación de la roca al sensor una vez pegado, también fue realizado el análisis de la transferencia incluyendo los efectos del adhesivo, de la muestra y del transductor. Los resultados experimentales indican que el sensor desarrollado permite registro y transferencia de la deformación fiables, avance necesario para uso en rocas y otros materiales heterogénos, señalando una interesante perspectiva para aplicaciones sobre superficies irregulares, pues permite aumentar a voluntad el tamaño y forma del área de registro, posibilita también obtener mayor fiabilidad de resultados en muestras de pequeño tamaño y sugiere su conveniencia en obras, en las cuales los sistemas eléctricos tradicionales tienen limitaciones. ABSTRACT Optical fiber sensors are a technology that has matured in recent years, however, further development for rock applications is needed. Rocks contain mineral particles and features larger than electrical strain gauges traditionally used in laboratory tests, causing the results to be unrepresentative. In this work were designed, manufactured, and tested large area and curved shape strain gages, using fiber Bragg gratings in optical fiber (FBG) in order to obtain representative measurement on surface rocks samples containing minerals and structures of different compositions, sizes and directions. This reports presents the processes of manufacturing, mechanical characterization, calibration and evaluation under uniaxial compression tests on rock samples. To verify the efficiency of rock deformation transmitted to attached sensor, it was also performed the analysis of the strain transfer including the effects of the bonding, the sample and the transducer. The experimental results indicate that the developed sensor enables reliable measurements of the strain and its transmission from rock to sensor, appropriate for use in heterogeneous materials, pointing an interesting perspective for applications on irregular surfaces, allowing increasing at will the size and shape of the measurement area. This research suggests suitability of the optical strain gauge for real scale, where traditional electrical systems have demonstrated some limitations.

Methodology based on FBG sensors for monitoring of FRP-strengthened beams

Advanced composite materials are increasingly used in the strengthening of reinforced concrete (RC) structures. The use of externally bonded strips made of fibre-reinforced plastics (FRP) as strengthening method has gained widespread acceptance in recent years since it has many advantages over the traditional techniques. However, unfortunately, this strengthening method is often associated with a brittle and sudden failure caused by some form of FRP bond failure, originated at the termination of the FRP material or at intermediate areas in the vicinity of flexural cracks in the RC beam. Up to date, little effort in the early prediction of the debonding in its initial instants even though this effect is not noticeable by simple visual observation. An early detection of this phenomenon might help in taking actions to prevent future catastrophes. Fibre-optic Bragg grating (FBG) sensors are able to measure strains locally with high resolution and accuracy. Furthermore, as their physical size is extremely small compared with other strain measuring components, it enables to be embedded at the concrete-FRP interface for determining the strain distribution without influencing the mechanical properties of the host materials. This paper shows the development of a debonding identification methodology based on strains experimentally measured. For, it a simplified model is implemented to simulate the behaviour of FRP-strengthened reinforced concrete beams. This model is taken as a basis to. develop an model updating procedure able to detect minor debonding at the concrete-FRP interface from experimental strains obtained by using FBG sensors embedded at the interface

Identification of intermediate debonding damage in FRP-plated RC beams based on multi-objective particle swarm optimization without updated baseline model

Fiber reinforced polymer composites (FRP) have found widespread usage in the repair and strengthening of concrete structures. FRP composites exhibit high strength-to-weight ratio, corrosion resistance, and are convenient to use in repair applications. Externally bonded FRP flexural strengthening of concrete beams is the most extended application of this technique. A common cause of failure in such members is associated with intermediate crack-induced debonding (IC debonding) of the FRP substrate from the concrete in an abrupt manner. Continuous monitoring of the concrete?FRP interface is essential to pre- vent IC debonding. Objective condition assessment and performance evaluation are challenging activities since they require some type of monitoring to track the response over a period of time. In this paper, a multi-objective model updating method integrated in the context of structural health monitoring is demonstrated as promising technology for the safety and reliability of this kind of strengthening technique. The proposed method, solved by a multi-objective extension of the particle swarm optimization method, is based on strain measurements under controlled loading. The use of permanently installed fiber Bragg grating (FBG) sensors embedded into the FRP-concrete interface or bonded onto the FRP strip together with the proposed methodology results in an automated method able to operate in an unsupervised mode.

Estudio y desarrollo de sensores de fibra óptica para detección de vibraciones en ductos ascendentes submarinos

En esta tesis doctoral se describe el trabajo de investigación enfocado al estudio y desarrollo de sensores de fibra óptica para la detección de presión, flujo y vibraciones en ductos ascendentes submarinos utilizados en la extracción y transporte de hidrocarburos, con el objetivo de aplicarlos en los campos de explotación de aguas profundas en el Golfo de México pertenecientes a la Industria Petrolera Mexicana. El trabajo se ha enfocado al estudio y desarrollo de sensores ópticos cuasi distribuidos y distribuidos. En especial se ha profundizado en el uso y aplicación de las redes de Bragg (FBG) y de reflectómetros ópticos en el dominio del tiempo sensible a la fase (φ-OTDR). Los sensores de fibra óptica son especialmente interesantes para estas aplicaciones por sus ventajosas características como su inmunidad a interferencias electromagnéticas, capacidad de multiplexado, fiabilidad para trabajar en ambientes hostiles, altas temperaturas, altas presiones, ambientes salino-corrosivos, etc. Además, la fibra óptica no solo es un medio sensor sino que puede usarse como medio de transmisión. Se ha realizado un estudio del estado del arte y las ventajas que presentan los sensores ópticos puntuales, cuasi-distribuidos y distribuidos con respecto a los sensores convencionales. Se han estudiado y descrito los interrogadores de redes de Bragg y se ha desarrollado un método de calibración útil para los interrogadores existentes en el mercado, consiguiendo incertidumbres en la medida de la longitud de onda menores de ± 88 nm e incertidumbres relativas (la mas interesante en el campo de los sensores) menores de ±3 pm. Centrándose en la aplicación de las redes de Bragg en la industria del petróleo, se ha realizado un estudio en detalle del comportamiento que presentan las FBGs en un amplio rango de temperaturas de -40 ºC a 500 oC. Como resultado de este estudio se han evaluado las diferencias en los coeficientes de temperatura en diversos tramos de mas mismas, así como para diferentes recubrimientos protectores. En especial se ha encontrado y evaluado las diferencias de los diferentes recubrimientos en el intervalo de temperaturas entre -40 ºC y 60 ºC. En el caso del intervalo de altas temperaturas, entre 100 ºC y 500 ºC, se ha medido y comprobado el cambio uniforme del coeficiente de temperatura en 1pm/ºC por cada 100 ºC de aumento de temperatura, en redes independientemente del fabricante de las mismas. Se ha aplicado las FBG a la medición de manera no intrusiva de la presión interna en una tubería y a la medición del caudal de un fluido en una tubería, por la medida de diferencia de presión entre dos puntos de la misma. Además se ha realizado un estudio de detección de vibraciones en tuberías con fluidos. Finalmente, se ha implementado un sistema de detección distribuida de vibraciones aplicable a la detección de intrusos en las proximidades de los ductos, mediante un φ-OTDR. En este sistema se ha estudiado el efecto negativo de la inestabilidad de modulación que limita la detección de vibraciones distribuidas, su sensibilidad y su alcance. ABSTRACT This thesis describes the research work focused for the study and development of on optical fiber sensors for detecting pressure, flow and vibration in subsea pipes used in the extraction and transportation of hydrocarbons, in order to apply them in deepwater fields in the Gulf of Mexico belonging to the Mexican oil industry. The work has focused on the study and development of optical sensors distributed and quasi distributed. Especially was done on the use and application of fiber Bragg grating (FBG) and optical reflectometers time domain phase sensitive (φ-OTDR). The optical fiber sensors especially are interesting for these applications for their advantageous characteristics such as immunity to electromagnetic interference, multiplexing capability, reliability to work in harsh environments, high temperatures, high pressures, corrosive saline environments, etc. Furthermore, the optical fiber is not only a sensor means it can be used as transmission medium. We have performed a study of the state of the art and the advantages offered by optical sensors point, quasi-distributed and distributed over conventional sensors. Have studied and described interrogators Bragg grating and has developed a calibration method for interrogators useful for the existing interrogators in the market, resulting uncertainty in the measurement of the wavelength of less than ± 0.17 nm and uncertainties (the more interesting in the field of sensors) less than ± 3 pm. Focusing on the application of the Bragg gratings in the oil industry, has been studied in detail the behavior of the FBGs in a wide range of temperatures from -40 °C to 500 oC. As a result of this study we have evaluated the difference in temperature coefficients over various sections of the same, as well as different protective coatings. In particular evaluated and found the differences coatings in the range of temperatures between -40 º C and 60 º C. For the high temperature range between 20 ° C and 500 ° C, has been measured and verified the uniform change of the temperature coefficient at 1pm / ° C for each 100 ° C increase in temperature, in networks regardless of manufacturer thereof. FBG is applied to the non-intrusive measurement of internal pressure in a pipeline and measuring flow of a fluid in a pipe, by measuring the pressure difference between two points thereof. Therefore, has also made a study of detecting vibrations in pipes with fluids. Finally, we have implemented a distributed sensing system vibration applied to intrusion detection in the vicinity of the pipelines, by φ-OTDR. In this system we have studied the negative effect of modulation instability limits the distributed vibration detection, sensitivity and scope.

Optical signal impairment study of cascaded optical filters in 40 Gbps DQPSK and 100 Gbps PM-DQPSK systems

Optical filters are crucial elements in optical communications. The influence of cascaded filters in the optical signal will affect the communications quality seriously. In this paper we will study and simulate the optical signal impairment caused by different kinds of filters which include Butterworth, Bessel, Fiber Bragg Grating (FBG) and Fabry-Perot (FP). Optical signal impairment is analyzed from an Eye Opening Penalty (EOP) and optical spectrum point of view. The simulation results show that when the center frequency of all filters aligns with the laser’s frequency, the Butterworth has the smallest influence to the signal while the F-P has the biggest. With a -1dB EOP, the amount of cascaded Butterworth optical filters with a bandwidth of 50 GHz is 18 in 40 Gbps NRZ-DQPSK systems and 12 in 100 Gbps PMNRZ- DQPSK systems. The value is reduced to 9 and 6 respectively for Febry-Perot optical filters. In the situation of frequency misalignment, the impairment caused by filters is more serious. Our research shows that with a frequency deviation of 5 GHz, only 12 and 9 Butterworth optical filters can be cascaded in 40 Gbps NRZ-DQPSK and 100 Gbps PM-NRZ-DQPSK systems respectively. We also study the signal impairment caused by different orders of the Butterworth filter model. Our study shows that although the higher-order has a smaller clipping effect in the transmission spectrum, it will introduce a more serious phase ripple which seriously affects the signal. Simulation result shows that the 2nd order Butterworth filter has the best performance.

Analysis of signal impairment and crosstalk penalty induced by different types of optical filters in 100 Gbps PM-DQPSK based systems

Optical filters are crucial elements in optical communication networks. Their influence toward the optical signal will affect the communication quality seriously. In this paper we will study and simulate the optical signal impairment and crosstalk penalty caused by different kinds of filters, which include Butterworth, Bessel, Fiber Bragg Grating (FBG) and Fabry-Perot (F-P). Signal impairment from filter concatenation effect and crosstalk penalty from out-band and in-band are analyzed from Q-penalty, eye opening penalty (EOP) and optical spectrum. The simulation results show that signal impairment and crosstalk penalty induced by the Butterworth filter is the minimum among these four types of filters. Signal impairment caused by filter concatenation effect shows that when center frequency of all filters is aligned perfectly with the laser's frequency, 12 50-GHz Butterworth filters can be cascaded, with 1-dB EOP. This value is reduced to 9 when the center frequency is misaligned with 5 GHz. In the 50-GHz channel spacing DWDM networks, total Q-penalty induced by a pair of Butterworth filters based demultiplexer and multiplexer is lower than 0.5 dB when the filter bandwidth is in the range of 42-46 GHz.

Scalable high-order UWB pulse generation employing an FBG-based photonic superstructure

In this letter, we propose and experimentally demonstrate a compact, flexible, and scalable ultrawideband (UWB) generator based on the merge of phase-to-intensity conversion and pulse shaping employing an fiber Bragg Grating-based superstructure. Our approach offers the capacity for generating high-order UWB pulses by means of the combination of various low-order derivatives. Moreover, the scheme permits the implementation of binary and multilevel modulation formats. Experimental measurements of the generated UWB pulses, in both time and frequency domain, are presented revealing efficiency and a proper fit in terms of Federal Communications Commission settled standards.

Detección de daño en materiales compuestos mediante fibra óptica

En este artículo se explora la aplicación del PCA (Principal Component Analysis), y mediciones estadísticas T 2 y Q para detectar daños en estructuras fabricadas en materiales compuestos mediante la utilización de FBGs (Fiber Bragg Grating). Un modelo PCA es construido usando datos de la estructura sin daños como un estado de referencia. Los defectos en la estructura son simulados causando pequeñas delaminaciones entre el panel y el rigidizador. Los datos de diferentes escenarios experimentales para la estructura sin daño y con daño son proyectados en el modelo PCA. Las proyecciones y los índices T 2 y Q son analizadas. Resultados de cada caso son presentados y discutidos demostrando la viabilidad y el potencial de usar esta formulación en SHM (Structural Health Monitoring)

Damage detection by using FBGs and strain field pattern recognition techniques

A novel methodology for damage detection and location in structures is proposed. The methodology is based on strain measurements and consists in the development of strain field pattern recognition techniques. The aforementioned are based on PCA (principal component analysis) and damage indices (T 2 and Q). We propose the use of fiber Bragg gratings (FBGs) as strain sensors

Smart aeronautical structures: development and experimental validation of a structural health monitoring system for damage detection

En muchas áreas de la ingeniería, la integridad y confiabilidad de las estructuras son aspectos de extrema importancia. Estos son controlados mediante el adecuado conocimiento de danos existentes. Típicamente, alcanzar el nivel de conocimiento necesario que permita caracterizar la integridad estructural implica el uso de técnicas de ensayos no destructivos. Estas técnicas son a menudo costosas y consumen mucho tiempo. En la actualidad, muchas industrias buscan incrementar la confiabilidad de las estructuras que emplean. Mediante el uso de técnicas de última tecnología es posible monitorizar las estructuras y en algunos casos, es factible detectar daños incipientes que pueden desencadenar en fallos catastróficos. Desafortunadamente, a medida que la complejidad de las estructuras, los componentes y sistemas incrementa, el riesgo de la aparición de daños y fallas también incrementa. Al mismo tiempo, la detección de dichas fallas y defectos se torna más compleja. En años recientes, la industria aeroespacial ha realizado grandes esfuerzos para integrar los sensores dentro de las estructuras, además de desarrollar algoritmos que permitan determinar la integridad estructural en tiempo real. Esta filosofía ha sido llamada “Structural Health Monitoring” (o “Monitorización de Salud Estructural” en español) y este tipo de estructuras han recibido el nombre de “Smart Structures” (o “Estructuras Inteligentes” en español). Este nuevo tipo de estructuras integran materiales, sensores, actuadores y algoritmos para detectar, cuantificar y localizar daños dentro de ellas mismas. Una novedosa metodología para detección de daños en estructuras se propone en este trabajo. La metodología está basada en mediciones de deformación y consiste en desarrollar técnicas de reconocimiento de patrones en el campo de deformaciones. Estas últimas, basadas en PCA (Análisis de Componentes Principales) y otras técnicas de reducción dimensional. Se propone el uso de Redes de difracción de Bragg y medidas distribuidas como sensores de deformación. La metodología se validó mediante pruebas a escala de laboratorio y pruebas a escala real con estructuras complejas. Los efectos de las condiciones de carga variables fueron estudiados y diversos experimentos fueron realizados para condiciones de carga estáticas y dinámicas, demostrando que la metodología es robusta ante condiciones de carga desconocidas. ABSTRACT In many engineering fields, the integrity and reliability of the structures are extremely important aspects. They are controlled by the adequate knowledge of existing damages. Typically, achieving the level of knowledge necessary to characterize the structural integrity involves the usage of nondestructive testing techniques. These are often expensive and time consuming. Nowadays, many industries look to increase the reliability of the structures used. By using leading edge techniques it is possible to monitoring these structures and in some cases, detect incipient damage that could trigger catastrophic failures. Unfortunately, as the complexity of the structures, components and systems increases, the risk of damages and failures also increases. At the same time, the detection of such failures and defects becomes more difficult. In recent years, the aerospace industry has done great efforts to integrate the sensors within the structures and, to develop algorithms for determining the structural integrity in real time. The ‘philosophy’ has being called “Structural Health Monitoring” and these structures have been called “smart structures”. These new types of structures integrate materials, sensors, actuators and algorithms to detect, quantify and locate damage within itself. A novel methodology for damage detection in structures is proposed. The methodology is based on strain measurements and consists in the development of strain field pattern recognition techniques. The aforementioned are based on PCA (Principal Component Analysis) and other dimensional reduction techniques. The use of fiber Bragg gratings and distributed sensing as strain sensors is proposed. The methodology have been validated by using laboratory scale tests and real scale tests with complex structures. The effects of the variable load conditions were studied and several experiments were performed for static and dynamic load conditions, demonstrating that the methodology is robust under unknown load conditions.

Estudio de la adherencia de armaduras corroídas y su influencia en la capacidad resistente de elementos de hormigón armado

La verificación de la seguridad estructural, tanto de estructuras que permitan un cierto grado de deterioro en su dimensionado como de estructuras existentes deterioradas, necesita disponer de modelos de resistencia que tengan en cuenta los efectos del deterioro. En el caso de la corrosión de las armaduras en las estructuras de hormigón armado, la resistencia depende de múltiples factores tales como la sección del acero corroído, el diagrama tensión-deformación del acero corroído, la adherencia hormigón-acero corroído, la fisuración o desprendimiento del hormigón debido a la expansión de los productos de corrosión. En este sentido, la transferencia de las fuerzas a través de la superficie de contacto entre el hormigón y el acero, la adherencia, es uno de los aspectos más importantes a considerar y es la base del comportamiento del hormigón armado como elemento estructural. La adherencia debe asegurar el anclaje de las armaduras y transmitir la tensión tangencial que aparece en las mismas como consecuencia de la variación de las solicitaciones a lo largo de un elemento estructural. Como consecuencia de la corrosión de las armaduras, el desarrollo de la adherencia se altera y, por tanto, la transferencia de la tensión longitudinal. Esta Tesis Doctoral aborda el comportamiento en estado límite último de la adherencia en el hormigón estructural con armaduras corroídas. El objetivo principal es la obtención de un modelo suficientemente realista y fiable para la evaluación de la adherencia con armaduras corroídas en el marco de la verificación de la seguridad estructural de elementos de hormigón armado con armaduras corroídas. Para ello se ha llevado a cabo un programa experimental de ensayos tipo pull-out excéntricos, con diferentes probetas, unas sin corrosión y otras sometidas tanto a procesos de corrosión natural como a procesos de corrosión acelerada, con diferentes grados de deterioro. Este tipo de ensayo de adherencia representa de forma realista y fiable realista los esfuerzos de adherencia en la zona de anclaje. Por otra parte, para la realización de estos ensayos se ha puesto a punto, además del procedimiento de ensayo, un sistema de adquisición de datos entre los que se incluye el empleo de sensores de tipo fibra óptica con redes de Bragg embebidos en la armadura para determinar los parámetros representativos de la adherencia en el hormigón estructural con armaduras corroídas. Por otra parte, la recopilación de los datos de los estudios de adherencia con armaduras corroídas procedentes de la literatura científica, además de los resultados de la presente investigación, junto con la identificación de las variables relevantes en el comportamiento de la adherencia con armaduras sanas y corroídas ha servido para la obtención de una formulación realista y fiable para la evaluación conjunta de la adherencia con armaduras sanas y corroídas a partir de modelos de regresión múltiple. La formulación propuesta ha sido validada mediante criterios estadísticos y comparada con otras formulaciones propuestas en la literatura científica. Además se ha realizado un análisis de las variables influyentes de la formulación propuesta. También se ha obtenido un modelo numérico simple y eficiente, validado con alguno de los ensayos realizados en esta tesis, para simular la adherencia con armaduras sanas y corroídas. Finalmente, se presenta un procedimiento para realizar la evaluación de vigas deterioradas por corrosión mediante el método de los campos de tensiones que incluye la evaluación de la adherencia mediante la formulación sugerida en esta Tesis Doctoral. Las conclusiones alcanzadas en este trabajo han permitido evaluar la adherencia con armaduras corroídas de forma realista y fiable. Asimismo, se ha podido incluir la evaluación de la adherencia en el marco de la verificación de la seguridad estructural en elementos de hormigón armado deteriorados por corrosión. ABSTRACT Structural safety verification of both structures allowing a certain degree of deterioration in design and deteriorated existing structures needs strength models that factor in the effects of deterioration. In case of corrosion of steel bars in reinforced concrete structures, the resistance depends on many things such as the remaining cross-section of the corroded reinforcement bars, the stress-strain diagrams of steel, the concrete-reinforcement bond and corrosion-induced concrete cracking or spalling. Accordingly, the force transfer through the contact surface between concrete and reinforcement, bond, is one of the most important aspects to consider and it is the basis of the structural performance of reinforced concrete. Bond must assure anchorage of reinforcement and transmit shear stresses as a consequence of the different stresses along a structural element As a consequence of corrosion, the bond development may be affected and hence the transfer of longitudinal stresses. This PhD Thesis deals with ultimate limit state bond behaviour in structural concrete with corrode steel bars. The main objective is to obtain a realistic and reliable model for the assessment of bond within the context of structural safety verifications of reinforced concrete members with corroded steel bars. In that context, an experimental programme of eccentric pull-out tests were conducted, with different specimens, ones without corrosion and others subjected to accelerated or natural corrosion with different corrosion degrees. This type of bond test reproduces in a realistic and reliable way bond stresses in the anchorage zone. Moreover, for conducting these tests it was necessary to develop both a test procedure and also a data acquisition system including the use of an embedded fibre-optic sensing system with fibre Bragg grating sensors to obtain the representative parameters of bond strength in structural concrete with corroded steel bars. Furthermore, the compilation of data from bond studies with corroded steel bars from scientific literature, including tests conducted in the present study, along with the identification of the relevant variables influencing bond behaviour for both corroded and non-corroded steel bars was used to obtain a realistic and reliable formulation for bond assessment in corroded and non-corroded steel bars by multiple linear regression analysis. The proposed formulation was validated with a number of statistical criteria and compared to other models from scientific literature. Moreover, an analysis of the influencing variables of the proposed formulation has been performed. Also, a simplified and efficient numerical model has been obtained and validated with several tests performed in this PhD Thesis for simulating the bond in corroded and non-corroded steel bars. Finally, a proposal for the assessment of corrosion-damaged beams with stress field models including bond assessment with the proposed formulation is presented. The conclusions raised in this work have allowed a realistic and reliable bond assessment in corroded steel bars. Furthermore, bond assessment has been included within the context of structural safety verifications in corrosion-damaged reinforced concrete elements.

Selectively filled photonic liquid crystal fibers = Fibras de cristal fotónico selectivamente llenas con cristal líquido

El presente trabajo de Tesis se ha centrado en el diseño, fabricación y caracterización de dispositivos basados en fibras de cristal fotónico infiltrado selectivamente con cristales líquidos, polímeros y una mezcla de ambos. Todos los dispositivos son sintonizables, y su área de aplicación se centra en comunicaciones ópticas y sensores. La manipulación y fusionado de fibras fotónicas, el llenado selectivo de determinadas cavidades y la alineación recíproca de fibras mantenedoras de polarización son tareas muy específicas y delicadas para las que se requieren protocolos muy estrictos. Previo a la fabricación de dispositivos ha sido necesaria por tanto una tarea de sistematización y creación de protocolos de fabricación. Una vez establecidos se ha procedido a la fabricación y caracterización de dispositivos. Los dispositivos fabricados se enumeran a continuación para posteriormente detallar una a una las singularidades de cada uno. • Interferómetros intermodales hechos a partir de una porción de fibra fotónica soldada entre dos fibras estándar, bien monomodo o PANDA (mantenedora de polarización). Estos interferómetros han sido sumergidos o bien llenados selectivamente con cristales líquidos para así sintonizar la señal interferométrica guiada a través de la fibra. • Infiltración de fibras fotónicas con cristales líquidos colestéricos con especial énfasis en la fase azul (blue phase) de estos materiales. Las moléculas de cristal líquido se autoalinean en volumen por lo que la infiltración de fibras fotónicas con estos cristales líquidos es muy interesante, pues es conocida la dificultad de alinear apropiadamente cristales líquidos dentro de cavidades micrométricas de las fibras fotónicas. • Grabación de redes holográficas de forma selectiva en las cavidades de una fibra fotónica. Estas redes holográficas, llamadas POLICRYPS (POlymer-LIquid CRYstal-Polymer Slices), son redes fabricadas a base de franjas de polímero y cristal líquido alineado perpendicularmente a dichas franjas. Las franjas son a su vez perpendiculares al eje de la fibra como lo puede ser una red de Bragg convencional. El cristal líquido, al estar alineado perpendicularmente a dichos franjas y paralelo al eje de la fibra, se puede conmutar aplicando un campo eléctrico externo, modificando así el índice efectivo de la red. Se puede fabricar por lo tanto una red de Bragg sintonizable en fibra, muy útil en comunicaciones ópticas. • Llenado selectivo de fibras fotónicas con polidimetilsiloxano (PDMS), un polímero de tipo silicona. Si se realiza un llenado selectivo asimétrico se puede inducir birrefringencia en la fibra. El índice de refracción del PDMS tiene una fuerte dependencia térmica, por lo que se puede sintonizar la birrefringencia de la fibra. • Estudio teórico de llenado selectivo de fibras fotónicas con PDMS dopado con nanopartículas de plata de 5, 40 y 80 nm. Estas nanopartículas poseen un pico de absorción en torno a los 450 nm debido a resonancias superficiales localizadas de plasmones (LSPR). La resonancia del plasmon tiene una fuerte dependencia con el índice de refracción del material colindante, y al ser éste PDMS, la variación de índice de refracción se ve amplificada, obteniendo una absorción sintonizable. Se ha propuesto la fabricación de polarizadores sintonizables usando esta técnica. Como ya se ha dicho, previamente a la fabricación ha sido necesaria la protocolización de diversos procedimientos de fabricación de alta complejidad, así como protocolizar el proceso de toma de medidas para optimizar los resultados. Los procedimientos que han requerido la formulación de protocolos específicos han sido los siguientes: • Llenado selectivo de cavidades en una fibra fotónica. Dichas fibras tienen generalmente un diámetro externo de 125 μm, y sus cavidades son de entre 5 y 10 μm de diámetro. Se han desarrollado tres técnicas diferentes para el llenado/bloqueado selectivo, pudiéndose combinar varios protocolos para la optimización del proceso. Las técnicas son las siguientes: o Llenado y bloqueado con un prepolímero. Dicho prepolímero, también llamado adhesivo óptico, está inicialmente en estado líquido y posee una cierta viscosidad. Las cavidades de la fibra fotónica que se desea llenar o bloquear poseen un diámetro diferente al resto, por lo que en el proceso de llenado aparecen dos frentes de llenado dependientes de su diámetro. A mayor diámetro, mayor velocidad de llenado. Polimerizando cuando existe dicha diferencia en los frentes se puede cortar por medio, obteniendo así una fibra parcialmente bloqueada. o Colapsamiento de las cavidades de menor diámetro mediante aplicación de calor. El calor producido por un arco voltaico de una soldadora de fibra estándar fusiona el material exterior de la fibra produciendo el colapsamiento de las cavidades de menor diámetro. En esta técnica también es necesaria una diferencia de diámetros en las cavidades de la fibra. o Bloqueo una a una de las cavidades de la fibra fotónica con adhesivo óptico. Este procedimiento es muy laborioso y requiere mucha precisión. Con este sistema se pueden bloquear las cavidades deseadas de una fibra sin importar su diámetro. • Alineación de una fuente de luz linealmente polarizada con una fibra mantenedora de polarización ya sea PANDA o fotónica. Así mismo también se han alineado entre sí fibras mantenedoras de polarización, para que sus ejes rápidos se fusionen paralelos y así el estado de polarización de la luz guiada se mantenga. • Sistematización de toma de medidas para caracterizar los interferómetros modales. Éstos son altamente sensibles a diversas variables por lo que el proceso de medida es complejo. Se deben aislar variables de forma estrictamente controlada. Aunque todos los dispositivos tienen en común el llenado selectivo de cavidades en una fibra fotónica cada dispositivo tiene sus peculiaridades, que van a ser explicadas a continuación. ABSTRACT The present Thesis has been centered in the design, fabrication and characterization of devices based on photonic crystal fibers selectively filled with liquid crystals, polymers and a mixture of both. All devices are tunable and their work field is optical communications and sensing The handling and splicing of photonic crystal fibers, the selective filling of their holes and the aligning of polarization maintaining fibers are very specific and delicate tasks for which very strict protocols are required. Before the fabrication of devices has therefore been necessary task systematization and creation of manufacturing protocols. Once established we have proceeded to the fabrication and characterization of devices. The fabricated devices are listed below and their peculiarities are detailed one by one: • Intermodal interferometers made with a portion of photonic crystal fiber spliced between two optical communication fiber pigtails, either single mode or PANDA (polarization-maintaining) fiber. These interferometers have been submerged or selectively filled with liquid crystals to tune the interferometric guided signal. • Infiltration of photonic fibers with cholesteric liquid crystals with special emphasis on their blue phase (blue phase). The liquid crystal molecules are self-aligning in volume so the infiltration of photonic fibers with these liquid crystals is very interesting. It is notoriously difficult to properly align liquid crystals within micron cavities such as photonic fibers. • Selectively recording of holographic gratings in the holes of photonic crystal fibers. These holographic gratings, called POLICRYPS (POlymer-LIquid CRYstal-Polymes Slices), are based on walls made of polymer and liquid crystal aligned perpendicular to them. These walls are perpendicular to the axis of the fiber as it can be a conventional Bragg grating. The liquid crystal is aligned perpendicular to the walls and parallel to the fiber axis, and can be switched by applying an external electric field and thus change the effective index of the grating. It is thus possible to manufacture a tunable Bragg grating fiber, useful in optical communications. •Asymmetrically selective filling of photonic crystal fibers with a silicone polymer like called polydimethylsiloxane (PDMS) to induce birefringence in the fiber. The refractive index of PDMS has temperature dependence, so that the birefringence of the fiber can be tuned. • Theoretical study of photonic crystal fibers selectively filled with PDMS doped with silver nanoparticles of 5, 40 and 80 nm. These nanoparticles have an absorption peak around 450 nm due to localized surface plasmon resonances (LSPR). Plasmon resonance has a strong dependence on the refractive index of the adjacent material, and as this is PDMS, the refractive index variation is amplified, obtaining a tunable absorption. Fabrication of tunable polarizers using this technique has been proposed. Before starting the fabrication, it has been necessary to optimize several very delicate procedures and different protocols have been designed. The most delicate procedures are as follows: • Selective filling of holes in a photonic crystal fiber. These fibers generally have an outer diameter of 125 μm, and their holes have a diameter around between 5 and 10 μm. It has been developed three different techniques for filling / selective blocking, and they can be combined for process optimization. The techniques are: o Filling and blocked with a prepolymer. This prepolymer also called optical adhesive is initially in liquid state and has a certain viscosity. The holes of the photonic crystal fiber that are desired to be filled or blocked should have a different diameter, so that in the filling process appear two different fronts depending on the hole diameter. The holes with larger diameter are filled faster. Then the adhesive is polymerized when there is such a difference on the front. A partially blocked fiber is obtained cutting between fronts. o Collapsing of holes of smaller diameter by application of heat. The heat produced by an arc of a standard fusion splicer fuses the outer fiber material producing the collapsing of the cavities of smaller diameter. In this technique also you need a difference of diameters in the fiber holes. o Blocking one by one the holes of photonic crystal fiber with optical adhesive. This procedure is very laborious and requires great precision. This system can block unwanted cavities regardless fiber diameter. • Aligning a linearly polarized light source with a polarization-maintaining fiber (either a PANDA fiber as a photonic crystal fiber). It is needed also an aligning between polarization-maintaining fibers, so that their fast axes parallel merge and that is state of polarization of light guided is maintained. • Systematization of taking measurements to characterize the modal interferometers. These are highly sensitive to several variables so the measurement process is very complicated. Variables must be fixed in a very controlled manner. Although all devices have the common characteristic of being selectively filled PCFs with some kind of material, each one has his own peculiarities, which are explained below.

Application of PZT and FBG impedance sensors for structural health monitoring of reinforced concrete beams strengthened with FRP composite materials

Esta Tesis tiene como objetivo principal el desarrollo de métodos de identificación del daño que sean robustos y fiables, enfocados a sistemas estructurales experimentales, fundamentalmente a las estructuras de hormigón armado reforzadas externamente con bandas fibras de polímeros reforzados (FRP). El modo de fallo de este tipo de sistema estructural es crítico, pues generalmente es debido a un despegue repentino y frágil de la banda del refuerzo FRP originado en grietas intermedias causadas por la flexión. La detección de este despegue en su fase inicial es fundamental para prevenir fallos futuros, que pueden ser catastróficos. Inicialmente, se lleva a cabo una revisión del método de la Impedancia Electro-Mecánica (EMI), de cara a exponer sus capacidades para la detección de daño. Una vez la tecnología apropiada es seleccionada, lo que incluye un analizador de impedancias así como novedosos sensores PZT para monitorización inteligente, se ha diseñado un procedimiento automático basado en los registros de impedancias de distintas estructuras de laboratorio. Basándonos en el hecho de que las mediciones de impedancias son posibles gracias a una colocación adecuada de una red de sensores PZT, la estimación de la presencia de daño se realiza analizando los resultados de distintos indicadores de daño obtenidos de la literatura. Para que este proceso sea automático y que no sean necesarios conocimientos previos sobre el método EMI para realizar un experimento, se ha diseñado e implementado un Interfaz Gráfico de Usuario, transformando la medición de impedancias en un proceso fácil e intuitivo. Se evalúa entonces el daño a través de los correspondientes índices de daño, intentando estimar no sólo su severidad, sino también su localización aproximada. El desarrollo de estos experimentos en cualquier estructura genera grandes cantidades de datos que han de ser procesados, y algunas veces los índices de daño no son suficientes para una evaluación completa de la integridad de una estructura. En la mayoría de los casos se pueden encontrar patrones de daño en los datos, pero no se tiene información a priori del estado de la estructura. En este punto, se ha hecho una importante investigación en técnicas de reconocimiento de patrones particularmente en aprendizaje no supervisado, encontrando aplicaciones interesantes en el campo de la medicina. De ahí surge una idea creativa e innovadora: detectar y seguir la evolución del daño en distintas estructuras como si se tratase de un cáncer propagándose por el cuerpo humano. En ese sentido, las lecturas de impedancias se emplean como información intrínseca de la salud de la propia estructura, de forma que se pueden aplicar las mismas técnicas que las empleadas en la investigación del cáncer. En este caso, se ha aplicado un algoritmo de clasificación jerárquica dado que ilustra además la clasificación de los datos de forma gráfica, incluyendo información cualitativa y cuantitativa sobre el daño. Se ha investigado la efectividad de este procedimiento a través de tres estructuras de laboratorio, como son una viga de aluminio, una unión atornillada de aluminio y un bloque de hormigón reforzado con FRP. La primera ayuda a mostrar la efectividad del método en sencillos escenarios de daño simple y múltiple, de forma que las conclusiones extraídas se aplican sobre los otros dos, diseñados para simular condiciones de despegue en distintas estructuras. Demostrada la efectividad del método de clasificación jerárquica de lecturas de impedancias, se aplica el procedimiento sobre las estructuras de hormigón armado reforzadas con bandas de FRP objeto de esta tesis, detectando y clasificando cada estado de daño. Finalmente, y como alternativa al anterior procedimiento, se propone un método para la monitorización continua de la interfase FRP-Hormigón, a través de una red de sensores FBG permanentemente instalados en dicha interfase. De esta forma, se obtienen medidas de deformación de la interfase en condiciones de carga continua, para ser implementadas en un modelo de optimización multiobjetivo, cuya solución se haya por medio de una expansión multiobjetivo del método Particle Swarm Optimization (PSO). La fiabilidad de este último método de detección se investiga a través de sendos ejemplos tanto numéricos como experimentales. ABSTRACT This thesis aims to develop robust and reliable damage identification methods focused on experimental structural systems, in particular Reinforced Concrete (RC) structures externally strengthened with Fiber Reinforced Polymers (FRP) strips. The failure mode of this type of structural system is critical, since it is usually due to sudden and brittle debonding of the FRP reinforcement originating from intermediate flexural cracks. Detection of the debonding in its initial stage is essential thus to prevent future failure, which might be catastrophic. Initially, a revision of the Electro-Mechanical Impedance (EMI) method is carried out, in order to expose its capabilities for local damage detection. Once the appropriate technology is selected, which includes impedance analyzer as well as novel PZT sensors for smart monitoring, an automated procedure has been design based on the impedance signatures of several lab-scale structures. On the basis that capturing impedance measurements is possible thanks to an adequately deployed PZT sensor network, the estimation of damage presence is done by analyzing the results of different damage indices obtained from the literature. In order to make this process automatic so that it is not necessary a priori knowledge of the EMI method to carry out an experimental test, a Graphical User Interface has been designed, turning the impedance measurements into an easy and intuitive procedure. Damage is then assessed through the analysis of the corresponding damage indices, trying to estimate not only the damage severity, but also its approximate location. The development of these tests on any kind of structure generates large amounts of data to be processed, and sometimes the information provided by damage indices is not enough to achieve a complete analysis of the structural health condition. In most of the cases, some damage patterns can be found in the data, but none a priori knowledge of the health condition is given for any structure. At this point, an important research on pattern recognition techniques has been carried out, particularly on unsupervised learning techniques, finding interesting applications in the medicine field. From this investigation, a creative and innovative idea arose: to detect and track the evolution of damage in different structures, as if it were a cancer propagating through a human body. In that sense, the impedance signatures are used to give intrinsic information of the health condition of the structure, so that the same clustering algorithms applied in the cancer research can be applied to the problem addressed in this dissertation. Hierarchical clustering is then applied since it also provides a graphical display of the clustered data, including quantitative and qualitative information about damage. The performance of this approach is firstly investigated using three lab-scale structures, such as a simple aluminium beam, a bolt-jointed aluminium beam and an FRP-strengthened concrete specimen. The first one shows the performance of the method on simple single and multiple damage scenarios, so that the first conclusions can be extracted and applied to the other two experimental tests, which are designed to simulate a debonding condition on different structures. Once the performance of the impedance-based hierarchical clustering method is proven to be successful, it is then applied to the structural system studied in this dissertation, the RC structures externally strengthened with FRP strips, where the debonding failure in the interface between the FRP and the concrete is successfully detected and classified, proving thus the feasibility of this method. Finally, as an alternative to the previous approach, a continuous monitoring procedure of the FRP-Concrete interface is proposed, based on an FBGsensors Network permanently deployed within that interface. In this way, strain measurements can be obtained under controlled loading conditions, and then they are used in order to implement a multi-objective model updating method solved by a multi-objective expansion of the Particle Swarm Optimization (PSO) method. The feasibility of this last proposal is investigated and successfully proven on both numerical and experimental RC beams strengthened with FRP.

Implementation of the Heated Pulsed Theory using actively heated fiber optics: measurements of soil volumetric water content and soil volumetric heat capacity

Existe una creciente necesidad de hacer el mejor uso del agua para regadío. Una alternativa eficiente consiste en la monitorización del contenido volumétrico de agua (θ), utilizando sensores de humedad. A pesar de existir una gran diversidad de sensores y tecnologías disponibles, actualmente ninguna de ellas permite obtener medidas distribuidas en perfiles verticales de un metro y en escalas laterales de 0.1-1,000 m. En este sentido, es necesario buscar tecnologías alternativas que sirvan de puente entre las medidas puntuales y las escalas intermedias. Esta tesis doctoral se basa en el uso de Fibra Óptica (FO) con sistema de medida de temperatura distribuida (DTS), una tecnología alternativa de reciente creación que ha levantado gran expectación en las últimas dos décadas. Específicamente utilizamos el método de fibra calentada, en inglés Actively Heated Fiber Optic (AHFO), en la cual los cables de Fibra Óptica se utilizan como sondas de calor mediante la aplicación de corriente eléctrica a través de la camisa de acero inoxidable, o de un conductor eléctrico simétricamente posicionado, envuelto, alrededor del haz de fibra óptica. El uso de fibra calentada se basa en la utilización de la teoría de los pulsos de calor, en inglés Heated Pulsed Theory (HPP), por la cual el conductor se aproxima a una fuente de calor lineal e infinitesimal que introduce calor en el suelo. Mediante el análisis del tiempo de ocurrencia y magnitud de la respuesta térmica ante un pulso de calor, es posible estimar algunas propiedades específicas del suelo, tales como el contenido de humedad, calor específico (C) y conductividad térmica. Estos parámetros pueden ser estimados utilizando un sensor de temperatura adyacente a la sonda de calor [método simple, en inglés single heated pulsed probes (SHPP)], ó a una distancia radial r [método doble, en inglés dual heated pulsed probes (DHPP)]. Esta tesis doctoral pretende probar la idoneidad de los sistemas de fibra óptica calentada para la aplicación de la teoría clásica de sondas calentadas. Para ello, se desarrollarán dos sistemas FO-DTS. El primero se sitúa en un campo agrícola de La Nava de Arévalo (Ávila, España), en el cual se aplica la teoría SHPP para estimar θ. El segundo sistema se desarrolla en laboratorio y emplea la teoría DHPP para medir tanto θ como C. La teoría SHPP puede ser implementada con fibra óptica calentada para obtener medidas distribuidas de θ, mediante la utilización de sistemas FO-DTS y el uso de curvas de calibración específicas para cada suelo. Sin embargo, la mayoría de aplicaciones AHFO se han desarrollado exclusivamente en laboratorio utilizando medios porosos homogéneos. En esta tesis se utiliza el programa Hydrus 2D/3D para definir tales curvas de calibración. El modelo propuesto es validado en un segmento de cable enterrado en una instalación de fibra óptica y es capaz de predecir la respuesta térmica del suelo en puntos concretos de la instalación una vez que las propiedades físicas y térmicas de éste son definidas. La exactitud de la metodología para predecir θ frente a medidas puntuales tomadas con sensores de humedad comerciales fue de 0.001 a 0.022 m3 m-3 La implementación de la teoría DHPP con AHFO para medir C y θ suponen una oportunidad sin precedentes para aplicaciones medioambientales. En esta tesis se emplean diferentes combinaciones de cables y fuentes emisoras de calor, que se colocan en paralelo y utilizan un rango variado de espaciamientos, todo ello en el laboratorio. La amplitud de la señal y el tiempo de llegada se han observado como funciones del calor específico del suelo. Medidas de C, utilizando esta metodología y ante un rango variado de contenidos de humedad, sugirieron la idoneidad del método, aunque también se observaron importantes errores en contenidos bajos de humedad de hasta un 22%. La mejora del método requerirá otros modelos más precisos que tengan en cuenta el diámetro del cable, así como la posible influencia térmica del mismo. ABSTRACT There is an increasing need to make the most efficient use of water for irrigation. A good approach to make irrigation as efficient as possible is to monitor soil water content (θ) using soil moisture sensors. Although, there is a broad range of different sensors and technologies, currently, none of them can practically and accurately provide vertical and lateral moisture profiles spanning 0-1 m depth and 0.1-1,000 m lateral scales. In this regard, further research to fulfill the intermediate scale and to bridge single-point measurement with the broaden scales is still needed. This dissertation is based on the use of Fiber Optics with Distributed Temperature Sensing (FO-DTS), a novel approach which has been receiving growing interest in the last two decades. Specifically, we employ the so called Actively Heated Fiber Optic (AHFO) method, in which FO cables are employed as heat probe conductors by applying electricity to the stainless steel armoring jacket or an added conductor symmetrically positioned (wrapped) about the FO cable. AHFO is based on the classic Heated Pulsed Theory (HPP) which usually employs a heat probe conductor that approximates to an infinite line heat source which injects heat into the soil. Observation of the timing and magnitude of the thermal response to the energy input provide enough information to derive certain specific soil thermal characteristics such as the soil heat capacity, soil thermal conductivity or soil water content. These parameters can be estimated by capturing the soil thermal response (using a thermal sensor) adjacent to the heat source (the heating and the thermal sources are mounted together in the so called single heated pulsed probe (SHPP)), or separated at a certain distance, r (dual heated pulsed method (DHPP) This dissertation aims to test the feasibility of heated fiber optics to implement the HPP theory. Specifically, we focus on measuring soil water content (θ) and soil heat capacity (C) by employing two types of FO-DTS systems. The first one is located in an agricultural field in La Nava de Arévalo (Ávila, Spain) and employ the SHPP theory to estimate θ. The second one is developed in the laboratory using the procedures described in the DHPP theory, and focuses on estimating both C and θ. The SHPP theory can be implemented with actively heated fiber optics (AHFO) to obtain distributed measurements of soil water content (θ) by using reported soil thermal responses in Distributed Temperature Sensing (DTS) and with a soil-specific calibration relationship. However, most reported AHFO applications have been calibrated under laboratory homogeneous soil conditions, while inexpensive efficient calibration procedures useful in heterogeneous soils are lacking. In this PhD thesis, we employ the Hydrus 2D/3D code to define these soil-specific calibration curves. The model is then validated at a selected FO transect of the DTS installation. The model was able to predict the soil thermal response at specific locations of the fiber optic cable once the surrounding soil hydraulic and thermal properties were known. Results using electromagnetic moisture sensors at the same specific locations demonstrate the feasibility of the model to detect θ within an accuracy of 0.001 to 0.022 m3 m-3. Implementation of the Dual Heated Pulsed Probe (DPHP) theory for measurement of volumetric heat capacity (C) and water content (θ) with Distributed Temperature Sensing (DTS) heated fiber optic (FO) systems presents an unprecedented opportunity for environmental monitoring. We test the method using different combinations of FO cables and heat sources at a range of spacings in a laboratory setting. The amplitude and phase-shift in the heat signal with distance was found to be a function of the soil volumetric heat capacity (referred, here, to as Cs). Estimations of Cs at a range of θ suggest feasibility via responsiveness to the changes in θ (we observed a linear relationship in all FO combinations), though observed bias with decreasing soil water contents (up to 22%) was also reported. Optimization will require further models to account for the finite radius and thermal influence of the FO cables, employed here as “needle probes”. Also, consideration of the range of soil conditions and cable spacing and jacket configurations, suggested here to be valuable subjects of further study and development.