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

A robust procedure for damage detection from strain measurements based on principal component analysis

FBGs are excellent strain sensors, because of its low size and multiplexing capability. Tens to hundred of sensors may be embedded into a structure, as it has already been demonstrated. Nevertheless, they only afford strain measurements at local points, so unless the damage affects the strain readings in a distinguishable manner, damage will go undetected. This paper show the experimental results obtained on the wing of a UAV, instrumented with 32 FBGs, before and after small damages were introduced. The PCA algorithm was able to distinguish the damage cases, even for small cracks. Principal Component Analysis (PCA) is a technique of multivariable analysis to reduce a complex data set to a lower dimension and reveal some hidden patterns that underlie.

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.

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.

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

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.

Design, Technology and Characterization of Micromechanised Sensors and Actuators for Harsh Environments

Los sistemas micro electro mecánicos (MEMS) han demostrado ser una exitosa familia de dispositivos que pueden usarse como plataforma para el desarrollo de dispositivos con aplicaciones en óptica, comunicaciones, procesado de señal y sensorización. Los dispositivos MEMS estándar suelen estar fabricados usando tecnología de silicio. Sin embargo, el rendimiento de estos MEMS se puede mejorar si se usan otros materiales. Por ejemplo, el diamante nanocristalino (NCD) ofrece unas excelentes propiedades mecánicas, transparencia y una superficie fácil de funcionalizar. Por otro lado, el sistema de materiales (In; Ga; Al)N, los materiales IIIN, se pueden usar para producir estructuras monocristalinas con alta sensibilidad mecánica y química. Además, el AlN se puede depositar por pulverización catódica reactiva sobre varios substratos, incluyendo NCD, para formar capas policristalinas orientadas con alta respuesta piezoeléctrica. Adicionalmente, tanto el NCD como los materiales III-N muestran una gran estabilidad térmica y química, lo que los hace una elección idónea para desarrollar dispositivos para aplicaciones para alta temperatura, ambientes agresivos e incluso para aplicaciones biocompatibles. En esta tesis se han usado estos materiales para el diseño y medición de demostradores tecnológicos. Se han perseguido tres objetivos principales: _ Desarrollo de unos procesos de fabricación apropiados. _ Medición de las propiedades mecánicas de los materiales y de los factores que limitan el rendimiento de los dispositivos. _ Usar los datos medidos para desarrollar dispositivos demostradores complejos. En la primera parte de esta tesis se han estudiado varias técnicas de fabricación. La estabilidad de estos materiales impide el ataque y dificulta la producción de estructuras suspendidas. Los primeros capítulos de esta disertación se dedican al desarrollo de unos procesos de transferencia de patrones por ataque seco y a la optimización del ataque húmedo sacrificial de varios substratos propuestos. Los resultados de los procedimientos de ataque se presentan y se describe la optimización de las técnicas para la fabricación de estructuras suspendidas de NCD y materiales III-N. En un capítulo posterior se estudia el crecimiento de AlN por pulverización catódica. Como se ha calculado en esta disertación para obtener una actuación eficiente de MEMS, las capas de AlN han de ser finas, típicamente d < 200 nm, lo que supone serias dificultades para la obtención de capas orientadas con respuesta piezoeléctrica. Las condiciones de depósito se han mapeado para identificar las fronteras que proporcionan el crecimiento de material orientado desde los primeros pasos del proceso. Además, durante la optimización de los procesos de ataque se estudió un procedimiento para fabricar películas de GaN nanoporoso. Estas capas porosas pueden servir como capas sacrificiales para la fabricación de estructuras suspendidas de GaN con baja tensión residual o como capas para mejorar la funcionalización superficial de sensores químicos o biológicos. El proceso de inducción de poros se discutirá y también se presentarán experimentos de ataque y funcionalización. En segundo lugar, se han determinado las propiedades mecánicas del NCD y de los materiales III-N. Se han fabricado varias estructuras suspendidas para la medición del módulo de Young y de la tensión residual. Además, las estructuras de NCD se midieron en resonancia para calcular el rendimiento de los dispositivos en términos de frecuencia y factor de calidad. Se identificaron los factores intrínsecos y extrínsecos que limitan ambas figuras de mérito y se han desarrollado modelos para considerar estas imperfecciones en las etapas de diseño de los dispositivos. Por otra parte, los materiales III-N normalmente presentan grandes gradientes de deformación residual que causan la deformación de las estructuras al ser liberadas. Se han medido y modelado estos efectos para los tres materiales binarios del sistema para proporcionar puntos de interpolación que permitan predecir las características de las aleaciones del sistema III-N. Por último, los datos recabados se han usado para desarrollar modelos analíticos y numéricos para el diseño de varios dispositivos. Se han estudiado las propiedades de transducción y se proporcionan topologías optimizadas. En el último capítulo de esta disertación se presentan diseños optimizados de los siguientes dispositivos: _ Traviesas y voladizos de AlN=NCD con actuación piezoeléctrica aplicados a nanoconmutadores de RF para señales de alta potencia. _ Membranas circulares de AlN=NCD con actuación piezoeléctrica aplicadas a lentes sintonizables. _ Filtros ópticos Fabry-Pérot basados en cavidades aéreas y membranas de GaN actuadas electrostáticamente. En resumen, se han desarrollado unos nuevos procedimientos optimizados para la fabricación de estructuras de NCD y materiales III-N. Estas técnicas se han usado para producir estructuras que llevaron a la determinación de las principales propiedades mecánicas y de los parámetros de los dispositivos necesarios para el diseño de MEMS. Finalmente, los datos obtenidos se han usado para el diseño optimizado de varios dispositivos demostradores. ABSTRACT Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) have proven to be a successful family of devices that can be used as a platform for the development of devices with applications in optics, communications, signal processing and sensorics. Standard MEMS devices are usually fabricated using silicon based materials. However, the performance of these MEMS can be improved if other material systems are used. For instance, nanocrystalline diamond (NCD) offers excellent mechanical properties, optical transparency and ease of surface functionalization. On the other hand, the (In; Ga; Al)N material system, the III-N materials, can be used to produce single crystal structures with high mechanical and chemical sensitivity. Also, AlN can be deposited by reactive sputtering on various substrates, including NCD, to form oriented polycrystalline layers with high piezoelectric response. In addition, both NCD and III-N materials exhibit high thermal and chemical stability, which makes these material the perfect choice for the development of devices for high temperatures, harsh environments and even biocompatible applications. In this thesis these materials have been used for the design and measurement of technological demonstrators. Three main objectives have been pursued: _ Development of suitable fabrication processes. _ Measurement of the material mechanical properties and device performance limiting factors. _ Use the gathered data to design complex demonstrator devices. In a first part of the thesis several fabrication processes have been addressed. The stability of these materials hinders the etching of the layers and hampers the production of free standing structures. The first chapters of this dissertation are devoted to the development of a dry patterning etching process and to sacrificial etching optimization of several proposed substrates. The results of the etching processes are presented and the optimization of the technique for the manufacturing of NCD and III-N free standing structures is described. In a later chapter, sputtering growth of thin AlN layers is studied. As calculated in this dissertation, for efficient MEMS piezoelectric actuation the AlN layers have to be very thin, typically d < 200 nm, which poses serious difficulties to the production of c-axis oriented material with piezoelectric response. The deposition conditions have been mapped in order to identify the boundaries that give rise to the growth of c-axis oriented material from the first deposition stages. Additionally, during the etching optimization a procedure for fabricating nanoporous GaN layers was also studied. Such porous layers can serve as a sacrificial layer for the release of low stressed GaN devices or as a functionalization enhancement layer for chemical and biological sensors. The pore induction process will be discussed and etching and functionalization trials are presented. Secondly, the mechanical properties of NCD and III-N materials have been determined. Several free standing structures were fabricated for the measurement of the material Young’s modulus and residual stress. In addition, NCD structures were measured under resonance in order to calculate the device performance in terms of frequency and quality factor. Intrinsic and extrinsic limiting factors for both figures were identified and models have been developed in order to take into account these imperfections in the device design stages. On the other hand, III-N materials usually present large strain gradients that lead to device deformation after release. These effects have been measured and modeled for the three binary materials of the system in order to provide the interpolation points for predicting the behavior of the III-N alloys. Finally, the gathered data has been used for developing analytic and numeric models for the design of various devices. The transduction properties are studied and optimized topologies are provided. Optimized design of the following devices is presented at the last chapter of this dissertation: _ AlN=NCD piezoelectrically actuated beams applied to RF nanoswitches for large power signals. _ AlN=NCD piezoelectrically actuated circular membranes applied to tunable lenses. _ GaN based air gap tunable optical Fabry-Pérot filters with electrostatic actuation. On the whole, new optimized fabrication processes has been developed for the fabrication of NCD and III-N MEMS structures. These processing techniques was used to produce structures that led to the determination of the main mechanical properties and device parameters needed for MEMS design. Lastly, the gathered data was used for the design of various optimized demonstrator devices.

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.