PVC smart-foil based on fiber bragg grating sensors

Abstract

Optical fiber technology has been growing in the past decade and the use of sensors based on this same technology has followed this growth as well. Nowadays, the use of optical fiber-based sensors is common, namely the Fiber Bragg Grating (FBG) sensors, for structural health monitoring applications. With the increase use, it has been identified the need for an integrated solution (skin cover) based on FBGs that would facilitate the sensors’ installation, handling and therefore, reduce the operational costs. However, there was a clear lack on manufacturing methods to provide a patch-style solution. The present work had as main purpose the development of a smart-foil with an embedded sensing network based on FBG sensors sensitive to strain and temperature. The solution has been designed for industrial manufacturing, installation on regular and irregular surfaces, and full customization for each application. The smart foil was fully manufactured using a multilayer structure, 900 μm thick, that, allied to the spread-coating manufacturing method, enabled a stable and reproducible smartfoil production as well as a consistent optical fiber positioning at the middle layer. The PVC was the selected material for the foil, taking into account factors as process compatibility and performance/cost ratio. The manufactured prototypes were subjected to quality control procedures, mechanical and thermal analysis, molding procedures and application in real case scenarios. At the mechanical level, the smart-foil was characterized regarding its dynamic range, sensitivity and long-term stability. The smart-foil for strain measurements can be tailored, for example based on elongation-at-break from a 1.02 % up to 31 % with effects on the sensors’ response sensitivity and linearity approximation, 0.78 and 0.03 pm/με, respectively. In comparison to the standard FBG, the smart-foil presented the same strain response behavior, although it was detected a sensitivity loss of 22 % due to the integration on the PVC matrix. In respect to the temperature performance, the smart-foil had a similar response to a standard FBG, 11 pm/ºC, with a maximum error of 0.7 ºC. The thin PVC matrix where the sensors were embedded did not present a barrier to temperature transfer although it should be pointed out that if the foil’s thickness changes, the temperature sensitivity may change as well, as the PVC works as a thermal insulator. One of the most interesting testing scenarios was the evaluation of the molding capability. With an extensive evaluation, it was possible to mold the smart-foil via vacuum thermo-forming method and perform an on-line monitoring of the smart-foil. Thus, it was possible to evaluate the process through the sensors’ response and identify each event of the molding process. Furthermore, due to the industrial environment’s requirements, it was necessary to address the industrialization problem, which was solved via the development of an automated machine for fiber deposition over the PVC matrix during the production line. As the smart-foil has been developed in a product-oriented approach, a cost analysis was built, fully dedicated to the manufacturing process. It was possible to identify the costdrivers and how competitive the smart-foil can be. A process-based cost model was applied to the smart-foils’ manufacturing procedure, in which the optical-fiber sensor emerged as the main cost driver, taking into account material, energy, labor, equipment, tooling, building and overheads costs. From the reject rate model based on probabilities and developed to translate the industrial environment, it was possible to determine that the integration process would cost 35 % more than manufacturing the standard foil alone. This resulted from the need to reject an entire smart-foil unit, when non-quality is detected, leading to a higher effective production volume. Nevertheless, the competitive advantage assessment showed that, although there was an increase in the manufacturing cost, the integrated approach is cost competitive for high density sensing scheme (number of sensors per unit of area ratio). Finally, a set of applications in which the smart-foils can enter were also introduced and, for a few cases, namely in the biomedical area, the smart-foil was fully tested in real subjects. It was possible to monitor the respiratory and cardiac frequency of a subject and also employ the smart-foil for characterization of the human joint kinematics. Furthermore, its potential in the automotive industry or civil structures was also discussed.The smart-foil can be a solution of great potential not only at the performance level but also at the cost side, with application possibility in a diversity of areas and consequently, with an opportunity to become a real commercial product.

A tecnologia baseada em fibra-óptica tem tido um crescimento acentuado na última década e a utilização de sensores baseados nesta mesma tecnologia acompanhou esse crescimento. Actualmente, a utilização de sensores baseados em fibra-óptica é bastante comum, nomeadamente os Fiber Bragg Gratings (FBG), na área da monitorização da integridade estrutural. Com o aumento da utilização deste tipo de sensores foi detectada a necessidade de uma solução integrada baseada em FBGs, que facilitasse a instalação e a manipulação deste tipo de sensores, e consequentemente redução dos custos operacionais. No entanto, identificou-se uma clara falha de processos de fabricos capazes de fornecer a desejada solução. O trabalho descrito nesta tese teve como principal objectivo o desenvolvimento de um laminado inteligente com uma rede integrada de sensores baseados em FBG sensíveis a deformação e temperatura. O laminado foi projectado para ser fabricado através de processos industriais, instalado em superfícies regulares e não regulares, e totalmente personalizável para cada aplicação. O laminado inteligente foi estruturado em multicamada, de espessura de 900 μm, que aliada ao processo de recobrimento por laminagem permite o fabrico de forma estável e reprodutível, bem como consistente ao nível do posicionamento dos sensores FBGs na camada intermédia. O Policloreto de Vinilo (PVC) foi o material escolhido para a base do laminado tendo em conta a sua total compatibilidade com o método de fabrico e o seu ratio custo/desempenho. Os protótipos produzidos foram sujeitos a procedimentos de avaliação de qualidade, de desempenho mecânico e térmico, de capacidade de serem moldados e de serem utilizados em aplicações reais. Ao nível mecânico, o laminado inteligente foi caracterizado em relação à sua gama dinâmica, resposta em frequência, sensibilidade e estabilidade a longo prazo. Os resultados obtidos demonstraram que ao nível de detecção da deformação, o laminado inteligente pode ser desenhado para uma gama dinâmica de 1.02 a 31 % com efeitos na sensibilidade da resposta através da aproximação ao modelo linear, 0.78 e 0.03 pm/μstrain, respectivamente. Em comparação com as instalações tradicionais de FBGs, foi detectada uma perda de sensibilidade de 22 % devido à integração do sensor na matriz polimérica de PVC, cuja magnitude está dependente da aplicação, pois esta poderá ou não ser vista como um valor reduzido. Ao nível da resposta térmica, o laminado desenvolvido teve um comportamento muito semelhante ao FBG tradicional, com 11 pm/ºC e um erro de linearidade de 1.7 % numa gama de variação de temperatura de 140 ºC. Neste caso, a fina camada de PVC onde os sensores estão embebidos não se apresentou como barreira à transferência de calor. Um dos cenários de teste mais interessante foi a avaliação da capacidade de moldagem do laminado desenvolvido. Através do processo de termoformação por vácuo, foi possível moldar com sucesso laminados inteligentes ao mesmo tempo que a resposta dos sensores embebidos era adquirida. Desta forma foi possível averiguar o comportamento do laminado durante o processo de moldagem e identificar cada evento do mesmo, pelo sinal óptico. De forma a ser possível a produção do laminado inteligente através de processos industriais foi necessário endereçar o desenvolvimento de um equipamento automático para colocação da fibra durante o processo de recobrimento. Este equipamento assemelha-se a uma plotter que permite uma colocação efectiva e personalizada da fibra óptica no laminado. O desenvolvimento da solução aqui descrita foi orientado numa visão de produto, e como tal, um modelo de análise de custos dedicado ao processo produtivo foi implementado. Através deste modelo foi possível determinar as principais componentes que definem o custo final de produção e quão competitivo o laminado pode ser. O custo do sensor foi o principal factor determinante no custo final da estrutura, que inclui os custos de materiais, energia, mão-de-obra, equipamento, ferramentas, edifícios e overheads. Através do modelo de rejeição implementado, baseado em probabilidades, de forma a traduzir o processo industrial, foi determinado que a integração da fibra aumenta em 35 % o custo de produção, comparativamente à produção de um laminado polimérico tradicional. Isto deve-se ao facto de ser necessário rejeitar uma unidade completa quando uma má conformação é detectada apesar do sensor poder ser totalmente recuperado. No entanto, a análise competitiva mostrou que apesar do aumento do custo de produção, a solução integrada torna-se bastante competitiva com o aumento da densidade de sensores por unidade de área. Para além da integração do laminado inteligente, este foi testado na área biomédica, permitindo a monitorização da frequência respiratória e cardíaca de um sujeito e avaliação da cinemática da articulação dos dedos da mão e do joelho. Adicionalmente foi discutido o seu potencial em aplicações automóveis e em geradores eólicos. O laminado polimérico demonstrou ser não só uma solução de grande potencial a nível de desempenho mas também a nível de custos, com aplicações em diversas áreas e consequentemente, com uma oportunidade de ser transformado num produto comercial.