Sensores de fibra ótica para avaliação da saúde estrutural de aeronaves

Abstract

O objetivo deste trabalho foi o desenvolvimento de sensores para a monitorização de parâmetros de voo de uma aeronave. Para este efeito, foram desenvolvidos sensores em fibras óticas para monitorizar a frequência natural e a deformação vertical da asa de uma aeronave. Para estudar diferentes métodos de implementação das redes de Bragg, foi primeiramente utilizada uma estrutura em alumínio semelhante a uma asa. Esta estrutura foi num primeiro passo, analisada através de simulações computacionais. Com os resultados obtidos nas simulações, foram aplicados dois métodos diferentes de fixação dos sensores e estudada a deformação vertical da placa, quando sujeita a cargas e o efeito da variação da massa na frequência natural da estrutura. Por fim, com o objetivo de fortalecer mecanicamente as fibras, estudou-se também qual o efeito na sensibilidade das redes, com a adição de uma resina epóxi, onde se verificou uma diminuição na ordem dos 10%. Após avaliar o comportamento da placa de alumínio, foi utilizada a asa de uma aeronave não tripulada para aplicar os sensores desenvolvidos. Nesta asa foi caracterizada a sua deformação vertical onde foi conseguida uma sensibilidade máxima de 4,15 𝜇𝑚/𝑚𝑚 e a variação da frequência natural com a variação da massa da estrutura. Uma vez realizada a caracterização da asa em laboratório, foi testado o desempenho dos sensores num túnel aero-acústico a diferentes velocidades. Aqui ficou claramente demonstrada a capacidade dos sensores em monitorizar diversas amplitudes da asa e invariabilidade da frequência natural da estrutura para cada velocidade

The main goal of this work was the development of optics sensors for the monitoring of flight parameters of an aircraft. With this objective in mind it was developed FBG sensors capable of monitoring natural frequencies and the vertical deformation of an airplane wing. To study ways of implementing our Bragg gratings, we used an aluminium plate, similar to an airplane wing at first. To better understand the behaviour of this structure, it was done some computational simulation. With the results from the simulation, we tested two different ways of fixing the sensors and study the vertical deformation of the metallic plate when loaded as well as the behaviour of the natural frequency of the structure to changes in the mass of the system. Finally, we also tested the change of sensitivity of the FBGs in the metallic plate when introduced to a layer of protective epoxy resin. Thru our result we were able to see a decrease of 10%. After fully study the behaviour of the aluminium plate, we applied our sensors in a UAV wing. It was studied the vertical deformation of the wing, where we achieved a sensibility of 4,15 𝜇𝑚/𝑚𝑚 and the variation of the natural frequency with the variation of the system mass. Once the laboratory wing characterization was completed, the sensors were tested in an aero acoustic tunnel at different velocities. Here, it was shown the fully capability of the sensors, as they were able to fully monitor the multiple amplitudes of deformation of the wing at different velocities and it was also shown the invariability of the natural frequencies of the structure