Simulation, fabrication and characterization of Bragg gratings in microstructured fibers for sensing purposes

Sensoren die materialen slim maken

Een ‘tastzin’ geven aan materialen zoals pastic, composiet of beton? Dit kan door in de materialen sensoren te integreren, die de krachten die op deze materialen inwerken kunnen opmeten. Tot op heden bestond er echter geen sensor die aan de vele eisen van deze toepassing voldeed. Daar heb ik tijdens mijn afstudeerwerk een oplossing voor gezocht. Ik heb een unieke optische sensor onderzocht en succesvol geïntegreerd in verschillende soorten materialen, met als doel om vliegtuigen veiliger en ziekenhuisverblijven aangenamer te maken.

Beschadigingen aan de vleugels van een vliegtuig kunnen een grote invloed hebben op de algemene vliegwaardigheid ervan. Het is veiligheidshalve van groot belang dat zelfs kleine beschadigingen vroegtijdig opgemerkt worden. Maar dit is enkel mogelijk met regelmatige visuele of ultrasone inspecties die veel tijd en geld kosten. De vraag die ik me stelde was: “Kunnen we vliegtuigen bouwen met materialen die kunnen ‘voelen’ wanneer er beschadigingen optreden?”. Vergelijk dit met een snee in onze vinger; we moeten ze niet zien om de pijn gewaar te worden want in de huid zitten receptoren die kunnen voelen wanneer je een wonde hebt. Dit kunnen we ook realiseren bij materialen door sensoren te integreren die voelen welke krachten er op inwerken. We spreken dan van ‘slimme materialen’. De ontwikkeling van slimme materialen is niet enkel interessant voor het veiliger maken van vliegtuigen, bruggen of gebouwen, ook de gezondheidssector zou er baat bij hebben. Een voorbeeld hiervan is het ‘slim’ maken van een ziekenhuisbed. Dit betekent dat men de drukverdeling opmeet die een patiënt op een matras uitoefent, om zo drukpunten vroegtijdig op te sporen en doorligwonden te voorkomen. Er zijn nog vele andere toepassingen waarvoor slimme materialen een meerwaarde kunnen bieden, maar jammer genoeg zijn de bestaande krachtsensoren niet geschikt om geïntegreerd te worden. Ze zijn vaak te groot of te zwaar, ze zijn slechts voor beperkte tijd betrouwbaar, ze gebruiken teveel elektrische draden of ze zijn niet geschikt voor medische toepassingen. In mijn onderzoek heb ik me toegespitst op een sensor die al deze nadelen niet bezit en mogelijk geschikt is om geïntegreerd te worden in verschillende materialen.

Optische sensoren, dus sensoren die licht gebruiken om omgevingsinvloeden op te meten, zijn de laatste jaren aan een stevige opmars bezig omwille van de vele voordelen die ze bezitten. Het type sensor dat ik bestudeerd heb is een zogenaamde optische vezelsensor die als specifieke voordelen heeft dat hij uiterst compact en flexibel is, betrouwbaar blijft, geen vonkgevaar heeft en biocompatibel kan zijn. Een optische vezel is een lange glasdraad met een diameter vergelijkbaar met deze van een menselijke haar (~0.1 mm), die licht geleidt van het ene uiteinde naar het andere. Men kan er een sensor mee maken door in de glasvezel één of meerdere spiegeltjes aan te brengen (‘Bragg roosters’) die elk een bepaalde kleur licht reflecteren. Aan het ene uiteinde van de vezel kan men verschillende kleuren licht insturen, waardoor de microspiegel vervolgens een bepaalde kleur licht reflecteert (bijv. rood) en al de andere kleuren doorlaat. Door op de positie van die microspiegel de omgevingsinvloeden te wijzigen (verwarmen, erop duwen, eraan trekken, …), zal de kleur die de spiegel reflecteert veranderen (nu bijv. oranje). Deze verandering in gereflecteerde kleur willen wij gebruiken om krachsensoren te ontwikkelen die, eens geïntegreerd in bijv. een vliegtuigvleugel, ons in staat moeten stellen om te meten welke krachten er tijdens een vlucht op de vleugels inwerken en of er beschadigingen zijn ontstaan.

Nu is het zo dat een doordeweekse optische vezel voorzien van een microspiegel helemaal niet gevoelig is voor krachten. Daarom hebben we gebruik gemaakt van een speciaal type optische vezel, namelijk een microgestructureerde vezel. Dit betekent dat in de glasvezel zelf een hele reeks ‘luchttunnels’ aanwezig zijn. Als je naar de dwarsdoorsnede van zo’n vezel kijkt, zie je een patroon van luchtgaten en door dit patroon te veranderen kunnen de eigenschappen van de vezel aangepast worden. Zo hebben wij een vezel ontworpen met een uniek patroon dat ervoor moet zorgen dat de vezel zeer geschikt is als basis voor de krachtsensor. Mijn taak bestond erin om na te gaan of dit ook effectief zo was, en of we dus een geschikte sensor hadden voor slimme materialen.

Eerst heb ik experimenten uitgevoerd waarbij ik transversale krachten op de sensor geplaatst heb (alsof je op de sensor duwt) en deze toonden aan dat onze sensor minstens tweemaal zo gevoelig is als andere vezelsensoren. Daarnaast heb ik aangetoond dat deze resultaten niet beïnvloed worden door temperatuur, wat betekent dat de sensor zowel inzetbaar is in het koude Siberië als in de hete Sahara. Een sensor die deze eigenschappen combineert werd nooit eerder gerealiseerd en zou ideaal kunnen zijn voor het ontwikkelen van slimme materialen. Dit heb ik onderzocht door de sensor te integreren in twee zeer verschillende materialen, namelijk composietmaterialen en plastic folies.

Composietmaterialen zijn zeer lichte, maar tevens sterke materialen die gebruikt worden in onder andere vliegtuig- en auto-onderdelen. Voorheen werden reeds optische vezelsensoren vastgehecht aan deze materialen, maar de resultaten hiervan waren teleurstellend en maakten het niet mogelijk om krachten op te meten die constructies uit composietmaterialen in het echte leven zouden ondervinden. Door onze nieuwe sensor te integreren in een composietmateriaal heb ik echter een slim materiaal kunnen creëren dat tien keer gevoeliger is voor transversale krachten dan eerdere sensorsystemen. Deze grote gevoeligheid stelt ons in staat om de krachten inwerkend op bijv. vliegtuigvleugels op te meten. Slimme materialen op basis van onze sensor zijn dan ook een ware doorbraak in het domein van de bouwkunde en civiele techniek.

Ook heb ik meerdere sensoren succesvol geïntegreerd in een flexibele en biocompatibele plastic folie. Dit sensorsysteem heb ik onderzocht omdat er diverse toepassingen zijn waarbij men op zoek is naar een systeem dat de drukverdeling op grote oppervlakken kan meten, zoals voor de preventie van doorligwonden. Het onderzoek in dit domein staat nog in zijn kinderschoenen, maar toch heb ik in mijn afstudeerwerk al kunnen aantonen dat een slim materiaal gebaseerd op onze sensoren het toelaat om drukpunten te lokaliseren, waarbij het systeem kan voldoen aan de strenge eisen van de medische sector.

Krachtsensoren bestaande uit microspiegels en optische vezels met een uniek patroon van luchtgaten vormen dus het ideale sensorelement voor slimme materialen. Door ze te integreren in composietmaterialen of plastic folies heb ik aangetoond dat ze een oplossing kunnen bieden voor problemen in de bouwkunde of in de medische sector, en dit zijn zeker niet de enige toepassingen waar de integratie van de sensor een grote meerwaarde biedt.