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WO2010076365A1 - Dispositivo de conexión de fibra óptica para estructuras de material compuesto. - Google Patents

Dispositivo de conexión de fibra óptica para estructuras de material compuesto. Download PDF

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WO2010076365A1
WO2010076365A1 PCT/ES2009/070638 ES2009070638W WO2010076365A1 WO 2010076365 A1 WO2010076365 A1 WO 2010076365A1 ES 2009070638 W ES2009070638 W ES 2009070638W WO 2010076365 A1 WO2010076365 A1 WO 2010076365A1
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WO
WIPO (PCT)
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connection
embedded
optical fiber
composite
connection element
Prior art date
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PCT/ES2009/070638
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WO2010076365A9 (es
Inventor
Carlos Miguel Giraldo
Julio Orcha Villacorta
Manuel PATÓN GUTIÉRREZ
Rafael Contento Tercedor
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Airbus Operations SL
Original Assignee
Airbus Operations SL
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Publication date
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Publication of WO2010076365A1 publication Critical patent/WO2010076365A1/es
Publication of WO2010076365A9 publication Critical patent/WO2010076365A9/es
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    • G02B6/3807—Dismountable connectors, i.e. comprising plugs
    • G02B6/3897—Connectors fixed to housings, casing, frames or circuit boards

Definitions

  • the present invention relates to a fiber optic connection device, in particular fiber optic embedded in a composite structure.
  • sensors based on optical fiber are gaining more and more ground to conventional instrumentation, assuming, for certain specific applications, an almost unique solution.
  • sensors based on Bragg networks are located in a predominant position and with enormous potential. In particular, this technology is being developed, among other applications, for the measurement and monitoring of structural deformations in various types of structures.
  • the problem centers on the intermediate face of different materials.
  • the above problem centers on the transition between the composite material, which comprises the embedded optical fiber, and the transmitting external optical fiber.
  • This area of the structure of composite material comprising optical fiber as a sensor line for the monitoring of said structure which is absolutely essential from a functional point of view to communicate the sensor network of the structure of composite material with the unit of External monitoring and acquisition, constitutes an important singularity, firstly due to the own difference of geometric and mechanical properties of the composite material and the optical fiber, the said area introducing a particularly delicate point in the structure of composite material.
  • US 6,035,084 describes a fiber optic connector for connecting to a fiber embedded in a composite structure.
  • the aforementioned connector is not embedded in the structure, but connects with the fiber embedded in it, with the help of a lens that allows the correct alignment between the fiber and the connector.
  • This type of connectors cannot be embedded in the structure, since they are too large and complex, and compromise the previous structural integrity.
  • it is necessary for part of the embedded fiber to go outside there is the problem of damaging said optical fiber when performing some reheating operation of the edges of the structure.
  • EP 1258760 describes a fiber optic connector that can be embedded in a composite structure.
  • Said connector comprises two bushes, one of them outer, with optical fibers to be connected, the outer fiber can be disconnected easily and quickly by removing the outer bushing, while the reconnection can be carried out by reinserting the outer bushing into said connector.
  • a connector of this type does not solve the problem of overheating the edges of the composite structure without damaging the optical fiber.
  • the solution proposed by this document includes the cutting of the connector and the structure, for the subsequent connection with the optical output fiber, which makes the materials of the structure and the connector so different, court or the re-raised pose numerous difficulties and problems in its realization.
  • connection device that allows, on the one hand, the connection and disconnection of the output fiber as a line of monitoring sensors in a structure of composite material, in a quick and simple way, which helps to the reduction of risks of fiber breakage during the manufacturing and assembly stages thereof in the structure in which it is embedded, while allowing, on the other hand, to perform a reheating at the edges of the previous structure without damaging or breaking the said output fiber, to which an external monitoring and acquisition unit must be connected.
  • the present invention is oriented to the solution of the above-mentioned drawbacks.
  • the invention thus develops a device for the connection of optical fiber embedded in a structure of composite material, such that said device will be partially embedded, during the manufacturing process of the structure, therein.
  • the connection device of the invention is partially embedded in the area just prior to the exit of the fiber from the structure of composite material, either through the edge of the structure or the surface of the structure, such that said The device allows the connection and disconnection of the embedded fiber, while avoiding problems of breakage of said fiber when the structure is reheated.
  • the invention developed part of the initial preparation of the fiber or optical fibers that are to be embedded inside the layers of the structure of composite material to be monitored, during the manufacturing process of said structure.
  • connection device allows access to a single optical fiber embedded in the structure, or that the connection device allows access to more than one optical fiber. Both solutions are identical at the conceptual level, the only differences being the way of confronting the fiber and the size of the housings.
  • connection device of the invention comprises the following elements: - a first connection element that is embedded in the structure of composite material, either on the edge or on the surface of said structure;
  • this protective element that joins the first connection element during the manufacture and assembly of the structure of composite material, being embedded in said structure, such that said protective element prevents the intrusion of resin into said first connection element during the curing of the structure, being perfectly tight with respect to said first connecting element, this protective element being removed once the structure is already cured;
  • Another characteristic of this protective element is that it must be designed and installed during the manufacturing process in such a way that resin does not adhere to its outer surface during the curing process of the structure, so that, once cured Ia structure, said protective element can be easily removed from the first connection element;
  • connection element that joins the first connection element after removing the previous protective element once the composite structure enters into service
  • Figure 1 is a schematic view of the first connection element and its components, in the fiber optic connection device according to the invention.
  • Figure 2 is a schematic view of the protective element of the first connection element, in the fiber optic connection device according to the invention.
  • Figures 3a and 3b show a schematic and exploded view, respectively, of the assembly of the first connection element and its protective element, in the fiber optic connection device according to the invention.
  • Figures 4a and 4b show a schematic and exploded view, respectively, of a first embodiment of the second connection element in the fiber optic connection device according to the invention.
  • Figures 5a and 5b show plan and elevation views of a first embodiment of the mechanical protection element in the fiber optic connection device according to the invention.
  • Figures 6a and 6b show an exploded and schematic view, respectively, of the assembly of the first connection element and a first embodiment of the protective element thereof, in the fiber optic connection device according to the invention.
  • Figures 7a and 7b show an exploded and schematic view, respectively, of the assembly of the first connection element and a second embodiment of the protective element thereof, in the fiber optic connection device according to the invention.
  • Figures 8a, 8b and 8c show a schematic and exploded view, respectively, of a second embodiment of the first and second connection element in the fiber optic connection device according to the invention.
  • Figures 9a, 9b, 10a and 10b show plan and elevation views of a second embodiment of the mechanical protection element of the connection device of the invention.
  • Figures 11 a, 11 and 11 c show a plan view, elevation and section of a third embodiment of the mechanical protection element of the connection device of the invention.
  • Figures 12a and 12b show a schematic and exploded view, respectively, of the complete assembly of the fiber optic connection device of the invention, according to a first embodiment thereof.
  • Figures 13a and 13b show a schematic and exploded view, respectively, of the complete assembly of the fiber optic connection device of the invention, according to a second embodiment thereof.
  • Figure 14 shows an example of a schematic overview of the commissioning of a fiber optic connection device according to the invention.
  • Figures 15a and 15b show how the fiber optic connection device of the invention is embedded in the layers of composite material, when this device is embedded in the edge of said composite structure structure.
  • Figures 16a and 16b show how the fiber optic connection device of the invention is embedded in the layers of composite material, when this device is embedded in the surface of said composite structure structure.
  • connection device 1 comprises the following elements:
  • first connection element 2 ( Figure 1) that is embedded in the structure of composite material, either on the edge or on the surface of said structure, the interior components of said element 2 must necessarily be previously prepared through of an adequate polishing and cleaning process that allows the correct confrontation of the two cores of the optical fibers to be connected, the embedded optical fiber and the optical output fiber 7 contained in the first connection element 2; - a protective element 3 that joins the first connection element 2 during the manufacture and assembly of the composite structure, so as to avoid the intrusion of the resin flow in said first connection element 2 during the curing of The structure of composite material;
  • connection element 4 that joins the first connection element 2 after removing the protective element 3, once the composite structure enters into service and the embedded optical fiber is connected with the output optical fiber 7;
  • a mechanical protection element 5 which joins the second connection element 4, and whose purpose is to mechanically protect the first and second connection element, 2 and 4, such that the stresses of any mechanical aggression ( vibrations, shocks, etc.), mainly shear forces, are absorbed by this element 5.
  • the said element 5 is fixed to the structure of composite material through a joint either fixed as shown in Figures 5a and 5b., for a range of thicknesses of determined material, or of removable type, so that it can be used in a range of thicknesses, figures 11 a, 11 b and 11 c.
  • connection device 1 of the invention Next, the elements that form the connection device 1 of the invention are described in more detail.
  • the first connection element 2 comprises two fundamental preferred embodiments, as can be seen in Figures 6a and 6b, and Figures 7a and 7b.
  • the main difference between the two embodiments is that, for the embodiment shown in Figures 6a and 6b, the connection between the first connection element 2 and the protective element 3 is made by means of an external threaded joint, while, for the embodiment shown In Figures 7a and 7b, elements 2 and 3 are joined through an internal threaded joint.
  • the first connecting element 2 comprises the following sub-elements: a tubular element 8, inside which a highly rigid element 9 of very narrow tolerances is arranged, said element 9 comprising a concentric inner bore and through, which houses inside the optical fiber 7 that will be embedded in the structure of composite material, and that will be connected with the optical fiber already embedded in it, and an outer tubular element 10 that acts as a guiding sleeve to direct and center the cores of the optical fibers to be connected, in connection with the external monitoring and acquisition unit 53, through a transmission lines 52 and an interrogator device 51 ( Figure 14), once the structure 50 with the device 1 enters service.
  • the optical fiber 7 is rigidly attached to the previous element 9, in its concentric and through inner bore.
  • said fiber optic 7 comprises a network of Bragg sensors recorded along its length, in different locations.
  • Element 9 will preferably be a ceramic element.
  • the protective element 3 in line with the first connection element 2, comprises two fundamental preferred embodiments, the first as shown in Figures 6a and 6b, where the threaded joint between the first connection element 2 and protective element 3 is exterior, and the second, as shown in Figures 7a and 7b, where the threaded joint between the first connecting element 2 and protective element 3 is interior, the terms exterior and interior referring to the threaded with respect to the first element of connection, 2.
  • the protective element 3 in either of its two embodiments, has merely a protective function of optical contact of the embedded fiber 7, but its design must be appropriate to perfectly cover the resin flow, and with a surface treatment that facilitate the non-adhesion of the resin during the curing process of the structure 50, such that, once the cited structure 50 is cured, the protective element r 3 can be easily removed from the first connection element 2 of the material compound.
  • Another characteristic of this protective element 3 is that it must be designed in such a way that resin does not adhere to its outer surface.
  • the protective element 3 is a plug comprising an internal or external thread according to the union to be made with the first connection element 2, in order to obtain a convenient threaded connection with said first connection element 2.
  • the said second connection element 4 like the first connection element 2 and that the protective element 3, comprises two embodiments, one for making the connection with the first connection element 2, through external threaded connection ( Figures 4a and 4b), and another to make the connection with the first connection element 2 through an internal threaded joint ( Figures 8a, 8b and 8c).
  • said second connecting element 4 comprises the following sub-elements: a tubular element 11, inside which a highly rigid element 12 with very narrow tolerances is arranged, said element 12 comprising a internal concentric and through hole, which houses inside the optical fiber 7 that will be connected with the external measuring equipment 53 (the second connection element 4 conforms in turn concentrically to the external tubular element 10 of the first connection element 2), a stop 13, rigidly adhered to the second connecting element 4, and an elastic damping element 14, typically a spring, which in turn comprises a through hole and concentric with the fiber optic inlet 7.
  • the stop 13 it has an inner diameter identical to the outer diameter of the element 12, and an outer diameter such that it serves as the lateral base of the damping element 14, also housed in the tubular element 11.
  • the damping element 14 faces at the opposite end with the inner flat face of the tubular element 11, which in turn has a through and concentric bore for the entrance of the optical fiber 7.
  • the first ( Figures 5a and 5b), consists of a simple tubular element, preferably cylindrical, hollow, coupled in a semi-rigid clamp that is coupled in turn to the surfaces of the material that makes up the structure of composite material.
  • the second embodiment is shown in Figures 9a, 9b, 10a and 10b: it is a box 15 ( Figures 9a and 9b) that is inserted in the edge of the material of the composite structure, which implies that it is a optimal solution for sufficiently large thicknesses.
  • This box 15 comprises a cylindrical projection 41 in which the connection device would be housed.
  • Said box 15 further comprises a lid 16 for Avoid efforts on the connection device.
  • this last embodiment comprises a first element 17 for housing the protective element 3 of the connection device.
  • This element 17 will fix the protective element 3 to one of the faces of the composite structure.
  • Said embodiment further comprises a second element 18 which is fixed to the first element 17 by means of pins or screws, preferably, and which fixes the protective element 3 of the connection device 1 to the opposite face of the composite structure.
  • the geometry of the various parts embedded in the structure of composite material must not necessarily be tubular or cylindrical, but will have a shape that adapts as best as possible to the desired requirements of No intrusiveness of the material. In this sense, the geometry will be such that it helps the resin flow, in the manufacturing process, to cover and adapt conveniently to the required shape, avoiding the formation of holes and porosities that decrease the local strength of the material.
  • the design, preparation and manufacturing and installation conditions of the connection device 1, as well as the different elements that comprise it the essential requirements that must be met, according to the present invention, are the following:
  • connection device Compatibility of dilations during and after the curing process of the composite structure: the materials of which the connection device is composed ( Figures 12a, 12b, 13a and 13b) must be thermally compatible with the composite material. In turn, the dimensions of the elements that make up the connection device, as well as the type of adjustment between them, must be such that, after curing the structure, the integrity of the device as a whole and its functional properties remain intact. Resistance to the environment: The resistance to the aeronautical environment in terms of humidity, pressure, aggressive environments, etc., must also be considered in the selection of the materials of the connection device. The possibility of formation of galvanic pairs that promote corrosion is a factor that must be minimized by means of the selection of suitable materials.
  • Tightness or tightness this concept is highly important, not only during the service life of the connection device, but especially during the curing process of the composite structure itself. Due to the conditions of temperature and pressure existing in the curing process, the resin reaches a degree of fluidity such that, if the appropriate measures are not taken, the proposed solution would not be viable due to the contamination of the resin in the contact area fiber optic 7. Therefore, in the process of installing the device in the composite structure, already either on an edge or on the surface thereof, measures will be taken in order to prevent the flow of resin into the device 1 and to the threaded connection of the first connection element 2 and the protective element 3, since this flow would also prevent the subsequent disassembly of the mentioned parts 2 and 3, and their connection with the second connection element 4.
  • Non-intrusiveness within the material structure since the main applications of these sensors are those of structural monitoring of components (material structures composite), it is obvious that the inclusion of the device itself should not entail a deterioration of the mechanical properties of said elements (composite structures). In this sense, the dimensions of the connection device and the elements that compose it will be as small as possible, and variable depending on the thickness of the structure of the material to be monitored, especially in the case that the fiber exits the edge Ia composite structure. In the event that the fiber, and thus the device, leave the surface of the structure of composite material, the most important thing will be to protect the elements of the device 1 in such a way that they are perfectly integrated in the structure through a series of additional layers (reinforcement 60).
  • connection device As well as its depth of penetration, will be such that they will allow the subsequent work of reheating the composite structures without damaging the integrity of the connection device.

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Abstract

Dispositivo (1) para la conexión de al menos una fibra óptica (7) embebida en una estructura (50) de material compuesto, comprendiendo dicho dispositivo (1) un primer elemento de conexión (2) que queda embebido en la citada estructura de material compuesto(50). Comprendiendo en su interior dicha al menos una fibra óptica (7) caracterizado porque el dispositivo (1) comprende además: -un elemento protector (3) que se une al primer elemento de conexión (2) durante la fabricación y el montaje de la estructura de material compuesto (50), quedando embebido en la misma, de tal forma que evita la intrusión de resina en el citado primer elemento de conexión (2) durante el curado de dicha estructura (50); -un segundo elemento de conexión (4) que comprende al menos una fibra óptica (7) de salida y un elemento elástico (14), uniéndose dicho segundo elemento de conexión (4) al primer elemento de conexión (2) tras la retirada del elemento protector (3) una vez finalizado el curado de la estructura (50), haciendo que la citada estructura (50) entre en servicio, conectándose así la al menos una fibra óptica (7) del primer elemento de conexión (2) y del segundo elemento de conexión (4) gracias al elemento elástico (14).

Description

DISPOSITIVO DE CONEXIÓN DE FIBRA ÓPTICA PARA ESTRUCTURAS DE MATERIAL COMPUESTO
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un dispositivo de conexión de fibra óptica, en particular de fibra óptica embebida en una estructura de material compuesto.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Dentro del campo de Ia instrumentación en ingeniería, los sensores basados en fibra óptica ganan cada vez más terreno a Ia instrumentación convencional, llegando a suponer, para determinadas aplicaciones específicas, una solución casi única. Dentro de Ia familia de sensores basados en fibra óptica, los sensores basados en redes de Bragg se sitúan en una posición predominante y con un enorme potencial. En particular, esta tecnología se está desarrollando, entre otras aplicaciones, para Ia medida y monitorización de deformaciones estructurales en diversos tipos de estructuras.
En el caso de estructuras aeronáuticas, donde el uso de materiales compuestos es cada vez más extendido, el uso de este tipo de instrumentación ofrece posibilidades únicas. El inherente proceso de fabricación de los materiales compuestos, además de permitir diseñar y fabricar Ia configuración de capas necesaria para obtener propiedades mecánicas óptimas para su aplicación, posibilita, durante el propio proceso de producción y dentro del material, Ia incorporación de fibras ópticas que, tras Ia polimerización del material compuesto, forman un sistema único material-sensores que contribuye a alcanzar el concepto de materiales inteligentes, donde dichos materiales sean, en primer lugar, capaces de detectar, para luego poder reaccionar frente a las excitaciones provenientes del exterior. Este concepto altamente perseguido, justificado desde un punto de vista tecnológico y viable desde un punto de vista teórico, se encuentra en Ia práctica con una dificultad importante para ser implementado a nivel industrial. El problema se centra en Ia cara intermedia de diferentes materiales. Para el caso particular de estructuras de material compuesto en las que están embebidos los sensores de fibra óptica, el problema anterior se centra en Ia transición entre el material compuesto, que comprende Ia fibra óptica embebida, y Ia fibra óptica externa transmisora. Esta zona de Ia estructura de material compuesto que comprende fibra óptica como línea de sensores para Ia monitorización de las citada estructura, que es absolutamente esencial desde un punto de vista funcional para comunicar Ia red de sensores de Ia estructura de material compuesto con Ia unidad de monitorización y adquisición externa, constituye una importante singularidad, primeramente debido a Ia propia diferencia de propiedades geométricas y mecánicas del material compuesto y Ia fibra óptica, introduciendo Ia citada zona un punto especialmente delicado en Ia estructura de material compuesto.
Es necesario tener en cuenta además que, en Ia mayoría de los casos y para Ia mayor parte de las estructuras de material compuesto, durante el proceso de curado se produce un flujo de exceso de resina que supone una disminución de espesor hacia los bordes de Ia estructura, Io que altera las dimensiones de Ia misma. Este efecto introduce Ia necesidad de realizar un recanteado en los bordes de Ia estructura Io cual, para el caso de una estructura de material compuesto que comprenda fibra óptica como línea de sensores de monitorización, en los que Ia citada fibra sale al exterior de Ia estructura por el borde de Ia misma, plantea el problema particular de Ia destrucción de Ia fibra, con Io cual queda destruida Ia continuidad entre los sensores embebidos en Ia estructura y Ia unidad de monitorización y adquisición externa.
El documento US 6,035,084 describe un conector de fibra óptica para conectar a una fibra embebida en una estructura de material compuesto. El citado conector no va embebido en Ia estructura, sino que conecta con Ia fibra embebida en Ia misma, con Ia ayuda de una lente que permite el alineado correcto entre Ia fibra y el conector. Este tipo de conectores, sin embargo, no pueden ser embebidos en Ia estructura, puesto que son demasiado grandes y complejos, y comprometen Ia integridad estructural anterior. Por otro lado, al ser preciso que parte de Ia fibra embebida salga al exterior, existe el problema de dañar dicha fibra óptica al realizar alguna operación de recanteado de los bordes de Ia estructura.
El documento EP 1258760 describe un conector de fibra óptica que puede ser embebido en una estructura de material compuesto. Dicho conector comprende dos casquillos, uno de ellos exterior, con fibras ópticas que han de conectarse, pudiendo ser desconectada Ia fibra exterior de manera fácil y rápida quitando el casquillo exterior, al tiempo que Ia reconexión puede realizarse reinsertando el casquillo exterior en el citado conector. Un conector de este tipo, sin embargo, no resuelve el problema del recanteado de los bordes de Ia estructura de material compuesto sin que se dañe Ia fibra óptica. Por otro lado, Ia solución planteada por este documento comprende el corte del conector y de Ia estructura, para Ia posterior conexión con Ia fibra óptica de salida, Io cual hace que, al ser los materiales de Ia estructura y del conector tan diferentes, el corte o el recanteado planteen numerosas dificultades y problemas en su realización. Otra de los problemas que plantea un dispositivo tal es que, durante el proceso de curado de Ia estructura, Ia resina penetra en muchas ocasiones en el interior del conector, hasta Ia zona primera del mismo, dañando así los contactos ópticos contenidos en su interior e imposibilitando su posterior conexión con Ia fibra óptica de salida. Además, en el citado documento EP 1258760 no se describe solución alguna a Ia rigidización del conector de fibra óptica, una vez que éste entra en servicio.
Es necesario, por tanto, desarrollar un dispositivo de conexión que permita, por un lado, Ia conexión y desconexión de Ia fibra de salida como línea de sensores de monitorización en una estructura de material compuesto, de una manera rápida y sencilla, Io cual ayuda a Ia disminución de riesgos de rotura de Ia fibra durante las etapas de fabricación y montaje de Ia misma en Ia estructura en Ia que está embebida, al tiempo que permita, por otro lado, realizar un recanteado en los bordes de Ia estructura anterior sin dañar o romper Ia citada fibra de salida, a Ia que ha de conectarse una unidad de monitorización y adquisición externa.
La presente invención está orientada a Ia solución de los inconvenientes planteados anteriormente.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN
La invención desarrolla así un dispositivo para Ia conexión de fibra óptica embebida en una estructura de material compuesto, tal que dicho dispositivo quedará parcialmente embebido, durante el proceso de fabricación de Ia estructura, en Ia misma. El dispositivo de conexión de Ia invención queda parcialmente embebido en Ia zona justamente previa a Ia salida de Ia fibra de Ia estructura de material compuesto, ya sea a través del borde de Ia estructura o de Ia superficie de Ia estructura, de tal forma que dicho dispositivo permite Ia conexión y desconexión de Ia fibra embebida, al tiempo que evita problemas de rotura de dicha fibra al realizarse el recanteado de Ia estructura.
La invención desarrollada parte de Ia preparación inicial de Ia fibra o fibras ópticas que vayan a ser embebidas en el interior de las capas de Ia estructura de material compuesto a monitorizar, durante el proceso de fabricación de Ia citada estructura.
La preparación inicial de fibra o fibras introduce dos posibilidades: que el dispositivo de conexión embebido permita el acceso a una única fibra óptica embebida en Ia estructura, o que el dispositivo de conexión permita acceder a más de una fibra óptica. Ambas soluciones son idénticas a nivel conceptual, siendo las únicas diferencias Ia forma de enfrentamiento de Ia fibra y el tamaño de los alojamientos.
El dispositivo de conexión de Ia invención comprende los siguientes elementos: - un primer elemento de conexión que queda embebido en Ia estructura de material compuesto, ya sea en el borde o en Ia superficie de dicha estructura;
- un elemento protector que se une al primer elemento de conexión durante Ia fabricación y el montaje de Ia estructura de material compuesto, quedando embebido en Ia citada estructura, tal que dicho elemento protector evita Ia intrusión de resina en el citado primer elemento de conexión durante el curado de Ia estructura, al ser perfectamente estanco con respecto a dicho primer elemento de conexión, retirándose este elemento protector una vez que Ia estructura ya está curada; otra de las características de este elemento protector es que ha de estar diseñado e instalado durante el proceso de fabricación de tal forma que no se adhiera a su superficie exterior resina durante el proceso de curado de Ia estructura, de tal modo que, una vez curada Ia estructura, el citado elemento protector pueda retirarse fácilmente del primer elemento de conexión;
- un segundo elemento de conexión que se une a al primer elemento de conexión tras retirar el elemento protector anterior una vez que Ia estructura de material compuesto entra en servicio;
- un elemento de protección mecánico, que se une al segundo elemento de conexión, y cuya finalidad es Ia de proteger mecánicamente el primer y el segundo elemento de conexión, de tal forma que los esfuerzos de cualquier agresión mecánica sean absorbidos por este elemento de protección.
Otras características y ventajas de Ia presente invención se desprenderán de Ia descripción detallada que sigue de una realización ilustrativa de su objeto en relación con las figuras que se acompañan.
DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
La Figura 1 es una vista esquemática del primer elemento de conexión y sus componentes, en el dispositivo de conexión de fibra óptica según Ia invención.
La Figura 2 es una vista esquemática del elemento protector del primer elemento de conexión, en el dispositivo de conexión de fibra óptica según Ia invención.
Las Figuras 3a y 3b muestran una vista esquemática y en despiece, respectivamente, del montaje del primer elemento de conexión y su elemento protector, en el dispositivo de conexión de fibra óptica según Ia invención.
Las Figuras 4a y 4b muestran una vista esquemática y en despiece, respectivamente, de una primera realización del segundo elemento de conexión en el dispositivo de conexión de fibra óptica según Ia invención.
Las Figuras 5a y 5b muestran vistas en planta y alzado de una primera realización del elemento de protección mecánico en el dispositivo de conexión de fibra óptica según Ia invención.
Las Figuras 6a y 6b muestran una vista en despiece y esquemática, respectivamente, del montaje del primer elemento de conexión y una primera realización del elemento protector del mismo, en el dispositivo de conexión de fibra óptica según Ia invención.
Las Figuras 7a y 7b muestran una vista en despiece y esquemática, respectivamente, del montaje del primer elemento de conexión y una segunda realización del elemento protector del mismo, en el dispositivo de conexión de fibra óptica según Ia invención.
Las Figuras 8a, 8b y 8c muestran una vista esquemática y en despiece, respectivamente, de una segunda realización del primer y segundo elemento de conexión en el dispositivo de conexión de fibra óptica según Ia invención.
Las Figuras 9a, 9b, 10a y 10b muestran vistas en planta y alzado de una segunda realización del elemento de protección mecánico del dispositivo de conexión de Ia invención.
Las Figuras 11 a, 11 b y 11 c muestran vistan en planta, alzado y sección de una tercera realización del elemento de protección mecánico del dispositivo de conexión de Ia invención. Las Figuras 12a y 12b muestran una vista esquemática y en despiece, respectivamente, del montaje completo del dispositivo de conexión de fibra óptica de Ia invención, según una primera realización del mismo.
Las Figuras 13a y 13b muestran una vista esquemática y en despiece, respectivamente, del montaje completo del dispositivo de conexión de fibra óptica de Ia invención, según una segunda realización del mismo.
La Figura 14 muestra un ejemplo de vista general en esquema de Ia puesta en servicio de un dispositivo de conexión de fibra óptica según Ia invención.
Las Figuras 15a y 15b muestran cómo queda embebido el dispositivo de conexión de fibra óptica de Ia invención en las capas de material compuesto, cuando este dispositivo está embebido en el borde de Ia citada estructura de material compuesto.
Las Figuras 16a y 16b muestran cómo queda embebido el dispositivo de conexión de fibra óptica de Ia invención en las capas de material compuesto, cuando este dispositivo está embebido en Ia superficie de Ia citada estructura de material compuesto.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
La invención desarrolla así un dispositivo para Ia conexión de fibra óptica embebida en una estructura 50 de material compuesto, tal que el dispositivo 1 de conexión comprende los siguientes elementos:
- un primer elemento de conexión 2 (Figura 1 ) que queda embebido en Ia estructura de material compuesto, ya sea en el borde o en Ia superficie de dicha estructura, debiendo ser los componentes interiores de dicho elemento 2 necesariamente preparados de forma previa a través de un proceso de pulido y limpieza adecuado que permita el correcto enfrentamiento de los dos núcleos de las fibras ópticas a conectar, Ia fibra óptica embebida y Ia fibra óptica de salida 7 contenida en el primer elemento de conexión 2; - un elemento protector 3 que se une al primer elemento de conexión 2 durante Ia fabricación y el montaje de Ia estructura de material compuesto, de tal forma que evite Ia intrusión del flujo de resina en el citado primer elemento de conexión 2 durante el curado de Ia estructura de material compuesto;
- un segundo elemento de conexión 4 que se une a al primer elemento de conexión 2 tras retirar el elemento protector 3, una vez que Ia estructura de material compuesto entra en servicio y se conecta Ia fibra óptica embebida con Ia fibra óptica 7 de salida;
- un elemento de protección mecánico 5, que se une al segundo elemento de conexión 4, y cuya finalidad es Ia de proteger mecánicamente el primer y el segundo elemento de conexión, 2 y 4, de tal forma que los esfuerzos de cualquier agresión mecánica (vibraciones, choques, etc.), principalmente esfuerzos cortantes, sean absorbidos por este elemento 5. El citado elemento 5 se fija a Ia estructura de material compuesto a través de una unión ya sea fija como se muestra en las Figuras 5a y 5b., para un rango de espesores de material determinado, o de tipo desmontable, para que pueda ser utilizada en un rango de espesores, figuras 11 a, 11 b y 11 c.
A continuación se describen, de manera más detallada, los elementos que forman el dispositivo de conexión 1 de Ia invención.
Primer elemento de conexión 2
El primer elemento de conexión 2 comprende dos realizaciones preferidas fundamentales, según puede observarse en las Figuras 6a y 6b, y Figuras 7a y 7b. La principal diferencia entre ambas realizaciones reside en que, para Ia realización mostrada en las Figuras 6a y 6b, Ia unión entre el primer elemento de conexión 2 y el elemento protector 3 se realiza mediante una unión roscada exterior, mientras que, para Ia realización mostrada en las Figuras 7a y 7b, los elementos 2 y 3 se unen a través de una unión roscada interior. En cualquiera de las dos realizaciones, el primer elemento de conexión 2 comprende los siguientes sub-elementos: un elemento tubular 8, en cuyo interior está dispuesto un elemento 9 altamente rígido y de tolerancias muy estrechas, comprendiendo dicho elemento 9 un taladro interior concéntrico y pasante, que aloja en su interior Ia fibra óptica 7 que se embeberá en Ia estructura de material compuesto, y que se conectará con Ia fibra óptica ya embebida en el mismo, y un elemento tubular exterior 10 que actúa como camisa de guiado para dirigir y centrar los núcleos de las fibra ópticas a conectar, en conexión con Ia unidad de monitorización y adquisición externa 53, a través de una líneas de transmisión 52 y un dispositivo interrogador 51 (Figura 14), una vez que Ia estructura 50 con el dispositivo 1 entra en servicio. La fibra óptica 7 está rígidamente unida al elemento 9 anterior, en su taladro interior concéntrico y pasante. Además, Ia citada fibra óptica 7 comprende una red de sensores de Bragg grabados a Io largo de su longitud, en diferentes localizaciones. El elemento 9 será preferiblemente un elemento cerámico. El elemento tubular exterior 10, preferiblemente cerámico, se ajusta de manera concéntrica al citado elemento 9, también preferiblemente cerámico.
Elemento protector 3 El elemento protector 3, en consonancia con el primer elemento de conexión 2, comprende dos realizaciones preferidas fundamentales, Ia primera como se muestra en las Figuras 6a y 6b, donde Ia unión roscada entre el primer elemento de conexión 2 y elemento protector 3 es exterior , y Ia segunda, como se muestra en las Figuras 7a y 7b, donde Ia unión roscada entre el primer elemento de conexión 2 y elemento protector 3 es interior, los términos exterior e interior refiriéndose al roscado con respecto al primer elemento de conexión, 2. El elemento protector 3, en cualquiera de sus dos realizaciones, tiene meramente una función protectora de contacto óptico de Ia fibra embebida 7, pero su diseño debe ser apropiado para tapar perfectamente el flujo de resina, y con un tratamiento superficial que facilite Ia no adherencia de Ia resina durante el proceso de curado de Ia estructura 50, de tal modo que, una vez curada Ia citada estructura 50, el elemento protector 3 pueda ser retirado fácilmente del primer elemento de conexión 2 del material compuesto. Otra de las características de este elemento protector 3 es que ha de estar diseñado de tal forma que no se adhiera a su superficie exterior resina.
Básicamente, el elemento protector 3 es un tapón que comprende una rosca interior o exterior según Ia unión a realizar con el primer elemento de conexión 2, para poder obtener una unión roscada conveniente con el citado primer elemento de conexión 2.
Segundo elemento de conexión 4
El citado segundo elemento de conexión 4, al igual que el primer elemento de conexión 2 y que el elemento protector 3, comprende dos realizaciones, una para realizar Ia unión con el primer elemento de conexión 2, a través de unión roscada exterior (Figuras 4a y 4b), y otra para realizar Ia unión con el primer elemento de conexión 2 a través de una unión roscada interior (Figuras 8a, 8b y 8c).
En Ia primera de las realizaciones (Figuras 4a y 4b), en Ia que existe una unión roscada exterior entre el primer elemento de conexión 2 y el segundo elemento de conexión 4, el recanteado posterior que se realiza en Ia estructura 50 de material compuesto es parcial, no pudiendo realizarse en Ia zona en Ia que está alojado el dispositivo 1. Esta realización soluciona así el problema de conexión de fibra óptica cuando no es necesario el recanteado de Ia estructura 50, o bien cuando este recanteado puede realizarse evitando Ia zona en Ia que está dispuesto el dispositivo 1. Además, esta realización es útil cuando ha de realizarse un recanteado en Ia estructura 50, y Ia fibra óptica sale por Ia superficie, estando el dispositivo 1 en Ia estructura 50, en concreto en un refuerzo 60.
Por otro lado, en Ia segunda de las realizaciones (Figuras 8a y 8b), en Ia que existe una unión roscada interior entre el primer elemento de conexión 2 y el segundo elemento de conexión 4, se soluciona por completo el tema del recanteado, tanto para el caso de que el dispositivo 1 esté colocado en el borde o en Ia superficie de Ia estructura 50, puesto que no existe limitación o tope exterior al citado recanteado, al conectarse posteriormente los elementos 2 y 4 por el interior de Ia estructura 50. Además, este recanteado puede realizarse habiendo retirado previamente el elemento protector 3 o sin haberlo retirado de forma previa, en función de que Ia resistencia del primer elemento de conexión 2 sea suficiente como para soportar dicho recanteado.
Con independencia del tipo de unión roscada empleada, el citado segundo elemento de conexión 4 comprende los siguientes sub-elementos,: un elemento tubular 11 , en cuyo interior está dispuesto un elemento 12 altamente rígido y de tolerancias muy estrechas, comprendiendo dicho elemento 12 un taladro interior concéntrico y pasante, que aloja en su interior Ia fibra óptica 7 que se conectará con el equipo de medición exterior 53 (el segundo elemento de conexión 4 se ajusta a su vez de forma concéntrica al elemento tubular exterior 10 del primer elemento de conexión 2), un tope 13, rígidamente adherida al segundo elemento de conexión 4, y un elemento amortiguador de tipo elástico 14, típicamente un muelle, que comprende a su vez un taladro pasante y concéntrico con Ia entrada de fibra óptica 7. El tope 13 tiene un diámetro interior idéntico al diámetro exterior del elemento 12, y un diámetro exterior tal que sirva de base lateral del elemento amortiguador 14, también alojado en el elemento tubular 11. El elemento amortiguador 14 se enfrenta por el extremo contrario con Ia cara plana interior del elemento tubular 11 , que presenta a su vez un taladro pasante y concéntrico para Ia entrada de Ia fibra óptica 7.
Elemento de protección mecánico 5
Existen, en principio, tres realizaciones preferidas para el elemento de protección mecánico 5. La primera (Figuras 5a y 5b), consiste en un sencillo elemento tubular, preferiblemente cilindrico, hueco, acoplado en una pinza semi-rígida que se acopla a su vez a las superficies del material que conforma Ia estructura de material compuesto. La segunda realización se muestra en las Figuras 9a, 9b, 10a y 10 b: se trata de una caja 15 (Figuras 9a y 9b) que queda insertada en el canto del material de Ia estructura de material compuesto, Io que implica que sea una solución óptima para espesores suficientemente grandes. Esta caja 15 comprende un resalte cilindrico 41 en el que quedaría alojado el dispositivo de conexión. La citada caja 15 comprende además una tapa 16 para evitar esfuerzos sobre el dispositivo de conexión. Finalmente, en las Figuras 11 a, 11 b y 11 c se muestra una tercera realización pensada como único diseño para distintos rangos de espesor de Ia estructura de material compuesto, al poder ajustarse dicho espesor dentro del margen permitido por el desplazamiento de las piezas 17 y 18 entre sí (Figura 11 b). Así, esta última realización comprende un primer elemento 17 para el alojamiento del elemento protector 3 del dispositivo de conexión. Este elemento 17 fijará el elemento protector 3 a una de las caras de Ia estructura de material compuesto. La citada realización comprende además un segundo elemento 18 que se fija al primer elemento 17 mediante pasadores o tornillos, preferiblemente, y que fija el elemento protector 3 del dispositivo de conexión 1 a Ia cara opuesta de Ia estructura de material compuesto.
Ha de tenerse en cuenta que Ia geometría de las diversas piezas embebidas en Ia estructura de material compuesto, según Ia invención, no han de ser tubulares o cilindricas necesariamente, sino que tendrán una forma tal que se adapte Io mejor posible a los requerimientos buscados de no intrusividad del material. En este sentido, Ia geometría será tal que ayude al flujo de resina, en el proceso de fabricación, a cubrir y adaptarse convenientemente a Ia forma requerida, evitando Ia formación de huecos y porosidades que disminuyan Ia resistencia local del material. En Io que respecta a las condiciones de diseño, preparación y fabricación e instalación del dispositivo de conexión 1 , así como de los diferentes elementos que componen el mismo, los requerimientos esenciales que habrán de cumplirse, según Ia presente invención, son los siguientes:
- Resistencia a temperatura: por un lado, a las temperaturas del proceso de fabricación de Ia estructura de material compuesto y, por otro lado, a las condiciones de servicio de dicha estructura, entre -60° C y +200° C.
- Forma exterior más aerodinámica para evitar porosidades y huecos, y conseguir una mejor resistencia interna del material, etc. La geometría debe adecuarse a Ia situación donde el elemento se va a colocar, y a partir de un estudio previo teórico del flujo de resina durante el curado, dimensionar en detalle este elemento para garantizar que por una parte queda perfectamente ajustado dentro del material, no existen huecos de resina, que obviamente perjudicarían notablemente Ia resistencia mecánica del material en esta zona. Por ultimo, y no menos importante, Ia salida de Ia fibra óptica de esta pieza al interior del material se realizara con un diseño suave y progresivo para garantizar Ia absoluta supervivencia de Ia misma durante las tensiones originadas durante el curado
Compatibilidad de dilataciones durante y tras el proceso de curado de Ia estructura de material compuesto: los materiales de que se compone el dispositivo de conexión (Figuras 12a, 12b, 13a y 13b), deben ser compatibles térmicamente con el material compuesto. A su vez, las dimensiones de los elementos que componen el dispositivo de conexión , así como el tipo de ajuste entre ellos, debe ser tal que, tras el curado de Ia estructura, Ia integridad del conjunto del dispositivo y sus propiedades funcionales permanezcan intactas. Resistencia al ambiente: Ia resistencia al ambiente aeronáutico en términos de humedad, presión, ambientes agresivos, etc., debe ser considerada también en Ia selección de los materiales del dispositivo de conexión. La posibilidad de formación de pares galvánicos que propicien Ia corrosión es un factor que ha de minimizarse mediante Ia selección de los materiales adecuados.
Hermeticidad o estanqueidad: este concepto es altamente importante, no sólo durante Ia vida en servicio del dispositivo de conexión, sino especialmente durante el propio proceso de curado de Ia estructura de material compuesto. Debido a las condiciones de temperatura y presión existentes en el proceso de curado, Ia resina alcanza un grado de fluidez tal que, si no se toman las medidas adecuadas, Ia solución propuesta no sería viable por Ia contaminación de Ia resina en Ia zona de contacto óptico de Ia fibra 7. Por consiguiente, en el proceso de instalación del dispositivo en Ia estructura de material compuesto, ya sea en un borde o saliendo en superficie de Ia misma, se adoptarán medidas con Ia finalidad de evitar el flujo de resina al interior del dispositivo 1 y a Ia unión roscada del primer elemento de conexión 2 y el elemento protector 3, pues este flujo impediría además el posterior desmontaje de las citadas piezas 2 y 3, y su conexión con el segundo elemento de conexión 4. No intrusividad dentro de Ia estructura de material: dado que las principales aplicaciones de estos sensores son las de monitorización estructural de componentes (estructuras de material compuesto), es obvio que Ia propia inclusión del dispositivo no debe suponer un deterioro de las propiedades mecánicas de dichos elementos (estructuras de material compuesto). En este sentido, las dimensiones del dispositivo de conexión y de los elementos que Io componen serán Io más pequeñas posibles, y variables en función del espesor de Ia estructura de material a monitorizar, especialmente en el caso de que Ia fibra salga por el borde Ia estructura de material compuesto. En el caso de que Ia fibra, y así el dispositivo, salgan por Ia superficie de Ia estructura de material compuesto, Io más importante será proteger los elementos del dispositivo 1 de tal forma que estén perfectamente integrados en Ia estructura a través de una serie de capas adicionales (refuerzo 60). Para cualquiera de los dos casos anteriores, tanto para Ia fibra saliendo por superficie como por el borde de Ia estructura de material compuesto, Ia introducción de capas adicionales se realizará con el conveniente número y secuencia de escalonamiento para que estén compensadas y evitando tensiones residuales tras el curado de Ia estructura, así como Ia presencia de defectos o excesos de resina en las proximidades. No se descarta para determinados casos el reforzar Ia zona de Ia estructura donde el dispositivo está embebido mediante uniones remachadas, que obviamente cumplirían las condiciones de diseño correspondientes a este tipo de uniones (distancias, espesores mínimos, diámetros, etc.). - Requerimientos funcionales de Ia unión óptica de Ia fibra 7: Ia estanqueidad del montaje del dispositivo, las estrechas tolerancias de los elementos 9, 12 y elemento 10, así como Ia presión del elemento elástico 14 (Figuras 12a, 12b, 13a y 13b) son las medidas de diseño para garantizar el correcto contacto óptico durante las condiciones de servicio del dispositivo, en especial, las variaciones de temperatura, el ingreso de contaminantes y las vibraciones mecánicas transmitidas.
- Compatibilidad con las operaciones de fabricación y montaje. La instalación del dispositivo de conexión, así como su profundidad de penetración, serán tales que permitirán los posteriores trabajos de recanteado de las estructuras de material compuesto sin que se dañe Ia integridad del dispositivo de conexión.
Supervivencia de Ia fibra 7: se tomarán una serie de medidas esenciales para garantizar Ia supervivencia de Ia fibra 7 durante el proceso de montaje. Estas medidas dependerán de cada caso concreto y en general buscarán dos objetivos: en primer lugar obstaculizar el paso del flujo de resina a Ia zona de Ia fibra 7 y, en segundo lugar, evitar puntos de cortadura en Ia fibra óptica 7. Para el primer objetivo se obstaculizará el paso de resina a través de Ia protección del dispositivo con películas de adhesivo y sellantes fácilmente eliminables pero resistentes al proceso de fabricación. Para el segundo caso, en función de Ia distribución de capas de Ia estructura de material y su espesor, se rediseñarán detalles geométricos buscando Ia eliminación de cualquier pequeño radio que dé origen a esquinas cortantes. En las realizaciones que acabamos de describir pueden introducirse aquellas modificaciones comprendidas dentro del alcance definido por las siguientes reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Dispositivo (1 ) para Ia conexión de al menos una fibra óptica (7) embebida en una estructura (50) de material compuesto, comprendiendo dicho dispositivo (1 ) un primer elemento de conexión (2) que queda embebido en Ia citada estructura de material compuesto (50), comprendiendo en su interior dicha al menos una fibra óptica (7) caracterizado porque el dispositivo (1 ) comprende además:
- un elemento protector (3) que se une al primer elemento de conexión (2) durante Ia fabricación y el montaje de Ia estructura de material compuesto (50), quedando embebido en Ia misma, de tal forma que evita Ia intrusión de resina en el citado primer elemento de conexión (2) durante el curado de dicha estructura (50); un segundo elemento de conexión (4) que comprende al menos una fibra óptica (7) de salida y un elemento elástico (14), uniéndose dicho segundo elemento de conexión (4) al primer elemento de conexión (2) tras Ia retirada del elemento protector (3) una vez finalizado el curado de Ia estructura (50), haciendo que Ia citada estructura (50) entre en servicio, conectándose así Ia al menos una fibra óptica (7) del primer elemento de conexión (2) y del segundo elemento de conexión (4) gracias al elemento elástico (14).
2. Dispositivo (1 ) para Ia conexión de al menos una fibra óptica (7) embebida en una estructura (50) de material compuesto según Ia reivindicación 1 , caracterizado porque dicho dispositivo (1 ) está situado en uno de los bordes de Ia citada estructura (50).
3. Dispositivo (1 ) para Ia conexión de al menos una fibra óptica (7) embebida en una estructura (50) de material compuesto según Ia reivindicación 1 , caracterizado porque dicho dispositivo (1 ) está situado en Ia superficie de Ia citada estructura (50), en un refuerzo (60) de Ia misma, estando dicho refuerzo (60) integrado en dicha estructura (50) a través de una serie de capas adicionales.
4. Dispositivo (1 ) para Ia conexión de al menos una fibra óptica (7) embebida en una estructura (50) de material compuesto según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el citado segundo elemento de conexión (4) se une al primer elemento de conexión (2) a través de una unión roscada.
5. Dispositivo (1 ) para Ia conexión de al menos una fibra óptica (7) embebida en una estructura (50) de material compuesto según Ia reivindicación 4, caracterizado porque Ia unión roscada se realiza de forma exterior con respecto al citado primer elemento de conexión (2).
6. Dispositivo (1 ) para Ia conexión de al menos una fibra óptica (7) embebida en una estructura (50) de material compuesto según Ia reivindicación 4, caracterizado porque Ia unión roscada se realiza de forma interior con respecto al citado primer elemento de conexión (2).
7. Dispositivo (1 ) para Ia conexión de al menos una fibra óptica (7) embebida en una estructura (50) de material compuesto según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende además un elemento de protección mecánico (5) que se une al segundo elemento de conexión (4), una vez que Ia estructura (50) entra en servicio, tal que el primer y el segundo elemento de conexión (2, 4) queden protegidos mecánicamente, siendo absorbidos los esfuerzos de cualquier agresión mecánica sobre el dispositivo (1 ) por el citado elemento de protección (5).
8. Dispositivo (1 ) para Ia conexión de al menos una fibra óptica (7) embebida en una estructura (50) de material compuesto según Ia reivindicación 7, caracterizado porque el elemento de protección (5) comprende un primer elemento (17) para el alojamiento del elemento protector (3) del dispositivo (1 ), fijando este elemento (17) el elemento protector (3) a una de las caras de Ia estructura (50), comprendiendo además un segundo elemento (18) que se fija al primer elemento (17) y que fija el elemento protector (3) a Ia cara opuesta de Ia estructura (50), tal que el elemento de protección (5) sea válido para distintos rangos de espesor de Ia estructura (50) de material compuesto, al poder ajustarse dicho espesor al margen permitido por el desplazamiento de las piezas (17, 18) entre sí.
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