Investigation of Fiber Optic Embedding Processes within Different Types of Material. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF M.Sc._Thesis_201401700.pdf Download (5MB) | Preview

Arabic Abstract

تحتاج كل من الهياكل الميكانيكية الوظيفية و المستخدمة في المراقبة إلى وجود أجهزة استشعار مضمنة داخل المادة. يهدف هذا العمل إلى تضمين الألياف البصرية داخل أنواع مختلفة من المواد مثل مسحوق المواد والألومنيوم. تم التحقيق في عمليات التضمين للحصول على تضمين ملائم اعتمادا على نوع المادة المستضيفة. وقد اجريت تجارب مختلفة مع تحكم كامل في العملية باستخدام الموجات فوق الصوتية لتضمين الألياف داخل الألمنيوم، وطريقة الإدراج العادي داخل مسحوق المواد. وقد تم وضع نموذج باستخدام تحليل العناصر المحدودة من أجل تعريف وتحديد متغيرات العملية لدعم التجارب. وتشمل هذه المتغيرات وقت المعالجة، واتساع الموجة ومنطقة الاتصال. وقد تم دراسة تأثير هذه المتغيرات على العملية. أظهرت الاختبارات التجريبية أن التضمين التدريجي يتحقق باستخدام مجموعات مترابطة ومحددة من المتغيرات المؤثرة في العملية وتحديدا تم الحصول على تضمين كامل للألياف باستخدام مساحة 50%، بينما عن طريق الاتصال الصغيرة بزمن مقداره تقريبا ثانية واحدة مرتبط باتساع موجي مقداره 60 % اتساع موجي مرتبط بزمن اقل من ثانية استخدام مساحة الاتصال الكبيرة كانت المتغيرات واحدة. العملية النهائية سوف تنتج ألياف بصرية مضمنة داخل المواد. التحقق من سلامة أجهزة الاستشعار ما بعد العملية هو محل الاهتمام التالي لعملية التضمين وأيضا التأكد من قدرة أجهزة الاستشعار من اعادة عرض سلوك المادة بشكل صحيح. سلامة الألياف والعرض النسبي لسلوك المادة يكون كافيا ويخدم الغرض من القياس. في عملية استخدام مسحوق المواد كمادة مستضيفة، تم استخدام تقنية الضغط على درجات حرارة لتكوين المواد حيت تم بداية وضع الألياف البصرية داخل القالب الذي يملأ SPSطبيعية وتقنية بمسحوق المواد. وقد تم إعداد المواد في ظل ظروف مختلفة معروفة من الضغط والتلبيد حيث يجب مراعاة الألياف البصرية المضمنة أثناء العملية، على سبيل المثال: الضغط العالي المستخدم في العملية وكذلك درجة الحرارة العالية يمكن أن تتسبب في الحاق الضرر بالألياف. حمل 155 MPaكانت القيم العملية للمتغيرات المستخدمة في عملية الضغط على درجات طبيعية: تم استخدام حمل ضغط SPS ساعات. فيما يتعلق ب 6 لمدة 450 ˚C الضغط ، ودرجة حرارة تلبيد. لمدة نصف ساعة 400 ˚Cودرجة حرارة ،20 MPa وقد تميز هذا العمل عملية التضمين : باستخدام الموجات فوق الصوتية في الألمنيوم وإدخال الألياف في مسحوق المواد لضمان قراءة سليمة لمتغيرات البيئة الخارجية وحماية أجهزة الاستشعار من البيئة الخارجية الحساسة.

English Abstract

Both functional and monitored mechanical structures need to have sensors embedded inside the material. Metallic materials are mostly dominant. This work aimed at embedding fiber optics inside various types of materials e.g. powder based materials and aluminum. The embedding processes were investigated for appropriateness depending on the host materials. Various trials with full process control have been carried out in ultrasonic consolidation for fiber optics to be embedded in aluminum, and normal insertion inside powder based materials. Finite Element Modeling has been carried out to identify and quantify triggering process parameters to support experiments. These parameters include processing time, wavelength amplitude and contact area. The study of the effect of these parameters on the process has been investigated. The experimental tests have shown that progressive embedding is achieved using specific combined sets of parameters in the process and specifically full embedding of the fiber is reached with welding time towards one second combined with a wavelength amplitude of 50% with small area of contact and for large area of contact with amplitude larger than 60% and welding time less than 1 sec. The end process will result in the fiber embedded inside the material. The next concern is to check the integrity of the sensors in post process and also to verify that the sensor reproduces properly the behaviour of the material. Both integrity and reliability of reporting behaviour seem to be adequate and serve the purpose of measurement. In powder based materials as host, cold compaction and Spark Plasma Sintering (SPS) were used to fabricate the material while the fiber optic was initial placed at the time of filling the die with the powder. The material has been prepared under different known conditions of compaction and sintering since care has to be observed on the embedded fiber e.g. high compaction pressure and sintering temperature can damage the fibers. Practical values in cold compaction technique were: 155 MPa compaction load and 450 ˚C sintering temperature applied for 6 hours. Regarding SPS, load of 20 MPa, and temperature of 400 ˚C applied for half-hour have been used. This work has characterized the embedding process i.e. Ultrasonic Consolidation in aluminum and insertion of fibers in powder based materials to secure proper reading and protection of the sensors from delicate environment.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Mekid, Samir
Committee Members:	Nouari, Saheb and Bashmal, Salem
Depositing User:	HAMMAM DARAGHMA (g201401700)
Date Deposited:	31 Dec 2017 07:21
Last Modified:	31 Dec 2020 09:18
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140558