VUB-ingenieurs ontwikkelen extreem precieze drukmeting - B-Phot

Binnen het PHOSFOS-project zijn methodes
ontwikkeld om op zeer precieze wijze druk
te meten, dit met behulp van optische
technologie. Dat leidt tot toepassingen
in onder meer de olie- en gaswinning, bij
aanwezigheidsdetectie, botsingstesten,
in vliegtuigvleugels en wieken van
windturbines, in de medische wereld,…
de resultaten gooien, internationaal, hoge
ogen, ook wegens de diverse baanbrekende
innovaties die daarbij zijn ontstaan.
Door ing. Koen Vandepopuliere M.Sc.,
Engineeringnet Magazine
H
et Europese project ‘Phosfos’ begon in
1998, en eindigde in augustus 2011.
Negen partners namen er aan deel: 4 Belgische, 2 Poolse, 2 uit het Verenigd Koninkrijk en
1 uit Cyprus. De leiding van het project lag bij de
VUB, met name bij Prof. Dr. ir. Francis Berghmans van het Brussels Photonics Team B-PHOT.
De optische vezel-sensor
In het onderzoek speelden ‘micro-structured
fibres’ een belangrijke rol. Ze kunnen sinds
een tweetal decennia op toenemende belangstelling rekenen. Francis Berghmans: “Wie de
ONDERZOEK & ONTWIKKELING
VUB-ingenieurs
ontwikkelen extreem
precieze drukmeting
Innovatieve optische vezel-sensor kent talrijke toepassingen
doorsnede ervan onder een microscoop bekijkt,
ziet vele tientallen micronkleine gaatjes. Deze
lopen over de hele lengte van de vezel. Nu variëren de eigenschappen van ‘micro-structured
fibres’ naargelang de diameter van die gaten,
de plaats waar ze zich bevinden,… Ook aan de
VUB hebben we enkele types van zo’n vezels
ontwikkeld. Van één ervan doet het aanzicht van
de gaatjes in dwarsdoorsnede denken aan het
silhouet van een vlinder. Deze vezel wordt dan
ook een ‘Butterfly vezel’ genoemd.”
Nu worden reeds enkele decennia voor
drukmetingen ‘optische vezel-sensoren’
gebruikt: zowel ‘micro-structured’ als
andere vezels worden daarbij ingezet.
Kenmerkend is doorgaans dat daarin,
bijvoorbeeld om de paar centimeter,
‘Fiber Bragg Gratings’ (FBG’s) zijn te
vinden. Het betreft roostertjes, die in de
vezel zijn aangebracht (‘geschreven’)
met UV-licht. Deze FBG’s zijn niet
alleen gevoelig voor druk, maar ook
voor temperatuur. Dit leidt tot een vermindering van de nauwkeurigheid van
‘optische vezel-sensoren’ die, vaak, voor
drukmetingen worden ingezet.
Of tenminste, dat wás zo, tot voor
kort. Want binnen het Phosfos-project
werd een nieuwsoortige optische vezelsensor ontwikkeld. Daarbij werden
ENGINEERINGNET MAGAZINE - december 2011 43
ENGINEERINGnet.BE
ONDERZOEK & ONTWIKKELING
de FBG’s, voor het eerst, aangebracht in
VUB’s Butterfly-vezel. Daaruit ontstond
een sensor die ‘optisch dubbel brekend’ is:
een bijzondere eigenschap. Het komt erop
neer dat, wanneer de optische vezel licht
geleidt, de FBG’s ervoor zorgen dat twee
discrete golflengtes worden weerkaatst (een
golflengte is enigszins te vergelijken met:
licht van een bepaalde kleur). Indien een
druk op de PHOSFOS-vezel wordt uitgeoefend, zal het verschil tussen deze twee
golflengtes veranderen. Des te groter de
druk, des te groter is tussen de 2 golflengtes
het verschil. Dat wordt opgemeten door
de opto-elektronica. Maar temperatuur en
axiale (in lengterichting) rekkrachten uitgeoefend op de ontwikkelde vezel, veranderen het verschil tussen de twee golflengtes
níet. Het is de eerste optische vezel-sensor
wereldwijd die deze eigenschap vertoont.
Gevolg is dat met de innovatieve vezel
drukken nauwkeuriger kunnen worden
gemeten dan ooit tevoren, meldt Prof.
Dr. Berghmans; ze meten tot 1.000 bar,
tienmaal preciezer dan wat tevoren met de
beste optische vezel-sensor mogelijk was.
Een ander plastic
Prof. Dr. ir. Francis Berghmans
... over het belang van drukmetingen:
“Bijvoorbeeld de olieramp in de Golf
van Mexico was net ontstaan door een
drukprobleem.”
Boren met vezels
Van vleugels tot wieken
Het aantal mogelijke toepassingen van
de nieuwe glasvezelsensor is, zo blijkt,
bijzonder groot. Prof. Berghmans spreekt
onder meer over het boren naar olie en gas.
De daarbij gebruikte technologie omvat een
speciale behuizing, met daarin optische
vezels die de druk meten. Dat gebeurt reeds
een aantal jaren. Tot nu toe, echter, waren
deze vezels temperatuurgevoelig, wat de
betrouwbaarheid van de metingen sterk
liet dalen. Dankzij de nieuwe, temperatuurongevoelige Phosfos-sensor zou het nu
mogelijk zijn veel nauwkeuriger de druk na
te gaan. Francis Bergmans :“Dit vergroot
de veiligheid. De olieramp in de Golf van
Mexico, bijvoorbeeld, was net ontstaan
door een drukprobleem. Maar ook zouden
dergelijke olie- en gasbronnen door de efficiëntere drukmetingen efficiënter worden
ontgonnen. Daar is namelijk alleszins
verbetering mogelijk: zo wordt vandaag
reeds gesproken van een goed resultaat
wanneer 35 % van de olie uit een bron
wordt gehaald! Hoeveel beter het met onze
oplossing kan, weten we wel nog niet. Dat
zal de toekomst uitwijzen. Op dit moment
zijn alvast onderhandelingen bezig met een
firma die fossiele brandstoffen ontgint.”
Een andere toepassing is het inbedden
van de optische vezel-sensoren in composietmaterialen die onderhevig zijn aan
grote krachten: deze zijn onder meer te
vinden in vliegtuigvleugels, of in wieken
van windturbines. De ingebedde optische
glasvezel kan dan de krachten meten die
daarop worden uitgeoefend (immers,
p=F/A; druk=kracht/oppervlakte). Francis Berghmans: “In die vliegtuigvleugels,
wieken,… mogen bepaalde krachten niet
worden overschreden. Als dat wel gebeurt,
raken de lagen die het composietmateriaal
uitmaken, van mekaar onthecht. ‘Delaminatie’, heet dat. Gevolg is dat de vleugel,
windmolenwiek,… niet meer naar behoren
functioneert, en zelfs kan breken. Maar als
daar onze optische vezelsensoren zijn ingebed, kan de belasting die op die materialen
wordt uitgeoefend, nauwkeurig worden
opgevolgd. Indien blijkt dat de belasting
op een vliegtuigvleugel bepaalde waarden
overschrijdt, kan worden besloten een
inspectie ervan uit te voeren, om te bekijken of deze nog aan alle normen voldoet.
En indien een wiek teveel is belast, kan
automatisch de windmolen, bijvoorbeeld,
worden stilgelegd.”
Een tweede luik van het Phosfos-onderzoek
betrof de ontwikkeling van een plastic dat
rekbaar en plooibaar is. Daarin moest de
inbedding mogelijk zijn van de in luik 1
ontwikkelde, innovatieve vezelsensor. Dit
plastic moest dus ook compatibel zijn met
de elektronica die de sensor aanstuurt en
met de opto-elektronica die ze uitleest. Voor
de kenners: de oplossing werd gevonden in
de polymerenfamilies ‘TruemodeTM’,
‘OrmocerTM’ en ‘LightlinkTM’. Op die
manier ontstond een ‘fotonische huid’,
die nauwkeurig druk meet. Een mogelijke
toepassing is op de vloer, bijvoorbeeld
onder het vasttapijt: zo kan het product
instaan voor bewegingsdetectie, in de
kamers van bejaarden registreren of iemand
is gevallen,… wat ook kan met de nieuwe
optische vezel, al dan niet ingebed in de
polymeerfolie: nauwkeuriger testresultaten
verkrijgen bij botsingstesten (bijvoorbeeld
door dummies van de ‘fotonische huid’ te
voorzien), humanoïde robots een tastzin
meegeven,…
Flexibiliteit
Een derde luik van het onderzoek omhelsde
het uitdokteren van een manier om de
nodige elektronische componenten in te
bedden in het in luik 2 gecreëerde plastic,
op een wijze die een grote plooibaarheid
van de sensor tot gevolg had. De oplossing
impliceerde onder meer dat de drive- en
opto-elektronica met aangepaste technieken tot een gepaste dikte werd verdund.
Volgens Prof. Berghmans komt het erop
neer dat, in het kader van het Phosfosonderzoek, voor het eerst flexibele driveen opto-elektronica is gemaakt. Dit is met
name toepasbaar in de medische wereld.
In luik 3 werden ook tubes ontwikkeld met
daarin een (in dit geval plastic) optische
vezelsensor, waarmee slokdarmfuncties,
thoraxbewegingen,…. van de patiënt
kunnen worden gecontroleerd, op een wijze
die comfortabeler is dan met voorgaande
oplossingen mogelijk was. Een fijne vezel
met veel impact, dus. <<
Lees ook het artikel ‘VUB wil fotonica
toegankelijk maken voor KMO’s’. Tik
5735 in ‘Zoeken op artikelnummer’ op
de startpagina van Engineeringnet.be
ENGINEERINGNET MAGAZINE - december 2011 45