Low weight additive manufacturing FBG accelerometer: design, characterization and testing

Structural Health Monitoring is considered the process of damage detection and structural characterization by any type of on-board sensors. Fibre Bragg Gratings (FBG) are increasing their popularity due to their many advantages like easy multiplexing, negligible weight and size, high sensitivity, inert to electromagnetic fields, etc. FBGs allow obtaining directly strain and temperature, and other magnitudes can also be measured by the adaptation of the Bragg condition. In particular, the acceleration is of special importance for dynamic analysis. In this work, a low weight accelerometer has been developed using a FBG. It consists in a hexagonal lattice hollow cylinder designed with a resonance frequency above 500 Hz. A Finite Element Model (FEM) was used to analyse dynamic behaviour of the sensor. Then, it was modelled in a CAD software and exported to additive manufacturing machines. Finally, a characterization test campaign was carried out obtaining a sensitivity of 19.65 pm/g. As a case study, this paper presents the experimental modal analysis of the wing of an Unmanned Aerial Vehicle. The measurements from piezoelectric, MEMS accelerometers, embedded FBGs sensors and the developed FBG accelerometer are compared.Ministerio de Economía y Competitividad BIA2013-43085-P y BIA2016-75042-C2-1-

Monitorización estructural SHM mediante redes de Bragg.

En esta Tesis doctoral se demuestra el alto potencial y elevado nivel de disponibilidad tecnológico de las redes de Bragg como sensor principal en sistemas de monitorización de estructuras aeronáuticas. Se trata de sensores precisos, fiables, “embebibles”, inertes a la radiación electromagnética, fácilmente multiplexables, etc. La monitorización mediante redes de Bragg permite controlar el estado estructural, incrementando la seguridad y reduciendo los costes de mantenimiento. Permite cambiar el paradigma de revisiones de basadas en tiempo a basadas en condiciones. Además, el estudio de los datos procedentes de los sensores posibilita mejorar los criterios de diseño y retroalimentar los modelos informáticos dando lugar a generaciones de estructuras más ligeras y eficientes. Este trabajo tiene como principal objetivo la evaluación de redes de Bragg en fibra óptica como sensor para monitorización estructural en el ámbito aeronáutico. Este objetivo general se articula a su vez en otros más específicos. En primer lugar, se estudia su respuesta ante distintos tipos de esfuerzo y métodos de integración en el material en comparación con otros sensores como galgas extensiométricas y extensómetros y sistemas de videocorrelación. Estos ensayos permiten calibrar los sensores de forma adecuada y con ello poder predecir su futuro comportamiento y precisión. Al tener unas dimensiones y peso prácticamente despreciables, la fibra óptica se puede introducir entre las capas de material compuesto sin provocar distorsión. Se verifica el funcionamiento de los ensores embebidos y se determina la posición más adecuada en un laminado. En el sector aeroespacial, el material compuesto se somete a un ciclo de autoclave durante su fabricación. La presión y el calor durante el proceso provocan un efecto adverso en las redes de Bragg, llamado birrefringencia, que dificulta o imposibilita la extracción de datos de los sensores. En este trabajo se desarrolla un algoritmo que permite analizar el fenómeno para obtener la máxima información posible. Este procesamiento puede funcionar en tiempo real y no requiere una base computacional intensiva. Se estudia también el comportamiento de la fibra cuando se la somete a incrementos térmicos y el proceso de conversión de la señal extraída del sensor a temperatura. Se implementan y comparan varios métodos teóricos y experimentales. Cualquier magnitud física-química que se pueda transformar mediante algún mecanismo en deformación o temperatura es medible mediante redes de Bragg. Cuando una estructura se encuentra sujeta a esfuerzos dinámicos, es especialmente útil tener acceso a medidas de aceleración. Por ello, se diseña un acelerómetro basado en una red de Bragg y fabricado haciendo uso de tecnologías de fabricación aditiva. Se trata de un sensor muy ligero, con buena sensibilidad y alta frecuencia de resonancia. Este desarrollo abre las puertas a la implementación de redes de sensores de fibra que puedan cubrir todas las magnitudes estructurales necesarias en una aeronave sin necesidad de añadir sensores de tipo electrónico o con otro principio de funcionamiento. Una vez se han explorado las capacidades de la fibra a nivel probeta en laboratorio, se diseñan y fabrican demostradores tecnológicos que permiten poner en valor sus capacidades mediante aplicaciones prácticas e industriales. En el primero de ellos, se instala una red de sensores embebidos en el ala de una aeronave no tripulada. Su posicionamiento se realiza en base a un modelo de elementos finitos. A continuación, se ensaya y se diseñan algoritmos que permiten analizar en tiempo real, alarmas de carga, conteo de ciclos de fatiga, despliegue de mecanismos en función de las deformaciones, etc. Esta serie de características podrían estar en el futuro implementadas en estructuras inteligentes. Para que las redes de Bragg avancen en su nivel de disponibilidad tecnológica es necesario probar que pueden instalarse y sobrevivir en un ambiente relevante o industrial. En este trabajo se implementa una red con 4 líneas y 14 sensores sobre una cabina de fibra de carbono-epoxy (CFRP) fabricada por AIRBUS D&S. Esta se usa para monitorizar con éxito sus deformaciones en distintos ensayos de presurización. Las redes de Bragg en fibra óptica demuestran ser un sensor excelente con una respuesta igual de precisa y estable que galgas extensiométricas y termopares en todos los ensayos realizados, añadiendo importantes ventajas como su capacidad de multiplexación y su peso y dimensiones despreciables, etc. Además permiten la implementación de otro tipo de sensores como acelerómetros. Se posicionan de esta manera como una tecnología muy a tener en cuenta en el desarrollo de sistemas de monitorización estructural.This thesis demonstrates the high technology readiness level (TRL) and potential of fiber Bragg gratings (FBGs) as main sensor in structural monitoring systems installed in composite materials. They are accurate, reliable, embeddable, inert to electro-magnetic radiation, easily multiplexable, etc. Structural monitoring by means of FBGs allows controlling the state of a structure, increasing safety and reducing maintenance costs. The use of monitoring systems makes possible the change from time-based to condition-based maintenance without penalizing safety, allowing also in-service life extension. Furthermore, the data harvested from sensors can be used for improving design criteria and retrofeed numerical and computational models allowing new generations of structures lighter and more efficient. The main objective of this work is the evaluation of fiber Bragg as a sensor for structural monitoring in aeronautical field. This goal divides in some more specific. First, its response to different types of efforts and integration methods is studied in comparison with other sensors like strain gauges and extensometers and digital image correlation (DIC) systems. These tests allow calibrating the sensors and predicting their future behavior and precision. By having practically negligible dimensions and weight, the optical fiber can be introduced between the layers of composite material without causing distortion. The operation of the embedded sensors is verified and the most suitable position is determined in a composite laminate. In the aerospace sector, the composite material undergoes an autoclave cycle during its manufacture. The pressure and heat during the process cause an adverse effect on the Bragg gratings, called birefringence. This makes it difficult or impossible to extract data from the sensors. In this work an algorithm is developed that allows analyzing the phenomenon to obtain the maximum possible information. This processing can work in real time and does not require an intensive computational base. The behavior of the fiber is also studied when it is subjected to thermal increases and the conversion process from the signal extracted from the sensor to temperature. Several theoretical and experimental methods are implemented and compared. Any physical-chemical magnitude that can be transformed by some echanism in strain or temperature is measurable through Bragg gratings. When a structure is subject to dynamic efforts, it is especially useful to have access to acceleration measures. Therefore, an accelerometer is designed based on a Bragg grating and manufactured using additive manufacturing (AM) technologies. It is a very light sensor, with good sensitivity and high resonance frequency. This development is a gateway to the implementation of fiber sensor networks that can cover all the necessary structural magnitudes in an aircraft without the need to add electronic or other operating principle sensors. Once the capacities of the fiber optic sensors have been proved in laboratory, technological demonstrators are designed and manufactured. These applications make patent the industrial and practical uses of the technology. In the first of the demonstrators, a sensor network is embedded into a wing of an Unmanned Aerial System (UAS). Their installation locations are obtained by means of a finite element method (FEM). Next, the system is tested and algorithms are designed to obtain real time load alarms, cycles counting, automatic mechanism deployment based on strain level, etc. This series of features could be implemented in smart structures in the future. For increasing the TRL of FBGs, it is necessary to prove that they can be installed and survive in a relevant or industrial environment. In this work a sensor network with 4 lines and 14 FBGs is installed in a carbon fiber reinforced plastic (CFRP) cabin manufactured by AIRBUS D&S. This is used to successfully monitor its strain in different pressurization tests. FBGs prove to be an excellent sensor as accurate and stable as strain gauges and thermocouples in all developed tests, adding important advantages such as multiplexing capacity and negligible weight and dimensiones, etc. They also allow the implementation of other types of sensors like accelerometers. They are positioned in this way as a technology to be taken into account in the development of structural monitoring systems

Fiber Bragg grating application to study an unmanned aerial system composite wing

Structural health monitoring consists of structural integrity assessment by means of data acquisition and analysis from on-board sensors. Fiber Bragg grating–based monitoring is increasingly attracting the scientific community working on structural health monitoring due to its multiple advantages such as electromagnetic immunity, negligible weight and size, and multiplexing availability. However, the integration of fiber optics within a structure still requires new procedures and signal treatment techniques for increasing technology reliability and exploiting its full potential. In this article, five embedded Fiber Bragg grating sensors are installed in an unmanned aerial system wing for correlating operational conditions with structural strain in real time. Sensor locations are determined by a finite element model accounting for manufacturing limitations of the fiber line. The developed Fiber Bragg grating system and processing techniques are used in static and dynamic tests showing the capacities of this powerful technology. The assessment includes deflection shape estimation, strain cycles counting, audible and visual strain alarms, aileron control based on strain levels, and structural resonance response detection.Ministerio de Economía y Competitividad BIA2016-75042-C2-1-RMinisterio de Economía y Competitividad BIA2013-43085 -

An optimised control system to steer the transition from anaerobic mono- to co-digestion in full-scale plants

Despite the rapid increase of anaerobic co-digestion works over the last years, the very small number of pilot- and full-scale studies available in the literature is a major barrier to its full-scale implementation. In this paper, a control strategy methodology was applied in a full-scale sludge digester to safely steer the transition from anaerobic mono- to co-digestion and to maximize methane production.Traditional wastewater treatment plants (WWTPs) are electrical consumers, with a usual high demand in the range of 0.3 to 0.6 kWh/m3 of wastewater treated. Their digesters are commonly oversized, and consequently operated at low organic loading rates (OLRs). This opens a great opportunity for anaerobic co-digestion (AcoD) as an interesting technology to increase methane productivity and the electrical self-production in WWTPs. However, there is a quite limited implementation of AcoD at full-scale plants, since the transition from mono- to co-digestion and the further AcoD optimisation is a crucial and delicate step that could lead to the inhibition of the process if not thoroughly controlled. In this study, a methodology based on an optimum control strategy is explained in detail and it was applied to safely and optimally steer the transition from mono- to co-digestion and to maximize methane production during AcoD. A lab-scale anaerobic digester of 14 L mimicking the full-scale one (3,500 m3) was operated 30 days in advance to anticipate and if needed correct any operational destabilization that might occurr. As a result, the treatment of sewage sludge with two co-substrates (coming from a pig slaughterhouse and from a frying industry), which accounted for just 11% of the feeding flowrate, at a hydraulic retention time of 20 days allowed to raise the OLR and the methane production by 2-fold and 3-fold, respectively, increasing the self-produced electricity from 25% to 75% of the total demand of the WWTP. The diagnosis indicators proved to be accurate to take decisions concerning wastes blending and the strategy of increasing OLR. Besides, the proposed control system provides the steps to ensure a safe transition from anaerobic mono- to co-digestion and further optimisation at full-scale plantsThis work was supported by SmartGreenGas project (Spanish Government, AEI, 2014-CE224). The authors from Universidade de Santiago de Compostela belong to the Galician Competitive Research Group ED431C 2017/029 and to the CRETUS Strategic Partnership (AGRUP2017/01). All these programs are co-funded by FEDER (EU)S

Efectos sobre propiedades físicas de la remediación química de la acidez en suelos del ámbito templado argentino : Su incidencia en la producción vegetal

La región pampeana argentina padece acidificación en algunos suelos por su historia productiva y tecnología aplicada en las últimas décadas, derivando en consecuencias sobre algunos cultivos de cosecha. Dentro de los objetivos se propuso evaluar en el tiempo en dos suelos acidificados antrópicamente, la incidencia de diferentes prácticas de encalado sobre propiedades hídricas y estructurales, y su relación con otras de naturaleza química y físico-química, y la relación entre la alteración de las propiedades analizadas y el rendimiento de especies leguminosas.Facultad de Ciencias Agrarias y Forestale

Effect of liming on soil chemical and physical properties and on soybean yield (Glycine max)

La región pampeana argentina padece acidificación acelerada de sus suelos por su historia productiva y tecnología aplicada en las últimas décadas, derivando en consecuencias sobre los cultivos de cosecha. Experiencias de encalado en Buenos Aires y Santa Fe mostraron efectos variados sobre el aumento de pH y saturación de bases, mejorando propiedades físicas y rendimiento. El objetivo del presente trabajo fue evaluar la incidencia de diferentes dosis de enmiendas básicas sobre el pH, carbono orgánico, dinámica del agua, densidad aparente, resistencia a la penetración, rendimiento de soja y sus componentes. Los ensayos se realizaron en dos suelos de la Pampa Ondulada, un Argiudol con pH 5,66 y un Paleudol con pH 5,44, en bloques completamente al azar con 3 repeticiones. Los tratamientos fueron 0 (TCY), 1000(D1CY) y 4000(D4CY) kg ha-1 de dolomita todos con 200 kg ha-1 de yeso. Se sembró soja 3 meses y 1 mes posteriores al encalado en el Argiudol y Paleudol respectivamente. Las variables evaluadas fueron pH, carbono orgánico (COT), infiltración básica (Ib), densidad aparente (Dap), resistencia a la penetración (RP), rendimiento (R) y sus componentes: plantas/ hectárea (PL ha-1), vainas/planta (V PL-1), granos/vaina (G V-1), granos/planta (G PL-1) y peso de 1000 granos (P 1000G). En el Argiudol y Paleudol, el tratamiento D4CY produjo aumento del pH respecto a TCY. El COT no presentó diferencias entre los tratamientos. La Ib aumentó para los dos suelos con D4Y respecto a TCY. La Dap disminuyó con D4CY en el Argiudol. La adición de dolomita produjo disminución de PL ha-1 e incremento del resto de los componentes, lo que produjo incremento del rendimiento del 45% con D4CY en el Paleudol.The Argentine Pampean region suffers an accelerated acidification of its soils as consequence of its productive history and the technology applied in recent decades. Liming experiences in Buenos Aires and Santa Fe showed variable effects on the increase of pH and saturation of bases, improving physical properties and crops performance. The objective of the present study was to evaluate the incidence of different doses of basic liming on pH, organic carbon, water dynamics, bulk density, resistance to penetration, yield of soybean and its components. The tests were carried out in two soils of the Rolling Pampa, an Argiudoll with pH 5.66 and a Paleudoll with pH 5.44, in completely random blocks with 3 repetitions. The treatments were 0 (TCY), 1000 (D1CY) and 4000 (D4CY) kg ha-1 of dolomite all with 200 kg ha-1 of gypsum. Soybeans were planted 3 months and 1 month after liming in the Argiudol and in the Paleudol respectively. The evaluated variables were pH, total organic carbon (TOC), basic infiltration (Bi), bulk density (BD), resistance to penetration (PR), yield (R) and its components: plants/hectare (PL ha-1), pods/plant (V PL-1), grains/pod (G V-1), grains/ plant (G PL-1) and weight of 1000 grains (P 1000G). In the Argiudoll and Paleudoll, the D4CY treatment produced an increase in pH with respect to TCY. The TOC did not show differences between the treatments. The Bi increased for the two soils with D4CY with respect to TCY. The BD decreased with D4CY in the Argiudoll. The addition of dolomite produced a decrease in PL ha-1, an increase in the rest of the components and resulted in an increase in yield of 45% with D4CY in Paleudoll.Facultad de Ciencias Agrarias y Forestale

Performance and microbial features of the partial nitritation-anammox process treating fish canning wastewater with variable salt concentrations

The partial nitritation-anammox (PN-AMX) process applied to wastewaters with high NaCl concentration was studied until now using simulated media, without considering the effect of organic matter concentration and the shift in microbial populations. This research work presents results on the application of this process to the treatment of saline industrial wastewater. Obtained results indicated that the PN-AMX process has the capability to recover its initial activity after a sudden/acute salt inhibition event (up to 16 g NaCl/L). With a progressive salt concentration increase for 150 days, the PN-AMX process was able to remove the 80% of the nitrogen at 7–9 g NaCl/L. The microbiological data indicated that NaCl and ammonia concentrations and temperature are important factors shaping PN-AMX communities. Thus, the NOB abundance (Nitrospira) decreases with the increase of the salt concentration, while heterotrophic denitrifiers are able to outcompete anammox after a peak of organic matter in the feedingThis work was supported by the Spanish Government through GRANDSEA (CTM2014-55397-JIN) and FISHPOL (CTQ2014-55021-R) projects co-funded by FEDER, and the Chilean Government (CONICYT/FONDAP/15130015). The authors from the USC belong to CRETUS (AGRUP2015/02) and the Galician Competitive Research Group (GRC 2013-032), programs co-funded by FEDERS

Evaluación del rendimiento de soja y propiedades edáficas en dos suelos encalados de la región pampeana

La región pampeana argentina padece acidificación en algunos suelos por su historia productiva y tecnología aplicada en las últimas décadas, derivando en consecuencias sobre algunos cultivos de cosecha. Experiencias de encalado realizadas en Buenos Aires y Santa Fe mostraron efectos positivos y variados sobre el aumento de pH de suelo y la saturación de bases teniendo consecuencias sobre propiedades físicas y rendimiento. El objetivo del presente trabajo fue evaluar la incidencia de diferentes dosis de enmiendas básicas sobre pH, materia orgánica, dinámica del agua, densidad aparente y rendimiento de soja. Los ensayos se realizaron en 2 suelos en el ámbito pampeano argentino (Argiudol y Paleudol), con diseño en bloques completamente al azar con 3 repeticiones. Los tratamientos fueron 0 (TY), 1.000(D1Y), y 4.000(D4Y) kg ha⁻¹ de dolomita todos con 200 kg ha⁻¹ de yeso. Luego de 3 meses se sembró soja. El pH previo a la incorporación de las enmiendas fue de 5,66 en el Argiudol y 5,44 en el Paleudol. Las variables, evaluadas 18 meses luego del encalado, fueron, pH, materia orgánica (MO), infiltración básica (Ib), densidad aparente (Dap) y rendimiento (R). El pH en D4Y presentó un incremento de 5,66 a 6,41 en el Argiudol y de 5,44 a 6,54 en el Paleudol respecto al inicio. La MO y la Dap no presentaron diferencias significativas entre los tratamientos. La Ib presentó diferencias. En el Paleudol fue 0,24 cm h⁻¹ para TY y 0,7 cm h⁻¹ para D4Y, y en el Argiudol fue de 0,684 cm h⁻¹ en TY y 1,014 cm h⁻¹ en D4Y. El R en el Paleudol presentó diferencias entre TY (3,051 t ha⁻¹) y los tratamientos D1Y (4,144 t) y D4Y (4,421 t). El incremento entre TY y D4Y fue 45%. En el Argiudol hubo aumento de 280 kg ha⁻¹ en D4Y respecto a TY.Facultad de Ciencias Agrarias y Forestale

Economic evaluation of complete revascularization versus stress echocardiography-guided revascularization in the STEACS with multivessel disease

[Resumen] Introducción y objetivos. Los estudios económicos pueden ayudar a tomar decisiones en el tratamiento de la enfermedad multivaso en el infarto. Se planteó realizar una evaluación económica del ensayo clínico CROSS-AMI (Complete Revascularization or Stress Echocardiography in Patients With Multivessel Disease and ST-Segment Elevation Acute Myocardial Infarction). Métodos. Se realizó un análisis de comparación de costes económicos de las estrategias (revascularización angiográfica completa [RCom] y revascularización selectiva guiada por isquemia en ecocardiograma de estrés [RSel]) comparadas en el ensayo clínico CROSS-AMI (N = 306), derivados de la hospitalización inicial y del primer año de seguimiento, según las tarifas oficiales vigentes en nuestro sistema de salud. Resultados. El coste de la hospitalización inicial resultó superior en el grupo de RCom que en la rama de RSel (19.657,9 ± 6.236,8 frente a 14.038,7 ± 4.958,5 euros; p < 0,001). No hubo diferencias entre ambos grupos en el coste del primer año de seguimiento (RCom, 2.423,5 ± 4.568,0 euros; Rsel, 2.653,9 ± 5.709,1 euros; p = 0,697). El coste total fue 22.081,3 ± 7.505,6 euros en la rama de RCom y 16.692,6 ± 7.669,9 euros en la rama de RSel (p < 0,001). Conclusiones. En el ensayo clínico CROSS-AMI, el sobrecoste inicial de la RCom frente a la RSel no se vio compensado por un ahorro significativo en el seguimiento. La RSel parece ser una estrategia más eficiente que la RCom para los pacientes con síndrome coronario agudo con elevación del segmento ST y enfermedad multivaso tratados mediante angioplastia emergente.[Abstract] Introduction and objectives. Economic studies may help decision making in the management of multivessel disease in the setting of myocardial infarction. We sought to perform an economic evaluation of CROSS-AMI (Complete Revascularization or Stress Echocardiography in Patients With Multivessel Disease and ST-Segment Elevation Acute Myocardial Infarction) randomized clinical trial. Methods. We performed a cost minimization analysis for the strategies (complete angiographic revascularization [ComR] and selective stress echocardiography–guided revascularization [SelR]) compared in the CROSS-AMI clinical trial (N = 306), attributable the initial hospitalization and readmissions during the first year of follow-up, using current rates for health services provided by our health system. Results. The index hospitalization costs were higher in the ComR group than in SelR arm (19 657.9 ± 6236.8 € vs 14 038.7 ± 4958.5 €; P < .001). There were no differences in the costs of the first year of follow-up rehospitalizations between both groups for (ComR 2423.5 ± 4568.0 vs SelR 2653.9 ± 5709.1; P = .697). Total cost was 22 081.3 ± 7505.6 for the ComR arm and 16 692.6 ± 7669.9 for the SelR group (P < .001). Conclusions. In the CROSS-AMI trial, the initial extra economic costs of the ComR versus SelR were not offset by significant savings during follow-up. SelR seems to be more efficient than ComR in patients with ST-segment elevation acute coronary syndrome and multivessel disease treated by emergent angioplasty

Lo tangible e intangible del diseño

1 archivo PDF (366 páginas)"El Departamento de Evaluación del Diseño, en el Tiempo de la División de Ciencias y Artes para el Diseño de la Universidad Autónoma Metropolitana, Azcapotzalco, publica este libro colectivo, donde se aborda la discusión y el análisis sobre "Lo tangible e intangible del diseño". Este libro tiene como finalidad el profundizar en distintas posiciones teóricas, metodológicas y empíricas, donde un grupo interdisciplinario de profesores investigadores del Departamento de Evaluación, desde la arquitectura, los estudios urbanos, la educación, la historia, la semiótica, el diseño de la comunicación gráfica y el industrial; buscan convergencias y discuten divergencias que puedan generar servir como referentes intelectuales y teóricos, en el diseño. Este libro es resultado del Cuarto Coloquio Departamental: Lo tangible e Intangible del Diseño. Evaluación de Objetos, Espacios, Mensajes, realizado durante el mes de septiembre del año 2004, el cual se constituyó como un espacio para el intercambio de experiencias académicas y profesionales, desde una perspectiva interdisciplinaria, centrada en la reflexión y la discusión sobre la manera de cómo se puede analizar, definir y evaluar, lo tangible y lo intangible en el diseño"