Ученые Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) разработали и испытали прототип волоконно-оптической сенсорной сети для одновременного отслеживания физического состояния объектов в нескольких точках вдоль одного волокна. Сенсорная сеть, состоящая из нескольких межмодовых волоконных интерферометров, открывает новые возможности для непрерывного мониторинга состояния мостов, трубопроводов и других критически важных конструкций, а также элементов авиационной техники.
Мониторинг состояния крупных инженерных конструкций в режиме реального времени является важной частью системы современной техносферной безопасности. Ученые совершенствуют имеющиеся и создают новые системы датчиков для мониторинга состояния таких объектов. Одним из перспективных направлений в этой сфере, благодаря простоте конструкции и относительно невысокой стоимости, считаются датчики на основе волоконно-оптических устройств — межмодовые волоконные интерферометры.
В самом общем виде межмодовый волоконный интерферометр состоит из лазера и фотоприемного устройства. Между ними расположена последовательность из трех соединенных оптических волокон: одномодового, многомодового и снова одномодового. Свет от лазера проходит через них и попадает на фотоприемное устройство, так формируется сигнал. Этот сигнал чувствителен к внешним воздействиям на волокно, например, к его физическому растяжению, изменению температуры или показателя преломления среды.
Это позволяет использовать устройство в качестве высокоточного и компактного датчика. Он способен зафиксировать изменение длины всего в 1 микрометр (миллионная часть метра) и при этом обладает целым рядом привлекательных качеств, таких как компактность, электронейтральность, радиационная стойкость, высокая устойчивость к агрессивным средам.
Ученые Петербургского Политеха предложили подход, позволяющий объединить несколько многомодовых волокон (которые, фактически, являются чувствительными элементами в данной схеме) в единую сенсорную сеть и регистрировать сигналы каждого волокна отчельно. Исследователи теоретически обосновали и экспериментально подтвердили возможность одновременного измерения внешнего воздействия сразу в нескольких точках вдоль длины волоконного тракта. Эксперименты на прототипе с шестью чувствительными элементами подтвердили линейный отклик системы и низкий уровень перекрестных помех (не более 5 %), что позволяет точно определять, в какой именно точке произошло воздействие.
«Технологию можно применять везде, где есть потребность измерять некое воздействие в нескольких точках. Например, для контроля утечек и деформаций на протяжении десятков километров нефте- и газопроводов. В сфере строительства датчик позволит в режиме реального времени отслеживать возникновение опасных напряжений в конструкциях, что особенно актуально для мостов и плотин. Датчик также может применяться для предупреждения оползней и сейсмической активности. В сфере авиации позволит мониторить состояние фюзеляжа летательного аппарата», — отметил один из разработчиков, доцент Высшей школы прикладной физики и космических технологий Института электроники и телекоммуникаций СПбПУ, кандидат физико-математических наук Александр Петров.
Ученые отмечают, что их разработка выгодно отличается по ряду параметров от существующих аналогов.
«Такая система в целом проще и дешевле, чем аналогичные измерительные системы на основании принципов рефлектометрии. Другой близкий подход к измерению — применение датчиков на основе решеток Брэгга — лучше справляется с точечным мониторингом конкретной точки, но хуже подходит для мониторинга протяженных объектов, например, грунта на склоне, больших секций трубопровода или панелей самолета», — пояснил еще один автор исследования профессор Высшей школы прикладной физики и космических технологий Института электроники и телекоммуникаций СПбПУ, доктор физико-математических наук Олег Котов.
В дальнейших планах научного коллектива — увеличение масштаба сети до нескольких десятков чувствительных секций, повышение чувствительности системы для регистрации более слабых воздействий, адаптация для одновременного измерения нескольких параметров (например, температуры и деформации) и проведение натурных испытаний.
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда.
