Уведомления
Авторизуйтесь или зарегистрируйтесь, чтобы оценивать материалы, создавать записи и писать комментарии.
Авторизуясь, вы соглашаетесь с правилами пользования сайтом и даете согласие на обработку персональных данных.
Пермские ученые подобрали лучший тип оптического волокна для сверхчувствительных датчиков
Распределенные акустические датчики (DAS) на основе оптического волокна применяются для мониторинга конструкций, трубопроводов и охраны периметра. Они фиксируют звуки, вибрации и деформации, обнаруживая утечки нефти, движение транспорта и даже землетрясения. Однако их высокая стоимость и ограниченная чувствительность остаются проблемой. Ученые Пермского Политеха и ПФИЦ УрО РАН исследовали новые типы оптоволокна с разными покрытиями, определив их реакцию на звуковые волны. Это поможет точнее подбирать волокно под конкретные задачи и расширить применение технологии — от промышленности до экологического мониторинга.
Для мониторинга состояния конструкций, промышленных деталей, трубопроводов и охраны периметра актуальны распределенные акустические датчики — DAS-системы. Используемое в них оптическое волокно способно улавливать звуки, вибрации и деформации вдоль всей своей длины и тем самым позволяет отслеживать малейшие изменения, нарушения или неполадки в объекте наблюдения. Например, так можно уловить шаги человека, движение транспорта, утечку нефти в трубах и даже землетрясения. Главная проблема таких систем – высокая стоимость и ограниченная чувствительность к звуковым частотам.
Сейчас появляется все больше специальных волокон с улучшенными или оптимизированными характеристиками. Ученые Пермского Политеха и ПФИЦ УрО РАН изучили несколько новых типов оптоволокна с разными покрытиями и выяснили, как они реагируют на звуковые волны в системах DAS. Результаты позволят точнее подобрать волоконный чувствительный элемент под конкретные задачи и расширить сферу использования технологии в разных областях – от промышленности до экологического мониторинга. Статья с результатами опубликована в журнале Applied Sciences.
Системы DAS способны улавливать звуки различных частот на протяженных расстояниях – до нескольких десятков километров. Они стали хорошо известным и эффективным инструментом в нефтегазовой отрасли для контроля трубопроводов и разведки месторождений, а также в сфере мониторинга состояния конструкций, охраны границ и важных объектов. Одна такая система заменяет целый массив микрофонов «традиционной» конструкции.
Эффективность технологии в конкретном применении во многом зависит от чувствительности оптоволокна к интересующим звуковым частотам. Когда звук или вибрация воздействуют на него, то вызывают изменения в проходящем по нему световом сигнале. Он регистрируется приемником излучения, оцифровывается и преобразуется в данные о местоположении и характере события при помощи компьютера. Каждый тип звукового события имеет индивидуальный шаблон – тон и громкость. Таким образом, человек или программа может отличить, например, утечку нефти от гудения насоса, землетрясение от движения техники.
В основном в качестве чувствительного элемента для DAS используется стандартное одномодовое телекоммуникационное волокно – то самое, что используется для передачи интернет-трафика. Однако оно оптимально не для всех задач в сфере мониторинга, потому что предназначено для передачи информации с минимальными искажениями, а не для восприятия внешних воздействий.
В поисках идеального волокна научное сообщество создает новые специализированные волокна с улучшенными характеристиками. Они могут отличаться способом изготовления, материалами сердцевины, оболочки и покрытия. Их более подробное изучение позволит выделить наиболее чувствительные к звукам определенных частот, что даст возможность улучшить акустический мониторинг в определенных условиях (например, в разведке ископаемых или сельском хозяйстве), а также найти новые потенциальные сферы применения для некоторых типов оптоволокна.
Ученые ПНИПУ и ПФИЦ УрО РАН сравнили семь типов волокон с разными методами производства и покрытиями (акриловым, полиимидным, медным, фторопластовым) и определили их восприимчивость к звуковым волнам. Испытания проводили в диапазоне частот от 100 до 7000 Гц – от низкого гула до высоких звуков, которые могут указывать на повреждения конструкций или движение объектов.
В ходе эксперимента исследователи использовали динамик, к которому крепили разные оптические волокна с одинаковым усилием. С помощью лазера в них отправлялись короткие импульсы света. Когда звуковая волна доходила до волокна, оно слегка деформировалось, и это меняло рассеиваемый свет. Эти изменения регистрировались вспомогательным оборудованием на том же конце волокна, в который и запускался свет изначально. Для каждого типа волокна измерения производились 100 раз, чтобы усреднить результаты и уменьшить погрешность.
– Наши расчетные и экспериментальные результаты совпали за некоторыми исключениями: Анизотропное волокно с акрилатным покрытием показало стабильную, но более низкую чувствительность, чем ожидалось. Тогда как волокно с медным покрытием лучше воспринимает звуки в диапазоне от 4500 до 7000 Гц. На это могло повлиять то, что металлическое покрытие создает внутренние напряжения, которые оказывают влияние на акустическую чувствительность. Такая особенность может быть полезна в тех приложениях DAS, которые требуют точного восстановления «звукового шаблона» сигнала. Например, чтобы идентифицировать несколько разных источников звука – шум ветра, транспортных средств, животных, птиц или злоумышленников, – объясняет Артем Туров, ассистент кафедры общей физики ПНИПУ, младший научный сотрудник лаборатории агробиофотоники НИИСХ ПФИЦ УрО РАН.
Ученые отмечают, что наиболее заметный результат получен для волокна с полиимидным покрытием, содержащим небольшие дефекты на поверхности. Предполагается, что такая неоднородность резонирует со многими акустическими частотами, тем самым повышая чувствительность волокна к звуковым волнам.
– На основе результатов мы разработали рекомендации по оптимизации DAS для новых областей применения. Так, в общем случае акустического мониторинга наиболее предпочтительным является волокно с полиимидным покрытием. Для применений, требующих точного восстановления «звукового шаблона» (например, для ранней регистрации сельскохозяйственных вредителей, мониторинга трубопроводов и железных дорог, «умного» дома и производства, а также охраны периметров) рекомендуется использовать анизотропное волокно с акрилатным покрытием внешним диаметром 166 мкм, а волокно с фторопластовым покрытием – для регистрации частот менее 2500 Гц (разведка ископаемых, сельское хозяйство, распознавание голоса), – рассказывает Артем Туров.
Исследование расширяет представления об акустических свойствах различных оптических волокон и позволяет подобрать оптимальный тип для конкретной задачи – от охраны границ до контроля состояния мостов, трубопроводов и сельского хозяйства. Это способствует адаптации технологии DAS для удовлетворения новых потребностей в промышленном мониторинге и повышает ее доступность и распространение в России.
Telegram 
Дзен 
VK К 2025 году около 30 стран приняли программы по развитию водородной энергетики, а совокупный объем инвестиций в эту область превысил 150 миллиардов долларов. Эксперты полагают, что замена дизельных авто на водородные снизит выбросы на 80-90%, а водородные самолеты способны уменьшить углеродный след на 50-75%. Но при использовании водорода в двигателях внутреннего или внешнего сгорания, происходит взаимодействие с металлом, что наиболее опасно при высоких температурах. Это может вызвать их разрушение, в результате чего возникает риск пожара или взрыва с тяжелыми последствиями для пассажиров. Ученые Пермского Политеха впервые выяснили, как водород влияет на металлы в условиях экстремальных температур (800 градусов и выше), в которых работают двигатели самолетов и машин. Это продвинет авиационную, машиностроительную и нефтегазовую отрасли в безопасном использовании водорода в качестве источника энергии.
Ученые обнаружили косвенные доказательства существования мира размером с Землю за орбитой Нептуна. Эта гипотетическая планета отличается от предполагаемой Девятой планеты не только размером, но и гравитационным влиянием на другие объекты.
Группа исследователей из МФТИ, Санкт-Петербургского и Владимирского государственного университетов разработала и теоретически обосновала новую платформу для контроля над гибридными частицами света и материи — экситон-поляритонами. Объединив свойства жидких кристаллов, полупроводниковых перовскитов и мощного вычислительного метода топологической оптимизации, ученые показали, как можно создавать сложные световые поля с заранее заданной структурой, включая полноценные полутоновые изображения и области с различной поляризацией света.
К 2025 году около 30 стран приняли программы по развитию водородной энергетики, а совокупный объем инвестиций в эту область превысил 150 миллиардов долларов. Эксперты полагают, что замена дизельных авто на водородные снизит выбросы на 80-90%, а водородные самолеты способны уменьшить углеродный след на 50-75%. Но при использовании водорода в двигателях внутреннего или внешнего сгорания, происходит взаимодействие с металлом, что наиболее опасно при высоких температурах. Это может вызвать их разрушение, в результате чего возникает риск пожара или взрыва с тяжелыми последствиями для пассажиров. Ученые Пермского Политеха впервые выяснили, как водород влияет на металлы в условиях экстремальных температур (800 градусов и выше), в которых работают двигатели самолетов и машин. Это продвинет авиационную, машиностроительную и нефтегазовую отрасли в безопасном использовании водорода в качестве источника энергии.
Ученые обнаружили косвенные доказательства существования мира размером с Землю за орбитой Нептуна. Эта гипотетическая планета отличается от предполагаемой Девятой планеты не только размером, но и гравитационным влиянием на другие объекты.
В системе Альфа Центавра, расположенной всего в 4,5 световых годах от Земли, обнаружена новая экзопланета. Хотя ее поверхность кажется необитаемой, астрономы не исключают, что на ее возможных спутниках могут идти биологические процессы. Ученый Пермского Политеха рассказал, почему это открытие может перевернуть наше представление о механизмах формирования планет.
Прибывшая из межзвездного пространства предполагаемая комета 3I/ATLAS движется по траектории, максимально удобной для гравитационных маневров управляемого корабля, при этом возможность ее отслеживания с Земли практически минимальна. По мнению некоторых ученых, такое «поведение» объекта наводит на определенные мысли.
Примерно 12 800 лет назад в Северном полушарии началось резкое изменение климата, которое сопровождалось вымиранием мегафауны и угасанием культуры Кловис. Такое могло произойти, например, из-за прорыва пресных вод в Атлантику или мощного вулканического извержения. Несколько лет назад ученые обнаружили места на суше с повышенным содержанием элементов платиновой группы, прослоями угля, микрочастицами расплава. По их мнению, это может быть признаком пребывания Земли в потоке обломков кометы или астероида. В новой работе впервые представлены доказательства кометного события в позднем дриасе из морских осадочных толщ.
Возраст находок — около 5500 лет, они лежат во множестве круглых ям, чьи стены укреплены кирпичом. Среди обнаруженных орудий из кремня есть и сотни неиспользованных, которые могут быть ритуальным подношением богам.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно