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 Хотя сам факт наличия непонятных объектов на снимках, которые американские астронавты сделали на Луне, известен давно, десятилетиями их списывали на химические дефекты светочувствительной эмульсии фотопленки или блики света в линзах камер. Новая публикация на сайте Пентагона признает их реально существующими объектами, хотя и не делает выводов о их природе.
Крупные травоядные утконосые майазавры известны своим развитым социальным поведением. Они жили семьями и строили гнезда для своих детенышей. Даже название вида переводится с греческого языка как «ящер — хорошая мать». Исследование окаменелых зубов майазавров показало, что они выращивали детенышей совсем не так, как это считалось типичным для животных глубокой древности.
Десятого мая 1940 года вермахт пришел в движение. Через 42 суток англо-французские армии были разгромлены, а Франция капитулировала. Как это произошло, ведь союзники имели больше солдат, танков и пушек, чем немцы? В СССР причиной посчитали нежелание французов воевать, немцы же, говорили советские военные, не внесли в стратегию ничего нового. Реальность была строго обратной: разгром Франции был новым словом в войне, и такой же сценарий Гитлер применил против СССР через год. Что именно произошло и отчего советское руководство не смогло осознать случившееся?
Нейробиологи СПбГУ продемонстрировали, что активация рецептора следовых аминов TAAR1 эффективно подавляет агрессивное поведение, вызванное полным отсутствием серотонина в мозге. В дальнейшем этот результат поможет в разработке лекарственных препаратов, направленных на коррекцию патологических форм агрессии, возникающих при посттравматическом стрессовом расстройстве (ПТСР) и шизофрении.
Крупные травоядные утконосые майазавры известны своим развитым социальным поведением. Они жили семьями и строили гнезда для своих детенышей. Даже название вида переводится с греческого языка как «ящер — хорошая мать». Исследование окаменелых зубов майазавров показало, что они выращивали детенышей совсем не так, как это считалось типичным для животных глубокой древности.
Астрономы впервые использовали гравитационные волны, чтобы косвенно оценить параметры одного из ключевых процессов термоядерного горения в массивных светилах. Именно от него зависит, какие звезды взрываются, какие превращаются в черные дыры и как во Вселенной появляются углерод и кислород — элементы, без которых не было бы ни планет, ни жизни.
В последнее время пуски с российских северных космодромов осуществляют без предварительного уведомления, чего не было в прошлом. Вероятно, дело в недавно упомянутых главой «Роскосмоса» атаках на Плесецк во время пуска. Сегодняшний запуск обеспечил вывод на орбиту космических аппаратов военного назначения.
Химические связи в материале, из которого сделана электроника, разрываются не из-за накопительного износа от протекания тока через них, а из-за электронов с конкретной энергией.
Термоядерные электростанции не смогут конкурировать по цене с возобновляемыми источниками энергии из-за медленного удешевления технологии. По расчетам, расходы на каждую новую установку падали максимум на 8% — много раз ниже ранних ожиданий венчурных инвесторов. Это перечеркивает экономический смысл финансовых вливаний, и мир может никогда не увидеть дешевой термоядерной энергии.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
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