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 Кофеин известен прежде всего как стимулятор, повышающий бодрость и физическую работоспособность, однако его влияние на глубинные процессы восстановления мозга во время сна остается предметом дискуссий. Систематический обзор 32 исследований показал, что кофеин не столько сокращает продолжительность сна, сколько меняет его нейрофизиологическое качество, подавляя медленноволновую активность мозга, и сдвигает спящий мозг в более поверхностное, возбужденное состояние.
Физики и математики МФТИ совместно с коллегами из Института автоматизации проектирования РАН и Университета Иннополис провели трехмерное численное моделирование защитных сейсмических барьеров — специальных сооружений, призванных обеспечить безопасность наземных строений.
Анатомия брахицефальных пород собак нарушила привычные механизмы визуального восприятия у людей. Исследование показало, что для понимания настроения питомцев с плоскими мордами человек тратил на 45% больше времени и совершал больше зрительных микродвижений. Искаженные пропорции заставляли мозг переходить в энергозатратный режим детального сканирования, повышая риск неправильной интерпретации состояния животного.
Провинция Цзянсу была процветающим центром медицинской практики в Китае во времена династии Мин (1368-1644 годы нашей эры). Микроскопический анализ крошечных частиц на поверхности хирургических ножниц и пинцета из гробницы китайского врача помог выявить следы вещества, получаемого из ядовитого растения, которое, по мнению исследователей, применялось как местная анестезия во время операций.
Сотрудники Центра языка и мозга НИУ ВШЭ приняли участие в редкой для детской нейрохирургии операции с пробуждением у 11-летнего пациента с фармакорезистентной эпилепсией. Совместно с врачами НПЦ специализированной медицинской помощи детям имени В.Ф. Войно-Ясенецкого в Солнцево они сопровождали удаление участка левой височной доли, где был выявлен эпилептический очаг.
Ученые РГУ нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина предложили подход к отбору малодебетных нефтегазовых месторождений, которые составляют около 88% нераспределенного фонда нефтяных участков. Модель расчета поможет вовлечь в экономический оборот от 400 до 600 миллионов тонн ранее нерентабельных запасов.
В высокогорных районах Гималаев появился новый хищник. Он не боится людей, возглавляет стаи собак и все чаще заходит в деревни. Местные жители называют его «кхипшанг». Речь идет о гибриде гималайского волка и бродячей собаки. Ученые опасаются, что этот зверь изменит хрупкий баланс местной дикой природы и в скором времени станет весьма опасным для человека.
В доколумбовых Андах принадлежность к правящему роду определяла доступ к земле, торговле и статусу, поэтому удержать все внутри семьи было вопросом выживания. Ученые выяснили, что элиты долины Чинча решали эту задачу самым прямым способом — заключая браки между родственниками на протяжении как минимум двух поколений.
При совпадении нескольких условий наши глаза способны улавливать излучение в ближнем инфракрасном спектре. Тогда сетчатка начинает работать как нелинейный фотодетектор.
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