Пермские ученые подобрали лучший тип оптического волокна для сверхчувствительных датчиков

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.

ПНИПУ

1061 статей

Пермский национальный исследовательский политехнический университет (национальный исследовательский, прошлые названия: Пермский политехнический институт, Пермский государственный технический университет) — технический ВУЗ Российской Федерации. Основан в 1960 году как Пермский политехнический институт (ППИ), в результате объединения Пермского горного института (организованного в 1953 году) с Вечерним машиностроительным институтом. В 1992 году ППИ в числе первых политехнических вузов России получил статус технического университета.

Показать больше