Оптоволокно — это очень тонкая нить, способная улавливать малейшие деформации и передавать данные на большие расстояния в виде световых сигналов. Такая чувствительность очень полезна для определения дефектов при мониторинге зданий, мостов, трубопроводов, а также при самодиагностике деталей самолетов и спутников. Датчики на основе оптоволокна дают возможность вовремя определить различные микроповреждения внутри детали и тем самым предотвратить разрушение. Ученый Пермского Политеха разработал уникальный датчик в виде многожильного оптоволоконного кабеля из нескольких световодов со специальными чувствительными элементами. Изобретение способно в удаленном формате и с микронной точностью выявлять даже самые сложные деформации внутри высоконагруженных областей композитных конструкций, что позволит повысить безопасность и долговечность критически важных промышленных объектов.
На регистрацию изобретения в Роспатенте подана заявка (№ 2025101565) и получено положительное решение на выдачу патента. Статья опубликована в журнале «Вестник ПНИПУ. Механика», № 2, 2025 год.
Оптоволоконные технологии сейчас применяются практически повсюду благодаря своей способности быстро и без помех передавать данные. Интернет-связь, телекоммуникации, медицинское оборудование, энергетика — почти все эти системы сегодня работают на основе оптоволокна.
Особенно перспективно применение оптоволокон в качестве встраиваемых датчиков для мониторинга состояний внутренних областей различных ответственных конструкций, например, авиационных, где превышение деформаций своих критических величин может привести к серьезным последствиям. С помощью таких датчиков, встраиваемых в конструкцию, можно на этапе производства выявить, например, технологические дефекты изготовления деталей: поры, непроклеи, смятия волокон или слоев ткани, разрывы, отслоения и растрескивания в композиционном материале или определить опасные зоны с критическими нагрузками при эксплуатации, появление микроповреждений начальной стадии разрушения, например, моста или жилого дома.
Все это возможно потому что свет, проходящий по оптоволокну датчика, взаимодействует и отражается от его чувствительного участка с учетом деформации. Система фиксирует все информативные сигналы отражения световых импульсов, которые измеряются на входе/выходе оптоволокна, и выдает данные о состоянии изделия. Современные технологии позволяют усовершенствовать такую технологию, повышая точность, чувствительность и ширину рабочего диапазона измерений.
Ученый Пермского Политеха разработал новый датчик, который позволяет диагностировать сложные деформаций внутри полимерных композитных конструкций.
Композитом называют материал, состоящий из двух или более компонентов — полимерной основы и различных укрепляющих волокон, например, стеклянных или углеродных. Из-за своей легкости и прочности полимерные композиты широко применяется авиа и судостроении.
Разработка ученого представляет собой кабель сразу из шести оптических волокон в полимерной оболочке. Особенность датчика в том, что чувствительные элементы волокон имеют различные наклоны своих отражающих поверхностей внутри световодов. Они информативно отражают падающие на них световые сигналы при деформации и позволяют полностью оценить сложное напряженное состояние материала в окрестности встроенного в него датчика.
Для сравнения, известные современные встраиваемые оптоволоконные датчики, состоящие из одиночного оптического волокна, позволяют найти лишь простые деформации, что не дает адекватно оценить прочность конструкции.
— Функционирование оптоволоконного датчика иллюстрируется разработанной математической моделью, которая описывает каждую реакцию чувствительных элементов внутри оптических волокон датчика на различные виды диагностируемых деформаций композитной окрестности датчика. На основе измерений спектров отражения всех шести оптических волокон она фиксирует, где и какого вида деформации происходят и дает оценку прочности, — объясняет Андрей Паньков, профессор кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций» ПНИПУ, доктор физико-математических наук.
Для проверки разработки эксперт провел численное моделирование на компьютере, чтобы определить характеристики — «передаточные коэффициенты» датчика, которые устанавливают функциональную зависимость между измеряемыми световыми сигналами и диагностируемыми комбинированными деформациями, включающими в себя растяжения, сжатия и сдвиги. Результаты подтвердили высокую надежность и чувствительность системы. Она способна выявлять даже незначительные деформации и микроповреждения.
Уникальный датчик ученого Пермского Политеха перспективен для применения в отраслях, где контроль за состоянием материалов особенно важен, например, для мониторинга лопаток турбин, фузеляжа, мостов, небоскребов и других ответственных и критически значимых объектов.