Помните упражнение, где нужно соединить все точки и получится, например, какой-нибудь зверёк. Учёные Политеха Петра тоже связали все точки воедино, чтобы видеть картину изменений на трубопроводах, мостах и элементах авиационной техники. Исследователи создали сенсорную сеть, которая может зафиксировать деформацию в определённом месте конструкции. Система работает на основе мультиплексированных межмодовых волоконных интерферометров (да, это уже не детская задачка!), которые одновременно передают информацию из разных точек.
Последние десятилетия волоконно-оптические датчики активно применяются в различных научных областях. Они компактны, обладают электромагнитной и химической нейтральностью, биосовместимостью и дают возможность объединить несколько чувствительных элементов в единую измерительную схему.
Учёные Политеха Петра из широкого спектра волоконно-оптических датчиков в своей разработке использовали межмодовые интерферометрические волоконно-оптические датчики. Их отличает высокие чувствительность и разрешение. Межмодовые волоконные интерферометры направляют свет в оптическое волокно, он возбуждает несколько мод — это различные распределения электромагнитного поля внутри волокна. Разность модовых фаз создаёт интерференционную картину, то есть пространственное перераспределение энергии светового излучения из-за наложения двух или нескольких световых волн. Такие внешние воздействия, как деформация полотна, изменение температуры или давления, влияют на фазу между модами, смещая интерференционные полосы. Это и позволяет распознать факт каких-то трансформаций в системе.
Чтобы передавать сигналы от разных датчиков по одному оптоволокну, исследователи используют мультиплексирование. Это снижает стоимость и сложность схемы. Принцип заключается в уникальном кодировании и декодировании сигнала каждого датчика, что позволяет передавать и различать данные, получаемые из разных точек сети. Таким образом получается квазираспределенная измерительная система, которой в отличие от полностью распределенных схем, не нужно непрерывно фиксировать параметры по всей длине полотна.
Ученые Политеха Петра объединили несколько многомодовых волокон в единую сенсорную сеть. Эксперименты на прототипе с 6 чувствительными элементами подтвердили линейный отклик системы и уровень перекрестных помех не более 5%. Для разделения сигналов от каждого датчика специалисты использовали метод спектрального опроса и цифровую обработку сигналов — быстрое преобразование Фурье. В итоге получился чувствительный элемент, который способен уловить изменение длины всего в 1 микрометр (миллионная часть метра).
Технологию можно применять везде, где требуется измерять некое воздействие в нескольких точках:
- контроль утечек и деформаций на нефте- и газопроводах;
- отслеживание возникновения опасных напряжений в таких конструкциях, как мосты и плотины;
- предупреждение оползней и сейсмической активности;
- мониторинг состояния фюзеляжа летательного аппарата.
📌 Проект поддержан грантом Российского научного фонда, результаты опубликованы в научном журнале Applied Optics.
Подписывайтесь на канал «Теория большого Политеха», чтобы быть в потоке научного прогресса!
Что ещё почитать?