Оптическое волокно – тончайшая нить на основе стекла или полимера. Его базовое назначение – прокладка линий связи, передача информации в виде световых импульсов. Дополнительная особенность оптоволокна – чувствительность, обеспечивающая востребованность в комплексах отслеживания состояния жилых домов, объектов инженерной инфраструктуры, компонентов транспортных единиц.
Оптоволоконные датчики универсальны, допускают наружный и внутренний монтаж. Высокая чувствительность гарантирует своевременность фиксации скрытого дефекта, незаметного при внешнем осмотре.
Специалист ПНИПУ модифицировал классическое устройство на основе оптоволокна. Новый датчик состоит из многожильного кабеля, световодов, дополненных элементами высокой чувствительности, наклонными брэгговскими решетками. Изобретение допускает дистанционный контроль, фиксирует деформации, выраженность которых – сотые доли миллиметра. Это допускает применение на наиболее ответственных объектах, разрушение которых сопряжено с материальным ущербом, человеческими жертвами.
Оптическое волокно: особенности
Ценность оптики – передача информации со скоростью света. Сигнал распространяется очень быстро, не искажается при воздействии электромагнитного излучения и других помех. Оптоволокно встречается в линиях связи, локальных и магистральных, медицинской технике, электроэнергетических системах. Цена оптики снижается, характеристики – улучшаются, она вытесняет классические решения на основе коаксиальных и Ethernet-кабелей.
Перспективное направление – выпуск на основе волокна интегрируемых датчиков, фиксирующих состояние ответственных конструкций и деталей, например фюзеляжей, крыльев авиатранспорта. Их разрушение обернется катастрофой, требуется отслеживание минимальных деформаций.
Чувствительность оптоволокна достаточна для фиксации минимальных дефектов, в том числе:
- Пористости, недостаточной структурной плотности, снижающей прочностные характеристики.
- Недостаточная прочность клеевого соединения.
- Структурные внутренние деформации.
- Расслоение композита, сформированного, например несколькими слоями стеклоткани.
Указанные повреждения фиксируются на ранних стадиях, когда они еще не представляют опасности для общей целостности конструкции.
Принцип действия датчика базируется на преломлениях, отражениях светового потока. В нормальной ситуации таковые отсутствуют, при деформациях – имеют различную выраженность. Система обрабатывает поступающие данные, оценивает выраженность преломлений, формирует выводы о состоянии подконтрольного элемента.
Инновации
Специалист ПНИПУ представил усовершенствованный датчик, более точный, чувствительный, работающий в расширенном интервале, в сравнении с классическим аналогом. Назначение – обнаружение сложных деформаций в структурах из полимерных композитов.
Актуальность разработки связана с распространением композитов. Это структуры из полимеров, армированные, например стекловолокном или углеволокном. При высокой прочности, твердости они отличаются минимальной массой, что ценно для судостроительной, авиастроительной отраслей.
Основа модифицированного датчика – 6 оптоволоконных жил в изоляции из прочного полимера. У каждого чувствительного модуля – определенный наклон, что дает нужный угол отражающей плоскости. Такая структура увеличивает количество поступающих, обрабатываемых данных, соответствует специфике деталей со сложной структурой.
Классический датчик, имеющий только одно волокно, фиксирует простейшие растяжения и сжатия. Обработка сложных деформаций невозможна, точные выводы о степени повреждения конструкции сделать не удается.
Экспертное мнение
Андрей Паньков, профессор одной из кафедр Пермского Политеха, изучающий технологичные композиты и конструкции на их основе, поделился описанием датчика. Понять принципы его работы помогает подробная математическая модель. Она показывает, как чувствительные компоненты реагируют на деформационные нагрузки, структурные разрушения. Модуль фиксирует деформацию, делает выводы о степени повреждений.
Система была несколько раз протестирована на компьютере. Каждое из испытаний подтвердило четкость корреляции между параметрами светового импульса и регистрируемыми повреждениями, спровоцированными смещениями, растяжениями, сжатиями. Чувствительность оказалась выше, чем у всех нынешних аналогов. Даже микронные сдвиги не остаются незамеченными.
Подобные характеристики достаточны для эксплуатации устройства в максимально ответственных комплексах. Отслеживание состояние элементов самолета, лопастей ветровых генераторов, мостовых опор, несущих элементов высотных зданий – примеры сфер применения. Изобретение уже рассмотрено уполномоченными государственными инстанциями, готовится выдача официального патента.
