Аннотация:
Ученые изучали, что Земля круглая уже более 2000 лет, но сторонники «теории плоской Земли» до сих пор твердо верят в это. Некоторые люди даже готовы «пойти на край света», чтобы найти доказательства, но они еще не нашли так называемый конец. Оставляя в стороне форму Земли, исследователи из Королевского технологического института в Швеции и Университета Саутгемптона в Великобритании недавно разработали технологию, которая доказывает, что в области оптоволоконных датчиков плоские структуры могут быть значительно лучше, чем круглые.
Исследовательская группа разработала плоское лентовидное кварцевое оптическое волокно. Оптическое волокно такого типа может быть структурно спроектировано так, чтобы обеспечивать гораздо более сильную реакцию на физические воздействия, чем традиционные цилиндрические оптические волокна, поэтому оно может стать датчиком с более высокими характеристиками. Исследователи назвали его «плоским волокном с высоким соотношением сторон» (HARFF). В ходе сравнительного испытания чувствительность этого оптического волокна к давлению была в 1000 раз выше, чем у традиционных оптических волокон; другая версия, наполненная металлом внутри, показала более сильные возможности измерения температуры. Исследовательская группа использовала одну экспериментальную заготовку для вытягивания этого специального оптического волокна длиной более 120 метров, доказав возможность его производства.
Наиболее известное применение оптического волокна — это использование стеклянной нити, которая передает данные, перенося информацию по всему миру посредством импульсов света. Однако оптоволокно также является очень эффективным датчиком. Внешние воздействия, такие как растяжение, давление или температура, могут незначительно изменить физические и оптические свойства стекла. Эти внешние эффекты можно измерить, отслеживая изменения света, проходящего через волокно.
Грубая, но интуитивно понятная аналогия — поливочный шланг. Когда люди сжимают определенный участок шланга, поток воды меняется. Измеряя изменение потока воды, инженеры могут определить, какое давление оказывается приложенным. Волоконно-оптическое зондирование использует аналогичный принцип, но гораздо более чувствительно. Исследователи посылают свет в оптические волокна, измеряют, как изменяются световые сигналы, и используют эти изменения, чтобы сделать вывод о том, что испытало оптическое волокно.
Одним из распространенных подходов является использование волоконных решеток Брэгга. Эти решетки представляют собой крошечные периодические структуры, записанные внутри оптических волокон и отражающие определенные длины волн света. Когда оптическое волокно растягивается или сжимается, длина волны отраженного света меняется, что дает инженерам «оптическую линейку» для измерения деформации.
Обычные кварцевые оптические волокна обычно имеют цилиндрическую форму, а их геометрия идеальна для измерения сил, действующих вдоль оси волокна. Однако цилиндры из цельного стекла слабо реагируют на боковые силы и гидростатическое давление со всех направлений вокруг них, что приводит к значительным ограничениям их чувствительности, что является одним из наиболее желательных свойств сенсорной технологии.
Чтобы решить эту проблему, исследователи изменили форму стакана. Вместо того, чтобы сначала изготавливать круглое волокно, а затем пытаться его сгладить, они разработали HARFF в плоскую структуру на этапе заготовки, в результате чего получилась прочная структура с соотношением сторон, близким к 20:1. Эта плоская геометрия, напоминающая ленту, революционизирует то, как оптические волокна реагируют на внешние силы. Проще говоря, сила, необходимая для изгиба круглого стержня, не равна силе изгиба тонкой линейки. Плоская структура позволит оптическому волокну легче реагировать на изгибающие силы, как линейка.
С помощью HARFF инженеры могут индивидуально регулировать ширину, толщину, толщину стенок и внутренние каналы волокна, чтобы специально спроектировать места изгиба стекла и места концентрации напряжений.
В датчике давления исследовательская группа спроектировала два продольных воздушных канала внутри оптического волокна. Эта специально разработанная асимметричная структура деформируется при приложении внешнего давления, вызывая различную степень деформации в разных направлениях вокруг оптического волновода. В результате также меняется свойство волокна, называемое «двойное лучепреломление». Двойное лучепреломление означает, что свет, распространяющийся в двух направлениях поляризации, перпендикулярных друг другу, будет иметь несколько разные показатели преломления в одном и том же куске стекла.
Затем исследователи вставили в оптический волновод две идентичные волоконные брэгговские решетки, образовав между ними крошечную оптическую полость. Когда свет распространяется внутри оптического резонатора, он создает характерную интерференционную картину. Когда давление деформирует стекло, его двойное лучепреломление меняется и интерференционная картина заметно смещается.
Проще говоря, давление деформирует ленточное волокно, что меняет оптические свойства стекла, а измененный световой сигнал сообщает исследователям, какое давление было приложено.
Исследователи поместили этот экспериментальный датчик в сосуд под давлением для испытаний, при этом испытательное давление достигло 0,40 МПа. Результаты измерений показывают, что его размах сигнала достигает 7,24 дБ/МПа; при расчете другим методом анализа чувствительность к давлению достигает максимума 31,6 рад/МПа. В то же время перекрестная чувствительность к температуре составляет менее 1% от чувствительности к давлению, что помогает исследователям отличать изменения давления от изменений температуры.
Исследовательская группа заявила, что по сравнению с сопоставимыми оптическими волокнами с эллиптическими сердцевинами и круглым поперечным сечением чувствительность HARFF улучшена на три порядка, то есть примерно в 1000 раз. Они также утверждают, что характеристики HARFF улучшаются почти на два порядка по сравнению с другими конструкциями из кварцевого волокна, оптимизированными для измерения гидростатического давления.
Помимо измерения давления, исследователи также продемонстрировали, что ту же базовую стеклянную платформу можно также использовать в качестве датчика температуры. В датчике температуры внутренний канал HARFF заполнили сплавом на основе олова. Коэффициент теплового расширения диоксида кремния составляет около 0,5×10⁻⁶/К, тогда как коэффициент теплового расширения этого сплава составляет около 23×10⁻⁶/К. Когда они оба нагреваются, металл пытается расшириться намного больше, чем позволяет окружающее стекло. Эта разница в расширении создает напряжение в диоксиде кремния, изменяя его двойное лучепреломление и снова формируя оптический сигнал, который можно измерить.
Исследователи полагают, что они не только создали более мощный датчик, но и преобразовали геометрию и внутреннюю структуру волокна в новые переменные инженерного дизайна.
Павел Маньевский, исследователь Королевского технологического института, заявил, что это не просто оптическое волокно с другим внешним видом, но открывает новое пространство для проектирования оптических волокон. Изменяя геометрию, можно заставить само стекло более существенно реагировать на окружающую физическую среду.
Ожидается, что изменяя ширину и толщину волокна, воздушные каналы, расположение оптических волноводов или материалы, заполняющие эти каналы, одна и та же базовая производственная платформа будет оптимизирована для различных типов датчиков в будущем. Например, встраивание такого оптического волокна в составное крыло позволит контролировать нагрузки и деформации без необходимости прокладывать сеть из большого количества традиционных электронных датчиков.
Подобные оптические волокна также могут использоваться в таких областях, как дроны, мосты, промышленные конструкции и батареи. В этих сценариях изменения внутренней температуры или давления могут служить ранним признаком отказа оборудования. Кроме того, оптическое волокно также имеет такие преимущества, как легкий вес, небольшой размер и отсутствие воздействия электромагнитных помех.
Конечно, от впечатляющего лабораторного оптического волокна до практического применения, которое позволило бы самолету иметь что-то вроде «стеклянной нервной системы», еще довольно долгий путь. Текущий HARFF все еще находится на стадии проверки концепции. Исследователи измерили потери при распространении света примерно в 0,16 дБ/метр, что, по их мнению, в первую очередь связано с экспериментальной геометрией сердцевины и используемым кварцевым материалом, а не с ограничениями, присущими самому плоскому волокну.
Кроме того, потери, возникающие при сращивании HARFF с традиционным оптическим волокном, обычно составляют менее 3 децибел, а это означает, что еще есть много возможностей для оптимизации этой технологии.
Следующим шагом исследовательская группа планирует дальнейшее улучшение возможностей управления формой волокна, снижение оптических потерь и продвижение HARFF из экспериментального датчика в реальную систему. Королевский технологический институт отметил, что интеллектуальные дроны, передовые композитные материалы и более безопасные энергетические технологии — все это возможные будущие направления применения этой технологии.
Следует отметить, что данное исследование сосредоточено на оптоволоконном зондировании, а не на передаче телекоммуникационных данных. В сфере телекоммуникаций традиционное кольцевое оптоволокно по-прежнему остается основным стандартом.
Это исследование было опубликовано в журнале Nature Communications.
Комментарии