Ученые обнаружили оптимальное оптоволокно для звуковых датчиков высокой чувствительности

DAS-системы, состоящие из множества датчиков, улавливающих звуковые колебания, широко применяются для отслеживания состояния строительных конструкций, трубопроводов, различных объектов, разрушение которых сопряжено со значительным материальным ущербом.

(erid: 2Vfnxw9ujZz)

Главный элемент датчика – оптоволокно, фиксирующие малейшие колебания, деформации, указывающие, что объект требует обслуживания, находится в неудовлетворительном состоянии, нагрузки, воздействующие на него, превышают нормативные значения. Например, на охраняемой территории датчик фиксирует шаги человека, в трубопроводе – протечки, факты разгерметизации, поломку насоса, запорно-регулировочной арматуры.

Минусы систем контроля – высокая цена и узкий диапазон чувствительности, из-за чего некоторые звуки остаются без внимания. Специалисты ПНИПУ, при поддержке коллег из ПФИЦ УрО РАН, озадачились проблемой. Они провели испытания наиболее современных образцов оптического волокна, различных по внутреннему покрытию, определили чувствительность, специфику реагирования на колебания в широком частотном диапазоне.

Задача исследования – установление взаимосвязей, зависимостей, упрощение подбора оптического волокна под конкретный датчик, с учетом специфики его эксплуатации. Соответствие повысит общую эффективность работы DAS-системы вне зависимости от области, где она работает, будь то строительная безопасность или экологический мониторинг.

DAS-системы: характеристики и применение

Чувствительные комплексы фиксируют акустические колебания на огромных дистанциях, исчисляющихся десятками километров. Области эксплуатации следующие:

• Трубопроводы, в том числе магистральные, независимо от рабочей среды: нефти, газа, воды;
• Высотные здания, инженерные, инфраструктурные объекты, подверженные ветровым нагрузкам;
• Территории, зоны с ограниченным доступом. DAS-системы используются как самостоятельно, так и вместе с другими средствами защиты, видеонаблюдением, оптическими датчиками.

Использование DAS оправдано экономически и технически. Комплекс дешевле классической системы, сформированной множеством микрофонов, проще в установке, обслуживании.

Эффективность работы определяется точностью подбора оптического волокна. Его проводимость должна соответствовать частотам, характерным для конкретной эксплуатационной области. При воздействии механического или звукового колебания, параметры световой волны в волокне меняются. Эти изменения фиксируются приемником, обрабатываются, трансформируются в данные, позволяющие сделать выводы о специфике неполадки, ее выраженности. Каждая потенциально опасная ситуация “отзывается” звуком конкретной частоты, так что электроника четко отличит утечку в трубопроводе, например, от поломки насоса.

В большинстве DAS-систем применяются классические одномодовые оптические кабели https://lan-art.ru/odnomodovyj-opticheskij-kabel/. Такие же можно увидеть в интернет-коммуникациях. Его минус – приспособленность для точной передачи сигнала, а не для фиксации внешних нагрузок.

Решение проблемы

Задача ученых в свете указанного недостатка – поиск волокна, лучше адаптированного к DAS. Отличия таковы:

• Метод производства;
• Материалы центральной части;
• Материалы оболочки и покрытия.

Корректный подбор всех показателей поможет найти решение, эффективнее прочих фиксирующее акустические волны определенной частоты.

Специалисты ПНИПУ и ПФИЦ УрО РАН сопоставили семь классов оптоволокна, сделали выводы об их чувствительности к акустическим волнам. Частотный диапазон тестирования – от 100 до 7000 Герц.

При тестировании специалисты пользовались динамиком с закрепленными отрезками оптоволокна, по которому транслировались световые импульсы. При воздействии на волокно акустической волны, происходила деформация, меняющая параметры света. Изменения фиксировались измерительными приборами. Для повышения точности результатов, выборка была увеличена, тесты каждого волокна выполнялись сотню раз.

Артем Туров, один из участников испытательной группы, показал, что практика почти на 100% подтвердила результаты предварительных математических расчетов. Чувствительность анизотропных волокон, покрытых акрилатом, оказалась стабильной, однако, невысокой. Аналоги с покрытием на медной основе хорошо фиксируют акустические колебания, частота которых – от 4.5 до 7 КГц. Отличия в чувствительности помогают формировать оптимальные комбинации оптоволокна, фиксирующие и дифференцирующие звуки разных диапазонах.

Максимально выраженные результаты удалось получить для оптоволокна с полиамидным покрытием, при этом, не идеальным, а с некоторыми дефектами. Неоднородность увеличивает выраженность резонанса и, следовательно, чувствительности.

Результаты испытаний

Ученые, проведшие комплексную проверку, разработали свод правил, соблюдение которых поможет увеличить эффективность работы DAS-систем, расширить их эксплуатационную сферу. Наиболее универсальным оказалось оптоволокно с полиамидным покрытием, однако, в областях, где нужна предельная точность “звукового шаблона” – следует применять анизотропное волокно с внутренним покрытием на основе акрилата.

Работа российских ученых будет способствовать как более эффективному применению DAS-комплексов, так и их распространению в сельском хозяйстве, строительстве, безопасности и других областях, где требуется тщательный удаленный контроль.

Рекламодатель: ООО «ЛАНАРТ»
ИНН 7801727270