В ПНИПУ помогут уменьшить габариты оптоволоконных датчиков для мониторинга

Способ сделать более тонким покрытие оптоволокна, чтобы минимизировать габариты изделий и при этом сохранить качественную защиту от внешних агрессивных условий, предложили ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ), 3 апреля сообщает пресс-служба вуза.

Безопасность важных строительных и промышленных объектов требует постоянного мониторинга их состояния. Для этих целей применяют различные датчики, в том числе в последнее время стало активно развиваться применение оптоволокна как в качестве линии передачи данных, так и как чувствительной части датчика, преобразующей информацию извне в электрические сигналы.

При этом во всех отраслях промышленности наблюдается тенденция к миниатюризации — уменьшению для увеличения экономичности габаритов и массы конструкций без потери их функциональности.

Предложенный учеными ПНИПУ метод уменьшения габаритов оптоволоконных датчиков позволит производителям таких изделий вписаться в эту тенденцию. Кроме того, он повышает надежность таких датчиков, расширяет сферу их применения и способствует развитию оптоволоконной промышленности России.

Результаты исследования политехники представили в статье «Оценка влияния защитного полимерного покрытия на эксплуатационные характеристики волокна Panda на основе результатов многовариантного численного моделирования», опубликованного в журнале Polymers (№ 23, 2023 год).

Оптоволокно представляет собой тонкую стеклянную или пластиковую нить, по которой на большие расстояния передаются от источника данные в виде световых сигналов. Его используют для высокоскоростного, без помех обмена информацией. Характеристики оптоволоконных линий делают их одним из наиболее эффективных и надежных способов связи.

Оптоволокно также применяют для повышения чувствительности в гироскопах, определяющих смену направления движения или положение в пространстве летательных аппаратов, кораблей, роботов и др. Уменьшив толщину волокна, можно увеличить количество его витков на катушке гироскопа, что увеличит точность его данных.

Уменьшение габаритов изделий из оптоволокна также позволит располагать их в труднодоступных местах. Однако такое уменьшение должно при этом не уменьшать их защиту от агрессивных условий, погодных или производственных факторов, таких как дождь, повышенная влажность или сухость, повышенные температуры и т. д.

Чтобы обеспечить эти требования к оптоволокну, ученые Пермского Политеха провели два этапа исследований. Сначала они изучили поведение стекла во время технического процесса изготовления оптоволокна. Стекло — аморфный материал, т. е. у него нет явного перехода из твердого состояния в жидкое.

При этом в матмоделях обычно учитываются только упругие свойства стекла, что, по мнению ученых ПНИПУ, приводит к недостаточно верным результатам моделирования. Они предложили вести расчеты параметров этого материала, учитывая его вязкоупругие свойства.

Заместитель директора Передовой инженерной школы ПНИПУ кандидат технических наук Анна Каменских пояснила: «Время и температура в техническом процессе влияют на уровень остаточных технологических напряжений в материале. Чем их больше, тем лучше передача сигнала по оптоволокну, поэтому важно моделировать и отслеживать этот этап изготовления».

Однако параметры работы оптоволокна зависят и от его полимерного покрытия, которое наносится на него для защиты от внешних агрессивных воздействий. Именно за счет уменьшения толщины такого покрытия политехники предложили минимизировать общие габариты готового изделия — само волокно и так измеряется микронами.

Второй этап исследования ученые ПНИПУ посвятили оценке рабочих характеристик оптоволокна при двухслойном и однослойном полимерном покрытии для различных вариантов его геометрии.

«Мы рассматриваем два возможных направления развития: первое — уменьшение общей толщины покрытия без потери прочностных и защитных характеристик; второе — это переход к однослойному покрытию, также с возможным снижением толщины» — комментирует проведенное исследование ассистент кафедры вычислительной математики, механики и биомеханики ПНИПУ Анастасия Богданова.

Она уточнила, что главной задачей исследователей было уменьшение общего габарита оптоволокна при увеличении его способности сопротивляться внешним негативным воздействиям и нагрузкам.

Дополняя пояснения коллег, старший преподаватель кафедры вычислительной математики, механики и биомеханики ПНИПУ Ляйсан Сахабутдинова сообщила, что результаты исследования показали: если при уменьшении общей толщины покрытия использовать два защитных слоя, то нижний будет давить на стекло.

Это может привести к сбоям в передаче информации. Тогда как уже однослойное полимерное покрытие хорошо защищает изделие от внешних воздействий, обеспечивая при этом высокую пропускную способность волокна.

Таким образом, ученые ПНИПУ установили эффективность перехода к однослойным защитным полимерным покрытиям, который обеспечивает уменьшение размеров оптоволокна без потери его качества.

При этом минимизация толщины оптоволокна повысит надежность и экономичность различных датчиков, используемых, например, для мониторинга состояния зданий, мостов, рабочих механизмов различных конструкций.

Мониторинг станет более эффективным из-за возможности за счет уменьшения габаритов изделий расширить его на труднодоступные места. Это, в свою очередь, позволит своевременно обнаруживать проблемы и принимать меры по обеспечению безопасности и требуемой надежности объектов исследования.