Датчики на волоконных брэгговских решетках измеряют практически любое физическое явление, которое можно перевести в деформацию — температуру (благодаря термическому расширению), акустические колебания (деформация мембраны) и многое другое. Но для сбора данных нужны специальные устройства с лазером переменного спектра и софтом, способным обрабатывать сигналы — интеррогаторы. Такие устройства коммерчески доступны — их производят несколько компаний в мире. Но группа из Высшей инженерно-технической школы ИТМО нашла способ сделать такие приборы более  доступными и эффективными в решении широкого круга задач сенсорики. В этой статье рассказываем о проекте и его перспективах.

Подразделение Высшей инженерно-технической ИТМО школы занимается фотоникой, т.е. наукой на стыке электроники, оптики и сенсорики. Это востребованное направление, так что со стороны индустрии постоянно поступают запросы на решение сложных задач данного профиля. Разработанный интеррогатор — как раз ответ на один из таких запросов.

Идея возникла около пяти лет назад. Один из партнеров ИТМО обратился в группу с задачей мониторинга деформации вертолетных лопастей. Такой мониторинг в реальном времени был необходим, чтобы планировать замену лопастей на новые. Классический подход — менять их по выработке часов, вне зависимости от реального состояния. Но более оптимальным был бы путь дефектоскопии.

В тот момент задача стояла на уровне испытательного стенда — был интерес попробовать инновационный подход, а может и заменить им классический (резистивные тензометры).

Для решения группа предложила использовать волоконные брэгговские решетки. К этому моменту у нее уже была собственная технология их производства, оставалось только создать специальное устройство для опроса датчиков — интеррогатор. К решению этой задачи приступили пять человек, которые занимались оптикой, конструкторскими задачами, софтом и электроникой.

Что такое брэгговская решетка

Волоконная брэгговская решетка (ВБР) — это чувствительный датчик, реализованный непосредственно в оптоволокне. ВБР — периодическая структура в сердцевине оптического волокна, которая функционирует как спектрально-избирательное зеркало. Она отражает только определенную узкую часть спектра, остальная часть спектра проходит через ВБР без существенных изменений. Длина волны отражения определяется периодом ВБР. Деформация участка волокна с ВБР приводит к изменению ее периода и изменению длины волны отражения.

Производятся брэгговские решетки с помощью специальных лазеров. В качестве основы такого датчика можно использовать одномодовое волокно, оптические потери в котором ничтожны (десятые доли децибел на километр), что дает большую свободу в выборе конфигурации датчиков и позволяет строить протяженные сенсорные массивы из десятков и или даже сотен ВБР в одном волокне.

Сейчас в научном мире много кто занимается применением ВБР в самых разных областях. Границы их использования определяются устойчивостью оптоволокна и “записанной” внутри решетки. Например, зоны с отличающимся показателем преломления (сама периодическая структура ВБР) могут исчезать при воздействии очень больших температур, т.е. датчик может терять свою эффективность.

Группа ИТМО собственных экспериментов на эту тему не проводила (поскольку задача стояла иная), но если судить по публикациям, такие датчики из обычных волокон применяют до температур порядка 200-300 градусов по Цельсию. Существуют также специальные ВБР (например, в сапфировых волокнах), пригодные для измерения температур свыше 1000 градусов. В отрицательную сторону они работают вплоть до криогенных температур, хотя при этом наблюдается падение чувствительности, проявляются нелинейные эффекты. Также существуют радиационно-стойкие волокна, т.е. датчики на ВБР можно применять там, где ранее показания снять было невозможно из-за ионизирующего излучения — например, в космосе. И они отлично работают там, где есть мощные электромагнитные возмущения, допустим, в силовых установках.

ВБР в целом — это универсальные датчики, которые можно использовать для оценки самых разных физических явлений.

Волокно само по себе является датчиком температуры, потому что оно, как и любой материал, деформируется в зависимости от температурных изменений.

С их помощью можно измерить деформацию других объектов. Волокна с брэгговскими датчиками могут на этапе производства закладываться непосредственно в измеряемую конструкцию, например, внутрь композитной вертолетной лопасти, как это было в раннем проекте научной группы. Они могут как измерять небольшие деформации, так и фиксировать разрушение лопасти — при обрыве волокна на приборе видно падение оптической мощности. Если размещение волокна внутри объекта недоступно, его можно приваривать на поверхность измеряемой структуры. Как правило, для этого используется специальная оснастка.

Если ВБР прикрепить на мембрану на границе некоего замкнутого объема, получится датчик давления. Мембрана будет деформироваться в зависимости от соотношения давлений внутри этого объема и в окружающем пространстве, и эти данные можно будет получить при помощи интеррогатора.

ВБР на простой мембране будет датчиком акустического воздействия. А еще можно сделать датчик веса — залить волокно с решеткой полимером (например, полиуретаном), получив платформу, на которую можно встать и увидеть отклик датчика.

Сфера применения ВБР постоянно расширяется, правда, здесь есть определенные сложности, о которых речь пойдет далее.

Интеррогатор

Интеррогатор — это устройство, которое с помощью перестраиваемого источника излучения (лазера) опрашивает датчики на брэгговских решетках. Устройство испускает когерентный свет и циклически перемещает центральную длину волны в пределах некоторого диапазона. Если длина волны излучения совпадает с длиной волны ВБР, в отраженном излучении наблюдается "вспышка" — её регистрирует фотоприёмное устройство интеррогатора. Иными словами, устройство "ощупывает" некоторый спектральный диапазон и отмечает длины волн, на которых наблюдаются отражения.

Первая версия интеррогатора команды вышла около четырех лет назад. Она была установлена прямо в центре винта вертолета на автомате перекоса и снимала данные о деформациях вертолетного винта. Волокна были внедрены в композит лопастей еще на этапе производства. 

Проект завершился: прибор успешно прошел испытания, но наработки в этой области терять не хотелось. Вместе с московским заводом "Физприбор" научная группа из Высшей инженерно-технической школы ИТМО подала заявку на программу "Старт" для малых инновационных предприятий (под это несколькими годами ранее была организована компания ADM Photonics) и реализовала новую версию устройства с учетом накопленного опыта в области электроники, оптики и софта. Постановку задачи и описание требований к устройству обеспечил индустриальный партнер — "Физприбор".

Результатом работы стал новый интеррогатор — более совершенный в инженерном плане. На фоне аналогов зарубежного производства главное преимущество устройства — его цена. Она примерно в два раза ниже ближайшего конкурента (даже с учетом последних скачков цен). Кроме того, существенным преимуществом разработанного устройства стал более функциональный софт, позволяющий производить высокоуровневую обработку и фильтрацию данных в режиме онлайн.

Интеррогатор был собран на иностранной элементной базе, но его вполне можно перевести на российские или азиатские комплектующие. Наиболее критический элемент устройства — перестраиваемый лазер, способный формировать переменный спектр. В России его уже производят на новгородском предприятии "ОКБ Планета". 

После перестройки устройства на отечественные компоненты оно вполне могло бы пойти в серию — участие в отраслевых выставках показало, что коммерческий потенциал у интеррогатора есть. И есть перспектива разработки целой линейки приборов. Помимо многофункционального универсального интеррогатора группа может выпустить более коммерчески доступные варианты (менее скоростные, с меньшим диапазоном измерений) или специфические конфигурации для частных применений — с экзотическими интерфейсами обмена данными или с нестандартным форм-фактором корпуса устройства. Поскольку для цифровой обработки сигналов в устройстве используется ПЛИС, группа вольна в выборе дополнительных интерфейсов и модулей расширения. Например, в интеррогаторе POI-4 реализован обмен данными через Ethernet, при этом питание блока осуществляется через этот же кабель по технологии PoE. А в исполнении прибора для мониторинга лопастей были реализованы беспроводной съём данных и питание от аккумуляторной батареи. Также были варианты устройства в специализированных корпусах под размещение в нишах существующего оборудования.

Видео, демонстрирующее работу прибора:

Возможных применений у интеррогатора множество. Выше уже упоминался пример с мониторингом вертолетных лопастей. А еще одно из устройств отправилось на одно из судостроительных предприятий Петербурга для измерения температуры и давления в судовых двигателях. Оптическими датчиками впоследствии планируется заменить традиционные термометры и датчики давления.

В целом, интеррогатор может использоваться везде, где применяются брэгговские решетки.

В Европе есть пример их использования и практического применения для мониторинга деформации композитных лопастей ветрогенераторов. 

Еще одно вполне промышленное применение — мониторинг трубопроводов, которые тянутся на сотни километров. Такие разработки доступны даже коммерчески. Поставщик создает специальные оснастки — металлические пластины, в которые уже вмонтирована решетка (каким именно образом — производитель как правило не раскрывает; это может быть специальный клей, проверенный в широком диапазоне температур и в разных механических режимах, или специальная оснастка). Эту пластину приваривают к участку трубопровода, получая возможность мониторить его состояние.

Одно из наиболее популярных приложений для датчиков на основе ВБР — мониторинг состояния строительных конструкций в составе BIM-систем. 

В отдельных случаях преимуществом ВБР-сенсоров может стать их невосприимчивость к электромагнитным выбросам, а также устойчивость отдельных видов ВБР к ионизирующему излучению. Это позволяет замещать традиционные виды датчиков в специфических областях, например, в энергетике (в том числе. атомной) и даже в космических аппаратах.

Еще одна актуальная задача — мониторинг волоконно-оптических сетей передачи данных. Интеррогаторы могли бы обеспечить неразрушающий контроль этих коммуникаций.

Преимущество оптоволокна в том, что оно абсолютно пассивно с точки зрения электропитания. Это позволяет реализовывать на брэгговских решетках крупные распределенные сенсорные сети.

Классическому тензометру для измерения деформаций необходимо подвести два провода питания, а лучше четыре, чтобы компенсировать влияние длины проводов и повысить помехоустойчивость. Увеличение числа тензометров в области измерения приводит к пропорциональному росту числа проводов, в то время как единственное оптическое волокно может содержать сразу десятки или даже сотни ВБР, разнесенных на сотни метров или даже километры. Это преимущество проявляется в задачах неразрушающего контроля протяженных конструкций, например, железных дорог или трубопроводов. С учетом минимальных потерь в одномодовом волокне, одного устройства опроса на несколько километров вполне хватит, чтобы мониторить целый массив решеток.

Какие есть сложности

Датчики на ВБР — очень перспективное направление, но главная проблема — с предсказуемым повторяемым преобразованием физических явлений в деформацию решетки. Для этого нужны так называемые трансдьюсеры, которые в конкретном месте будут обеспечивать применение ВБР.

Допустим, есть задача измерить температуру в зоне с очень большими электромагнитными полями — мониторить некую мощную динамо-машину или турбину электростанции — отслеживать деформацию лопаток или самой камеры. Заказчику нужно решение под ключ — т.е. датчики, трансдьюссер, интеррогатор и софт верхнего уровня, которое можно установить на свой объект. Но сейчас у научной группы есть все элементы этой цепочки, кроме трансдьюсеров.

Сложность с трансдьюсерами в том, как надежно, предсказуемо и повторяемо прикрепить волокно к поверхности или вмонтировать в массив материала. Для демонстрации явления научная группа закрепляет волокно на металлической пластине обычным цианакрилатным клеем (суперклеем). При изгибе пластины появляется отклик на приборе. 

Но для точных измерений такой подход использовать нельзя, поскольку придется учитывать деформацию клеевого шва, локальные свойства поверхности и другие нюансы.

Производители датчиков, которые сейчас коммерчески доступны, либо патентуют, либо вообще не раскрывают способы крепления. А на малых партиях датчиков разрабатывать свой трансдьюсер нерентабельно — дешевле, проще и быстрее купить готовый. Поэтому в самой научной группе этот вопрос пока наименее проработан, а заказчики ограничиваются применением коммерчески доступных датчиков на основе ВБР, либо используют "голые" ВБР вместе с креплениями собственной разработки. Они уже знают, как использовать решетки для измерений, им просто нужен интеррогатор для опроса этих решеток, и программное обеспечение, которое поможет осуществить нужные измерения и первичную обработку данных.

Решение задачи с трансдьюсерами впереди. Этот инженерный поиск предстоит выполнить в том числе студентам ИТМО, которые  учатся и работают в Высшей инженерно-технической школе. 

Примеры ВБР стороннего производства, которые можно использовать с оптическим интеррогатором:

• Rugged Weld Fixed Surface Mountable Optical Strain Sensor

• FBG Strain Sensor MS-01/MST-01

• Датчик деформации без термокомпенсации (серии OSS)