Многофункциональный стекловолоконный датчик

Стекловолокна способны на большее, чем передача данных. Особый тип стекловолокна может также использоваться в качестве высокоточного универсального датчика, как доказали учёные из института Макса Планка (Max Planck Institute for the Science of Light-MPL), г. Эрланген (Erlangen), Германия. Они продемонстрировали, что стекловолокно с полой сердцевиной может использоваться в качестве высокоточного многофункционального датчика.

Вначале у учёных из института Макса Планка была идея разработать датчик для измерения радиоактивности внутри атомной электростанции. Аналогичные задачи часто решаются с использованием стекловолокон со встроенными волоконно-оптическими датчиками. При этом задачей измерения является определение того, как на свет, посылаемый через волокно, оказывает влияние внешний фактор. Такой волоконно-оптический датчик может также использоваться для дистанционного измерения физической величины. Если волокно обмотать вокруг реактора, то волоконно-оптические датчики могут зондировать всю поверхность реактора. Однако оказывается, что радиоактивное излучение затемняет внутреннюю часть обычных стекловолокон настолько, что свет больше не может через них распространяться, делая их непригодными для измерения радиоактивности. Стекловолокна, которые мы ценим за высокие скорости передачи данных, и, следовательно, за Интернет, имеют внутренний канал, выполненный из стекла с высоким  показателем преломления, а вокруг канала покрытие из стекла с низким показателем преломления. Благодаря разнице в показателях преломления луч света отражается на границе раздела и остаётся “пойманным” в сердцевине волокна подобно воде в трубе, он проходит по стекловолокну даже, если оно изогнуто.

Исследователи из института Макса Планка поместили стеклянную микобусинку из двуокиси кремния в качестве измерительного зонда в тонкий полый канал волокна. Так как на её перемещение по каналу оказывают влияние такие физические величины, как температура, вибрации и электрические поля, эти величины можно измерить. Это достигается путём направления луча лазера через канал с каждого конца волокна и мониторинга изменений в передаваемом световом сигнале вследствие поперечного смещения микрочастицы. Летающая микробусинка в полом стекловолокне измеряет температуру, вибрации и электрические поля с высоким пространственным разрешением. В качестве примера возможной области применения учёные назвали нефтяные трубопроводы. Измерения вибраций могли бы помочь выявить повреждения даже на ранней стадии. Такие датчики также могут быть использованы вдоль трасс высоковольтных линий или на трансформаторных подстанциях. Электрические поля, вибрации и температуры, т.е. три величины, которые имеют отношение к таким объектам, могут регистрироваться при помощи одного измерительного устройства.  До настоящего времени такие стекловолоконные датчики изготавливались длинами до 400 метров.

Крошечная стеклянная бусинка может в буквальном смысле считывать различные физические величины, такие как электрическое поле, температура или вибрации через внутреннюю часть такого световода с полой сердцевиной. Летающая частица определяет величины, которые нужно измерить, на больших расстояниях с высоким пространственным разрешением, даже в условиях жёсткой окружающей среды, таких, например, как в агрессивной химической субстанции или внутри нефтепровода.