Печать
Опубликовано: 19 июня 2014 19 июня 2014
Просмотров: 2788 2788

 При эксплуатации различных механизмов бывает важным непрерывный мониторинг состояния их деталей и частей. С этой целью в последние годы активно разрабатываются методы внедрения в структуру материалов и изделий волоконных световодов и волоконно-оптических сенсоров.

 Волоконный световод является волноводом, предназначенным для ведения излучения ближнего инфракрасного или оптического диапазона. Принцип его действия основан на эффекте полного внутреннего отражения. Материалом подавляющего большинства современных волоконных световодов является особо чистое кварцевое стекло. В типичных оптических волокнах, используемых для связи или сенсорных систем, с целью создания световедущей структуры центральная часть диаметром ~5-7 мкм (сердцевина) легируется оксидом германия. Основная доля оптического излучения распространяется именно по сердцевине световода, малый диаметр которой позволяет гарантировать распространение всего одной моды оптического излучения.

Диаметр оптической части световода в типичных случаях составляет 125 мкм, но для особых приложений может быть уменьшен до 40-80 мкм.

Для защиты поверхности волокна оптическую часть покрывают буферным слоем полимерного или металлического покрытия. Толщина покрытия варьируется в зависимости от наносимого материала. Типичное значение толщины металлических и углеродных покрытий – несколько десятков мкм, полимерных – от 10 до 100 мкм и более. В настоящее время наиболее распространенным типом является покрытие из акрилата толщиной 125 мкм.

Таким образом, диаметр современных световодов вместе с покрытием составляет доли миллиметра, что позволяет интегрировать его в различные структуры без существенного ухудшения их прочностных свойств.

Для внедрения оптического волокна в металлические конструкции или прикрепления к арматурным стержням железобетонных конструкций можно использовать металлическое покрытие, что позволяет осуществлять припайку световода непосредственно к нужной поверхности при создании оптических датчиков и систем связи. Наилучшие результаты получены при использовании медного покрытия, выдерживающего температуру до 600°С. Следует, однако, отметить, что восстановление металлического покрытия световода (удаленного, например, для сварной стыковки или создания сенсора) на сегодняшний день представляет собой технически сложную задачу. Поэтому, если габаритные размеры конструкции позволяют, для создания сенсорных систем в металлических конструкциях используется оптическое волокно, заключенное в дополнительную защитную оболочку (например, стальную трубку).

Для прокладки волокна внутри строительных объектов (опоры мостов, здания) для защиты в процессе заливки бетона используется оптический кабель, армированный стальной проволокой (рис. 1).

 

 Рис. 1. Оптический кабель, армированный стальной проволокой.

 

Для мониторинга температуры кабельных линий внутрь конструкции кабеля вводят дополнительное оптоволокно. Современные оптические методы позволяют получить информацию о состоянии кабеля с метровым продольным разрешением.

Особый интерес вызывает внедрение волоконных световодов в современные композиционные материалы, поскольку благодаря малым размерам, большой механической прочности и химической инертности стекла внедрение может быть осуществлено на стадии создания самого материала или изготовления детали из него. В этом случае оказывается возможным изготовление материала с изначально внедренной в него системой волоконно-оптических сенсорных элементов. В качестве иллюстрации на рис. 2 приведен срез однонаправленного углепластика с внедренным в него световодом.

 

Рис. 2. Срез углепластика с внедренным оптоволокном (а); без волокна (б).

Видна полимерная оболочка световода, а также отдельные углеродные волокна (снято при помощи микроскопа с увеличением 1х50, одно деление шкалы на рис. 3, б-100 мкм).

Световод в процессе формирования материала был уложен между двумя соседними слоями заготовки (препрега) параллельно угольным волокнам, что обеспечило невозмущенный характер структуры материала уже на расстояниях порядка долей миллиметра. Это гарантирует минимальное ухудшение прочностных характеристик композита и, соответственно, малую погрешность последующих измерений. Подробнее об этом можно прочитать в статье в научном журнале "Исследование возможностей углепластиковой детали, оснащенной массивом волоконно-оптических Брэгговских решёток".

При внедрении волоконных световодов в различные изделия следует принимать в расчет величину оптических потерь, возникающую из-за микроизгибов, а также двулучепреломление, возникающее при однонаправленном сдавливании. Так, при использовании оптоволокна с полиимидным покрытием (толщиной ~ 20 мкм) величина оптических потерь, при внедрении в углепластик, может достигать десятков дБ на метр (величина оптических потерь в 10 дБ на каком-либо участке световода соответствует ослаблению оптического сигнала на данном участке в 10 раз, 20 дБ – в 100 раз и т.д.). При использовании же волокна с акрилатным покрытием (толщиной 125 мкм) оптические потери значительно уменьшаются благодаря малой жесткости и высокой толщине покрытия.

В целом можно сказать, что к настоящему моменту в технологии внедрения волоконных световодов в различные материалы и конструкции накоплен значительный опыт.

Вас также может заинтересовать: