Воины света: как в России мониторят состояние крыш, вертолетов, ГЭС (и чего угодно)

Фотоника — сравнительно новая наука, уже приносящая существенную пользу бизнесу. Ключевое направление фотоники – оптическое волокно, широко применяемое в связи с использованием брэгговских решеток. Оно позволяет создавать класс оптических датчиков для мониторинга состояния объектов, которые находятся в земле, под водой, под несколькими слоями бетона, там, где бессильны другие датчики. Передача информации от датчика и ее обработка занимает менее одной секунды. Как и где используются эти стойкие устройства? Практически везде, просто мы об этом не знаем.

Брэгговские решетки производят так: в привычном связном волокне лазером выжигается периодическая структура, которая наделяет волокно определенного рода восприимчивостью к внешним воздействиям. Если направить по волокну на такую решетку излучение с помощью специального прибора, то можно получить обратно отраженный сигнал.

Запускает в волокно излучение и обрабатывает пришедший отраженный сигнал специальный анализатор сигналов, подключенный к компьютеру. Дальше в ход идет программное обеспечение, которое расшифровывает пришедшую длину волны от решеток датчиков, установленных на объектах, и определяет, все ли в порядке с объектом и нужно ли отправить туда инженера. Это необходимо, если данные с решетки датчика показали, что объект деформировался, наклонился, сместился куда-то (куда не надо).

Брэгговские решетки надежны, так как на них абсолютно никак не влияют электричество и магнитные поля. Погодные условия тоже не имеют значения, решетки выдерживают морозы, жару, дожди. Технически это звучит так: работа в условиях от -200 до +500-600 ºC, в агрессивной среде, даже в условиях высокого содержания водорода или вообще в условиях радиации. Дальность передачи информации от решеток может составлять до нескольких десятков километров. Выглядят они так:

А простейшие датчики деформации на их основе могут выглядеть, например, вот так:

Эти свойства позволяют использовать решетки для самых разных сфер, включая промышленность (добыча и транспорт топлива; генерация, трансформация и передача электроэнергии; металлургия), транспорт и просто гражданское и инфраструктурное строительство.

К примеру, такую систему используют на стадионе “Заря” в Новосибирске, ее создала компания “Инверсия-Сенсор”, входящая в консорциум Центра компетенций “Фотоника” НТИ. Здесь датчики на брэгговских решетках измеряют деформации крыши, чтобы отслеживать сильную снеговую нагрузку. Если дежурному приходят данные тревожные, то есть риск провала крыши — туда срочно идут люди с лопатами и чистят снег.

Мониторинг с помощью решеток Брэгга также внедряют на гидротехнических сооружениях на ГЭС и АЭС. На Зарамагской ГЭС, которая расположена в горах Северной Осетии, на Кавказе, есть длинный гидротехнический тоннель. Отслеживать деформацию и осадку бетонных стенок тоннеля с помощью электроприборов было бы проблематично, так как длина тоннеля 14 км и влажность в тоннеле составляет 100%. Устройства могут выйти из строя или будут недостаточно обеспечены электропитанием.

Для решений этой проблемы на ГЭС внедрили оптическую систему мониторинга различных физических величин и параметров конструкции на основе брэгговских решёток. Раз в секунду статичный прибор снимает с датчиков данные и передаёт на компьютеры инженеров, которые могут видеть состояние разных частей тоннеля онлайн.

Еще одна большая зона применения систем на основе решеток – мониторинг мостов. Аналогичное решение внедряют на “Октябрьской железной дороге”. Кстати, в “Октябрьскую железную дорогу” входит линия Москва-Санкт-Петербург, а также такие субъекты как Псковская, Мурманская, Тверская, Ярославская и другие области. Это несколько сотен мостов, которые окажутся в проектировании систем.

Впрочем, только недвижимыми объектами дело не ограничивается — брэгговские решетки могут мониторить и подвижные объекты. Например, уже обклеивают решетками корпус вертолета, экспериментальные композитные элементы самолетов, ледокол и морской нефтяной танкер. Также датчики внедряют на решетках в сложные и перспективные авиационные комплексы – двигатели и другие ключевые агрегаты самолетов.

Еще пару слов про модную тенденцию умных вещей и интеграцию брэгговских решеток в технологические процессы изготовления различных изделий, наделенных измерительными умными функциями. Фланцевые соединения для трубопроводов, непосредственно трубопроводы, трансформаторы и медные стержни статоров генераторов-миллионников (мощностью выше 1 МВт), композитные материалы и конструкции разных назначений, болты и шпильки для крепления конструкций. Например, огромной балки моста или футбольного стадиона... Все это - примеры уже имеющейся технологической интеллектуализации простых изделий и материалов, которые могут измерять сами себя при помощи брэгговских решеток.

Дальше - больше. Компонентная база будет переходить на новый уровень, как и сама технология производства. Инженеры консорциума “Фотоника” признаются, что сейчас с брэгговскими решетками связано много ручной работы, нужно деликатно работать с волокном: что-то зачищать, подстраивать. Одна решетка производится примерно за 10 минут (это с учетом полного технологичного цикла). Однако, за счет фемтосекундного автоматизированного крупносерийного метода записи через оболочку волокна можно записывать на 1,5-2 порядка больше решеток за то же время.

Суть фемтосекундного метода записи решеток подразумевает, как минимум, запись решеток через оболочку волокна, что не требует специальной подготовки волокна и процедур по окончанию записи. Это уже увеличивает производительность в несколько раз. Более того фемтосекундная запись позволяет записывать решетки в процессе перемотки или вытяжки (фактически – изготовления) большой непрерывной линии волокна с почти неограниченным количеством решеток.

С приходом новых технологий производство и, соответственно, стоимость решеток будет меньше, вероятно, в разы или до порядка. Их смогут позволить себе не только гиганты вроде РЖД, “РусГидро”, Росатома и Газпрома, но и малые промышленные и инженерные предприятия, структуры городского хозяйства и другие отрасли, для которых недорогое решение по мониторингу могло бы стать неотъемлемым составляющим поддержания технологичного процесса.

Еще про интеррогаторы – это про те самые проборы, которые запускают в волокно и принимают от решеток сигналы. По этой части все еще намного сложней! Сейчас они по размерам как промышленный серверный компьютер и содержат в себе очень много сложных и дорогих оптических и электронных компонентов. В будущем начинка этих приборов будут заменена на фотонную интегральную схему – кристалл, размером с рублевую монету, полностью выполняющий функцию классического «большого ящика», опросника брэгговских решеток.

Кристаллы будут выращиваться аналогично современным процессорам несколько десятков/сотен за один цикл – от сюда в недалекой перспективе и будет складываться экономия. Над этим работают несколько организаций, включая Сколтех, Институт автоматики и электрометрии, Пермский государственный научно-исследовательский университет и другие. В планах на ближайшие годы реализовать такую технологию и организовать производство.