Метод одновременного измерения температуры и давления на одном волокне
(28).png "Метод одновременного измерения температуры и давления на одном волокне")
Ученые Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого разработали и экспериментально подтвердили новый подход к одновременному измерению температуры и давления с помощью волоконно-оптических датчиков. Метод позволяет раздельно определять оба параметра на одном чувствительном элементе из оптического волокна, сопоставимого по толщине с человеческим волосом, что особенно важно для систем контроля технически сложных и ответственных объектов, где критичны компактность, помехоустойчивость и высокая точность измерений.
Метод основан на анализе спектральных характеристик волоконно-оптических датчиков двух типов — гибридного сенсора, объединяющего экструзионный интерферометр Фабри-Перо (EFPI), чувствительный к давлению, и волоконную брэгговскую решетку (FBG), реагирующую на температуру, — и специальной обработке полученного сигнала. Это позволяет разделить вклад температуры и давления в общий отклик системы, что ранее было одной из ключевых задач при создании многопараметрических оптических датчиков малого размера.
«Мы показали, что в одном волоконно-оптическом датчике можно одновременно измерять температуру и давление без существенных взаимных помех, используя спектральные особенности разных элементов в структуре волокна. Такой подход особенно важен в случаях, когда установка отдельных датчиков затруднена, а требования к надежности и точности чрезвычайно высоки», — отмечают исследователи.
Работа выполнена коллективом под руководством профессора Высшей школы прикладной физики и космических технологий СПбПУ Николая Ушакова. В исследовании участвуют доценты А. А. Маркварт и А. В. Петров, профессор Л. Б. Лиокумович, аспиранты Л. Д. Завалишина и У. А. Макаренко. В основе подхода — двухканальная сверточная нейросеть, обученная на 36 наборах спектральных данных (температура от 20 до 150 °C, давление от 0,1 до 4 МПа): один канал выделяет признаки температуры, другой — давления, а совместное обучение позволяет модели разделять взаимные искажения. В результате средняя ошибка измерения температуры составила 0,907 °C, давления — 0,035 МПа, время обработки одного спектра — 0,38 мс, что позволяет использовать метод в реальном времени.
Разработанный прототип собран из стандартных телекоммуникационных компонентов с использованием обычной волоконной сварки, поэтому он воспроизводим в любой волоконно-оптической лаборатории страны и будет достаточно прост в производстве. Система различает неоднородности с поперечным размером 20 мкм и продольным около 7 мкм. Погрешность измерения показателя преломления — до 2·10⁻⁵, температуры — 0,15 °C, силы — около 1 нН. Разрешающая способность по давлению в отдельном волоконно-оптическом датчике на основе микросферы достигла 0,001 Па. Такая чувствительность позволяет фиксировать слабые отклонения механических свойств ткани от нормы и замечать изменения на самой ранней стадии.
Подобные решения могут найти применение в мониторинге состояния магистральных трубопроводов, резервуаров высокого давления, энергетических установок, а также в авиационной и другой высокотехнологичной технике. Волоконно-оптические датчики устойчивы к электромагнитным помехам, работают в широком диапазоне температур и давлений и могут устанавливаться в труднодоступных зонах, что делает их перспективной альтернативой традиционным измерительным средствам. Вторая, небиологическая область применения — метрология в оптической и полупроводниковой промышленности: измерение толщины тонких пленок (менее 1 мкм) с точностью в несколько нанометров и визуализация сердцевины оптического волокна с разрешением лучше 1 мкм.
Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда № 23-72-10095 (2023–2026 годы) в рамках Президентской программы исследовательских проектов. Работы будут продолжены в рамках продления проекта на 2026–2028 годы. Полученные результаты планируется использовать при формировании проектного портфеля СПбПУ для участия во внешних конкурсах и программах, а также в акселераторе технологических проектов университета. На основе разработанного метода рассматривается возможность создания отечественных решений для систем технического контроля и промышленной безопасности в реальном времени.
В ближайших планах ученых — переход к полностью бесконтактной оптической когерентной эластографии, улучшение разрешения по глубине до 1–2 мкм за счет регистрации сигнала в двух спектральных окнах, а также создание зонда на многосердцевинном волокне с электронным управлением лучом (сканирование без движущихся частей).
