Двое инженеров из Университета штата Северная Каролина сконструировали простой и недорогой тензодатчик, самостоятельно восстанавливающийся после повреждения.

Датчики, предназначенные для измерения степени деформации, часто устанавливают на труднодоступных участках, а иногда встраивают в элементы конструкции (скажем, крыла самолёта или здания), за которой необходимо следить. Если заменить или отремонтировать устройства, вышедшие из строя, будет невозможно, проектировщики обычно увеличивают число используемых датчиков, вводя резервные. Это, разумеется, повышает надёжность, но некоторые проблемы остаются: некое сильное воздействие может, к примеру, вывести из строя все датчики, расположенные в одной области, при этом конструкция выдержит удар, и самые ценные данные о том, как она вела себя после воздействия, пропадут.

В новом варианте устройства чувствительным элементом служит полимерный волновод, находящийся между двумя отрезками оптоволокна. Такая схема уже использовалась ранее, и результаты экспериментов были вполне убедительными; авторы изменили лишь способ создания полимерного волновода, который теперь «вычерчивается» ультрафиолетовым излучением лазерного диода. Это излучение, подводимое по оптоволокну, направляется на жидкий фотополимер Norland Optical Adhesive 61, который отвердевает под действием ультрафиолета, несколько изменяя свой показатель преломления.

Отверждённый участок с увеличенным показателем постепенно растёт, со временем достигая кончика второго оптоволокна, расположенного в нескольких сотнях микрометров от первого. В результате отрезки волокна соединяются обычным тонким полимерным волноводом.

Рис. 1. Схема создания волновода (здесь и далее иллюстрации из журнала Smart Materials And Structures).

Рис. 2. Волновод, «вычерченный» УФ-излучением, продаваемым по многомодовому оптоволокну.

При этом отверждённым оказывается далеко не весь объём полимера, что и позволяет датчику восстанавливать работоспособность. Если волновод разрывается, жидкость заполняет брешь, а ультрафиолет завершает процесс «ремонта».

Для снятия показаний с датчика по оптоволокну, в дополнение к ультрафиолету, передаётся инфракрасное лазерное излучение на длине волны в 1 550 нм. На выходе устройства стоит фотоприёмник, который выдаёт сигнал напряжения; когда волновод деформируется, некоторая часть ИК-излучения теряется, что и обнаруживает детектор.

В экспериментах датчик устанавливался на тонком алюминиевом стержне, закреплённом с одного конца. На другой его конец учёные ставили 12-граммовые грузики, постепенно увеличивая общую массу и наблюдая за тем, как будет изменяться выходной сигнал.

Результаты измерений свидетельствуют о том, что датчик действительно чувствует степень деформации и восстанавливается после повреждения, но к применению на практике он пока не готов.

• Во-первых, выходной сигнал имеет сложный и плохо предсказуемый вид.
• Во-вторых, устройство не слишком надёжно: после разрыва волновода кончики отрезков оптоволокна могут смещаться, и восстановленный датчик начинает работать не совсем так, как новый.

Рис. 3. Сигнал напряжения с датчика, установленного на алюминиевом стержне, который сначала сгибался под давлением грузиков, добавляемых каждые 30 секунд, а затем возвращался в ненагруженное состояние, после чего процедура повторялась. Длина волновода здесь равна 500 мкм.

Результаты исследований опубликованы в статье:

Young J Song and Kara J Peters A self-repairing polymer waveguide sensor. – Smart Mater. Struct.  – 20ю – P. 065005; doi: 10.1088/0964–1726/20/6/065005.