Een wetenschappelijk onderzoeksteam van de Universiteit van Shanghai heeft onlangs een ultradunne microfoon ontwikkeld die volledig is gemaakt van optische silicavezel. De diameter is zo dun als een haar, maar hij kan een breed scala aan ultrasone signalen detecteren tot ver buiten de bovengrens van het menselijk gehoor, en kan blijven werken in omgevingen tot 1000 graden Celsius. Omdat het hele apparaat gebruik maakt van een optische structuur van glas in plaats van traditionele elektronische componenten, kan het nog steeds stabiele prestaties behouden bij extreem hoge temperaturen en omgevingen met sterke elektromagnetische interferentie. Het wordt gezien als een belangrijke poging om de beperkingen van traditionele sensoren onder extreme werkomstandigheden te doorbreken.

Het onderzoeksteam zei dat een langetermijndoeltoepassing van deze geheel uit glasvezel bestaande microfoon is om direct in een hoogspanningstransformator te worden geplaatst om te "luisteren" naar zwakke akoestische signalen van vroege apparatuurstoringen en om vroegtijdige waarschuwingen te geven voordat het probleem zich ontwikkelt tot een grootschalige stroomstoring of explosie. Een van de auteurs van het artikel, Zhang Xiaobei van de Universiteit van Shanghai, wees erop dat traditionele elektronische sensoren gevoelig zijn voor storingen in omgevingen met hoge temperaturen en zeer gevoelig zijn voor interferentie in sterke elektromagnetische velden. De nieuwe glasvezelmicrofoon kan echter overleven in gevaarlijke omgevingen en is gevoelig genoeg om subtiele signalen op te vangen in de beginnende fase van apparatuurstoringen.

De onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in Optics Express, een tijdschrift van Optica Publishing Group. Deze microfoon kan reageren op een frequentiebereik van 40 kilohertz tot 1,6 megahertz, ver buiten het hoorbare bereik van het menselijk oor. De gehele sensorstructuur is "ingekapseld" in een single-mode optische vezel met een diameter van slechts 125 micron, waardoor het niet meer nodig is om te vertrouwen op een omvangrijke externe behuizing zoals bij traditionele microfoons. Onderzoekers zeggen dat het volledig uit vezels bestaande ontwerp het mogelijk maakt om het direct in industriële apparatuur met beperkte ruimte en ruwe omgevingen te implementeren om realtime monitoring te bereiken.

Wat specifieke toepassingsideeën betreft, concentreerde het team zich op onderzoek naar de monitoring van gedeeltelijke ontladingssignalen in hoogspanningstransformatoren. Gedeeltelijke ontlading is een soort klein elektrisch defect dat kan fungeren als een "voorbode" voordat er een grootschalige storing optreedt. Vanwege de hoge temperatuur en de sterke elektromagnetische ruis in de transformator is het voor traditionele sensoren echter moeilijk om deze signalen nauwkeurig vast te leggen terwijl de apparatuur in werking is. Om dit probleem op te lossen, gebruikten onderzoekers het foto-elastische effect in optische vezels – het fenomeen waarbij mechanische trillingen kleine veranderingen in de brekingsindex van licht in de optische vezel veroorzaken – om een ​​akoestische detectieoplossing te construeren die volledig op licht is gebaseerd.

Deze glasvezelmicrofoon integreert een geavanceerde detectiestructuur, waaronder een trillingsgevoelig microdiafragma en glazen microstralen opgehangen in een single-mode vezel. De twee vormen samen een uiterst nauwkeurige Fabry-Perot-interferometerstructuur voor het meten van extreem kleine trillingen. Om een ​​hangende structuur in zo'n smalle optische vezel te creëren, gebruikte het onderzoeksteam een ​​picoseconde laser-geïnduceerd chemisch etsproces. Deze geavanceerde productietechnologie kan structuren op micro- en nanoschaal nauwkeurig verwerken in vaste materialen.

Om de prestaties in extreme omgevingen te verifiëren, testten de onderzoekers de microfoon gedurende 100 minuten in een oven bij 1000 graden Celsius. De resultaten toonden aan dat de structuur en signaaloverdracht stabiel bleven. Experimenten tonen ook aan dat de sensor een betrouwbare akoestische respons heeft binnen een ultrabrede frequentieband van 40 kilohertz tot 1,6 megahertz, en normaal kan werken in verschillende media zoals lucht en onderwater, wat zijn aanpasbaarheid in verschillende toepassingsscenario's aantoont.

Zhang Xiaobei wees erop dat de gehele interferentiestructuur is geïntegreerd in een ‘haardunne’ optische vezel, waardoor dit zelf-ingekapselde monolithische ontwerp direct kan worden ingezet in omgevingen met hoge temperaturen en beperkte ruimte, zonder dat er extra beschermende omhulsels nodig zijn. Het team voorspelt dat deze microfoon naar verwachting zal worden gebruikt op gebieden als online monitoring van de status van hoogspanningsapparatuur, industriële niet-destructieve tests, medische beeldvorming, monitoring van ruimtevaartmotoren en vroegtijdige waarschuwing bij natuurrampen, waardoor eerdere en nauwkeurigere akoestische diagnosemethoden voor kritieke infrastructuur worden geboden.

Met het oog op de toekomst is het onderzoeksteam van plan akoestische functionele modules verder in het apparaat te integreren om de gevoeligheidslimiet te blijven verbeteren. Ze zijn ook van plan een multi-lasercomposiet additief en subtractief productieplatform te gebruiken om 3D-printen van siliciumdioxide te combineren met ultrasnelle lasermicrobewerking om een ​​sterkere geïntegreerde volledig uit silicium bestaande verpakkingsstructuur te creëren, waardoor de mechanische sterkte en detectieprestaties van de microfoon verder worden verbeterd. Onderzoekers zeggen dat dit de weg zal vrijmaken voor langdurige installatie en toepassing in echte industriële omgevingen, vooral in werkende stroomtransformatoren, waardoor dit type glasvezelmicrofoon echt een betrouwbare "stethoscoop" wordt in extreme omgevingen.