Ein wissenschaftliches Forschungsteam der Universität Shanghai hat kürzlich ein ultradünnes Mikrofon entwickelt, das vollständig aus Quarzglasfasern besteht. Sein Durchmesser ist so dünn wie ein Haar, aber es kann ein breites Spektrum an Ultraschallsignalen weit über die obere Grenze des menschlichen Gehörs hinaus erfassen und in Umgebungen bis zu 1.000 Grad Celsius weiterarbeiten. Da das gesamte Gerät eine optische Glasstruktur anstelle herkömmlicher elektronischer Komponenten verwendet, kann es auch bei extrem hohen Temperaturen und Umgebungen mit starken elektromagnetischen Störungen eine stabile Leistung aufrechterhalten. Es gilt als wichtiger Versuch, die Grenzen herkömmlicher Sensoren unter extremen Arbeitsbedingungen zu durchbrechen.
Das Forschungsteam sagte, dass eine langfristige Zielanwendung dieses Vollfasermikrofons darin besteht, direkt in einem Hochspannungstransformator platziert zu werden, um auf schwache akustische Signale früher Geräteausfälle zu „horchen“ und frühzeitige Warnungen auszugeben, bevor sich das Problem zu einem großflächigen Stromausfall oder einer Explosion entwickelt. Einer der Autoren des Papiers, Zhang Xiaobei von der Universität Shanghai, wies darauf hin, dass herkömmliche elektronische Sensoren in Umgebungen mit hohen Temperaturen anfällig für Ausfälle und sehr anfällig für Störungen in starken elektromagnetischen Feldern seien. Das neue Glasfasermikrofon kann jedoch in gefährlichen Umgebungen überleben und ist empfindlich genug, um subtile Signale im beginnenden Stadium eines Geräteausfalls zu erfassen.
Die Forschungsergebnisse wurden in Optics Express, einer Zeitschrift der Optica Publishing Group, veröffentlicht. Dieses Mikrofon kann auf einen Frequenzbereich von 40 Kilohertz bis 1,6 Megahertz reagieren, der weit über den hörbaren Bereich des menschlichen Ohrs hinausgeht. Die gesamte Sensorstruktur ist in einer Singlemode-Glasfaser mit einem Durchmesser von nur 125 Mikrometern „eingekapselt“, wodurch die Notwendigkeit entfällt, auf ein sperriges externes Gehäuse wie bei herkömmlichen Mikrofonen angewiesen zu sein. Forscher sagten, dass das Vollfaserdesign den direkten Einsatz in Industrieanlagen mit begrenztem Platzangebot und rauen Umgebungen ermöglicht, um eine Echtzeitüberwachung zu erreichen.
Im Hinblick auf konkrete Anwendungsideen konzentrierte sich das Team auf die Forschung zur Teilentladungssignalüberwachung in Hochspannungstransformatoren. Teilentladung ist eine Art winziger elektrischer Fehler, der als „Vorbote“ wirken kann, bevor es zu einem größeren Ausfall kommt. Aufgrund der hohen Temperatur und des starken elektromagnetischen Rauschens im Inneren des Transformators ist es für herkömmliche Sensoren jedoch schwierig, diese Signale bei laufendem Gerät genau zu erfassen. Um dieses Problem zu lösen, nutzten die Forscher den photoelastischen Effekt in optischen Fasern – das Phänomen, bei dem mechanische Vibrationen kleine Änderungen im Brechungsindex des Lichts in der optischen Faser auslösen –, um eine akustische Erkennungslösung zu entwickeln, die vollständig auf Licht basiert.
Dieses faseroptische Mikrofon integriert eine hochentwickelte Sensorstruktur, einschließlich einer vibrationsempfindlichen Mikromembran und Glasmikrostrahlen, die in einer Singlemode-Faser aufgehängt sind. Beides zusammen bildet eine hochpräzise Fabry-Perot-Interferometerstruktur zur Messung kleinster Schwingungen. Um eine schwebende Struktur innerhalb einer so schmalen optischen Faser zu erzeugen, nutzte das Forschungsteam einen Pikosekundenlaser-induzierten chemischen Ätzprozess. Mit dieser fortschrittlichen Fertigungstechnologie können mikro- und nanoskalige Strukturen im Inneren fester Materialien präzise verarbeitet werden.
Um seine Leistung in extremen Umgebungen zu überprüfen, testeten die Forscher das Mikrofon 100 Minuten lang in einem Ofen bei 1.000 Grad Celsius. Die Ergebnisse zeigten, dass seine Struktur und Signalübertragung stabil blieben. Experimente zeigen außerdem, dass der Sensor in einem ultrabreiten Frequenzband von 40 Kilohertz bis 1,6 Megahertz zuverlässig akustisch reagiert und in verschiedenen Medien wie Luft und Unterwasser normal funktionieren kann, was seine Anpassungsfähigkeit in einer Vielzahl von Anwendungsszenarien unter Beweis stellt.
Zhang Xiaobei wies darauf hin, dass die gesamte Interferenzstruktur in eine „haardünne“ optische Faser integriert sei, wodurch dieses selbstgekapselte monolithische Design direkt in Hochtemperaturumgebungen mit begrenztem Platzangebot eingesetzt werden könne, ohne dass zusätzliche Schutzhüllen erforderlich seien. Das Team prognostiziert, dass dieses Mikrofon voraussichtlich in Bereichen wie der Online-Überwachung des Status von Hochspannungsanlagen, der zerstörungsfreien Prüfung in der Industrie, der medizinischen Bildgebung, der Überwachung von Luft- und Raumfahrttriebwerken und der Frühwarnung bei Naturkatastrophen eingesetzt wird und frühere und genauere akustische Diagnosemethoden für kritische Infrastrukturen bietet.
Mit Blick auf die Zukunft plant das Forschungsteam, akustische Funktionsmodule weiter in das Gerät zu integrieren, um die Empfindlichkeitsgrenze weiter zu verbessern. Sie planen außerdem, eine additive und subtraktive Multi-Laser-Komposit-Fertigungsplattform zu nutzen, um Siliziumdioxid-3D-Druck mit ultraschneller Laser-Mikrobearbeitung zu kombinieren, um eine stärkere integrierte Vollsilizium-Verpackungsstruktur zu schaffen und dadurch die mechanische Festigkeit und die Sensorleistung des Mikrofons weiter zu verbessern. Forscher sagen, dass dies den Weg für seine langfristige Installation und Anwendung in realen Industrieumgebungen ebnen wird, insbesondere in laufenden Leistungstransformatoren, was diesen Typ von Glasfasermikrofon zu einem wirklich zuverlässigen „Stethoskop“ in extremen Umgebungen machen wird.