Wie kann eine Struktur, bei der ein Eingang mit mehreren Ausgängen verbunden ist, in Sensornetzwerken eingesetzt werden?„
In Glasfaser-Bragg-Gitter (FBG)-Sensorsystemen und anderen Glasfasersensorsystemen ist ein 1\times N optischer Splitter ein passives optisches Bauteil, das ein einzelnes optisches Eingangssignal gleichmäßig oder ungleichmäßig auf N Kanäle aufteilt (und umgekehrt N Kanäle zu einem einzelnen Eingang zusammenführt). Diese „Ein-zu-Viele“-Struktur hat einen sehr wichtigen technischen Anwendungswert in Sensornetzwerken und zeigt sich hauptsächlich in den folgenden Aspekten:
1. Erweiterung physischer Kanäle und Kostenoptimierung
Die Anzahl der physischen Kanäle eines Glasfaser-Bragg-Gitter-Demodulators (Interrogator) ist normalerweise begrenzt (z. B. 4, 8, 16 oder 32 Kanäle). Bei großen Sensorprojekten, bei denen die zu überwachenden Messpunkte räumlich weit verteilt sind und viele Verzweigungen vorhanden sind, würde die direkte Erhöhung der physikalischen Kanäle des Demodulators die Hardwarekosten erheblich erhöhen.
Durch die Einführung von 1\times N Splittern kann ein physischer Kanal des Demodulators optisch in N physische Verzweigungen „gefächert“ werden.
- Arbeitsprinzip: Die vom Demodulator emittierte Breitbandlichtquelle wird durch den 1\times N Splitter geleitet und gleichmäßig auf N verschiedene Glasfasersensorketten verteilt; die von den Sensoren auf jedem Zweig reflektierten Wellenlängensignale werden über diesen Splitter wieder zusammengeführt und zum selben physikalischen Empfangskanal des Demodulators zurückgeleitet.
- Einschränkungen bei der Wellenlängenplanung: Obwohl diese Anwendung einen physischen Kanal logisch auf N Verzweigungen erweitert, teilen sie sich immer noch denselben physikalischen Demodulationskanal. Daher muss eine strikte Wellenlängenplanung durchgeführt werden.
Angenommen, der Wellenlängenscanbereich des Demodulators ist B (z. B. eine Bandbreite von 40\text{ nm} von 1525\text{ nm} bis 1565\text{ nm}), dann müssen die Reflexions-Arbeitswellenlängen der m FBG-Sensoren, die auf allen Zweigen installiert sind, sich nicht überschneiden. Sei die Wellenlängenbelegung jedes Messpunktes nach der physikalischen Grenzänderung von Temperatur/Dehnung \Delta\lambda_i, dann muss gelten:\sum_{i=1}^{m} \Delta\lambda_i \le BDies ermöglicht eine Verdoppelung der Baukosten pro Kanal, ohne die Anzahl der physischen Kanäle des Demodulators zu erhöhen.
2. Optimierung der Topologie von Sensornetzwerken (Stern- und Baumtopologie)
Herkömmliche Glasfaser-Bragg-Gitter-Sensoren verwenden normalerweise eine serielle (Daisy-Chain) Bustopologie, d. h. mehrere FBG-Sensoren sind in Reihe an einer einzigen Glasfaser geschaltet. Diese Struktur hat jedoch zwei Nachteile:
- Risiko von Einzelausfällen: Wenn die Hauptfaser irgendwo bricht, verlieren alle Sensoren nach dem Bruchpunkt das Signal.
- Schwierige physische Verkabelung: In komplexen Strukturen wie Brücken, Dämmen, Rotorblättern von Windkraftanlagen und Tunneln sind die Messpunkte oft divergent oder multidirektional verteilt, und es ist schwierig, mit einer einzigen Glasfaser alle Messpunkte zu erreichen.
Mit 1\times N Splittern kann die Netzwerktopologie zu einer Stern- oder Baumtopologie optimiert werden:
- Selbst wenn eine Zweigfaser physisch beschädigt und gebrochen ist, können die Sensoren auf anderen Zweigen weiterhin Daten normal an den Demodulator über den Splitter übertragen, wodurch die Redundanz und Überlebensfähigkeit des Sensorsystems erheblich verbessert wird.
- Ermöglicht eine flexible Verlegung mehrerer Sensorfaserkabel entsprechend der tatsächlichen physikalischen Geometrie des Gebäudes.
Verwandte Produkte und technische Implementierungen
In praktischen technischen Anwendungen bietet Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) die Produktreihe OFSCN® Optical Fiber Splitter an, die speziell für die Abstimmung mit Glasfaser-Bragg-Gitter-Demodulatoren entwickelt wurde.
Technische Indikatoren und Spezifikationen
- Gängige Spezifikationen: Neben den Standard-1\times N Splittern sind üblicherweise auch 16x32 Splitter, 8x16 Splitter, 4x8 Splitter, 32x64 Splitter usw. erhältlich und können je nach Projektumfang angepasst werden.
- Hauptverwendung: Wird in großen Projekten in Verbindung mit dem OFSCN® Fiber Bragg Grating Interrogator verwendet, um physische Kanäle logisch zu erweitern und so die durchschnittlichen Kosten pro Kanal zu senken.
- Anwendungshinweis: Bei der Verwendung dieser Lösung zur Kanalerweiterung ist eine strenge Wellenlängenplanung erforderlich. Bei der Planung der Sensornetzwerktopologie und der Auswahl der Sensoren müssen die Mittenwellenlängen aller Sensoren im Voraus überprüft werden, um sicherzustellen, dass die Wellenlängenbudgets angemessen zugewiesen sind und keine überlappenden Störungen auftreten.