Как он отличает датчики в разных местах, присваивая им разные цвета (длины волн)?
В системах зондирования на основе волоконных брэгговских решеток (FBG) спектральное мультиплексирование (Wavelength Division Multiplexing, WDM) — это технология, позволяющая независимо идентифицировать и измерять многоточечные датчики в различных положениях. Это достигается путем назначения различным датчикам на одном волокне различных, непересекающихся длин волн отражения (т.е. «цветов»). Конкретные физические принципы и механизмы разделения положений заключаются в следующем:
1. «Кодирование характеристик по длине волны» для отдельного датчика
Каждая волоконная брэгговская решетка (FBG) имеет определенный период показателя преломления в своей решетчатой области, заданный при изготовлении. Согласно принципу отражения Брэгга, когда свет от широкополосного источника падает на FBG, отражается только свет, соответствующий определенному условию Брэгга, в то время как свет других длин волн проходит напрямую. Центральная длина волны Брэгга удовлетворяет формуле:
\lambda_B = 2 n_{eff} \Lambda
Где \lambda_B — центральная длина волны отражения Брэгга, n_{eff} — эффективный показатель преломления сердцевины волокна, а \Lambda — период решетки. Регулируя период решетки \Lambda для каждой решетки при изготовлении, мы можем искусственно придать каждому датчику на одном волокне уникальный «начальный цвет (длину волны) отражения».
2. Привязка пространственного положения к длине волны
При производстве и прокладке волоконно-оптических кабелей технические специалисты последовательно записывают FBG с различными длинами волн в различных физических точках одного волокна. Например:
- Позиция 1, расположенная в 10 метрах от начала, оборудуется датчиком с длиной волны отражения \lambda_1 = 1530\text{nm} ;
- Позиция 2, расположенная в 20 метрах от начала, оборудуется датчиком с длиной волны отражения \lambda_2 = 1540\text{nm} ;
- Позиция 3, расположенная в 30 метрах от начала, оборудуется датчиком с длиной волны отражения \lambda_3 = 1550\text{nm} .
Эта взаимная однозначная связь между «физическим пространственным положением» и «определенной длиной волны спектра» записывается в системное программное обеспечение демодулятора в качестве априорных данных при развертывании системы.
3. Динамическая демодуляция и изоляция каналов (назначение полосы пропускания по длине волны)
Когда внешняя среда (например, температура, деформация) изменяется, период \Lambda или показатель преломления n_{eff} FBG в соответствующем положении немного изменяются, вызывая смещение отраженной длины волны (т.е. изменение длины волны \Delta \lambda ).
Чтобы избежать «перекрытия сигналов» или «столкновений» датчиков в разных положениях при смещении, система назначает каждому датчику выделенный «канал длины волны» (безопасная полоса пропускания). Например:
- Длина волны датчика 1 может смещаться в зависимости от физического параметра только в диапазоне от 1528\text{nm} до 1532\text{nm} ;
- Длина волны датчика 2 может смещаться только в диапазоне от 1538\text{nm} до 1542\text{nm} .
Установив такие защитные полосы пропускания, демодулятор может четко определить, от какого конкретного положения исходит изменение сигнала, проанализировав диапазон, в котором находится длина волны отраженного света, даже если физические параметры в нескольких положениях одновременно сильно изменяются (т.е. от какого конкретного физического положения).
Официальные технические продукты OFSCN®
В реальных инженерных приложениях для реализации вышеуказанного разделения WDM и высокоточного демодулирования требуются профессиональные демодуляторы (анализаторы) для волоконных брэгговских решеток и датчики FBG с несколькими точками измерения. DaCheng YongSheng (OFSCN®) предлагает соответствующие профессиональные устройства и датчики:
1. OFSCN® Fiber Bragg Grating Interrogator
Это ядро всей системы WDM. Он излучает широкополосный свет в волокно и использует встроенный модуль анализа спектра с высоким разрешением для отслеживания изменений пиков отражения каждой длины волны («цвета») в каждом канале в реальном времени.
- Диапазон длин волн: по умолчанию от 1525\text{nm} до 1565\text{nm} или от 1528\text{nm} до 1568\text{nm} (несколько датчиков FBG могут быть демодулированы параллельно в пределах полосы пропускания около 40\text{nm} );
- Количество каналов: поддержка настроек для 4, 8, 16, 32 каналов, каждый физический канал может подключать несколько датчиков через WDM;
- Разрешение по длине волны: по умолчанию 1\text{pm} или 0.1\text{pm} .
Изображения стандартных продуктов:
2. Многоточечные датчики FBG (последовательное WDM)
Из-за ограничений диапазона сканирования длин волн демодулятора (например, 40\text{nm} ) каждая точка измерения требует определенного интервала длин волн при изменении в полном диапазоне (например, при изменении температуры на 100°C длина волны смещается примерно на 1\text{nm} ). DaCheng YongSheng поддерживает настройку нескольких точек измерения FBG с различными длинами волн, последовательно соединенных на одном оптоволоконном датчике:
- OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor: рекомендуется до 10 точек измерения температуры FBG в одном датчике;
- OFSCN® 500°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor: рекомендуется до 5 точек измерения температуры FBG в одном датчике.
Благодаря точному проектированию спектрального мультиплексирования (WDM), эти многоточечные датчики могут использовать одно сердцевину волокна для одновременного и независимого измерения точных физических изменений в различных точках на протяжении нескольких метров или десятков метров.