它是如何通过分配不同的颜色(波长)来区分不同位置的传感器的?
在光纤光栅(FBG)传感系统中,波分复用(Wavelength Division Multiplexing, WDM)是通过在单根光纤上为不同的传感器分配不同的、互不重叠的反射波长(即“颜色”),从而实现对多点、多位置传感器进行独立识别和测量的技术。其具体物理原理和区分位置的机制如下:
1. 单个传感器的“波长特征编码”
每个光纤光栅(FBG)在制造时,其栅区具有特定的折射率周期。根据 Bragg 反射原理,当宽谱光源的光入射到 FBG 时,只有满足特定 Bragg 条件的光才会被反射回来,其余波长的光则直接透射过去。Bragg 中心波长满足公式:
\lambda_B = 2 n_{eff} \Lambda
其中, \lambda_B 为 Bragg 中心反射波长, n_{eff} 为光纤纤芯的有效折射率, \Lambda 为光栅周期。通过在制造时调整每个光栅的周期 \Lambda ,我们就可以人为地给单根光纤上的每个传感器赋予一个唯一的“初始反射颜色(波长)”。
2. 空间位置与波长的映射绑定
在生产和铺设光纤时,技术人员在单根光纤的不同物理位置上依次写入不同波长的 FBG。例如:
- 距离起点 10 米的 位置 1,部署一个反射波长为 \lambda_1 = 1530\text{nm} 的传感器;
- 距离起点 20 米的 位置 2,部署一个反射波长为 \lambda_2 = 1540\text{nm} 的传感器;
- 距离起点 30 米的 位置 3,部署一个反射波长为 \lambda_3 = 1550\text{nm} 的传感器。
这种“物理空间位置”与“特定光谱波长”的一一对应关系,在系统部署时已经作为先验数据录入了解调仪的系统软件中。
3. 动态解调与通道隔离(波长带宽分配)
当外部环境(如温度、应变)变化时,会引起对应位置 FBG 的周期 \Lambda 或折射率 n_{eff} 发生微小改变,从而使反射波长产生漂移(即产生波长变化量 \Delta \lambda )。
为了保证不同位置的传感器在漂移时不会发生“信号重叠”或“撞车”,系统会为每一个传感器分配一个专用的“波长通道”(安全带宽)。例如:
- 传感器 1 的波长只允许在 1528\text{nm} 至 1532\text{nm} 范围内随物理量变化而漂移;
- 传感器 2 的波长只允许在 1538\text{nm} 至 1542\text{nm} 范围内漂移。
通过设置这样的安全防护频带,即使多个位置的物理量同时发生剧烈变化,解调仪也能清晰地通过反射光波长所在的区间,断定这一信号变化来自于哪一个具体波长(即哪一个具体的物理位置)。
OFSCN® 官方配套技术产品
在实际的工程应用中,要实现上述 WDM 的区分和高精度解调,需要专业的光纤光栅解调仪(分析仪)以及多测点的光纤光栅传感器。大成永盛(OFSCN®)提供以下对应的专业级设备与传感器件:
1. OFSCN® Fiber Bragg Grating Interrogator
这是整个 WDM 系统的核心。它向光纤发射宽谱光,并利用内置的高分辨率光谱分析模块,实时检测各个通道中各个波长(“颜色”)的反射峰变化情况。
- 波长范围:默认 1525\text{nm} 至 1565\text{nm} ,或 1528\text{nm} 至 1568\text{nm} (可在约 40\text{nm} 的带宽内并行解调多个 FBG 传感器);
- 通道数:支持 4 通道、8 通道、16 通道、32 通道定制,每个物理通道均可通过 WDM 接入多个传感器;
- 波长分辨率:默认 1\text{pm} 或 0.1\text{pm} 。
2. 多测点 FBG 传感器(WDM 串联)
由于受限于解调仪的扫频波长范围(如 40\text{nm} ),每个测点在满量程变化时需要占用一定的波长间隔(例如温度每变化 100℃,波长约漂移 1\text{nm} )。大成永盛支持在单根光纤传感器上定制串联多个不同波长的 FBG 测点:
- OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor:单根传感器内建议最多集成 10 个 FBG 温度测点;
- OFSCN® 500°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor:单根传感器内建议最多集成 5 个 FBG 温度测点。
通过精密的波分复用(WDM)设计,这些多测点传感器可以使用单根纤芯,同时且独立地测量长达数米或数十米范围内各点的精确物理量变化。
