Warum ist es wichtig, dass es ohne Stromversorgung funktioniert, damit es im Außeneinsatz genutzt werden kann?
Im Bereich der optoelektronischen Technik und der Glasfaserkommunikation sind die physikalischen Mechanismen und die Ingenieurslogik, die es passiven optischen Splittern ermöglichen, ohne Stromversorgung zu arbeiten und sie zu einem Schlüsselbestandteil für die Überwachung in rauen Umgebungen im Freien machen, wie folgt:
Eins: Physikalische Mechanismen: Warum benötigen sie keine Stromversorgung?
Passive optische Splitter werden als „passiv“ bezeichnet, da sie keine aktiven elektronischen Komponenten enthalten, die Lichtsignale in elektrische Signale umwandeln oder externe elektrische Energie für Modulation und Verstärkung nutzen. Ihre Aufteilungsfunktion basiert vollständig auf klassischen physikalischen Übertragungseigenschaften elektromagnetischer Wellen und wird hauptsächlich durch die folgenden beiden mikroskopischen physikalischen Strukturen erreicht:
- Evanescent Field Coupling: Am Beispiel von Fused Biconical Taper (FBT) Splittern. Zwei oder mehr Glasfasern werden bei hohen Temperaturen verschmolzen und zur Seite gezogen, wodurch die Ummantelung der Glasfaser dünner wird und die Kerne einander nahe kommen. Wenn ein Lichtstrahl durch den Kern einer der Glasfasern übertragen wird, durchdringt ein Teil der Lichtenergie als evaneszente Welle und koppelt sich in den Kern der benachbarten Glasfaser ein, wodurch die Lichtleistung aufgeteilt wird.
- Mikroskopische Wellenleiter-Beschränkung: Am Beispiel von Planar Lightwave Circuit (PLC) Splittern. Durch halbleiterbasierte Lithographie-Techniken werden mikroskopische Verzweigungswellenleiterstrukturen auf einem Quarzsubstrat erzeugt. Wenn die Eingangslichtwelle entlang des geometrischen Pfades des Verzweigungswellenleiters propagiert, teilt sich die Lichtleistung auf natürliche Weise im physikalischen Raum auf.
Da dieser Prozess nur die Brechung, Reflexion und Interferenz von Lichtwellen innerhalb des Quarzmediums beinhaltet und keine optoelektronischen oder elektrooptischen Konversionen umfasst, verbraucht er während seines Lebenszyklus keine externe elektrische Energie (Null Stromverbrauch).
Zwei: Warum ist „keine Stromversorgung erforderlich“ der Schlüssel für den Einsatz im Freien?
In Außenumgebungen (wie z. B. bei der Überwachung von Dammstabilität, Hangrutschungen, Hochspannungsleitungen, Öl- und Gaspipelines, Brücken usw.) sind die Überwachungspunkte oft weit verteilt und über große Entfernungen angeordnet. Die „keine Stromversorgungsanforderung“ von passiven Splittern bietet entscheidende technische Vorteile:
- Befreiung von der Abhängigkeit von Strominfrastrukturen im Freien:
Im Freien gibt es in der Regel keine stabile Stromnetzabdeckung. Wenn die Ausrüstung mit Strom versorgt werden muss, müssen Ingenieure teure Langstrecken-Stromkabel verlegen oder Solarmodule und große Batteriespeicher vor Ort installieren. Dies erhöht nicht nur die Kosten für den Systemaufbau (CAPEX) erheblich, sondern birgt auch Ausfallrisiken aufgrund von Regentagen, der reduzierten Leistung von Batterien bei Kälte im Winter usw. Passive Splitter machen die Abhängigkeit vom Stromnetz vollständig überflüssig. - Extrem breiter Betriebstemperaturbereich und hervorragende Umweltverträglichkeit:
Aktive elektronische Komponenten sind sehr empfindlich gegenüber extremen Temperaturen (wie Sonneneinstrahlung im Sommer) oder extremen Minustemperaturen (wie bittere Kälte in der Wildnis) und fallen leicht aus. Sie erfordern normalerweise Heizungen, Lüfter oder thermostatisch geregelte Schutzboxen. Passive Splitter bestehen jedoch nur aus hochstabilen Medienmaterialien wie hochreinem Quarzglas, Keramik-Endstücken und Edelstahlgehäusen, mit praktisch keiner elektronischen Alterung und Ausfallgefahr. Sie können in einem extrem breiten Temperaturbereich stabil arbeiten und weisen eine extrem hohe mittlere Zeit zwischen Ausfällen (MTBF) auf. - Immunität gegen elektromagnetische Störungen und Blitzeinschläge (EMI/RFI-Immunität):
Umgebungen wie die Wildnis und Hochspannungsleitungen sind sehr anfällig für Blitzeinschläge und starke elektromagnetische Störungen. Passive Splitter sind vollständig dielektrische Strukturen ohne metallische leitende Stromkreise, sind vollständig immun gegen Blitzinduktion und starke elektromagnetische Störungen mit hoher Spannung und weisen eine extrem hohe elektrische Sicherheit auf. - Intrinsische Sicherheit und Explosionsschutz:
In explosionsgefährdeten Umgebungen wie Öl- und Gaspipelines, Kohlebergwerken, Chemiebehältern usw. ist jeder elektrische Funke eine tödliche Gefahr. Passive Splitter haben während des Betriebs keinen durchfließenden Strom und erzeugen keine Funken, wodurch sie von Natur aus „intrinsisch sichere“ Geräte sind.
Drei: Anwendung in Faser-Bragg-Gitter (FBG) Sensornetzwerken
In verteilten Faser-Bragg-Gitter (FBG)-Sensorsystemen ist die Anzahl der physikalischen Kanäle eines einzelnen FBG-Demodulators normalerweise begrenzt. Um die Kanalauslastung eines einzelnen Instruments zu verbessern, werden in der Regel hochwertige passive Splitter in Außenstellen eingesetzt, um die Kanäle zu erweitern.
Beispielsweise ist der OFSCN® Optical Fiber Splitter, der von Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. hergestellt wird, ein passives Produkt, das speziell für solche Anwendungen entwickelt wurde.
Haupttechnische Daten und passende Anwendungen:
- Kernspezifikationen: Betrieb bei Raumtemperatur, mit Hochtemperaturversionen, die bis zu 250\ \text{C}^{\circ} aushalten, erhältlich. Gängige Modelle umfassen 16 \times 32 Splitter, 8 \times 16 Splitter, 4 \times 8 Splitter und 32 \times 64 Splitter.
- Kanalexpansionsanwendung: In großen Überwachungsprojekten wird diese Serie von Splittern häufig in Verbindung mit dem OFSCN® FBG Demodulator eingesetzt. Durch die physikalische Erweiterung eines physikalischen Kanals des Demodulators in zwei oder drei Zweige im Freien wird die logische Kanalanzahl erweitert und die Gesamtkosten für den Bau von Sensoren pro Kanal erheblich gesenkt.
- Designanforderungen: Diese Methode teilt sich dieselbe spektrale Bandbreite auf physikalischer Ebene. Daher muss ein strenges Wellenlängendesign durchgeführt werden, wenn das System integriert wird, um sicherzustellen, dass alle FBG-Sensoren innerhalb desselben Kanals nicht überlappende reflektierende Spektralbandbreiten haben, um eine Signalüberlagerung zu verhindern.
Indem die demodulatorische Haupteinheit, die eine hochzuverlässige Stromversorgung benötigt, in einem gesicherten Maschinenraum untergebracht wird, während die vollständig passiven OFSCN® Optical Fiber Splitter und FBG-Sensoren in rauen Umgebungen im Freien eingesetzt werden, können Ingenieure ein hochzuverlässiges, langlebiges und kostengünstiges Netzwerk für die Struktursgesundheitsüberwachung im Freien aufbauen.