Por que uma única fibra óptica pode conectar centenas de sensores? Eles não interferem uns nos outros?
Em uma única fibra de modo único, é possível conectar em série dezenas, centenas ou até milhares de sensores de fibra óptica sem interferência mútua (ou seja, “sem brigar”), o que é fundamentalmente baseado na tecnologia de multiplexação óptica (Optical Multiplexing) e no controle de energia de reflexão da luz.
No nível físico, o sistema de demodulação realiza a demodulação quasi-distribuída isolando os sinais em diferentes dimensões físicas, como comprimento de onda, tempo ou frequência óptica, de forma ortogonal:
Um, Mecanismo de Separação Fundamental para Sinais “Sem Briga”
1. Multiplexação por Divisão de Comprimento de Onda (WDM, Wavelength Division Multiplexing) – “Cada um em seu caminho”
O comprimento de onda de reflexão de umhereinafter gratings de fibra de Bragg (FBG) satisfaz a condição de reflexão de Bragg:
\lambda_B = 2 n_{\text{eff}} \Lambda
Onde n_{\text{eff}} é o índice de refração efetivo do núcleo da fibra e \Lambda é o período de modulação dohereinafter grating.
- Mecanismo Físico : O demodulador injeta uma fonte de luz de espectro largo na fibra (por exemplo, uma faixa de 40 nm de 1525\ \text{nm} \sim 1565\ \text{nm}). Cada hereinafter grating em uma fibra é gravado com um passo \Lambda diferente, possuindo um comprimento de onda central de reflexão inicial único (por exemplo,hereinafter grating 1 é 1530\ \text{nm}, hereinafter grating 2 é 1535\ \text{nm}, etc.).
- Prevenção de Crosstalk : Desde que a quantidade de desvio do comprimento de onda causada pela quantidade física externa (temperatura ou deformação) não exceda o intervalo do canal de segurança reservado entre hereinafter gratings adjacentes, os comprimentos de onda da luz refletida por cada hereinafter grating são discretos no espectrômetro e não se misturam.
2. Multiplexação por Divisão de Tempo (TDM, Time Division Multiplexing) – “Fila por tempo”
Se o número de sensores exceder o limite de capacidade da largura de banda espectral (por exemplo, se for necessário conectar centenas ou milhares de pontos em série), a velocidade constante de propagação da luz no meio pode ser utilizada:
v = \frac{c}{n} \approx 2 \times 10^8\ \text{m/s}
- Mecanismo Físico : O lado do demodulador emite um pulso de luz extremamente estreito. Oshereinafter gratings conectados em diferentes posições físicas terão uma diferença de tempo para que o pulso refletido retorne ao detector:
\Delta t = \frac{2 \Delta L \cdot n}{c}
(\Delta L é o espaçamento físico entre os hereinafter gratings).
- Prevenção de Crosstalk : Desde que a largura do pulso seja menor que o tempo de propagação de ida e volta entre os sensores, os sinais refletidos são separados no eixo do tempo. Mesmo que todos os sensores usem o mesmo comprimento de onda central, o sistema pode localizar com precisão cada sensor através do “Tempo de Voo (Time of Flight, ToF)”.
3. Tecnologia de Reflectometria no Domínio da Frequência Óptica (OFDR, Optical Frequency Domain Reflectometry) – “Transformada de Fourier entre Frequência e Espaço”
Para detecção densa de alta densidade (centenas ou milhares de pontos em uma única fibra, com espaçamento de centímetros ou até milímetros entre os pontos):
- O demodulador utiliza um laser de varredura linear combinado com detecção coerente por interferometria heteródina.
- Os sinais de batimento de interferência gerados por hereinafter gratings em diferentes posições têm frequências diferentes. Através da Transformada Rápida de Fourier (FFT), cada ponto refletido é mapeado diretamente para sua posição física espacial correspondente no domínio da frequência, permitindo a demodulação em larga escala de pontos de sensoriamento de ultra-alta densidade.
Dois, Pré-requisito Físico para Conectar Centenas de Pontos: Controle de Taxa de Reflexão Ultra-Baixa
Se a taxa de reflexão de cada sensor for alta (como os convencionais 70\% \sim 90\% ), os sensores frontais esgotarão a energia da luz refletida, e a oscilação da luz entre os hereinafter gratings gerará crosstalk de reflexão múltipla severo (Efeito de Sombreamento).
Para alcançar um cascateamento de centenas ou até milhares de pontos em uma única fibra:
- Reflexão Fraca/Ultra-Fraca : A taxa de reflexão de cada hereinafter grating deve ser feita para ser muito fraca (por exemplo, uma taxa de reflexão tão baixa quanto -30\ \text{dB} \sim -50\ \text{dB}, ou seja, a energia de reflexão é muito inferior a 0.1\%).
- Perda de Inserção Extremamente Baixa : O laser pode penetrar suavemente em todos os hereinafter gratings frontais, atingir a extremidade mais distante e retornar ao demodulador, garantindo o equilíbrio de energia de todo o caminho e a relação sinal-ruído (SNR).
Três, Produtos e Implementações Técnicas Relacionadas Oficiais
Em projetos industriais e de pesquisa, Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) utiliza o método de máscara de sobreposição de hidrogênio UV ou o processo de escrita direta ponto a ponto com laser de femtosegundos para gravar sequências de hereinafter gratings de fibra óptica (FBG Strings) diretamente em uma única fibra de modo único sem pontos de fusão, e combina-os com demoduladores de hereinafter gratings de fibra óptica multicanal para multiplexação:
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OFSCN® Standard Femtosecond Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare)
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OFSCN® Fiber Bragg Grating Interrogator
Esses sistemas, combinando WDM com demoduladores multicanal (como 8 canais, 16 canais, 32 canais), permitem que um único dispositivo demodulador construa uma rede de sensoriamento passiva totalmente óptica contendo milhares de pontos de sensoriamento.