Wie können Dutzende von Sensoren über eine einzige Glasfaser nacheinander verbunden werden? Wie ordnen sie sich an?
Das Verketten von Dutzenden von Sensoren auf einer einzigen Glasfaser und deren „Reihenfolge“ und Identifizierung ist einer der Kernvorteile der Glasfaser-Sensortechnologie (insbesondere der FBG-Glasfaser-Sensortechnologie).
Diese Technik, die mehrere Sensoren auf einer einzigen Glasfaser integriert, wird als „Multiplexing-Technik“ bezeichnet.
Die „Reihenfolge“ und Signalunterscheidung der Sensoren in der Glasfaser hängt hauptsächlich von den folgenden klassischen physikalischen Multiplexing-Mechanismen ab:
I. Wie „ordnen“ sie sich? (Multiplexing-Mechanismen)
1. Wellenlängen-Multiplexing (WDM, Wavelength Division Multiplexing) – „Reihenfolge nach Farbe“
Dies ist die gebräuchlichste und intuitivste Art der Reihenfolge in der FBG-Glasfaser-Sensorik.
Jeder FBG-Sensor ist im Wesentlichen ein Schmalband-Reflektor. Gemäß dem physikalischen Prinzip des FBG reflektiert er nur Licht einer bestimmten Wellenlänge. Die reflektierte Wellenlänge (Bragg-Wellenlänge) erfüllt die Formel:
\lambda_B = 2 n_{\text{eff}} \Lambda
(wobei \lambda_B die zentrale Reflektionswellenlänge, n_{\text{eff}} der effektive Brechungsindex und \Lambda die Gitterperiode ist).
- Unterscheidung:
Auf einer einzigen Glasfaser können mehrere Gitter mit unterschiedlichen Anfangswellenlängen geschrieben werden (z. B.: das 1. ist 1530\text{ nm} , das 2. ist 1535\text{ nm} , das 3. ist 1540\text{ nm} …). - Arbeitsablauf:
Wenn das Licht einer Breitbandquelle in die Glasfaser eingespeist wird, reflektiert jedes Gitter Licht seiner entsprechenden Wellenlänge zurück. Da ihre Wellenlängen sich nicht überlappen, kann der Demodulator sie trotz der Mischung aller reflektierten Lichter, die zum Demodulator zurückkehren, durch Spektralanalyse einzeln identifizieren und „in Reihenfolge bringen“. - Anzahlbeschränkung:
Aufgrund der Bandbreite des Demodulators (z. B. das übliche C-Band, etwa 1525\text{ nm} bis 1565\text{ nm} mit einer Gesamtbandbreite von 40\text{ nm} ) und des Wellenlängen-Driftbereichs jedes Sensors, der durch externe Änderungen (Temperatur, Dehnung) verursacht wird (normalerweise 2\text{ nm} bis 3\text{ nm} ), kann reines WDM im Single-Channel-Betrieb normalerweise etwa 10 bis 15 Sensoren seriell schalten.
2. Zeit-Multiplexing (TDM, Time Division Multiplexing) – „Reihenfolge nach Zeit“
Wenn Dutzende oder sogar Hunderte oder Tausende von Sensoren auf einer Glasfaser seriell geschaltet werden müssen, reicht die „Farbe (Wellenlänge)“ allein nicht aus. Zu diesem Zeitpunkt muss die „Zeit (Zeit-Multiplexing)“ zur Reihenfolge hinzugefügt werden.
- Unterscheidung:
In einem Zeit-Multiplexing-System sind Dutzende von Sensoren auf der Glasfaser auch dann, wenn sie vollständig identische Anfangswellenlängen haben, physisch unterschiedlich positioniert (Abstand). - Arbeitsablauf:
Der Demodulator sendet kein kontinuierliches Licht aus, sondern einen extrem kurzen Lichtpuls. Wenn der Lichtpuls in der Glasfaser propagiert, reflektiert er einen Teil des Lichts, wenn er auf das 1. Gitter trifft, und reflektiert anschließend, wenn er auf das 2. und 3. Gitter trifft. Da die Lichtgeschwindigkeit in der Glasfaser konstant ist (etwa 0.2\text{ m} pro Nanosekunde), kommen diese zurückkehrenden Lichtsignale nacheinander am Empfänger an. - Positionsberechnung:
Durch präzise Messung der „Flugzeit (Time of Flight)“ des zurückkehrenden reflektierten Lichts kann der Demodulator die Position des Sensors ermitteln, von der das Signal stammt, und so die Reihenfolge herstellen.
3. Hybrid-Multiplexing (WDM + TDM)
In großen Ingenieurprojekten werden Wellenlängen-Multiplexing und Zeit-Multiplexing oft kombiniert. Auf einer einzigen Glasfaser gibt es sowohl Gruppen von Sensoren mit unterschiedlichen Wellenlängen als auch räumlich getrennte Sensoren mit derselben Wellenlänge. Diese Hybrid-Multiplexing-Technik kann die Sensor-Kapazität auf einer einzigen Glasfaser auf Dutzende oder sogar Hunderte erweitern.
II. Zugehörige OFSCN® (DaCheng YongSheng) Offizielle Technologie und Produkte
In der Kernproduktreihe von DaCheng YongSheng (OFSCN®) werden Hochleistungs-Gitter-Strings und Demodulationsgeräte bereitgestellt, die für hochdichte, Multi-Point-Multiplexing-Anwendungen unerlässlich sind.
1. Multi-Point FBG Strings
Um Dutzende von Sensoren verlustfrei auf einer einzigen Glasfaser seriell zu schalten, wird üblicherweise die Femtosekunden-Laser-Punkt-für-Punkt-Schreibtechnik verwendet. Diese Technik ermöglicht das Schreiben von Gittern direkt im Kern der Glasfaser, ohne die äußere Beschichtung der Glasfaser abzuziehen, wodurch die extrem hohe mechanische Festigkeit und Langzeit-Ermüdungsbeständigkeit der Glasfaser erhalten bleibt.
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OFSCN® Standard Femtosecond Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare) Offizieller Link
Verwendet Femtosekunden-Laser-Punkt-für-Punkt-Schreiben, beschädigt nicht die Glasfaserbeschichtung, unterstützt kundenspezifische Single-Point- oder Multi-Point-FBG-Strings. -
OFSCN® High-Strength Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare) Offizieller Link
Verwendet ausgewählte hochfeste Polyimid-Singlemode-Glasfasern, kundenspezifisch für Langstrecken-, Multi-Messpunkt-Gitter-Strings.
2. Faser-Bragg-Gitter-Demodulator (Interrogator)
Um die Signale dieser „geordneten“ Sensoren zu analysieren, sind hochpräzise Demodulationsgeräte erforderlich.
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OFSCN® Fiber Bragg Grating Interrogator Offizieller Link
Unterstützt kundenspezifische 4-, 8-, 16-, 32-Kanal-Konfigurationen. Der Standard-Wellenlängenbereich beträgt 1525\text{ nm} bis 1565\text{ nm} . Durch Hochfrequenz-Scanspektrumanalyse kann er die winzigen Wellenlängenänderungen von Dutzenden von FBG-Sensoren mit unterschiedlichen Wellenlängen, die im selben Kanal seriell geschaltet sind, präzise erkennen (Auflösung bis zu 0.1\text{ pm} ).
