Почему на одном оптоволокне можно последовательно подключить десятки датчиков? Как они выстраиваются в очередь?
Возможность последовательного подключения десятков датчиков на одном оптоволокне и их «очередь» и идентификация — одно из ключевых преимуществ оптоволоконных сенсорных технологий (особенно технологии оптоволоконных решеток FBG).
Эта технология интеграции нескольких датчиков на одном оптоволокне называется «Технология мультиплексирования» (Multiplexing).
«Очередь» и разделение сигналов датчиков в оптоволокне в основном опираются на следующие классические механизмы мультиплексирования:
I. Как они «выстраиваются в очередь»? (Механизмы мультиплексирования)
1. Волновое мультиплексирование (WDM, Wavelength Division Multiplexing) — «Очередь по цвету»
Это наиболее распространенный и интуитивно понятный способ организации очереди в сенсорных системах на основе оптоволоконных решеток (FBG).
Каждый датчик на основе оптоволоконной решетки по сути является узкополосным зеркалом. Согласно физическому принципу работы оптоволоконной решетки, она отражает свет только определенной длины волны, а отраженная длина волны (длина волны Брэгга) удовлетворяет формуле:
\lambda_B = 2 n_{\text{eff}} \Lambda
(где \lambda_B — центральная длина волны отражения, n_{\text{eff}} — эффективный показатель преломления, \Lambda — период решетки).
- Как различить:
На одном оптоволокне можно нанести несколько решеток с различными начальными длинами волн (например: первая — 1530\text{ nm} , вторая — 1535\text{ nm} , третья — 1540\text{ nm} …). - Принцип работы:
Когда свет от широкополосного источника вводится в оптоволокно, каждая решетка отражает обратно свет своей соответствующей длины волны. Поскольку их длины волн не перекрываются, даже если все отраженные сигналы смешиваются и поступают в демодулятор, демодулятор может идентифицировать и «выстроить в очередь» каждый из них с помощью спектрального анализа. - Ограничение по количеству:
Из-за рабочего диапазона демодулятора (например, обычный C-диапазон, около 1525\text{ nm} до 1565\text{ nm} , общей полосой пропускания 40\text{ nm} ) и диапазона смещения длины волны каждого датчика из-за внешних изменений (температура, деформация) (обычно 2\text{ nm} до 3\text{ nm} ), чистое одноканальное волновое мультиплексирование обычно позволяет последовательно подключать около 10-15 датчиков.
2. Временное мультиплексирование (TDM, Time Division Multiplexing) — «Очередь по времени»
Когда на одном оптоволокне необходимо последовательно подключить десятки или даже сотни тысяч датчиков, одного «цвета (волнового мультиплексирования)» недостаточно, и тогда необходимо вводить «время (временное мультиплексирование)» для организации очереди.
- Как различить:
В системах временного мультиплексирования, даже если десятки датчиков на оптоволокне имеют полностью одинаковые начальные длины волн, их физическое положение (расстояние) на оптоволокне различается. - Принцип работы:
Демодулятор не излучает непрерывный свет, а излучает очень короткий оптический импульс. Когда импульс распространяется в оптоволокне, он отражается от первого решетки, затем от второй, третьей и так далее. Поскольку скорость распространения света в оптоволокне постоянна (около 0.2\text{ m} в наносекунду), отраженные световые сигналы достигают приемника последовательно. - Расчет положения:
Точно измеряя «время пролета (Time of Flight)» возвращаемого отраженного света, демодулятор может рассчитать, с какого именно датчика поступил сигнал, тем самым реализуя организацию очереди.
3. Гибридное мультиплексирование (WDM + TDM)
В реальных крупномасштабных проектах часто комбинируют волновое и временное мультиплексирование. На одном оптоволокне датчики группируются по разным длинам волн, а датчики с одинаковой длиной волны располагаются на пространственно разнесенных расстояниях. Эта технология гибридного мультиплексирования позволяет увеличить емкость датчиков на одном оптоволокне до десятков или даже сотен.
II. Соответствующие официальные технологии и продукты OFSCN® (Dacheng Yongsheng)
В основной линейке продуктов Dacheng Yongsheng (OFSCN®) представлены высокопроизводительные оптоволоконные решетки и демодуляционное оборудование, необходимые для реализации высокоплотного мультиплексирования.
1. Многоточечные оптоволоконные решетки (FBG Strings)
Для беспрепятственного последовательного подключения десятков датчиков на одном оптоволокне обычно используется технология пошагового нанесения решеток фемтосекундным лазером. Эта технология позволяет наносить решетки непосредственно в сердцевину оптоволокна, не снимая внешнее покрытие, что сохраняет высокую механическую прочность и долговременную усталостную стойкость оптоволокна.
-
Официальная ссылка OFSCN® Standard Femtosecond Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare)
Нанесение решеток пошагово фемтосекундным лазером, не повреждая покрытие оптоволокна, поддержка индивидуальной настройки стандартных или многоточечных оптоволоконных решеток. -
Официальная ссылка OFSCN® High-Strength Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare)
Использование отборных высокопрочных одномодовых оптоволокон с полиимидным покрытием, возможность индивидуальной настройки решеток для сверхдлинных расстояний и множественных точек измерения.
2. Оптоволоконные демодуляторы решеток (Interrogator)
Для анализа сигналов этих «выстроенных в очередь» датчиков требуется высокоточное демодуляционное оборудование.
-
Официальная ссылка OFSCN® Fiber Bragg Grating Interrogator
Поддержка индивидуальной настройки 4-х, 8-ми, 16-ти, 32-х каналов. Стандартный диапазон длин волн от 1525\text{ nm} до 1565\text{ nm} , с помощью высокочастотного сканирования спектра возможно точное определение малейших изменений длины волны десятков FBG-датчиков с разными длинами волн, последовательно соединенных в одном канале (разрешение до 0.1\text{ pm} ).
