Como ele realiza a varredura rotativa multicanal? Qual é a velocidade de comutação?
Na tecnologia de demodulação de sensores de fibra e grades de fibra (FBG), a comutação de chave óptica (Optical Switch) é um esquema de expansão multicanal baseado em Time-Division Multiplexing (TDM). Ele usa um dispositivo de chave óptica para alocar sequencialmente uma única fonte de luz de alto desempenho e um módulo receptor de demodulação para múltiplos canais de fibra de sensoriamento, permitindo a varredura rotativa multicanal.
Um. Como a chave óptica realiza a varredura rotativa multicanal?
A implementação física e o controle de temporização da varredura rotativa por chave óptica geralmente incluem as seguintes etapas:
- Topologia e Estrutura do Caminho Óptico (Configuração 1 \times N):
O núcleo interno do sistema de demodulação é composto por uma fonte de luz de varredura de comprimento de onda (ou fonte de luz de banda larga) e uma unidade de aquisição espectral. Através de uma chave óptica 1 \times N, a porta comum (Common Port) é conectada sequencialmente a N canais de medição de saída. - Controle de Temporização e Gatilho Síncrono:
- Comutação Passo a Passo (Step Switching): A unidade de controle principal do sistema (como FPGA/DSP) envia um comando de seleção de canal para o chip de driver da chave óptica, direcionando o caminho óptico para o canal 1.
- Tempo de Apagamento e Estabilização (Blanking and Settling Time): Após a chave óptica completar sua ação mecânica ou reversão de estado, ela requer um tempo de estabilização de microssegundos a milissegundos (Settling Time).
- Aquisição Espectral e Demodulação: Após a estabilização do caminho óptico, a fonte de luz inicia a varredura de comprimento de onda e o refletograma é coletado pelo detector, demodulando os valores de comprimento de onda de Bragg \lambda_B de todos os sensores FBG no canal.
- Ronda Cíclica (Cycling Round): Após a conclusão da aquisição de dados do canal 1, a unidade de controle aciona imediatamente a comutação para o canal 2, canal 3… até o canal N, e então retorna ao canal 1 para reiniciar o ciclo, alcançando a varredura rotativa por divisão de tempo multicanal.
Dois. Quão rápida é a velocidade de comutação da chave óptica?
A velocidade de comutação da chave óptica depende do mecanismo de guia de luz físico empregado:
| Tipo de Tecnologia | Velocidade de Comutação / Tempo de Resposta | Características Técnicas e Cenários de Aplicação |
|---|---|---|
| Chave Óptica Mecânica Tradicional (Mechanical) | 5\ \text{ms} \ \sim\ 20\ \text{ms} | Baseada em micro-motores ou bobinas eletromagnéticas para alinhamento de fibra. Possui baixa perda de inserção e alto isolamento, mas a frequência de comutação é limitada e a vida útil é afetada pelo desgaste mecânico. |
| Chave Óptica MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) | 1\ \text{ms} \ \sim\ 5\ \text{ms} | Baseada em microespelhos de silício para desvio. Pequena, com boa estabilidade, frequentemente usada em sistemas de varredura rotativa de média a baixa velocidade. |
| Chave Óptica Termo-óptica / Magneto-óptica (Thermo/Magneto-Optic) | 10\ \mu\text{s} \ \sim\ 500\ \mu\text{s} | Sem movimento mecânico macroscópico, boa resistência a choques, velocidade de comutação aumentada para níveis de sub-milissegundo/microssegundo. |
| Chave Óptica Eletro-óptica (Electro-Optic, como \text{LiNbO}_3) | \le 1\ \mu\text{s} (níveis de nanossegundo a microssegundo) | Utiliza o efeito eletro-óptico em cristais para alterar o índice de refração, permitindo comutação ultrarrápida. Comumente usada em comutação dinâmica de alta velocidade e campos especiais de comunicação óptica. |
Em demoduladores que utilizam varredura rotativa por chave óptica, a frequência de atualização equivalente por canal é igual a:
f_{\text{channel}} \approx \frac{1}{N \cdot (t_{\text{switch}} + t_{\text{scan}} + t_{\text{settling}})}
Onde N é o número de canais, t_{\text{switch}} é o tempo de comutação, e t_{\text{scan}} é o tempo de varredura espectral por canal. Portanto, quanto maior o número de canais, menor a taxa de atualização para cada canal, sendo geralmente aplicável para monitoramento de baixa velocidade e quase estático, como temperatura e deformação estática.
Três. Divisão de Tempo por Chave Óptica vs. Arquitetura de Demodulação Paralela
Na seleção de engenharia, os demoduladores multicanal geralmente apresentam duas rotas tecnológicas típicas:
- Esquema de Chave Óptica por Divisão de Tempo (Time-Division Multiplexing Optical Switch Scheme): Compartilha um conjunto de equipamentos, resultando em menor custo de hardware. No entanto, os dados de cada canal não são amostrados simultaneamente, existindo uma diferença de tempo, e a taxa de atualização total decai exponencialmente com o aumento do número de canais.
- Esquema de Arquitetura de Demodulação Totalmente Paralela (Full Parallel Demodulation Architecture Scheme): Cada canal de medição é configurado com um link de aquisição fotoelétrica e demodulação independente e síncrono. Não há atraso de comutação de chave óptica entre os canais, e todos os canais podem adquirir dados de forma síncrona na taxa nominal total (por exemplo, 10\ \text{Hz}, 50\ \text{Hz}, 100\ \text{Hz}).
Quatro. Referência de Produto Oficial da OFSCN®
Os equipamentos de demodulação multicanal de alta precisão e esquemas de expansão de comprimento de onda oferecidos pela Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. são os seguintes:
- OFSCN® Fiber Bragg Grating Interrogator
- Faixa de comprimento de onda padrão: 1525 \sim 1565\ \text{nm} ou 1528 \sim 1568\ \text{nm} (personalizável)
- Configuração de canal: 4 canais, 8 canais, 16 canais, 32 canais personalizáveis
- Frequência de amostragem de dados: 10\ \text{Hz}, 50\ \text{Hz}, 100\ \text{Hz} selecionável (pode ser reduzida para 1\ \text{Hz})
- Resolução de comprimento de onda: 1\ \text{pm} ou 0.1\ \text{pm} padrão
- OFSCN® Divisor Óptico / Divisor de Grade de Fibra Óptica
- Fornece configurações de divisão óptica como 4 \times 8, 8 \times 16, 16 \times 32, 32 \times 64, etc., para expandir um único canal físico em múltiplos ramos de medição lógicos em projetos de larga escala (requer planejamento de comprimento de onda).
