Können wir mehrere Splitter in Reihe schalten, um ein Netzwerk mit Hunderten oder Tausenden von Messpunkten aufzubauen?
In der praktischen FBG-Sensorik (Fiber Bragg Grating) ist es nicht möglich, durch unbegrenztes Kaskadieren von optischen Splittern ein Netzwerk mit Hunderten oder Tausenden von Messpunkten aufzubauen. Obwohl theoretisch Baumtopologien mit mehrstufigen Splittern möglich sind, wird diese Art von Design in realen physikalischen Systemen und technischen Anwendungen durch die strengen physikalischen Einschränkungen der optischen Leistungsbilanz (Dämpfung) und des Wellenlängen-Demodulationsprinzips (Spektralbandbreite) stark eingeschränkt.
1. Zwei zentrale physikalische Einschränkungen von kaskadierten optischen Splittern
1. Optische Leistungsverlustgrenze (Optical Power Budget)
Optische Splitter sind passive Leistungsverteilungsbausteine. Jedes Mal, wenn ein optisches Signal geteilt wird, halbiert sich seine optische Leistung oder nimmt proportional ab.
- Ein Nenn- 1 \times 2 -Optik-Splitter führt eine inhärente Verteilungsdämpfung von mindestens 3\ \text{dB} ein (ohne übermäßige Einfügedämpfung des Geräts und Verluste an Faseranschlüssen).
- Bei mehrstufiger Kaskadierung (z. B. Verwendung von drei Ebenen von 1 \times 8 -Splittern für eine baumartige Reihenschaltung, d. h. 8 \times 8 \times 8 ) beträgt die reine Leistungsverteilungsdämpfung:\text{Loss} \approx 3 \times 9\ \text{dB} = 27\ \text{dB}
- Die meisten hochpräzisen FBG-Demodulatoren haben einen Dynamikbereich zwischen 30\ \text{dB} und 40\ \text{dB} . Bei zu vielen Kaskadierungsstufen liegt das von den FBG-Sensoren zum Demodulator zurückkehrende optische Signal unterhalb des Rauschbodens (Noise Floor) des Photodetektors, was dazu führt, dass der Demodulator die Reflexionsspitzen nicht erkennen und erfassen kann und das System ausfällt.
2. Wellenlängenüberlappung und logische Kanaleinschränkungen (Wavelength Constraints)
In herkömmlichen wellenlängenmultiplexen (WDM) FBG-Systemen, wenn ein physikalischer Kanal durch einen Splitter in mehrere Zweige aufgeteilt wird, gehören diese logisch immer noch zum selben physikalischen Kanal, auch wenn es physisch mehrere Zweige gibt.
- Die Spektralbandbreite des Demodulators ist begrenzt (z. B. das Wellenlängenfenster eines herkömmlichen Demodulators reicht von 1525\ \text{nm} bis 1565\ \text{nm} , insgesamt 40\ \text{nm} ).
- Die Reflexionswellenlängen der FBG-Sensoren, die an allen Zweigen angeschlossen sind, dürfen sich absolut nicht überlappen. Wenn für jeden FBG-Sensor eine physikalische Driftbandbreite von 2\ \text{nm} aufgrund von Temperatur- oder Dehnungsänderungen vorgesehen werden muss, beträgt die maximale Anzahl von Sensoren, die in diesem physikalischen Port untergebracht werden können, immer noch etwa 20 Stück ( 40\ \text{nm} / 2\ \text{nm} = 20 ).
- Selbst wenn der Splitter 64 Zweige erzeugt, kann der Demodulator nicht unterscheiden, welcher Zweig einen Wellenlängen-Drift aufweist, wenn sich die Wellenlängen der Sensoren in diesen 64 Zweigen überlappen.
2. Wie baut man ein großes FBG-Netzwerk mit Hunderten oder Tausenden von Messpunkten korrekt auf?
Für die Bereitstellung von Netzwerken mit Hunderten oder Tausenden von Messpunkten in großen Überwachungsprojekten werden in der Branche üblicherweise die folgenden Lösungen angewendet:
1. Verwendung von FBG-Demodulatoren mit hoher Anzahl unabhängiger physikalischer Kanäle
Durch Erhöhung der Anzahl vollständig unabhängiger physikalischer Kanäle erhält jeder Kanal eine eigene Lichtquelle, einen eigenen Photodetektor und ein vollständiges 40\ \text{nm} -Wellenlängenfenster. Der Lichtleistungsaustausch zwischen den Kanälen stört sich nicht, und die Wellenlängen können sich vollständig überlappen.
Der OFSCN® Fiber Bragg Grating Interrogator bietet Hardware-Unterstützung für hohe Kanalzahlen, mit anpassbaren Kanalzahlen von 4, 8, 16 oder 32 Kanälen. Durch die Verwendung von Mehrkanal-Demodulatoren kann die Messpunktkapazität auf der Ebene physikalischer Kanäle direkt um ein Vielfaches erhöht werden.
2. Durchführung einer angemessenen einstufigen Kanaleerweiterung (strenger Wellenlängenplan)
Unter der Voraussetzung, dass sich die Wellenlängen der einzelnen Sensoren nicht überlappen und ein strenger Wellenlängenplan eingehalten wird, können einzelne optische Splitter für eine angemessene Kanaleerweiterung verwendet werden, um die Hardwarekosten pro Kanal zu senken und verschiedene physikalische Bereiche abzudecken.
Mit OFSCN® Optical Fiber Splitters (einschließlich Spezifikationen wie 16x32, 8x16, 4x8, 32x64 usw.) können in großen Projekten in Verbindung mit OFSCN® FBG-Demodulatoren ein einzelner physikalischer Kanal auf 2 oder 3 Zweige erweitert werden. Es wird empfohlen, nur eine einzige Stufe der Teilung durchzuführen, um die starke Dämpfung der optischen Leistung durch mehrstufige Kaskadierung zu vermeiden und die langfristige Stabilität und genaue Demodulation des FBG-Sensorsystems zu gewährleisten.
