基于波分復用技術的FBG傳感器線性陣列測溫系統應用研究

黃 祥，李端有，耿 峻

（1.長江科學院工程安全與災害防治研究所，武漢 430010；2.中國長江三峽集團公司三峽樞紐建設運行管理局，湖北宜昌 443133）

基于波分復用技術的FBG傳感器線性陣列測溫系統應用研究

黃 祥1，李端有1，耿 峻2

（1.長江科學院工程安全與災害防治研究所，武漢 430010；2.中國長江三峽集團公司三峽樞紐建設運行管理局，湖北宜昌 443133）

不同的光纖光柵可具有不同的中心波長，利用光通信技術中的波分復用技術，可以實現在一根光纜中同時傳輸多個不同中心波長的光信號，將這些不同波長的光纖光柵傳感器級聯在一根光纜上，構成傳感器線性陣列拓撲結構，則可以實現準分布式的多點測量。將基于波分復用技術的光纖布拉格光柵傳感器線性陣列測溫系統應用于大體積混凝土施工過程中的溫控測量，目前在國內尚不多見。通過在三峽工程升船機塔柱安全監測項目的溫控測量，為延拓光纖布拉格光柵測溫系統的應用范圍積累了一些有益經驗，也為光纖布拉格光柵測溫系統應用于大型水利工程的混凝土溫控測量獲取了寶貴資料。

波分復用（WDM）；光纖布拉格光柵（FBG）；陣列；中心波長；升船機；溫控監測

1 研究背景

光纖光柵是20世紀90年代伴隨著光通信技術的迅速發展而發展起來的一種新型的全光纖無源器件，利用光纖光柵傳感技術可制成溫度、應變、加速度、壓強等多種傳感器。將其作為傳感部件，除了具有普通光纖傳感器體積小、靈敏度高、帶寬寬、抗電磁干擾能力強和耐腐蝕等優點外，光纖光柵的主要優勢是檢測信息為波長編碼具有從10－6～10－2的4個數量級線性響應的絕對測量和良好的重復性；另外，插入損耗低和窄帶的波長反射提供了有利于在一根單模光纖上的復用，可以構成數目龐大的傳感器陣列，易于分布式測量和實時測量及自動化測量［1］。因此，光纖光柵在光纖通信、光纖傳感、光信息處理以及國防、航天航空、機械制造、水利水電、土木建筑、能源化工、生物醫學等諸多領域的科研及工程實際都有著廣闊的應用前景和巨大的市場潛力。

三峽升船機塔柱為高聳薄壁結構，為了解溫度對塔柱筒體變形的影響，為后續金屬結構構件的安裝選擇合適時機，有必要對塔柱混凝土溫度進行監測。

2 光纖光柵測溫系統原理

2.1 光纖光柵傳感基本原理

光纖光柵是利用光纖材料的光敏性，所謂光敏性，是指當激光通過摻雜的光纖時，光纖的折射率隨光強的空間分布發生相應的變化，變化的大小與光強成線性關系并被保存下來而成為光纖光柵，其作用實質上是在纖芯內形成一個窄帶的（透射或反射）濾波器或反射鏡。利用光纖光柵的這一特性，可構成很多性能獨特的光纖無源器件［2］。

光纖光柵傳感器除了具有傳統光纖傳感器的優點外，還有一些明顯優于它的地方，其中最重要的就是光纖光柵傳感器的信號是波長調制型。其好處在于：測量信號不受光源起伏、光纖彎曲損耗、連接損耗和探測器老化等因素的影響；避免了一般干涉型傳感器中相位測量的不清晰和對固有參考點的需要；能方便地使用波分復用技術在一根光纖中串聯多個布拉格光柵進行分布式測量；光纖光柵體型小，容易埋入材料中對其內部的應變和溫度等參量進行高分辨率和大范圍的測量［3］。

光纖光柵的結構及原理見圖1。根據光纖耦合模理論，當寬帶光源射入光纖，將產生模式耦合，FBG光柵將反射回一個中心波長為布拉格波長的窄帶光波，其布拉格波長為

式中：neff是有效折射率；Λ是光柵周期。可見，布拉格波長λB隨neff和Λ的變化而變化，而neff和Λ的改變與應變和溫度有關。應變和溫度分別通過彈光效應和熱光效應影響neff，通過長度改變和熱膨脹效應影響Λ，進而使λB發生移動。通過檢測λB的漂移，即可得知被測物理量的信息，如溫度、應變。當只考慮溫度T的影響，則neff，Λ只是溫度T的函數。設初始光柵所處的溫度場溫度為T0，將λB（T）作泰勒展開并保留一項，則

由式（6）可知，溫度變化ΔT，引起波長漂移ΔλB。利用測得的ΔλB即可實現對溫度的測量。因為線性熱膨脹系數αs較折射率溫度系數要小2個數量級，再加上波導效應本身對波長位移的影響又較彈光效應小許多，所以在分析光纖光柵溫度靈敏度系數時可以完全忽略波導效應產生的影響。

2.2 波分復用基本原理

由于一些被測對象往往不是一個點，而是呈一定空間分布的場，如溫度場、應力場等，為了獲得這一類被測對象的比較完整的剖面信息，需要采用分布調制的光纖傳感系統［4］。FBG傳感器的主要優勢之一正是便于構成傳感網絡。在1個傳感網絡里，包含有2個或更多的傳感器，它們按照一定的拓撲結構（線性陣列、星形、梯形、環形）離散或連續地組合在一起，并通過同一個中心光電終端或接收單元來工作和控制。通過共享光源和電子處理系統可有效降低單位傳感器的費用，從而提高光纖傳感器相對于電子—機械傳感器的競爭力。

波分復用是指將2種或多種各自攜帶有大量信息的不同波長的光載波信號，在發射端經波分復用器匯合，并將其耦合到同一根光纖中進行傳輸，在接收端通過波分解復用器對各種波長的光載波信號進行分離，然后由光接收機接收做進一步的處理，使信號復原。

圖2是一個典型的波分復用FBG傳感器線性陣列系統的原理圖。不同反射波長的多個布拉格光柵沿單光纖長度排列，分別放置于監測對象的多個不同監測部位，當這些部位的待測物理量發生變化時，各個布拉格光柵反射回來的波長編碼信號就攜帶了相應部位的待測物理量的變化信息，通過接收端的波長探測系統進行解碼，并分析布拉格波長位移情況，即可獲得待測物理量的變化情況，從而實現對多個監測對象的實時、在線監測［5］。FBG傳感器線性陣列的規模主要由光源帶寬和待測物理量的動態范圍決定。例如，如果光源帶寬為40 nm，待測物理量的動態范圍為－20～60℃，相應于各光柵的中心波長間隔為0.8 nm，那么該陣列最多可復用50個傳感器。若溫度動態范圍增大，則相應可復用的傳感器數量將減少。

圖1 光纖光柵結構及原理圖Fig.1 Structure and principle of fiber Bragg gating

圖2 WDM FBG傳感器線性陣列原理圖［6］Fig.2 Principle of the linear array of WDM FBG sensors［6］

2.3 FBG傳感器線性陣列測溫系統

波分復用FBG傳感器線性陣列測溫系統的硬件系統包括中心波長為1 550 nm的LED光源、單模光纖、一組中心波長在1 550 nm附近且波長間隔為幾個nm的FBG傳感器、光纖耦合器、三角波發生器、光纖可調諧F-P濾波器、光電轉換電路、系統軟件等。典型結構如圖2所示。

3 工程實例

3.1 工程概況

三峽升船機為齒輪齒條爬升式垂直升船機，最大過船噸位為3 000 t級客貨輪，年單向通過能力350萬t，最大垂直升降高度113 m，上下游通航水位變幅分別為30 m和11.8 m，具有工程規模大、升降高度高、提升重量重、上下游水位變幅大及下游水位變率快的特點，是目前世界上規模最大、技術難度最高的通航建筑物。升船機由上游引航道、上閘首、船廂室、下閘首和下游引航道組成。其中船廂室長119 m，寬57.8 m，建基面高程47.5 m，機房頂部高程217 m，空間最大高度169 m，主要由船廂室混凝土底板、4個混凝土承重塔柱、剪力墻、連接梁和頂部機房等組成［7］。溫度對塔柱筒體變形會產生較大影響，為了給金屬結構部件安裝時機的選擇提供科學依據，設計選取了一個監測斷面布設了光纖光柵溫度計進行溫度測量。

升船機船廂室段塔柱為鋼筋混凝土高聳薄壁結構，壁厚為1.0 m，塔柱混凝土溫度隨年氣溫變化和日照的影響明顯。為了有效控制塔柱混凝土澆筑期間的溫度及了解塔柱變形與溫度的關系，為主體工程后期的金屬結構安裝時機及運行期的管理提供科學依據，設計在3＃和4＃塔柱62.0～186.0 m高程范圍內，按照20 m的高差各布置了7層光纖光柵溫度計（每層3支），2個塔柱共布置了4條測溫線，每層儀器的具體布置情況見圖3。

3.2 監測系統

設計在升船機3＃和4＃塔柱的左右兩側各布置了1條測溫線，光纖光柵測溫系統的框圖見圖4。FBG傳感器采用北京基康公司生產的FBG4700S型（兩端出纖結構）光纖光柵溫度計，傳輸光纜為定制的單模鎧裝光纜，解調設備也是采用該公司生產的分辨率為1 pm、解調精度為±5 pm的FBG8210型便攜式解調儀。另外，由于整個測溫系統僅靠一根光纜傳輸信號，考慮到為了防止工程實際施工過程中因光纜損壞而導致無法采集信號，為此，在最低一層埋設的溫度計的末端熔接了一根單獨的傳輸光纜作為備份觀測通道。

圖3 升船機塔柱光纖光柵溫度計布置圖Fig.3 Layout of fiber Bragg gating sensors on the ship elevator towers

圖4 光纖光柵測溫系統框圖Fig.4 Block diagram of tem peraturemeasuring system of fiber Bragg grating sensors

FBG8210解調儀采用的是可調諧濾波技術進行波長查詢，其光源是利用寬帶光源和可調諧濾波器組成的可調諧光源［8］，它可以在1 525～1 565 nm的范圍內掃描每個光柵的波長，波長帶寬40 nm。由于升船機塔柱的單條測溫線上有21支光纖光柵溫度計，按照每支溫度計的溫度測量范圍為100℃（1.0 nm）考慮，則按照1.5～2.0 nm的波長間隔分配，40 nm的寬帶光源完全可以順利“尋址”每個光柵，即根據獨立變化的中心波長確認每一個光柵。

因目前國內尚無專門的光纖溫度計檢驗率定規范，我們暫按照0.5℃的差限進行檢驗率定的質量控制標準。升船機塔柱測溫項目的所有光纖光柵溫度計在安裝埋設前，均參照傳統電阻溫度計的標定方法進行了標定，并隨即抽取了部分溫度計與電阻溫度計進行了同步聯合標定。標定結果表明，光纖光柵溫度計可以滿足0.5℃的控制標準。目前所有常規監測儀器的溫度標定都是采用的這種方法，因此在光纖溫度計標定時也是參照的這種成熟的標定方法。

3.3 監測成果及分析

升船機塔柱光纖光柵測溫項目自2009年底開始埋設第一批溫度計以來，截至2011年9月初，已經完成了6層共計72支溫度計的安裝埋設工作，目前僅剩最后一層12支儀器因受土建施工進度影響而尚未埋設，各儀器自埋設開始，按照設計及規范要求持續觀測至今，取得了大量的常規觀測和加密觀測數據，為主體工程施工過程中的混凝土溫控及塔柱筒體的溫度變化情況提供了難得的監測資料。

按照設計技術要求，在光纖光柵溫度計埋設24 h內，每4 h觀測1次，1周內每天觀測2次。現分別選取3＃和4＃塔柱部分有代表性的監測成果在此作簡要的分析介紹。

溫度計在混凝土澆筑初期（15 d）的典型監測成果見表1，溫度過程線見圖5（3＃塔柱）和圖6（4＃塔柱）。監測成果表明：在2～3 d內水化熱溫升達到最高值，且塔柱筒體內部中間的實測溫度比兩側的要高近3℃，約7～10 d后，筒體中間與兩側的實測溫度趨同，這是因為塔柱筒體結構厚度僅1 m，筒體兩側受氣溫影響較大；混凝土澆筑后第7 d的混凝土平均溫度為36℃（3＃塔柱）和33℃左右（4＃塔柱），隨后筒體混凝土溫度漸趨平穩。監測結果表明，混凝土溫度均在設計計算允許范圍內。

表1 光纖光柵溫度計監測成果表Table1 Monitoring results by fiber Bragg grating sensors

圖5 3＃塔柱光纖光柵溫度計溫度過程線Fig.5 Duration curves of the tem perature of tower 3＃measured by fiber Bragg grating sensor

圖6 4＃塔柱光纖光柵溫度計溫度過程線Fig.6 Duration curves of the tem perature of tower 4＃measured by fiber Bragg grating sensor

4 結 語

將基于波分復用技術的光纖光柵傳感器線性陣列測溫系統應用于大型水利水電工程的混凝土溫控監測，目前在國內尚不多見。通過在三峽升船機塔柱光纖測溫項目的實際應用，為延拓光纖光柵傳感器的應用范圍提供了難得機會的同時，也為分布式光纖光柵測溫系統應用于大型結構工程實際積累了一些寶貴的經驗。

三峽升船機光纖光柵傳感器線性陣列測溫系統的監測成果表明，按照0.5℃的控制標準，監測成果可以滿足目前的混凝土溫控要求。但是，無論是科研還是工程實際都希望能夠盡快制定光纖傳感器的檢驗率定規范或標準，為廣大的光纖科研及應用提供質量控制標準，同時也為光纖傳感器制造廠家提供依據。若要完全取代傳統的電阻式溫度計，則仍需提高傳感器的測量精度和解調儀的解調精度，尤其要提高解調儀的精度。

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（編輯：曾小漢）

Application of Tem perature M easuring System of Linear-Arrayed Fiber Bragg Grating Sensors Based on Wavelength Division M ultip lexing

HUANG Xiang1，LIDuan-you1，GENG Jun2
（1.Engineering Safety and Disaster Prevention Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2.Bureau of Three Gorges Construction and Operation Management，China Three Gorges Corporation，Yichang 443133，China）

Different fiber gratings have different center wavelengths.Many center wavelength optical signals can be transmitted simultaneously through only one optical fiber cable by the wavelength division multiplexing（WDM）technology of optical communication.The center wavelength fiber Bragg grating sensors are cascaded on the same optical fiber cable to comprise a linear array topological structure of sensors，hence，the quasi distributed measurement ofmultiple points could be achieved.This technology is rarely applied to the temperaturemonitoring ofmass concrete in China.We accumulated useful experiences and acquired valuable data by temperature controlling and measuring for the towers of the ship elevator of Three Gorges Project through fiber Bragg grating system.

wavelength division multiplexing（WDM）；fiber Bragg grating（FBG）；array；center wavelength；ship elevator；temperature controlling and monitoring

TP212.14，TP211.9

A

1001－5485（2012）09－0098－05

10.3969／j.issn.1001－5485.2012.09.023

2011－09－08

2011－12－11

國家“948”項目（201123）

黃 祥（1977－），男，湖北孝感人，高級工程師，主要從事水利水電工程安全監測及研究工作，（電話）027－82829878（電子信箱）64375＠sina.com。