基于波分复用技术的FBG传感器线性阵列测温系统应用研究

黄 祥，李端有，耿 峻

（1.长江科学院工程安全与灾害防治研究所，武汉 430010；2.中国长江三峡集团公司三峡枢纽建设运行管理局，湖北宜昌 443133）

基于波分复用技术的FBG传感器线性阵列测温系统应用研究

黄 祥1，李端有1，耿 峻2

（1.长江科学院工程安全与灾害防治研究所，武汉 430010；2.中国长江三峡集团公司三峡枢纽建设运行管理局，湖北宜昌 443133）

不同的光纤光栅可具有不同的中心波长，利用光通信技术中的波分复用技术，可以实现在一根光缆中同时传输多个不同中心波长的光信号，将这些不同波长的光纤光栅传感器级联在一根光缆上，构成传感器线性阵列拓扑结构，则可以实现准分布式的多点测量。将基于波分复用技术的光纤布拉格光栅传感器线性阵列测温系统应用于大体积混凝土施工过程中的温控测量，目前在国内尚不多见。通过在三峡工程升船机塔柱安全监测项目的温控测量，为延拓光纤布拉格光栅测温系统的应用范围积累了一些有益经验，也为光纤布拉格光栅测温系统应用于大型水利工程的混凝土温控测量获取了宝贵资料。

波分复用（WDM）；光纤布拉格光栅（FBG）；阵列；中心波长；升船机；温控监测

1 研究背景

光纤光栅是20世纪90年代伴随着光通信技术的迅速发展而发展起来的一种新型的全光纤无源器件，利用光纤光栅传感技术可制成温度、应变、加速度、压强等多种传感器。将其作为传感部件，除了具有普通光纤传感器体积小、灵敏度高、带宽宽、抗电磁干扰能力强和耐腐蚀等优点外，光纤光栅的主要优势是检测信息为波长编码具有从10－6～10－2的4个数量级线性响应的绝对测量和良好的重复性；另外，插入损耗低和窄带的波长反射提供了有利于在一根单模光纤上的复用，可以构成数目庞大的传感器阵列，易于分布式测量和实时测量及自动化测量［1］。因此，光纤光栅在光纤通信、光纤传感、光信息处理以及国防、航天航空、机械制造、水利水电、土木建筑、能源化工、生物医学等诸多领域的科研及工程实际都有着广阔的应用前景和巨大的市场潜力。

三峡升船机塔柱为高耸薄壁结构，为了解温度对塔柱筒体变形的影响，为后续金属结构构件的安装选择合适时机，有必要对塔柱混凝土温度进行监测。

2 光纤光栅测温系统原理

2.1 光纤光栅传感基本原理

光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，所谓光敏性，是指当激光通过掺杂的光纤时，光纤的折射率随光强的空间分布发生相应的变化，变化的大小与光强成线性关系并被保存下来而成为光纤光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。利用光纤光栅的这一特性，可构成很多性能独特的光纤无源器件［2］。

光纤光栅传感器除了具有传统光纤传感器的优点外，还有一些明显优于它的地方，其中最重要的就是光纤光栅传感器的信号是波长调制型。其好处在于：测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素的影响；避免了一般干涉型传感器中相位测量的不清晰和对固有参考点的需要；能方便地使用波分复用技术在一根光纤中串联多个布拉格光栅进行分布式测量；光纤光栅体型小，容易埋入材料中对其内部的应变和温度等参量进行高分辨率和大范围的测量［3］。

光纤光栅的结构及原理见图1。根据光纤耦合模理论，当宽带光源射入光纤，将产生模式耦合，FBG光栅将反射回一个中心波长为布拉格波长的窄带光波，其布拉格波长为

式中：neff是有效折射率；Λ是光栅周期。可见，布拉格波长λB随neff和Λ的变化而变化，而neff和Λ的改变与应变和温度有关。应变和温度分别通过弹光效应和热光效应影响neff，通过长度改变和热膨胀效应影响Λ，进而使λB发生移动。通过检测λB的漂移，即可得知被测物理量的信息，如温度、应变。当只考虑温度T的影响，则neff，Λ只是温度T的函数。设初始光栅所处的温度场温度为T0，将λB（T）作泰勒展开并保留一项，则

由式（6）可知，温度变化ΔT，引起波长漂移ΔλB。利用测得的ΔλB即可实现对温度的测量。因为线性热膨胀系数αs较折射率温度系数要小2个数量级，再加上波导效应本身对波长位移的影响又较弹光效应小许多，所以在分析光纤光栅温度灵敏度系数时可以完全忽略波导效应产生的影响。

2.2 波分复用基本原理

由于一些被测对象往往不是一个点，而是呈一定空间分布的场，如温度场、应力场等，为了获得这一类被测对象的比较完整的剖面信息，需要采用分布调制的光纤传感系统［4］。FBG传感器的主要优势之一正是便于构成传感网络。在1个传感网络里，包含有2个或更多的传感器，它们按照一定的拓扑结构（线性阵列、星形、梯形、环形）离散或连续地组合在一起，并通过同一个中心光电终端或接收单元来工作和控制。通过共享光源和电子处理系统可有效降低单位传感器的费用，从而提高光纤传感器相对于电子—机械传感器的竞争力。

波分复用是指将2种或多种各自携带有大量信息的不同波长的光载波信号，在发射端经波分复用器汇合，并将其耦合到同一根光纤中进行传输，在接收端通过波分解复用器对各种波长的光载波信号进行分离，然后由光接收机接收做进一步的处理，使信号复原。

图2是一个典型的波分复用FBG传感器线性阵列系统的原理图。不同反射波长的多个布拉格光栅沿单光纤长度排列，分别放置于监测对象的多个不同监测部位，当这些部位的待测物理量发生变化时，各个布拉格光栅反射回来的波长编码信号就携带了相应部位的待测物理量的变化信息，通过接收端的波长探测系统进行解码，并分析布拉格波长位移情况，即可获得待测物理量的变化情况，从而实现对多个监测对象的实时、在线监测［5］。FBG传感器线性阵列的规模主要由光源带宽和待测物理量的动态范围决定。例如，如果光源带宽为40 nm，待测物理量的动态范围为－20～60℃，相应于各光栅的中心波长间隔为0.8 nm，那么该阵列最多可复用50个传感器。若温度动态范围增大，则相应可复用的传感器数量将减少。

图1 光纤光栅结构及原理图Fig.1 Structure and principle of fiber Bragg gating

图2 WDM FBG传感器线性阵列原理图［6］Fig.2 Principle of the linear array of WDM FBG sensors［6］

2.3 FBG传感器线性阵列测温系统

波分复用FBG传感器线性阵列测温系统的硬件系统包括中心波长为1 550 nm的LED光源、单模光纤、一组中心波长在1 550 nm附近且波长间隔为几个nm的FBG传感器、光纤耦合器、三角波发生器、光纤可调谐F-P滤波器、光电转换电路、系统软件等。典型结构如图2所示。

3 工程实例

3.1 工程概况

三峡升船机为齿轮齿条爬升式垂直升船机，最大过船吨位为3 000 t级客货轮，年单向通过能力350万t，最大垂直升降高度113 m，上下游通航水位变幅分别为30 m和11.8 m，具有工程规模大、升降高度高、提升重量重、上下游水位变幅大及下游水位变率快的特点，是目前世界上规模最大、技术难度最高的通航建筑物。升船机由上游引航道、上闸首、船厢室、下闸首和下游引航道组成。其中船厢室长119 m，宽57.8 m，建基面高程47.5 m，机房顶部高程217 m，空间最大高度169 m，主要由船厢室混凝土底板、4个混凝土承重塔柱、剪力墙、连接梁和顶部机房等组成［7］。温度对塔柱筒体变形会产生较大影响，为了给金属结构部件安装时机的选择提供科学依据，设计选取了一个监测断面布设了光纤光栅温度计进行温度测量。

升船机船厢室段塔柱为钢筋混凝土高耸薄壁结构，壁厚为1.0 m，塔柱混凝土温度随年气温变化和日照的影响明显。为了有效控制塔柱混凝土浇筑期间的温度及了解塔柱变形与温度的关系，为主体工程后期的金属结构安装时机及运行期的管理提供科学依据，设计在3＃和4＃塔柱62.0～186.0 m高程范围内，按照20 m的高差各布置了7层光纤光栅温度计（每层3支），2个塔柱共布置了4条测温线，每层仪器的具体布置情况见图3。

3.2 监测系统

设计在升船机3＃和4＃塔柱的左右两侧各布置了1条测温线，光纤光栅测温系统的框图见图4。FBG传感器采用北京基康公司生产的FBG4700S型（两端出纤结构）光纤光栅温度计，传输光缆为定制的单模铠装光缆，解调设备也是采用该公司生产的分辨率为1 pm、解调精度为±5 pm的FBG8210型便携式解调仪。另外，由于整个测温系统仅靠一根光缆传输信号，考虑到为了防止工程实际施工过程中因光缆损坏而导致无法采集信号，为此，在最低一层埋设的温度计的末端熔接了一根单独的传输光缆作为备份观测通道。

图3 升船机塔柱光纤光栅温度计布置图Fig.3 Layout of fiber Bragg gating sensors on the ship elevator towers

图4 光纤光栅测温系统框图Fig.4 Block diagram of tem peraturemeasuring system of fiber Bragg grating sensors

FBG8210解调仪采用的是可调谐滤波技术进行波长查询，其光源是利用宽带光源和可调谐滤波器组成的可调谐光源［8］，它可以在1 525～1 565 nm的范围内扫描每个光栅的波长，波长带宽40 nm。由于升船机塔柱的单条测温线上有21支光纤光栅温度计，按照每支温度计的温度测量范围为100℃（1.0 nm）考虑，则按照1.5～2.0 nm的波长间隔分配，40 nm的宽带光源完全可以顺利“寻址”每个光栅，即根据独立变化的中心波长确认每一个光栅。

因目前国内尚无专门的光纤温度计检验率定规范，我们暂按照0.5℃的差限进行检验率定的质量控制标准。升船机塔柱测温项目的所有光纤光栅温度计在安装埋设前，均参照传统电阻温度计的标定方法进行了标定，并随即抽取了部分温度计与电阻温度计进行了同步联合标定。标定结果表明，光纤光栅温度计可以满足0.5℃的控制标准。目前所有常规监测仪器的温度标定都是采用的这种方法，因此在光纤温度计标定时也是参照的这种成熟的标定方法。

3.3 监测成果及分析

升船机塔柱光纤光栅测温项目自2009年底开始埋设第一批温度计以来，截至2011年9月初，已经完成了6层共计72支温度计的安装埋设工作，目前仅剩最后一层12支仪器因受土建施工进度影响而尚未埋设，各仪器自埋设开始，按照设计及规范要求持续观测至今，取得了大量的常规观测和加密观测数据，为主体工程施工过程中的混凝土温控及塔柱筒体的温度变化情况提供了难得的监测资料。

按照设计技术要求，在光纤光栅温度计埋设24 h内，每4 h观测1次，1周内每天观测2次。现分别选取3＃和4＃塔柱部分有代表性的监测成果在此作简要的分析介绍。

温度计在混凝土浇筑初期（15 d）的典型监测成果见表1，温度过程线见图5（3＃塔柱）和图6（4＃塔柱）。监测成果表明：在2～3 d内水化热温升达到最高值，且塔柱筒体内部中间的实测温度比两侧的要高近3℃，约7～10 d后，筒体中间与两侧的实测温度趋同，这是因为塔柱筒体结构厚度仅1 m，筒体两侧受气温影响较大；混凝土浇筑后第7 d的混凝土平均温度为36℃（3＃塔柱）和33℃左右（4＃塔柱），随后筒体混凝土温度渐趋平稳。监测结果表明，混凝土温度均在设计计算允许范围内。

表1 光纤光栅温度计监测成果表Table1 Monitoring results by fiber Bragg grating sensors

图5 3＃塔柱光纤光栅温度计温度过程线Fig.5 Duration curves of the tem perature of tower 3＃measured by fiber Bragg grating sensor

图6 4＃塔柱光纤光栅温度计温度过程线Fig.6 Duration curves of the tem perature of tower 4＃measured by fiber Bragg grating sensor

4 结 语

将基于波分复用技术的光纤光栅传感器线性阵列测温系统应用于大型水利水电工程的混凝土温控监测，目前在国内尚不多见。通过在三峡升船机塔柱光纤测温项目的实际应用，为延拓光纤光栅传感器的应用范围提供了难得机会的同时，也为分布式光纤光栅测温系统应用于大型结构工程实际积累了一些宝贵的经验。

三峡升船机光纤光栅传感器线性阵列测温系统的监测成果表明，按照0.5℃的控制标准，监测成果可以满足目前的混凝土温控要求。但是，无论是科研还是工程实际都希望能够尽快制定光纤传感器的检验率定规范或标准，为广大的光纤科研及应用提供质量控制标准，同时也为光纤传感器制造厂家提供依据。若要完全取代传统的电阻式温度计，则仍需提高传感器的测量精度和解调仪的解调精度，尤其要提高解调仪的精度。

［1］ 李 川，张以谟，赵永贵，等.光纤光栅：原理、技术与传感应用［M］.北京：科学出版社，2005：64.（LI Chuan，ZHANG Yi-mo，ZHAO Yong-gui，et al.Fiber Bragg Grating：Principle，Technology and Application in Sensing［M］.Beijing：Science Press，2005：64.（in Chinese））

［2］ 闾晓琴，王海林，李振华，等.光纤光栅的应用及国内外新的研究动态［J］.光纤通信，2001，23（3）：32－35.（LV Xiao-qin，WANG Hai-lin，LIZhen-hua，etal.Application and the New Progress in the Developmentof Optical Fiber Bragg Grating［J］.Fiber Optics Communication，2001，23（3）：32－35.（in Chinese））

［3］ 姜德生，何 伟.光纤光栅传感器的应用概况［J］.光电子·激光，2002，13（4）：420－430.（JIANG Desheng，HEWei.Review of Applications for Fiber Bragg Grating Sensors［J］.Journal of Optoelectronics·Laser，2002，13（4）：420－430.（in Chinese））

［4］ 黄俊斌，尹 进，张心天，等.波分复用分布式FBG传感网络［J］.传感技术，2003，22（12）：9－11.（HUANG Jun-bin，YIN Jin，ZHANG Xin-tian，et al.WDM Distributed FBG Sensor Network［J］.Chinese Journal of Sensors and Actuators，2003，22（12）：9－11.（in Chinese））

［5］ 鲍吉龙，章献民，陈抗生，等.FBG传感网络技术研究［J］.光通信技术，2001，25（2）：84－89.（BAO Ji-long，ZHANG Xian-min，CHEN Kang-sheng，et al.FBG Sensor Network Technology［J］.Optical Communication Technology，2001，25（2）：84－89.（in Chinese））

［6］ 陈 亮，黄俊斌.光纤布拉格光栅传感器阵列实时解调方案的研究［J］.舰船电子工程，2008，28（12）：185－188.（CHEN Liang，HUANG Jun-bin.A Real Time Demodulation Method of Fiber Bragg Grating Sensor Array［J］.Ship Electronic Engineering，2008，28（12）：185－188.（in Chinese））

［7］ 黄 祥，廖勇龙.长江三峡水利枢纽坝前水库及升船机塔柱光纤测温工程2009年度工作及资料分析报告［R］.武汉：长江科学院，2009.（HUANG Xiang，LIAO Yong-long.Report on the Work and Data Analysis of 2009 Temperature Monitoring for the Reservoir in Frontof the Dam and the Ship Elevator Towers of Three Gorges Project［R］.Wuhan：Yangtze River Scientific Research Institute，2009.（in Chinese））

［8］ 付建伟，肖立志，张元中，等.分布式光纤Bragg光栅波长校准方法［J］.光学技术，2006，32（6）：903－905.（FU Jian-wei，XIAO Li-zhi，ZHANG Yuan-zhong，etal.Wavelength Calibration Method for Distributed Fiber Bragg Grating［J］.Optical Technique，2006，32（6）：903－905.（in Chinese） ）

（编辑：曾小汉）

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

国家“948”项目（201123）

黄 祥（1977－），男，湖北孝感人，高级工程师，主要从事水利水电工程安全监测及研究工作，（电话）027－82829878（电子信箱）64375＠sina.com。