摘要：應(yīng)用光纖光柵傳技術(shù)最關(guān)鍵的是多個(gè)傳感光柵的復(fù)用定位技術(shù)。將多個(gè)采集光纖光柵傳感器串接實(shí)現(xiàn)一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)使用一條光纖采集并傳送回具有通訊能力或預(yù)處理能力的光纖光柵器件上。

關(guān)鍵詞：光纖光柵；流量；壓力；余氯；濁度；傳感器。

對(duì)輸配水系統(tǒng)實(shí)行分區(qū)分片的精細(xì)化管理,完善供水用戶(hù)終端網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺(tái)是公司今年的重點(diǎn)工作。該項(xiàng)工作是以水質(zhì)管理、售水管理、施工管理、搶修管理、終端服務(wù)管理等為目標(biāo)進(jìn)行精細(xì)化管理和考核。運(yùn)用信息化技術(shù)建立管理手段，逐步搭建完善面向供水用戶(hù)終端的服務(wù)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。充分說(shuō)明了公司要建立的供水管理的目的就是借助信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制理論等手段提高不斷提高供水安全的可靠性，以及實(shí)現(xiàn)調(diào)度優(yōu)化和實(shí)時(shí)性。要建立這樣的管理系統(tǒng)必然要依托龐大的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為供水管理的提供數(shù)據(jù)參考。

光纖傳感技術(shù)是20世紀(jì)70年代伴隨光纖通信和光電子技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的，以光波為傳輸媒質(zhì)，通過(guò)光纖感知和傳輸外界被測(cè)量信號(hào)的新型傳感技術(shù)。由于它具有其抗電磁干擾、質(zhì)輕、耐腐蝕、信噪比高、易組成傳感網(wǎng)絡(luò)等許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，成為近年來(lái)迅速發(fā)展的一種新型智能傳感器，在監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中有廣闊的應(yīng)用前景。所以，基于光纖光柵技術(shù)的大型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在供水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中也有廣闊的應(yīng)用前景。

一、光纖傳感技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

光纖傳感器于1990年開(kāi)始進(jìn)入市場(chǎng)，2000年就在傳感器市場(chǎng)占有一定比例。國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用研究已取得豐碩成果，不少光纖傳感器系統(tǒng)已經(jīng)成為替代傳統(tǒng)傳感器的商品。光纖傳感已有效地應(yīng)用于智能機(jī)器人、民用建筑物、飛行器的安全檢測(cè)中。此外，橋梁、大壩內(nèi)部的健康評(píng)估，火災(zāi)、水災(zāi)的預(yù)警，地震及火山活動(dòng)的跟蹤預(yù)測(cè)，以及未來(lái)醫(yī)學(xué)中的人造假肢、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等等，都需要光纖傳感技術(shù)的參與和應(yīng)用。國(guó)內(nèi)不少部門(mén)和單位對(duì)光纖傳感技術(shù)也進(jìn)行了多年研究，清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、重慶大學(xué)等高校取得了不少研究成果。特別是近年以長(zhǎng)江三峽等大型水利工程為背景，將光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于大壩中進(jìn)行了安全監(jiān)測(cè)，為光纖實(shí)用化做出貢獻(xiàn)。

二、光纖光柵傳感器的原理

光纖光柵是利用光纖材料的光敏性（外界入射光子和纖芯內(nèi)鍺離子互相作用引起折射率的永久性變化），在纖芯內(nèi)形成空間相位光柵，其作用實(shí)質(zhì)上是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶的（透射或反射）濾波或反射鏡。不同的曝光條件、不同類(lèi)型的光纖可以產(chǎn)生多種不同折射率分布的光纖光柵。光纖芯區(qū)折射率周期變化造成光纖波導(dǎo)條件的改變，導(dǎo)致一定波長(zhǎng)的光波發(fā)生相應(yīng)的模式耦合。由耦合波理論可得，光柵的布喇格波長(zhǎng)為：

式中：為布喇格波長(zhǎng)；為光纖傳播模式的有效折射率；Λ為光柵周期。

布拉格波長(zhǎng)的峰值反射率和透射率為

式中：是折射率最大變化量，L是光柵長(zhǎng)度。可以看出，越大，反射率越高，反射譜寬越寬；L越大，反射率越高，反射譜寬越窄。

當(dāng)一寬譜光源入射進(jìn)入光纖后，經(jīng)過(guò)光纖光柵會(huì)有波長(zhǎng)為的光返回，其他的光將透射。反射的中心波長(zhǎng)信號(hào)，跟光柵周期Λ，纖芯的有效折射率n有關(guān)，所以當(dāng)外界的被測(cè)量引起光纖光柵溫度、應(yīng)力改變都會(huì)導(dǎo)致反射的中心波長(zhǎng)的變化。得出光纖光柵的中心波長(zhǎng)與溫度和應(yīng)變的關(guān)系為：

式中：為光纖的熱膨脹系數(shù)；為光纖材料的熱光系數(shù)；為光纖材料的彈光系數(shù)。

利用這一特性可以構(gòu)成許多性能獨(dú)特的光纖無(wú)源器件，可以構(gòu)成用于檢測(cè)應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等諸多參量的光纖傳感器和各種傳感網(wǎng)。到目前為止，光纖傳感技術(shù)可以檢測(cè)上百參量的變化。但是引起光纖光柵反射波長(zhǎng)發(fā)生變化的最根本最直接的物理量是溫度和應(yīng)變。他們的作用將是光纖光柵的周期和折射率發(fā)生變化，從而引起布喇格反射波長(zhǎng)的變化。由于實(shí)際的使用環(huán)境中光纖光柵反射波長(zhǎng)的移動(dòng)量同時(shí)收到溫度和應(yīng)變的影響。因此，在實(shí)際應(yīng)用中需要使用一些技術(shù)和方法實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)變量的分離檢測(cè)。

三、光纖傳感技術(shù)在供水管理監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

供水管理的監(jiān)測(cè)是建立在多指標(biāo)分析的基礎(chǔ)上的，主要參考參數(shù)有流量、壓力、余氯、濁度等等。過(guò)去依托電子技術(shù)只能實(shí)現(xiàn)單一指標(biāo)的檢測(cè)，還需解決在工況復(fù)雜的馬路上電子探測(cè)頭的電源問(wèn)題。

光纖傳感器屬于無(wú)源器件，工作頻帶寬，動(dòng)態(tài)范圍大，適合于遙測(cè)遙控，是一種優(yōu)良的低損耗傳輸線(xiàn)，是其他傳輸媒質(zhì)難以相比的。而且光纖本身體小質(zhì)輕便于埋置，在馬路上非常適合使用。同時(shí)可方便地進(jìn)行光電或電光轉(zhuǎn)換，易與計(jì)算機(jī)相匹配而集結(jié)成網(wǎng)，組成大型監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)復(fù)用技術(shù)能讓光纖光柵探頭同時(shí)集成在線(xiàn)檢測(cè)余氯、濁度、流量、壓力等參數(shù)，并將各監(jiān)測(cè)點(diǎn)集結(jié)成網(wǎng)構(gòu)成大型的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。也可以搭建成大型的用戶(hù)端遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)。

四、各種供水主要監(jiān)測(cè)參數(shù)的實(shí)現(xiàn)

（一）壓力監(jiān)測(cè)的原理

壓力是供水管理的一個(gè)重要監(jiān)測(cè)參量?？墒褂靡环N增敏罐裝封裝方法，具體做法是將增敏有機(jī)聚合物固化在厚壁金屬外殼圓筒中，光纖光柵置于圓筒軸線(xiàn)上，并準(zhǔn)直地固化于聚合物中。金屬套筒屏蔽其他方向壓力，只容許開(kāi)口方向的壓力使聚合物彈性只受徑向壓力，徑向壓力的作用使得軸向壓力引起的軸向應(yīng)變和折射率的減少。光纖光柵進(jìn)行壓力傳感測(cè)量的理論公式：

式中：Λ表示光纖光柵長(zhǎng)度周期；n是光柵區(qū)纖芯部分的有效折射率。上面公式所體現(xiàn)的就是光纖光柵的波長(zhǎng)相對(duì)變化率與壓力變化ΔP之間的關(guān)系。

當(dāng)溫度不變，光纖光柵只受軸向應(yīng)變作用時(shí)，光纖光柵中心反射波長(zhǎng)的相對(duì)變化為：

式中：為光纖的有效彈光系數(shù)；μ為纖芯材料的泊松比；為彈光系數(shù)；為導(dǎo)模的有效折射率。由外界壓力引起的各向同性應(yīng)力在光纖中產(chǎn)生的應(yīng)變量為：

式中：μ和E分別為聚合物材料的泊松比和彈性模量；P為容器內(nèi)壓強(qiáng)。因此光纖光柵中心反射波長(zhǎng)的相對(duì)變化可以表示為

由于屏蔽了其他方向壓力，只容許開(kāi)口方向的壓力使聚合物彈性體產(chǎn)生軸向應(yīng)變，所以μ=0。

為壓力靈敏度，是一個(gè)僅與基底材料彈性特征和光纖參數(shù)有關(guān)的常數(shù)。

（一） 流速監(jiān)測(cè)的原理

水的流速測(cè)量是利用交叉相關(guān)技術(shù)進(jìn)行測(cè)定。即利用像漩渦和不穩(wěn)定壓力場(chǎng)等產(chǎn)生的信號(hào)延遲效應(yīng)對(duì)管道內(nèi)的流速進(jìn)行測(cè)量。它的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量原理和方法非常簡(jiǎn)單，唯一需要確定的參數(shù)就是兩個(gè)傳感器之間的距離。由兩個(gè)金屬懸梁和FBG組成的光纖光柵應(yīng)力傳感器。漩渦信號(hào)之間的延遲可以由FBG傳感器測(cè)量并經(jīng)過(guò)下式計(jì)算得出：

式中：和分別為兩個(gè)FBC傳感器處所測(cè)信號(hào)的功率譜；是這兩個(gè)信號(hào)的互動(dòng)率譜；代表傅立葉逆變換。

利用兩個(gè)測(cè)量信號(hào)的一致性來(lái)檢測(cè)延時(shí)長(zhǎng)度，的最大值就是延時(shí)，的最好估計(jì)。因此，液體流速便可以得到：

式中：是兩個(gè) FBG傳感器之間的距離。

（二） 余氯監(jiān)測(cè)的原理

余氯檢測(cè)的原理，是使用目前在線(xiàn)余氯儀器的普遍成熟的原電池原理。通過(guò)光纖光柵傳感器檢測(cè)原電池產(chǎn)生的電流來(lái)測(cè)定水中的余氯總量。

在線(xiàn)測(cè)量余氯的原電池原理：傳感器采用的是離子選擇電極。電極一般有兩種形式：敞開(kāi)式電極及膜覆式電極。使用膜電極最主要優(yōu)勢(shì)具有抗污染和使用壽命長(zhǎng)優(yōu)點(diǎn)。電極組成有：PVC外殼，測(cè)量電極，參比電極，反電極，溫度補(bǔ)償計(jì)Ptl00，半透膜設(shè)計(jì)可旋帽蓋里并充注有凝膠電解液。膜覆式電極用金做陰極，銀／氯化銀做陽(yáng)極。電解液與被測(cè)液體通過(guò)一層選擇性滲透膜（ＰＴＦＥ）相隔離。測(cè)量時(shí)儀表給電極兩端施加一穩(wěn)定的電壓。次氯酸滲透進(jìn)電極內(nèi)部在電極之間形成極化電流。其化學(xué)反應(yīng)式為：

陽(yáng)極：Ag→Ag++e

陰極：HOCl + 2e- ←→ Cl- +OH-

使用光纖光柵制成電流傳感器利用電流的磁效應(yīng)來(lái)進(jìn)行測(cè)量電極的電流。目前有實(shí)驗(yàn)中有使用磁致伸縮材料是一種名叫的特殊合金，所用磁致伸縮圓棒的尺寸φ5mmX50mm。當(dāng)磁場(chǎng)加在磁致伸縮棒上后，磁致伸縮棒中的磁疇傾向于沿磁場(chǎng)方向排列而產(chǎn)生縱向應(yīng)變。光纖布喇格光柵粘貼在位于多層螺線(xiàn)管中心部位的磁致伸縮棒上，當(dāng)外加磁場(chǎng)由于通電多層螺線(xiàn)管產(chǎn)生，磁致伸縮棒上產(chǎn)生的應(yīng)變傳遞到光纖布喇格光柵上。實(shí)驗(yàn)表明在測(cè)量范圍內(nèi)電流和光纖布喇格光柵的波長(zhǎng)移動(dòng)量之間有很好的線(xiàn)性關(guān)系。該光纖光柵電流傳感器的靈敏度約為1000mA/nm。

（三）濁度監(jiān)測(cè)的原理

濁度測(cè)量采用的是散射和透射結(jié)合型原理。水中的渾濁粒子受到光照射時(shí)，如其粒度遠(yuǎn)小于入射光波長(zhǎng)(約為入射光波長(zhǎng)的1/10～1/20以下)，粒子對(duì)光的作用主要是散射。濁度儀采用雙光束光路的90°散射光原理，有二個(gè)高度對(duì)稱(chēng)的光學(xué)通道，產(chǎn)生相同的感應(yīng)，測(cè)差不變。一束特定光譜的平行光通過(guò)溶液時(shí)，一部分被吸收和散射，一部分透過(guò)溶液。與入射光成90°方向的散射光的強(qiáng)度符合雷萊公式：

式中：Io入射光強(qiáng)度；Is散射光強(qiáng)度；N單位溶液微粒數(shù)；V微粒體積；入入射光波長(zhǎng)；K系數(shù)。

在入射光恒定的條件下，在一定濁度范圍內(nèi)，散射光強(qiáng)度和溶液的渾濁度成正比。上式可整理改寫(xiě)為:

 （K´表示常數(shù)） 

根據(jù)這一公式，可以通過(guò)測(cè)定水樣中微粒的散射光強(qiáng)度來(lái)測(cè)量水樣的渾濁度。通過(guò)信號(hào)處理器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、運(yùn)算、補(bǔ)償?shù)忍幚?，使其在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)與被測(cè)液樣的濁度成線(xiàn)性關(guān)系。

（四）流量監(jiān)測(cè)的原理

光纖光柵自身所具有的測(cè)量精度高、動(dòng)態(tài)范圍大、線(xiàn)性度好等優(yōu)良特性也非常適合于對(duì)流量的測(cè)量。主要設(shè)計(jì)思想是通過(guò)設(shè)計(jì)探頭結(jié)構(gòu)將流量變化轉(zhuǎn)化為應(yīng)力的變化，利用光纖光柵對(duì)應(yīng)力的測(cè)量來(lái)測(cè)定流量。例如可將光纖光柵粘合在一條彈性金屬絲上，流量的作用將使金屬絲發(fā)生形變，帶動(dòng)光纖光柵發(fā)生形變，從而改變光纖光柵周期常數(shù)，使反射波的波長(zhǎng)產(chǎn)生位移，測(cè)量波長(zhǎng)位移的變化就檢測(cè)流量的大小。

目前廣泛使用的流量計(jì)是渦輪流量計(jì)，技術(shù)相對(duì)成熟，但由于機(jī)械結(jié)構(gòu)方面的原因限制，其測(cè)量精度很難得到提高，渦輪流量計(jì)還存在測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍不夠?qū)挼牟蛔?，即存在最小流量和最大流量的限制。利用光纖光柵做成的流量傳感器，無(wú)任何旋轉(zhuǎn)部件，可以根本克服渦輪流量測(cè)量方式的不足，能夠測(cè)量微小變化并仍能保持寬的動(dòng)態(tài)范圍。

五、應(yīng)用光纖光柵的復(fù)用技術(shù)集成傳感器網(wǎng)絡(luò)

由于光纖光柵本身的成本相對(duì)低，主要的設(shè)備成本都集中在配套的光源和相應(yīng)的測(cè)量信息解調(diào)裝置上。光纖光柵的復(fù)用技術(shù)使得多個(gè)傳感光柵共用一個(gè)光源和一個(gè)解調(diào)系統(tǒng)，不但可以減少每個(gè)傳感頭上花費(fèi)的成本，也可以大大減少整個(gè)傳感系統(tǒng)的體積。因此光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)中最核心的部分是光纖光柵的調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)。光柵解調(diào)系統(tǒng)的成本通常占整個(gè)光纖光柵傳感系統(tǒng)成本的絕大部分，它的檢測(cè)精度也往往決定著整個(gè)系統(tǒng)的傳感精度。所以，可以說(shuō)解調(diào)系統(tǒng)是光纖光柵傳感系統(tǒng)的核心。應(yīng)用復(fù)用技術(shù)減少投資，將供水系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)，各種有用的參數(shù)傳送指揮中心集中處理。并結(jié)合GIS系統(tǒng)等信息平臺(tái)動(dòng)態(tài)反應(yīng)一個(gè)管網(wǎng)的綜合情況，為管網(wǎng)的調(diào)度、監(jiān)測(cè)、運(yùn)營(yíng)提供科學(xué)的依據(jù)。

應(yīng)用光纖光柵傳技術(shù)最關(guān)鍵的是多個(gè)傳感光柵的復(fù)用定位技術(shù)。將多個(gè)采集光纖光柵傳感器串接實(shí)現(xiàn)一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)使用一條光纖采集并傳送回具有通訊能力或預(yù)處理能力的光纖光柵器件上。在一根光纖中串聯(lián)多個(gè)布喇格光纖光柵傳感器進(jìn)行分布式測(cè)量。傳感器能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并完成信息的傳送，少數(shù)具有智能傳感單元的傳感器網(wǎng)絡(luò)可以在傳感器單元上對(duì)信息進(jìn)行預(yù)處理，多數(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)需要把信息傳輸?shù)胶蠖嗽O(shè)備上進(jìn)行處理。

光纖光柵傳感器的定位可以根據(jù)光信號(hào)的5個(gè)特征參數(shù)（波長(zhǎng)、相位、偏振、傳輸方向以及幅度）派生出各類(lèi)復(fù)用方法。光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)采用的復(fù)用技術(shù)有以下幾種：時(shí)分復(fù)用、空分復(fù)用、波分復(fù)用、頻分復(fù)用以及相干復(fù)用等。由于光線(xiàn)光柵傳感器測(cè)量的是特征布喇格反射波長(zhǎng)或者透射波長(zhǎng)的移動(dòng)量，因此，其傳感器的主要結(jié)構(gòu)是波分復(fù)用，其次是時(shí)分復(fù)用和空分復(fù)用。因此，發(fā)展出了多種復(fù)用技術(shù)相結(jié)合得來(lái)復(fù)雜傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

六、未來(lái)光纖光柵將更加廣闊地應(yīng)用到供水監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中

光纖光柵的出現(xiàn)將可能在光纖技術(shù)以及眾多相關(guān)領(lǐng)域中引起一場(chǎng)新的技術(shù)革命。光纖光柵傳感技術(shù)是一門(mén)多學(xué)科交叉的科學(xué)與技術(shù)，它涉及光纖光學(xué)、光電子學(xué)、材料學(xué)、精密機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、化學(xué)等多個(gè)學(xué)科。目前光纖光柵還可以制成水聲傳感器，監(jiān)測(cè)爆漏產(chǎn)生的聲波，來(lái)為分析爆漏提供數(shù)據(jù)；對(duì)架空管線(xiàn)進(jìn)行振動(dòng)和疲勞監(jiān)測(cè)；對(duì)一些劇毒元素的監(jiān)測(cè)防止管網(wǎng)污染等等。隨著新材料的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展，在供水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中能集成更多的參數(shù)和應(yīng)用。同時(shí)可以借鑒其他應(yīng)用領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)。雖然還有很多有待完善和發(fā)展的地方，但我們相信光纖傳感器將以其高能低耗等優(yōu)勢(shì)在未來(lái)供水監(jiān)測(cè)中成為傳感器的主力軍。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙勇 編著 光纖光柵及其傳感技術(shù) 國(guó)防工業(yè)出版社 2007.1

作者簡(jiǎn)介

譚俊，給排水工程師，畢業(yè)于廣東工業(yè)大學(xué)，機(jī)電工程專(zhuān)業(yè)，1999年至今供職于廣州市自來(lái)水公司，現(xiàn)任東區(qū)分公司副經(jīng)理，聯(lián)系方式：020-28858788，E-mail: tanjun@gzwatersupply.com。通訊地址：廣東省廣州市天河區(qū)中山大道西1110號(hào)東區(qū)供水分公司，郵編：510630