黃 祥，李端有，耿 峻

（1.長江科學(xué)院工程安全與災(zāi)害防治研究所，武漢 430010；2.中國長江三峽集團(tuán)公司三峽樞紐建設(shè)運(yùn)行管理局，湖北宜昌 443133）

基于波分復(fù)用技術(shù)的FBG傳感器線性陣列測溫系統(tǒng)應(yīng)用研究

黃 祥1，李端有1，耿 峻2

（1.長江科學(xué)院工程安全與災(zāi)害防治研究所，武漢 430010；2.中國長江三峽集團(tuán)公司三峽樞紐建設(shè)運(yùn)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(shù)中的波分復(fù)用技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)在一根光纜中同時(shí)傳輸多個(gè)不同中心波長的光信號(hào)，將這些不同波長的光纖光柵傳感器級(jí)聯(lián)在一根光纜上，構(gòu)成傳感器線性陣列拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，則可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式的多點(diǎn)測量。將基于波分復(fù)用技術(shù)的光纖布拉格光柵傳感器線性陣列測溫系統(tǒng)應(yīng)用于大體積混凝土施工過程中的溫控測量，目前在國內(nèi)尚不多見。通過在三峽工程升船機(jī)塔柱安全監(jiān)測項(xiàng)目的溫控測量，為延拓光纖布拉格光柵測溫系統(tǒng)的應(yīng)用范圍積累了一些有益經(jīng)驗(yàn)，也為光纖布拉格光柵測溫系統(tǒng)應(yīng)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(fù)用（WDM）；光纖布拉格光柵（FBG）；陣列；中心波長；升船機(jī)；溫控監(jiān)測

1 研究背景

光纖光柵是20世紀(jì)90年代伴隨著光通信技術(shù)的迅速發(fā)展而發(fā)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(shù)可制成溫度、應(yīng)變、加速度、壓強(qiáng)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(qiáng)和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)外，光纖光柵的主要優(yōu)勢是檢測信息為波長編碼具有從10－6～10－2的4個(gè)數(shù)量級(jí)線性響應(yīng)的絕對(duì)測量和良好的重復(fù)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(fù)用，可以構(gòu)成數(shù)目龐大的傳感器陣列，易于分布式測量和實(shí)時(shí)測量及自動(dòng)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(jī)械制造、水利水電、土木建筑、能源化工、生物醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域的科研及工程實(shí)際都有著廣闊的應(yīng)用前景和巨大的市場潛力。

三峽升船機(jī)塔柱為高聳薄壁結(jié)構(gòu)，為了解溫度對(duì)塔柱筒體變形的影響，為后續(xù)金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安裝選擇合適時(shí)機(jī)，有必要對(duì)塔柱混凝土溫度進(jìn)行監(jiān)測。

2 光纖光柵測溫系統(tǒng)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(dāng)激光通過摻雜的光纖時(shí)，光纖的折射率隨光強(qiáng)的空間分布發(fā)生相應(yīng)的變化，變化的大小與光強(qiáng)成線性關(guān)系并被保存下來而成為光纖光柵，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）濾波器或反射鏡。利用光纖光柵的這一特性，可構(gòu)成很多性能獨(dú)特的光纖無源器件［2］。

光纖光柵傳感器除了具有傳統(tǒng)光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)外，還有一些明顯優(yōu)于它的地方，其中最重要的就是光纖光柵傳感器的信號(hào)是波長調(diào)制型。其好處在于：測量信號(hào)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(duì)固有參考點(diǎn)的需要；能方便地使用波分復(fù)用技術(shù)在一根光纖中串聯(lián)多個(gè)布拉格光柵進(jìn)行分布式測量；光纖光柵體型小，容易埋入材料中對(duì)其內(nèi)部的應(yīng)變和溫度等參量進(jìn)行高分辨率和大范圍的測量［3］。

光纖光柵的結(jié)構(gòu)及原理見圖1。根據(jù)光纖耦合模理論，當(dāng)寬帶光源射入光纖，將產(chǎn)生模式耦合，F(xiàn)BG光柵將反射回一個(gè)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?？梢?，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(yīng)變和溫度有關(guān)。應(yīng)變和溫度分別通過彈光效應(yīng)和熱光效應(yīng)影響neff，通過長度改變和熱膨脹效應(yīng)影響Λ，進(jìn)而使λB發(fā)生移動(dòng)。通過檢測λB的漂移，即可得知被測物理量的信息，如溫度、應(yīng)變。當(dāng)只考慮溫度T的影響，則neff，Λ只是溫度T的函數(shù)。設(shè)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(xiàng)，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(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測量。因?yàn)榫€性熱膨脹系數(shù)αs較折射率溫度系數(shù)要小2個(gè)數(shù)量級(jí)，再加上波導(dǎo)效應(yīng)本身對(duì)波長位移的影響又較彈光效應(yīng)小許多，所以在分析光纖光柵溫度靈敏度系數(shù)時(shí)可以完全忽略波導(dǎo)效應(yīng)產(chǎn)生的影響。

2.2 波分復(fù)用基本原理

由于一些被測對(duì)象往往不是一個(gè)點(diǎn)，而是呈一定空間分布的場，如溫度場、應(yīng)力場等，為了獲得這一類被測對(duì)象的比較完整的剖面信息，需要采用分布調(diào)制的光纖傳感系統(tǒng)［4］。FBG傳感器的主要優(yōu)勢之一正是便于構(gòu)成傳感網(wǎng)絡(luò)。在1個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò)里，包含有2個(gè)或更多的傳感器，它們按照一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（線性陣列、星形、梯形、環(huán)形）離散或連續(xù)地組合在一起，并通過同一個(gè)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(tǒng)可有效降低單位傳感器的費(fèi)用，從而提高光纖傳感器相對(duì)于電子—機(jī)械傳感器的競爭力。

波分復(fù)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(hào)，在發(fā)射端經(jīng)波分復(fù)用器匯合，并將其耦合到同一根光纖中進(jìn)行傳輸，在接收端通過波分解復(fù)用器對(duì)各種波長的光載波信號(hào)進(jìn)行分離，然后由光接收機(jī)接收做進(jìn)一步的處理，使信號(hào)復(fù)原。

圖2是一個(gè)典型的波分復(fù)用FBG傳感器線性陣列系統(tǒng)的原理圖。不同反射波長的多個(gè)布拉格光柵沿單光纖長度排列，分別放置于監(jiān)測對(duì)象的多個(gè)不同監(jiān)測部位，當(dāng)這些部位的待測物理量發(fā)生變化時(shí)，各個(gè)布拉格光柵反射回來的波長編碼信號(hào)就攜帶了相應(yīng)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(tǒng)進(jìn)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(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)監(jiān)測對(duì)象的實(shí)時(shí)、在線監(jiān)測［5］。FBG傳感器線性陣列的規(guī)模主要由光源帶寬和待測物理量的動(dòng)態(tài)范圍決定。例如，如果光源帶寬為40 nm，待測物理量的動(dòng)態(tài)范圍為－20～60℃，相應(yīng)于各光柵的中心波長間隔為0.8 nm，那么該陣列最多可復(fù)用50個(gè)傳感器。若溫度動(dòng)態(tài)范圍增大，則相應(yīng)可復(fù)用的傳感器數(shù)量將減少。

圖1 光纖光柵結(jié)構(gòu)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(tǒng)

波分復(fù)用FBG傳感器線性陣列測溫系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)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(gè)nm的FBG傳感器、光纖耦合器、三角波發(fā)生器、光纖可調(diào)諧F-P濾波器、光電轉(zhuǎn)換電路、系統(tǒng)軟件等。典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

三峽升船機(jī)為齒輪齒條爬升式垂直升船機(jī)，最大過船噸位為3 000 t級(jí)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(guī)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(diǎn)，是目前世界上規(guī)模最大、技術(shù)難度最高的通航建筑物。升船機(jī)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(jī)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(gè)混凝土承重塔柱、剪力墻、連接梁和頂部機(jī)房等組成［7］。溫度對(duì)塔柱筒體變形會(huì)產(chǎn)生較大影響，為了給金屬結(jié)構(gòu)部件安裝時(shí)機(jī)的選擇提供科學(xué)依據(jù)，設(shè)計(jì)選取了一個(gè)監(jiān)測斷面布設(shè)了光纖光柵溫度計(jì)進(jìn)行溫度測量。

升船機(jī)船廂室段塔柱為鋼筋混凝土高聳薄壁結(jié)構(gòu)，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(guān)系，為主體工程后期的金屬結(jié)構(gòu)安裝時(shí)機(jī)及運(yùn)行期的管理提供科學(xué)依據(jù)，設(shè)計(jì)在3＃和4＃塔柱62.0～186.0 m高程范圍內(nèi)，按照20 m的高差各布置了7層光纖光柵溫度計(jì)（每層3支），2個(gè)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(jiān)測系統(tǒng)

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

圖3 升船機(jī)塔柱光纖光柵溫度計(jì)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(tǒng)框圖Fig.4 Block diagram of tem peraturemeasuring system of fiber Bragg grating sensors

FBG8210解調(diào)儀采用的是可調(diào)諧濾波技術(shù)進(jìn)行波長查詢，其光源是利用寬帶光源和可調(diào)諧濾波器組成的可調(diào)諧光源［8］，它可以在1 525～1 565 nm的范圍內(nèi)掃描每個(gè)光柵的波長，波長帶寬40 nm。由于升船機(jī)塔柱的單條測溫線上有21支光纖光柵溫度計(jì)，按照每支溫度計(jì)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(gè)光柵，即根據(jù)獨(dú)立變化的中心波長確認(rèn)每一個(gè)光柵。

因目前國內(nèi)尚無專門的光纖溫度計(jì)檢驗(yàn)率定規(guī)范，我們暫按照0.5℃的差限進(jìn)行檢驗(yàn)率定的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)。升船機(jī)塔柱測溫項(xiàng)目的所有光纖光柵溫度計(jì)在安裝埋設(shè)前，均參照傳統(tǒng)電阻溫度計(jì)的標(biāo)定方法進(jìn)行了標(biāo)定，并隨即抽取了部分溫度計(jì)與電阻溫度計(jì)進(jìn)行了同步聯(lián)合標(biāo)定。標(biāo)定結(jié)果表明，光纖光柵溫度計(jì)可以滿足0.5℃的控制標(biāo)準(zhǔn)。目前所有常規(guī)監(jiān)測儀器的溫度標(biāo)定都是采用的這種方法，因此在光纖溫度計(jì)標(biāo)定時(shí)也是參照的這種成熟的標(biāo)定方法。

3.3 監(jiān)測成果及分析

升船機(jī)塔柱光纖光柵測溫項(xiàng)目自2009年底開始埋設(shè)第一批溫度計(jì)以來，截至2011年9月初，已經(jīng)完成了6層共計(jì)72支溫度計(jì)的安裝埋設(shè)工作，目前僅剩最后一層12支儀器因受土建施工進(jìn)度影響而尚未埋設(shè)，各儀器自埋設(shè)開始，按照設(shè)計(jì)及規(guī)范要求持續(xù)觀測至今，取得了大量的常規(guī)觀測和加密觀測數(shù)據(jù)，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(jiān)測資料。

按照設(shè)計(jì)技術(shù)要求，在光纖光柵溫度計(jì)埋設(shè)24 h內(nèi)，每4 h觀測1次，1周內(nèi)每天觀測2次?，F(xiàn)分別選取3＃和4＃塔柱部分有代表性的監(jiān)測成果在此作簡要的分析介紹。

溫度計(jì)在混凝土澆筑初期（15 d）的典型監(jiān)測成果見表1，溫度過程線見圖5（3＃塔柱）和圖6（4＃塔柱）。監(jiān)測成果表明：在2～3 d內(nèi)水化熱溫升達(dá)到最高值，且塔柱筒體內(nèi)部中間的實(shí)測溫度比兩側(cè)的要高近3℃，約7～10 d后，筒體中間與兩側(cè)的實(shí)測溫度趨同，這是因?yàn)樗搀w結(jié)構(gòu)厚度僅1 m，筒體兩側(cè)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(wěn)。監(jiān)測結(jié)果表明，混凝土溫度均在設(shè)計(jì)計(jì)算允許范圍內(nèi)。

表1 光纖光柵溫度計(jì)監(jiān)測成果表Table1 Monitoring results by fiber Bragg grating sensors

圖5 3＃塔柱光纖光柵溫度計(jì)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(jì)溫度過程線Fig.6 Duration curves of the tem perature of tower 4＃measured by fiber Bragg grating sensor

4 結(jié) 語

將基于波分復(fù)用技術(shù)的光纖光柵傳感器線性陣列測溫系統(tǒng)應(yīng)用于大型水利水電工程的混凝土溫控監(jiān)測，目前在國內(nèi)尚不多見。通過在三峽升船機(jī)塔柱光纖測溫項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用，為延拓光纖光柵傳感器的應(yīng)用范圍提供了難得機(jī)會(huì)的同時(shí)，也為分布式光纖光柵測溫系統(tǒng)應(yīng)用于大型結(jié)構(gòu)工程實(shí)際積累了一些寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

三峽升船機(jī)光纖光柵傳感器線性陣列測溫系統(tǒng)的監(jiān)測成果表明，按照0.5℃的控制標(biāo)準(zhǔn)，監(jiān)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(shí)際都希望能夠盡快制定光纖傳感器的檢驗(yàn)率定規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)，為廣大的光纖科研及應(yīng)用提供質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也為光纖傳感器制造廠家提供依據(jù)。若要完全取代傳統(tǒng)的電阻式溫度計(jì)，則仍需提高傳感器的測量精度和解調(diào)儀的解調(diào)精度，尤其要提高解調(diào)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(xiàng)目（201123）

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