摘要：應用光纖光柵傳技術最關鍵的是多個傳感光柵的復用定位技術。將多個采集光纖光柵傳感器串接實現一個監測點使用一條光纖采集并傳送回具有通訊能力或預處理能力的光纖光柵器件上。
關鍵詞：光纖光柵；流量；壓力；余氯；濁度；傳感器。
對輸配水系統實行分區分片的精細化管理,完善供水用戶終端網絡服務平臺是公司今年的重點工作。該項工作是以水質管理、售水管理、施工管理、搶修管理、終端服務管理等為目標進行精細化管理和考核。運用信息化技術建立管理手段，逐步搭建完善面向供水用戶終端的服務網絡平臺。充分說明了公司要建立的供水管理的目的就是借助信息技術、網絡技術、控制理論等手段提高不斷提高供水安全的可靠性，以及實現調度優化和實時性。要建立這樣的管理系統必然要依托龐大的監測系統提供實時數據為供水管理的提供數據參考。
光纖傳感技術是20世紀70年代伴隨光纖通信和光電子技術的發展而迅速發展起來的，以光波為傳輸媒質，通過光纖感知和傳輸外界被測量信號的新型傳感技術。由于它具有其抗電磁干擾、質輕、耐腐蝕、信噪比高、易組成傳感網絡等許多獨特的優點，成為近年來迅速發展的一種新型智能傳感器，在監測領域中有廣闊的應用前景。所以，基于光纖光柵技術的大型監測系統在供水監測系統中也有廣闊的應用前景。
一、光纖傳感技術的發展現狀
光纖傳感器于1990年開始進入市場，2000年就在傳感器市場占有一定比例。國外一些發達國家對光纖傳感技術的應用研究已取得豐碩成果，不少光纖傳感器系統已經成為替代傳統傳感器的商品。光纖傳感已有效地應用于智能機器人、民用建筑物、飛行器的安全檢測中。此外，橋梁、大壩內部的健康評估，火災、水災的預警，地震及火山活動的跟蹤預測，以及未來醫學中的人造假肢、神經網絡等等，都需要光纖傳感技術的參與和應用。國內不少部門和單位對光纖傳感技術也進行了多年研究，清華大學、哈爾濱工業大學、重慶大學等高校取得了不少研究成果。特別是近年以長江三峽等大型水利工程為背景，將光纖傳感技術應用于大壩中進行了安全監測，為光纖實用化做出貢獻。
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鍺離子互相作用引起折射率的永久性變化），在纖芯內形成空間相位光柵，其作用實質上是在纖芯內形成一個窄帶的（透射或反射）濾波或反射鏡。不同的曝光條件、不同類型的光纖可以產生多種不同折射率分布的光纖光柵。光纖芯區折射率周期變化造成光纖波導條件的改變，導致一定波長的光波發生相應的模式耦合。由耦合波理論可得，光柵的布喇格波長為：
式中：為布喇格波長；為光纖傳播模式的有效折射率；Λ為光柵周期。
布拉格波長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。
當一寬譜光源入射進入光纖后，經過光纖光柵會有波長為的光返回，其他的光將透射。反射的中心波長信號，跟光柵周期Λ，纖芯的有效折射率n有關，所以當外界的被測量引起光纖光柵溫度、應力改變都會導致反射的中心波長的變化。得出光纖光柵的中心波長與溫度和應變的關系為：
式中：為光纖的熱膨脹系數；為光纖材料的熱光系數；為光纖材料的彈光系數。
利用這一特性可以構成許多性能獨特的光纖無源器件，可以構成用于檢測應力、應變、溫度等諸多參量的光纖傳感器和各種傳感網。到目前為止，光纖傳感技術可以檢測上百參量的變化。但是引起光纖光柵反射波長發生變化的最根本最直接的物理量是溫度和應變。他們的作用將是光纖光柵的周期和折射率發生變化，從而引起布喇格反射波長的變化。由于實際的使用環境中光纖光柵反射波長的移動量同時收到溫度和應變的影響。因此，在實際應用中需要使用一些技術和方法實現溫度和應變量的分離檢測。
三、光纖傳感技術在供水管理監測中的應用
供水管理的監測是建立在多指標分析的基礎上的，主要參考參數有流量、壓力、余氯、濁度等等。過去依托電子技術只能實現單一指標的檢測，還需解決在工況復雜的馬路上電子探測頭的電源問題。
光纖傳感器屬于無源器件，工作頻帶寬，動態范圍大，適合于遙測遙控，是一種優良的低損耗傳輸線，是其他傳輸媒質難以相比的。而且光纖本身體小質輕便于埋置，在馬路上非常適合使用。同時可方便地進行光電或電光轉換，易與計算機相匹配而集結成網，組成大型監測網絡。通過復用技術能讓光纖光柵探頭同時集成在線檢測余氯、濁度、流量、壓力等參數，并將各監測點集結成網構成大型的監測系統。也可以搭建成大型的用戶端遠程抄表系統。
四、各種供水主要監測參數的實現
（一）壓力監測的原理
壓力是供水管理的一個重要監測參量。可使用一種增敏罐裝封裝方法，具體做法是將增敏有機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上，并準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變和折射率的減少。光纖光柵進行壓力傳感測量的理論公式：
式中：Λ表示光纖光柵長度周期；n是光柵區纖芯部分的有效折射率。上面公式所體現的就是光纖光柵的波長相對變化率與壓力變化ΔP之間的關系。
當溫度不變，光纖光柵只受軸向應變作用時，光纖光柵中心反射波長的相對變化為：
式中：為光纖的有效彈光系數；μ為纖芯材料的泊松比；為彈光系數；為導模的有效折射率。由外界壓力引起的各向同性應力在光纖中產生的應變量為：
式中：μ和E分別為聚合物材料的泊松比和彈性模量；P為容器內壓強。因此光纖光柵中心反射波長的相對變化可以表示為
由于屏蔽了其他方向壓力，只容許開口方向的壓力使聚合物彈性體產生軸向應變，所以μ=0。
為壓力靈敏度，是一個僅與基底材料彈性特征和光纖參數有關的常數。
（一） 流速監測的原理
水的流速測量是利用交叉相關技術進行測定。即利用像漩渦和不穩定壓力場等產生的信號延遲效應對管道內的流速進行測量。它的優點是測量原理和方法非常簡單，唯一需要確定的參數就是兩個傳感器之間的距離。由兩個金屬懸梁和FBG組成的光纖光柵應力傳感器。漩渦信號之間的延遲可以由FBG傳感器測量并經過下式計算得出：
式中：和分別為兩個FBC傳感器處所測信號的功率譜；是這兩個信號的互動率譜；代表傅立葉逆變換。
利用兩個測量信號的一致性來檢測延時長度，的最大值就是延時，的最好估計。因此，液體流速便可以得到：
式中：是兩個 FBG傳感器之間的距離。
（二） 余氯監測的原理
余氯檢測的原理，是使用目前在線余氯儀器的普遍成熟的原電池原理。通過光纖光柵傳感器檢測原電池產生的電流來測定水中的余氯總量。
在線測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：敞開式電極及膜覆式電極。使用膜電極最主要優勢具有抗污染和使用壽命長優點。電極組成有：PVC外殼，測量電極，參比電極，反電極，溫度補償計Ptl00，半透膜設計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／氯化銀做陽極。電解液與被測液體通過一層選擇性滲透膜（ＰＴＦＥ）相隔離。測量時儀表給電極兩端施加一穩定的電壓。次氯酸滲透進電極內部在電極之間形成極化電流。其化學反應式為：
陽極：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來進行測量電極的電流。目前有實驗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。當磁場加在磁致伸縮棒上后，磁致伸縮棒中的磁疇傾向于沿磁場方向排列而產生縱向應變。光纖布喇格光柵粘貼在位于多層螺線管中心部位的磁致伸縮棒上，當外加磁場由于通電多層螺線管產生，磁致伸縮棒上產生的應變傳遞到光纖布喇格光柵上。實驗表明在測量范圍內電流和光纖布喇格光柵的波長移動量之間有很好的線性關系。該光纖光柵電流傳感器的靈敏度約為1000mA/nm。
（三）濁度監測的原理
濁度測量采用的是散射和透射結合型原理。水中的渾濁粒子受到光照射時，如其粒度遠小于入射光波長(約為入射光波長的1/10～1/20以下)，粒子對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，有二個高度對稱的光學通道，產生相同的感應，測差不變。一束特定光譜的平行光通過溶液時，一部分被吸收和散射，一部分透過溶液。與入射光成90°方向的散射光的強度符合雷萊公式：
式中：Io入射光強度；Is散射光強度；N單位溶液微粒數；V微粒體積；入入射光波長；K系數。
在入射光恒定的條件下，在一定濁度范圍內，散射光強度和溶液的渾濁度成正比。上式可整理改寫為:
（K´表示常數）
根據這一公式，可以通過測定水樣中微粒的散射光強度來測量水樣的渾濁度。通過信號處理器對信號進行放大、濾波、運算、補償等處理，使其在整個測量范圍內與被測液樣的濁度成線性關系。
（四）流量監測的原理
光纖光柵自身所具有的測量精度高、動態范圍大、線性度好等優良特性也非常適合于對流量的測量。主要設計思想是通過設計探頭結構將流量變化轉化為應力的變化，利用光纖光柵對應力的測量來測定流量。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生形變，帶動光纖光柵發生形變，從而改變光纖光柵周期常數，使反射波的波長產生位移，測量波長位移的變化就檢測流量的大小。
目前廣泛使用的流量計是渦輪流量計，技術相對成熟，但由于機械結構方面的原因限制，其測量精度很難得到提高，渦輪流量計還存在測量動態范圍不夠寬的不足，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，無任何旋轉部件，可以根本克服渦輪流量測量方式的不足，能夠測量微小變化并仍能保持寬的動態范圍。
五、應用光纖光柵的復用技術集成傳感器網絡
由于光纖光柵本身的成本相對低，主要的設備成本都集中在配套的光源和相應的測量信息解調裝置上。光纖光柵的復用技術使得多個傳感光柵共用一個光源和一個解調系統，不但可以減少每個傳感頭上花費的成本，也可以大大減少整個傳感系統的體積。因此光纖光柵傳感網絡中最核心的部分是光纖光柵的調制解調系統。光柵解調系統的成本通常占整個光纖光柵傳感系統成本的絕大部分，它的檢測精度也往往決定著整個系統的傳感精度。所以，可以說解調系統是光纖光柵傳感系統的核心。應用復用技術減少投資，將供水系統中各節點，各種有用的參數傳送指揮中心集中處理。并結合GIS系統等信息平臺動態反應一個管網的綜合情況，為管網的調度、監測、運營提供科學的依據。
應用光纖光柵傳技術最關鍵的是多個傳感光柵的復用定位技術。將多個采集光纖光柵傳感器串接實現一個監測點使用一條光纖采集并傳送回具有通訊能力或預處理能力的光纖光柵器件上。在一根光纖中串聯多個布喇格光纖光柵傳感器進行分布式測量。傳感器能夠實時檢測和采集網絡分布區域內的各種監測對象的信息，并完成信息的傳送，少數具有智能傳感單元的傳感器網絡可以在傳感器單元上對信息進行預處理，多數傳感器網絡需要把信息傳輸到后端設備上進行處理。
光纖光柵傳感器的定位可以根據光信號的5個特征參數（波長、相位、偏振、傳輸方向以及幅度）派生出各類復用方法。光纖傳感器網絡采用的復用技術有以下幾種：時分復用、空分復用、波分復用、頻分復用以及相干復用等。由于光線光柵傳感器測量的是特征布喇格反射波長或者透射波長的移動量，因此，其傳感器的主要結構是波分復用，其次是時分復用和空分復用。因此，發展出了多種復用技術相結合得來復雜傳感網絡結構。
六、未來光纖光柵將更加廣闊地應用到供水監測領域中
光纖光柵的出現將可能在光纖技術以及眾多相關領域中引起一場新的技術革命。光纖光柵傳感技術是一門多學科交叉的科學與技術，它涉及光纖光學、光電子學、材料學、精密機械學、電子學、化學等多個學科。目前光纖光柵還可以制成水聲傳感器，監測爆漏產生的聲波，來為分析爆漏提供數據；對架空管線進行振動和疲勞監測；對一些劇毒元素的監測防止管網污染等等。隨著新材料的發現和發展，在供水管網監測系統中能集成更多的參數和應用。同時可以借鑒其他應用領域的經驗。雖然還有很多有待完善和發展的地方，但我們相信光纖傳感器將以其高能低耗等優勢在未來供水監測中成為傳感器的主力軍。
參考文獻：
[1]趙勇 編著 光纖光柵及其傳感技術 國防工業出版社 2007.1
作者簡介
譚俊，給排水工程師，畢業于廣東工業大學，機電工程專業，1999年至今供職于廣州市自來水公司，現任東區分公司副經理，聯系方式：020-28858788，E-mail: tanjun@gzwatersupply.com。通訊地址：廣東省廣州市天河區中山大道西1110號東區供水分公司，郵編：510630
