摘要：应用光纤光栅传技术最关键的是多个传感光栅的复用定位技术。将多个采集光纤光栅传感器串接实现一个监测点使用一条光纤采集并传送回具有通讯能力或预处理能力的光纤光栅器件上。
关键词：光纤光栅；流量；压力；余氯；浊度；传感器。
对输配水系统实行分区分片的精细化管理,完善供水用户终端网络服务平台是公司今年的重点工作。该项工作是以水质管理、售水管理、施工管理、抢修管理、终端服务管理等为目标进行精细化管理和考核。运用信息化技术建立管理手段，逐步搭建完善面向供水用户终端的服务网络平台。充分说明了公司要建立的供水管理的目的就是借助信息技术、网络技术、控制理论等手段提高不断提高供水安全的可靠性，以及实现调度优化和实时性。要建立这样的管理系统必然要依托庞大的监测系统提供实时数据为供水管理的提供数据参考。
光纤传感技术是20世纪70年代伴随光纤通信和光电子技术的发展而迅速发展起来的，以光波为传输媒质，通过光纤感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。由于它具有其抗电磁干扰、质轻、耐腐蚀、信噪比高、易组成传感网络等许多独特的优点，成为近年来迅速发展的一种新型智能传感器，在监测领域中有广阔的应用前景。所以，基于光纤光栅技术的大型监测系统在供水监测系统中也有广阔的应用前景。
一、光纤传感技术的发展现状
光纤传感器于1990年开始进入市场，2000年就在传感器市场占有一定比例。国外一些发达国家对光纤传感技术的应用研究已取得丰硕成果，不少光纤传感器系统已经成为替代传统传感器的商品。光纤传感已有效地应用于智能机器人、民用建筑物、飞行器的安全检测中。此外，桥梁、大坝内部的健康评估，火灾、水灾的预警，地震及火山活动的跟踪预测，以及未来医学中的人造假肢、神经网络等等，都需要光纤传感技术的参与和应用。国内不少部门和单位对光纤传感技术也进行了多年研究，清华大学、哈尔滨工业大学、重庆大学等高校取得了不少研究成果。特别是近年以长江三峡等大型水利工程为背景，将光纤传感技术应用于大坝中进行了安全监测，为光纤实用化做出贡献。
二、光纤光栅传感器的原理
光纤光栅是利用光纤材料的光敏性（外界入射光子和纤芯内锗离子互相作用引起折射率的永久性变化），在纤芯内形成空间相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波或反射镜。不同的曝光条件、不同类型的光纤可以产生多种不同折射率分布的光纤光栅。光纤芯区折射率周期变化造成光纤波导条件的改变，导致一定波长的光波发生相应的模式耦合。由耦合波理论可得，光栅的布喇格波长为：
式中：为布喇格波长；为光纤传播模式的有效折射率；Λ为光栅周期。
布拉格波长的峰值反射率和透射率为
式中：是折射率最大变化量，L是光栅长度。可以看出，越大，反射率越高，反射谱宽越宽；L越大，反射率越高，反射谱宽越窄。
当一宽谱光源入射进入光纤后，经过光纤光栅会有波长为的光返回，其他的光将透射。反射的中心波长信号，跟光栅周期Λ，纤芯的有效折射率n有关，所以当外界的被测量引起光纤光栅温度、应力改变都会导致反射的中心波长的变化。得出光纤光栅的中心波长与温度和应变的关系为：
式中：为光纤的热膨胀系数；为光纤材料的热光系数；为光纤材料的弹光系数。
利用这一特性可以构成许多性能独特的光纤无源器件，可以构成用于检测应力、应变、温度等诸多参量的光纤传感器和各种传感网。到目前为止，光纤传感技术可以检测上百参量的变化。但是引起光纤光栅反射波长发生变化的最根本最直接的物理量是温度和应变。他们的作用将是光纤光栅的周期和折射率发生变化，从而引起布喇格反射波长的变化。由于实际的使用环境中光纤光栅反射波长的移动量同时收到温度和应变的影响。因此，在实际应用中需要使用一些技术和方法实现温度和应变量的分离检测。
三、光纤传感技术在供水管理监测中的应用
供水管理的监测是建立在多指标分析的基础上的，主要参考参数有流量、压力、余氯、浊度等等。过去依托电子技术只能实现单一指标的检测，还需解决在工况复杂的马路上电子探测头的电源问题。
光纤传感器属于无源器件，工作频带宽，动态范围大，适合于遥测遥控，是一种优良的低损耗传输线，是其他传输媒质难以相比的。而且光纤本身体小质轻便于埋置，在马路上非常适合使用。同时可方便地进行光电或电光转换，易与计算机相匹配而集结成网，组成大型监测网络。通过复用技术能让光纤光栅探头同时集成在线检测余氯、浊度、流量、压力等参数，并将各监测点集结成网构成大型的监测系统。也可以搭建成大型的用户端远程抄表系统。
四、各种供水主要监测参数的实现
（一）压力监测的原理
压力是供水管理的一个重要监测参量。可使用一种增敏罐装封装方法，具体做法是将增敏有机聚合物固化在厚壁金属外壳圆筒中，光纤光栅置于圆筒轴线上，并准直地固化于聚合物中。金属套筒屏蔽其他方向压力，只容许开口方向的压力使聚合物弹性只受径向压力，径向压力的作用使得轴向压力引起的轴向应变和折射率的减少。光纤光栅进行压力传感测量的理论公式：
式中：Λ表示光纤光栅长度周期；n是光栅区纤芯部分的有效折射率。上面公式所体现的就是光纤光栅的波长相对变化率与压力变化ΔP之间的关系。
当温度不变，光纤光栅只受轴向应变作用时，光纤光栅中心反射波长的相对变化为：
式中：为光纤的有效弹光系数；μ为纤芯材料的泊松比；为弹光系数；为导模的有效折射率。由外界压力引起的各向同性应力在光纤中产生的应变量为：
式中：μ和E分别为聚合物材料的泊松比和弹性模量；P为容器内压强。因此光纤光栅中心反射波长的相对变化可以表示为
由于屏蔽了其他方向压力，只容许开口方向的压力使聚合物弹性体产生轴向应变，所以μ=0。
为压力灵敏度，是一个仅与基底材料弹性特征和光纤参数有关的常数。
（一） 流速监测的原理
水的流速测量是利用交叉相关技术进行测定。即利用像漩涡和不稳定压力场等产生的信号延迟效应对管道内的流速进行测量。它的优点是测量原理和方法非常简单，唯一需要确定的参数就是两个传感器之间的距离。由两个金属悬梁和FBG组成的光纤光栅应力传感器。漩涡信号之间的延迟可以由FBG传感器测量并经过下式计算得出：
式中：和分别为两个FBC传感器处所测信号的功率谱；是这两个信号的互动率谱；代表傅立叶逆变换。
利用两个测量信号的一致性来检测延时长度，的最大值就是延时，的最好估计。因此，液体流速便可以得到：
式中：是两个 FBG传感器之间的距离。
（二） 余氯监测的原理
余氯检测的原理，是使用目前在线余氯仪器的普遍成熟的原电池原理。通过光纤光栅传感器检测原电池产生的电流来测定水中的余氯总量。
在线测量余氯的原电池原理：传感器采用的是离子选择电极。电极一般有两种形式：敞开式电极及膜覆式电极。使用膜电极最主要优势具有抗污染和使用寿命长优点。电极组成有：PVC外壳，测量电极，参比电极，反电极，温度补偿计Ptl00，半透膜设计可旋帽盖里并充注有凝胶电解液。膜覆式电极用金做阴极，银／氯化银做阳极。电解液与被测液体通过一层选择性渗透膜（ＰＴＦＥ）相隔离。测量时仪表给电极两端施加一稳定的电压。次氯酸渗透进电极内部在电极之间形成极化电流。其化学反应式为：
阳极：Ag→Ag++e
阴极：HOCl + 2e- ←→ Cl- +OH-
使用光纤光栅制成电流传感器利用电流的磁效应来进行测量电极的电流。目前有实验中有使用磁致伸缩材料是一种名叫的特殊合金，所用磁致伸缩圆棒的尺寸φ5mmX50mm。当磁场加在磁致伸缩棒上后，磁致伸缩棒中的磁畴倾向于沿磁场方向排列而产生纵向应变。光纤布喇格光栅粘贴在位于多层螺线管中心部位的磁致伸缩棒上，当外加磁场由于通电多层螺线管产生，磁致伸缩棒上产生的应变传递到光纤布喇格光栅上。实验表明在测量范围内电流和光纤布喇格光栅的波长移动量之间有很好的线性关系。该光纤光栅电流传感器的灵敏度约为1000mA/nm。
（三）浊度监测的原理
浊度测量采用的是散射和透射结合型原理。水中的浑浊粒子受到光照射时，如其粒度远小于入射光波长(约为入射光波长的1/10～1/20以下)，粒子对光的作用主要是散射。浊度仪采用双光束光路的90°散射光原理，有二个高度对称的光学通道，产生相同的感应，测差不变。一束特定光谱的平行光通过溶液时，一部分被吸收和散射，一部分透过溶液。与入射光成90°方向的散射光的强度符合雷莱公式：
式中：Io入射光强度；Is散射光强度；N单位溶液微粒数；V微粒体积；入入射光波长；K系数。
在入射光恒定的条件下，在一定浊度范围内，散射光强度和溶液的浑浊度成正比。上式可整理改写为:
（K´表示常数）
根据这一公式，可以通过测定水样中微粒的散射光强度来测量水样的浑浊度。通过信号处理器对信号进行放大、滤波、运算、补偿等处理，使其在整个测量范围内与被测液样的浊度成线性关系。
（四）流量监测的原理
光纤光栅自身所具有的测量精度高、动态范围大、线性度好等优良特性也非常适合于对流量的测量。主要设计思想是通过设计探头结构将流量变化转化为应力的变化，利用光纤光栅对应力的测量来测定流量。例如可将光纤光栅粘合在一条弹性金属丝上，流量的作用将使金属丝发生形变，带动光纤光栅发生形变，从而改变光纤光栅周期常数，使反射波的波长产生位移，测量波长位移的变化就检测流量的大小。
目前广泛使用的流量计是涡轮流量计，技术相对成熟，但由于机械结构方面的原因限制，其测量精度很难得到提高，涡轮流量计还存在测量动态范围不够宽的不足，即存在最小流量和最大流量的限制。利用光纤光栅做成的流量传感器，无任何旋转部件，可以根本克服涡轮流量测量方式的不足，能够测量微小变化并仍能保持宽的动态范围。
五、应用光纤光栅的复用技术集成传感器网络
由于光纤光栅本身的成本相对低，主要的设备成本都集中在配套的光源和相应的测量信息解调装置上。光纤光栅的复用技术使得多个传感光栅共用一个光源和一个解调系统，不但可以减少每个传感头上花费的成本，也可以大大减少整个传感系统的体积。因此光纤光栅传感网络中最核心的部分是光纤光栅的调制解调系统。光栅解调系统的成本通常占整个光纤光栅传感系统成本的绝大部分，它的检测精度也往往决定着整个系统的传感精度。所以，可以说解调系统是光纤光栅传感系统的核心。应用复用技术减少投资，将供水系统中各节点，各种有用的参数传送指挥中心集中处理。并结合GIS系统等信息平台动态反应一个管网的综合情况，为管网的调度、监测、运营提供科学的依据。
应用光纤光栅传技术最关键的是多个传感光栅的复用定位技术。将多个采集光纤光栅传感器串接实现一个监测点使用一条光纤采集并传送回具有通讯能力或预处理能力的光纤光栅器件上。在一根光纤中串联多个布喇格光纤光栅传感器进行分布式测量。传感器能够实时检测和采集网络分布区域内的各种监测对象的信息，并完成信息的传送，少数具有智能传感单元的传感器网络可以在传感器单元上对信息进行预处理，多数传感器网络需要把信息传输到后端设备上进行处理。
光纤光栅传感器的定位可以根据光信号的5个特征参数（波长、相位、偏振、传输方向以及幅度）派生出各类复用方法。光纤传感器网络采用的复用技术有以下几种：时分复用、空分复用、波分复用、频分复用以及相干复用等。由于光线光栅传感器测量的是特征布喇格反射波长或者透射波长的移动量，因此，其传感器的主要结构是波分复用，其次是时分复用和空分复用。因此，发展出了多种复用技术相结合得来复杂传感网络结构。
六、未来光纤光栅将更加广阔地应用到供水监测领域中
光纤光栅的出现将可能在光纤技术以及众多相关领域中引起一场新的技术革命。光纤光栅传感技术是一门多学科交叉的科学与技术，它涉及光纤光学、光电子学、材料学、精密机械学、电子学、化学等多个学科。目前光纤光栅还可以制成水声传感器，监测爆漏产生的声波，来为分析爆漏提供数据；对架空管线进行振动和疲劳监测；对一些剧毒元素的监测防止管网污染等等。随着新材料的发现和发展，在供水管网监测系统中能集成更多的参数和应用。同时可以借鉴其他应用领域的经验。虽然还有很多有待完善和发展的地方，但我们相信光纤传感器将以其高能低耗等优势在未来供水监测中成为传感器的主力军。
参考文献：
[1]赵勇 编著 光纤光栅及其传感技术 国防工业出版社 2007.1
作者简介
谭俊，给排水工程师，毕业于广东工业大学，机电工程专业，1999年至今供职于广州市自来水公司，现任东区分公司副经理，联系方式：020-28858788，E-mail: tanjun@gzwatersupply.com。通讯地址：广东省广州市天河区中山大道西1110号东区供水分公司，邮编：510630
