本文将对光纤布拉格光栅传感网络技术的特征及其在桥梁结构与石油、天然气井安全监测中的应用作分析说明。由于当前光栅光纤传感器的产品包括：应变传感器、温度传感器、压力传感器等。因此光纤光栅传感器可在材料成型、电力系统、健康监测，石油开采和采矿等行业的领域中获得应用。尤其是光纤光栅传感器及其网络技术的成熟度，已经达到了能满足大部分桥梁、大型建筑的健康监测的水平。据此本文将对光纤布拉格光栅传感网络技术的特征及其在桥梁结构与石油、天然气井安全监测中的应用作分析说明。
1 光纤布拉格光栅理念与技术特征
利用硅光纤的紫外光敏性写入光纤芯内，从而在光纤上形成周期性的光栅，故称为光纤光栅。光纤光栅传感器属于光纤传感器的一种，基于光纤光栅的传感过程是通过外界物理参量对光纤布拉格波长的调制来获取传感信息，是一种波长调制型光纤传感器。
当今光纤光栅传感网络是集信号传感和传输双重作用于一体的网络结构形式，多个传感器需要按照一定的网络拓扑结构组合在一起，并通过同一个光电终端来控制和协调工作，从而实现多个传感信号的探测、识别和解调的功能。在此以光纤布拉格光栅传感器及其网络技术为典例作说明。
1.1 应用光纤布拉格光栅传感器对与温度和应变相关的物理量进行测量是目前监控领域中先进的传感技术之一。
目前，在结构变形和温度监测中，普遍采用周期Λ<1μm的短周期光纤光栅传感器，其反射波长人称为布拉格(Bragg)波长，这种传感器称为FBG传感器。
光纤布拉格光栅传感器的结构原理如图1(a)所示。利用紫外激光在光纤纤芯上刻写一段光栅，当光源发出的连续宽带光Li通过传输光纤射入时，在光栅处有选择的反射回一个窄带光Lr，其余宽带光Lt继续透射过去，在下一个具有不同中心波长的光栅处进行反射，多个光栅阵列形成光纤布拉格光栅(FBG)传感网络。各FBG反射光的中心波长为λ，λ=2nΛ，式中，n为纤芯的有效折射率；Λ为纤芯折射率的调制周期。
作用在FBG传感器结构上有入射光谱与反射光谱及透射光谱等3种光谱。而反射回来的窄带光的中心波长随着作用于光纤光栅的温度和应变成线性变化，中心波长的变化量为Δλ。
而图1(b)与图1(c)为光纤光栅传感器的运作特征示意图。
对于光纤光栅反射中心波长（短周期光纤光栅）或透射中心波长（对长周期光纤光栅）与介质折射率有关，在温度、应变、压强、磁场等一些参数变化时，中心波长也会随之变化。通过光谱分析仪检测反射或透射中心波长的变化，就可以间接检测外界环境参数的变化，即其变化量与应变量及温度变化相关。
基于FBG传感网络的分析仪可根据λ=2nΛ，可以在反射光中寻址到每一个光栅传感器。根据变化量Δλ并利用参考光信息可以解调出被测量的温度和应变值。将FBG附着于材料性能和几何尺寸确定的机械结构上还可以制造基于应变的力传感器、位移传感器和振动传感器等。
采用FBG作为温度和应变测量的敏感元件最显而易见的优势就是实现全光测量，监测现场可以没有电气设备，不受电磁干扰。另一个最主要的优势是被测量用波长这种绝对量编码，不易受外部因素干扰，因而稳定性和可靠性极好。FBG传感器可以经受几十万次循环应变而不劣化，测量应变精确。同时由于单路光纤上可以制作上百个光栅传感器，特别适合组建大范围测试网络，实现分布式测试。
光纤光栅传感网络是集信号传感和传输双重作用于一体的网络结构形式，多个传感器需要按照一定的网络拓扑结构组合在一起，并通过同一个光电终端来控制和协调工作，从而实现多个传感信号的探测、识别和解调的功能。
1.2 基于FBG传感网络的分析仪的基本架构
通常用于信号解调的光源、可调谐腔、探测器和信号处理与控制模块以及其它的相关光路元件通常集成在一个设备里，称做光纤光栅传感网络分析仪。而FBG传感器将被测量的物理量转换为波长信号，其FBG传感网络分析仪将波长转变为被测量的物理量。典型的分析仪硬件结构原理如图2所示。光源为宽谱光源(ASE)且有足够大的功率，以保证光栅反射信号良好的信噪比。一般选用侧面发光二极管ELED的原因是其耦合进单模光纤的光功率至少为50-100μW。此光源经光转换开关接通标准波长信号和FBG传感器。FBG传感器反射回的光经过3dB耦合器引入到可调谐腔中，滤波后再由光探测器转换为电信号，接入A/D转换器，信号被模数转换后由信号处理进行分析处理得到温度或应力被测量等物理量。
其中可调谐腔作用是能直接将波长信号转换为电信号，它是FBG波长解调的关键部件，可调谐腔体积小、价格低、灵敏度高、光能利用率高，是一种很有工程实用价值的方法。压电换能器在外加电动势的作用下可产生形变，给压电换能器施加一个扫描电压使其产生伸缩，驱动可调谐腔长变化，从而使可调谐腔的透射波长随之发生改变。若入射光波长与可调谐腔的透射波长重合，则探测器能探测到最大光强。据此从图2可归纳出基于FBG传感网络的分析仪的运行特征：
从宽谱光源出射的光经由光转换开关与光耦合器后分别到达相应通道的光纤光栅传感器阵列。由于光纤光栅是以波长编码的方式实现传感测量，因此在传感网络中可以采用光开关切换各个通道，互相并无串扰。各个通道可以采用相同波长的光纤光栅传感器阵列，从而有效的利用了频带资源。各传感器反射回来的波长信号经过耦合器和可调谐腔后被光电探测器接收。当传感器阵列中某个传感器所处的环境（如温度场、应变场等）发生改变时，该传感器的中心波长就会发生漂移（一般为线性变化）；这种波长的微小漂移被探测、采样又将模拟量送到A/D转换并进入信号处理模块进行计算分析，从而得到传感器的相关温度或应力等参量的测量结果。
2 光纤光栅与虚拟仪器的结合及光纤传感网与无线传感网的融合
光纤光栅传感网络与虚拟仪器相结合，丰富了虚拟仪器的硬件结构类型；同时虚拟仪器也极大地强化了光纤光栅传感网络的功能。因光纤光栅传感系统对虚拟仪器系统切入点的不同，产生了不同形式的虚拟仪器结构。
2.1 采用接口卡与FBG查询仪通信的虚拟仪器
光纤光栅传感网络的虚拟仪器基本结构示意图如图3所示。
在图3中，光纤光栅查询系统中的波长检测电路和计算机内的软件将检测到的信号转换为波长；而波长直接与温度、应变等物理量成一定比例。在这个基础上用户可以直接开发LabVIEW环境下的应用程序，例如通过温度判断被测对象的状态，通过应变分析被测对象的变形等。
*直接用DAQ设备控制FBG解调的虚拟仪器
数据采集(DAQ)是指测量：电压、电流、温度、压力、声音、编码数据等电气或物理现象的过程。其DAQ应用为测量及可视化、数据日志记录、控制、自动化测试及监控等领域。超大容量光纤光栅传感网络分析仪采用DAQ设备直接控制FBG传感器解调，其架构是在图2的基础上拓展为图4所示。
而系统的运行为：用高功率宽带光源，经光开关接通1路标准波长信号和第1组7路FBG传感器。FBG传感器反射回的光经过3dB耦合器引入到可调谐腔中，滤波后再由光探测器转换为电信号。8路信号一起接入计算机系统内的数据采集卡（如可选PCI-4472型，它为24位的8通道同步数据采集卡）。LabVIEW将模数转换以后的信号进行波长解调，然后转换为被测量的物理量，再进行显示、分析和存储。第1组传感器信号采样以后，由程序控制光开关依次切换到后面各组传感器。而计算机系统内多功能数据采集卡（如可选PCI-6024型）输出数字信号对光开关进行控制；并输出频率可调的三角波信号对压电换能器进行驱动。
2.2 光纤传感网与无线传感网的融合
我国幅员辽阔，经常有待监测的同种类型的大型设施分布在一个很大的区域的情况。在实际工程中需要由若干个距离在10公里以上的子网组成更大规模的网络，以便实现集中监测。光纤传感网络尽管有利用光纤低损耗传输的特点可以实现长距离组网的优势，但在某些缺乏通信基础设施的地区，没有现成可用的光缆来实现子网的互通。在这种情况下，专门铺设光缆的成本是非常昂贵的。因此在子网之间通过无线链路进行互通有很强的实用性。
3 基于光纤布拉格光栅传感网络在桥梁健康监测的应用
3.1 桥梁结构监测中的应用
*传统测控系统遇到的挑战
公路、铁路、桥梁和一些重要的建筑设施是进行国民生产的基础，随着交通运输事业的快速发展，各种大型桥梁在交通工程中的重要性日益突出，在人为外力或自然灾害的影响下如何准确及时的监测桥梁健康状况成为保证交通安全的重大挑战。但是由于桥梁空间跨度大、结构变形复杂、对测试系统动态特性要求高，传统的传感器技术在测试的精度，速度和稳定性方面都难以满足测试的要求，特别是在组建测试网络时遇到极大的挑战。而传统测试系统与桥梁管理信息系统的结合也存在很多困难。因此，采用光纤光栅传感技术和虚拟仪器技术进行桥梁健康（即桥梁结构）监控是有效应对。
*建立桥梁自动监测及预警系统监控方案
大型桥梁健康监控的项目主要包括桥梁基础受洪水冲刷淘空、桥梁整体的沉陷及倾斜、混凝土徐变对长时间挠度的影响、桥梁接缝变化及温度变化、地震对结构体的影响和超重车对结构休的影响等。
· 方案实际应用
将光纤光栅传感器统一串连接入到桥梁控制中心的光纤光栅传感网络分析仪中，分析仪可对采集到的数据进行分析、保存、打印等，监测人员可获取可靠信息，采取相应措施。获得数据和分析结果可通过internet传送到远处，从而达到远程监控的目的。图5光纤光栅传感器桥梁健康检测系统示意图。
·方案的实施
随着科学技术进步，可建立桥梁自动监测及预警系统。图6为桥梁自动监测及预警系统监控方案构建图。它是适用于对大型钢结构斜拉桥进行监控及预警的系统。
整个光纤光栅传感网络由光纤光栅传感链、传输光缆、光纤光栅传感网络分析仪、以太网集线器和服务器组成。
·光纤光栅传感网络的实现
根据桥梁构件在载荷作用下受到的拉伸、压缩、剪切、扭转和弯曲等复杂变形作用，在桥梁的大梁、索塔、拉索等重要部位分别安装温度、应变、测力传感器，组成光纤光栅传感网络。被测量的物理量输入计算机以后，根据桥梁的力学模型，应用有限元法等力学理论计算被测对象各点的变形。根据目前桥梁安全规范常用的垂直位移变形对跨径比的百分数，当某一部位变形超过规定的极限值时，立即在桥梁监测室报警。如果超限是由于车辆超载发生，可以结合图像监控装置锁定违章车辆。系统对桥梁各部分可以进行连续实时监测，综合评估桥梁的整体可靠性。
·无线通讯技术的应用
系统利用虚拟仪器的优越网络功能，实现测试网与计算机网的无缝链接。监测系统接入Intemet的方式可以根据现场环境选择GPRS、CDMA、电话线、宽带网和局域网等。GPRS为通用分组无线业务和CDMA为码分多址。采用数据传输模块或无线网卡通过移动公网传输数据。GPRS网络覆盖面大，但是目前传输速率略低；CDMA传输速率快、容量人、质量高。有宽带网接口的环境中通过宽带网连接到Intemet是比较理想的方式。
·桥梁管理信息系统
监测数据通过Intemet传输到桥梁管理中心以后，与基本资料记录、统计分析、维修记录等模块共同组成桥梁管理信息系统，实现路网上庞大的桥梁系统集中管理。根据BMIS数据量大、数据类型多、数据结构复杂的特点，采用SQL（结构化查询语言）服务器数据库进行数据存储。通过对桥梁监测历史数据分析，系统逐月、逐句、逐年评估桥梁健康状况，总结桥梁变形规律，预测桥梁寿命，提供桥梁维护管理的科学依据。测试系统能自动描绘性能曲线，生成并打印状态报告。系统功能的开放性为增加后续模块提供了保证，其预测能力随着实际应用逐步提高。
该监测工程是为了辅助和改进对桥梁结构所进行的人工监测和评估工作。可以报告桥梁的工作温度环境，报告桥梁的主要构件的实际内力分布和振动状况，报告桥梁的主要构件是否有损害，或累积性损坏，并且给桥梁的营运管理和维修决策者提供桥梁的警告信息。
3.2 在石油、天然气井中的应用
石油、天然气井的检测是石油和天然气开采过程中最基本和最关键的环节之一。压力、温度、流量等参量是油气井下的重要物理量。故对这些量进行长期的实时监测，及时获取油气井下信息，对石油工业具有极为重要的意义。传统的电子传感器无法在井下恶劣的环境，诸如高温、高压、腐蚀、地磁的干扰下工作。光纤先栅传感器可以克服这些困难，其抗电磁干扰能力和耐高温、腐蚀能力能够精确地测量井下环境的参数。同时光纤传感器具有分布式测量能力，可以测量井下参数的空间分布，给出剖面信息。而且光纤传感器横截面积小，在油气井中占据空间极小。因此，将光纤传感器应用于石油测井具有极广阔的前景。图7为光纤光栅传感器应用于油井监测的结构示意图。
4 后话
利用光纤光栅技术发展起来的光纤光栅传感网络具有很多独特的技术和应用优势：全光测量及远距离测量（可超过45公里）不受电磁干扰；准分布式测量：单根光纤可以串接几十个光纤光栅传感器，只需占用解调设备（传感网络分析仪）的一个通道；可以与光纤通信网络融合，适合在广阔的地域组网；测量精度高：测温精度±0.5 ℃，测温分辨率0.1℃；测量应变分辨率1μ℃；实时性好：在大规模网络中，所有监测点的单次测量时间最快小于10ms；传感器检出量是波长信息，属于“数字”量，因此不受接头损失、光缆弯曲损耗等因素的影响，对环境干扰不敏感。
