Fiber grating sensors for high temperature measurement[1]
Yage Zhana,[2], Hua Wua，Qinyu Yanga， Shiqing Xiangb, Hong Heb
a Department of Applied Physics, College of Science, Donghua University, Shanghai 201602, China
b Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China
Abstract Two fiber grating sensors for high temperature measurement are proposed and experimentally demonstrated. The interrogation technologies of the sensor systems are all simple, low cost but effective. In the first sensor system, the sensor head is comprised of one fiber Bragg grating (FBG) and two metal rods. The lengths of the rods are different from each other. The coefficients of thermal-expansion of the rods are also different from each other. The FBG will be strained by the sensor head when the temperature to be measured changes. The temperature is measured with basis of the wavelength-shifts of the FBG induced by strain. In the second sensor system, a long period fiber grating (LPG) is used as high temperature sensor head. The LPG is very-high-temperature stable CO2-laser-induced grating and has a linear function of wavelength-temperature in the range of 0-800℃. A dynamic range of 0-800℃ and a resolution of 1℃ have been obtained by either the first or the second sensor system. The experimental results agree with theoretical analyses.
Keywords: optical fiber sensor, fiber Bragg grating, long period fiber grating, high temperature
1．Introduction
In some fields, such as tunnel monitoring, material processing, mine monitoring, structure health monitoring and oil well monitoring, reliable high temperature sensors are necessary and important.1, 2 Traditional electrical high temperature sensors have some disadvantages, including large temperature fluctuation, latent danger of fire accident and low reliability. Optical fiber grating sensors have numerous advantages over traditional electrical sensors, such as higher stability and sensitivity, immunity to electromagnetic interference, being competent for application in harsh environments, “smart structures” and on-site measurements.3, 4 So, fiber grating sensors are the most appropriate sensors for applications in the fields mentioned above.
Fiber Bragg grating (FBG) and fiber long period grating (LPG) are usually used as temperature sensor head. But neither common FBG nor common LPG can be used directly as high temperatures sensor head, because they will be decayed when the temperature higher than 200℃ and will be destroyed when the temperature higher than 350℃.5, 6 So, until now, only a very few kind of technologies on FBG or LPG high temperature measurement have been researched.7, 8 G. Brambilla etc have researched the high temperature measurement characteristics of FBGs that with special dopants (such as Sn and/or Na2O). They discovered that these FBGs exhibit unusual oscillations in reflectivity.9 These methods are not suited for high temperature measurement.
This paper proposes two fiber grating high temperature sensors, based on a FBG with a novel designed structure as sensor head and a special high-temperature stable LPG as sensor head, respectively. The experimental results and the characteristics of the sensor systems are also discussed. The two high temperature sensor heads have been designed, prepared and used in experiments successfully. A dynamic range of 0-800℃ and a resolution of 1℃ have been experimentally achieved by either the first or the second sensor system. Experimental results agree with theoretical analyses.
2. Theoretical analyses
2.1 Principle of the first high temperature sensor head
Fig.1 Schematic diagram of the first sensor head
Common FBG can not be used as high temperature sensor head directly, so a novel high temperature FBG sensor head has been designed. The sensor head is mainly comprised of a FBG (FBG1) and two metal rods, as shown in fig.1. The two metal rods have different lengths and different coefficients of thermal–expansion (CTE). The lengths of the two metal rods are and respectively. The CTEs of the two metal rods are and respectively. The rods are fixed into one adiabatic plate. Adiabatic cylinder1 and adiabatic cylinder2 are used to protect the two metal rods, in order that there is no transverse thermal radiation. The left ends of the two metal rods connect two adiabatic rods. FBG1 is pre-strained and glued to the end surface of the adiabatic rods on point A and point B. FBG1 is protected by adiabatic cylinder3 in order that FBG1 is not be modulated by the environment temperature and the thermal radiation of the adiabatic plate.
The sensing ends (see fig.1) touch the object whose temperature to be measured. When the temperature to be measured changes, the two metal rods will have different elongation, which will make L change (the distance between the two adiabatic rods) and FBG1 be strained. The temperature is measured with the basis of wavelength-shifts of FBG1.
The adiabatic cylinders are effective. The transverse thermal radiation of the metal rods is negligible. When the rods are in heat balance, the temperature of each metal rod reduces linearly from whose sensing end to the other end. For briefness, the length change of is given by:
(1)
(2)
Whereandare the elongations of the two metal rods respectively. and is the length change of L, namely the elongati
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光纤光栅高温测量传感器
詹亚歌， 吴华， 杨清宇， 向世清， 何红
香港应用物理科学学院，东华大学，上海201602，中国
中国科学院上海光学精密机械研究所，中国研究所，上海201800，中国
摘要：两个测量高温的光纤光栅传感器提出并被实验证明。该传感器系统的审讯技术都是简单、低成本但是有效的。在第一种传感器系统中，传感器头是由一个光纤布喇格光栅（FBG）和两个金属棒组成。两个棒的长度是彼此不同的。两个棒的热膨胀系数也是彼此不同的。光纤光栅将随着被测量的传感器头的温度的变化而变化。温度测量是以光纤光栅引起应变的波长移位为基础。在第二种传感器系统中，将长周期光纤光栅（LPG）用作高温传感器头。石油气在非常高的温度下能保持稳定二氧化碳激光诱导光栅以及在0-800℃范围内具有关于波长 - 温度的线性函数。第一类或第二类传感器系统都可获得0-800℃的动态范围和1℃的分辨率。实验结果是与理论分析相符的。
关键词：光纤传感器，光纤光栅，长周期光纤光栅，高温
1、简介
在一些领域，如隧道监控，材料加工，矿井监测，结构健康监测和油井的监测，可靠性高的温度传感器是很必要而且重要的。传统的电高温传感器具有一些缺点，包括大的温度波动，潜在的火灾事故以及低可靠性。光纤光栅传感器具有比传统的电传感器更高的稳定性、敏感性以及抗电磁干扰能力，在恶劣环境下，“智能结构”和现场测试得以应用。所以，具有诸多优点的光纤光栅传感器最适合应用在上述领域。
光纤布拉格光栅（FBG）和纤维长周期光栅（LPG）通常都可用作温度传感器头。但无论是普通FBG或是普通LPG都不能直接用作高温传感头，因为当温度高于200℃，它们会被衰减，当温度高于350℃，它们甚至将会损坏。所以，到现在为止，只有极少数种类的FBG或LPG的高温测量技术已经被研究。 G.布兰比拉等已经研究出与特殊的掺杂剂（例如Sn或者Na2O）的FBG的高温测量特性。他们发现这些光纤光栅表现出不寻常振动，这些方法不适合于高温测量。
本文提出了两个光纤光栅高温传感器，一种是基于FBG具有新颖设计的结构的传感器头,另一个是基于特殊高温稳定的LPG而设计的传感头。实验结果和所述传感器系统的特性也进行了讨论。这两个高温传感器头已经设计，准备并通过实验成功地运用。第一类或第二类传感器系统都可获得0-800℃的动态范围和1℃的分辨率。实验结果是与理论分析相符的。
2、理论分析
2.1第一类高温传感器头原理
第一传感器头图1示意图
普通光纤光栅不能直接用作高温传感器头，所以一个新的高温FBG传感器头被设计出来。传感器头主要是由一个光纤光栅（FBG1）和两个金属棒组成，如图1所示。两个金属棒具有不同的长度和热膨胀系数（CTE）。两个金属棒的长度分别是L1和L2，两个金属棒的热膨胀系数分别位和。杆被固定成一个绝热板。绝热筒1与绝热筒2是用于保护两个金属棒材，因为不存在横向的热辐射。两个金属棒的左端连接两个绝热杆，FBG1是预应变的且粘在绝热棒上点A和点B的端表面， FBG1是受绝热筒3保护，以至于FBG1不受环境温度和绝热板的热辐射的影响。
感测端部的温度是要被测量的对象。当温度被测到变化，两个金属棒将有不同的伸长，这将使L发生变化（这两个绝热杆之间的距离）以及FBG1被拉伤。波长偏移FBG1的波长偏移是温度测量的基础。
绝热筒是有效的，该金属棒的横向热辐射可忽略不计。当杆处于热平衡时，每个金属棒的温度从其传感末端到另一端按线性关系降低为了简明起见，长度变化由下式给出：
(1)
(2)
这里的和是两个金属棒的伸长率。,是L的长度变化，即FBG1伸长部分。和（）对应的分别是金属杆的第j分段的长度、平均温度和平均热膨胀系数。 FBG1（）的相应波长偏移由下面公式表出：
其中，是玻璃纤维与泊松比的有效光弹性系数。和是纤维的光弹性系数。是在光纤中导引模的有效折射率。对于一个典型的熔融二氧化硅纤维，= 0.22。两个金属棒分别由H62黄铜棒和45＃碳钢棒制成。两个金属棒的热膨胀系数分别为和。应经测量出，该数值由下式确定：
在相同的温度范围内，比大。 FBG1的波长曲线在0-1000℃的范围内从理论上模拟 在L1 =20cm，L2 =18cm和L1 =18cm，L2 =20cm的推测。
图2 FBG1在0-1000℃范围内的温度，波长响应
如果L1 =20cm和L2 =18cm，FBG1的Bragg波长偏移在0℃ - 800℃的范围内几乎随温度线性变化。当温度从0℃上升到800℃，变化长度为6.89nm。当金属棒具有更大的热膨胀系数，传感器的灵敏度将会提高。因此该实验是在L1cm=20和L2=18cm的条件来实现。
2.2第二类高温传感器系统的原理
BBS：宽带光源，C2，C3：2times;2耦合器，PD：光电二极管
IMG：指数匹配凝胶，DAC，数据采集卡
另一类液化石油气（LPG2）用作高温传感头。 石油气在非常高的温度下能保持稳定二氧化碳激光诱导光栅以及在0-800℃范围内具有关于波长 - 温度的线性函数。FBG2和FBG3分别被用作解调元件和参考元件。BBS光由LPG2调制，然后经由C2和C3照亮FBG2以及FBG3。光隔离器的反射光从FBG3返回到LPG2。FBG2和FBG3的反射光分别由PD2和PD3检测。所有的IMG（☆）手臂折射率以匹配凝胶而结束。所有的PD模拟电信号由放大器收集，然后将数据进行处理并在计算机的屏幕上显示出来。
2.3该传感器系统的审讯原理
图4反射原理FBG1频谱和LPG1的透射谱
波长审讯技术对光纤光栅传感系统非常重要。在第一类传感器系统中，LPG1被用作线性响应边缘滤波器，来将波长转换成编码信息来进行询问。 LPG1已经进行温度补偿封装，因此它的波长也不会改变。图4示出FBG1的概略反射光谱以及LPG1 实验中所用的透射光谱。 LPG1的有用光谱区域被示出为在足够宽的范围内接近线性关系。如果询问系统是根据如在图5（B）所示的方式布置，光从宽带光源（BBS）将由LPG1进行调制，然后照亮FBG1。从FBG1的反射光由PD1检测，并随着FBG1的布拉格波长偏移变化。因此LPG1的过滤机制会产生FBG1的波长偏移和光强度检测PD1之间的线性关系（）。 FBG1的布拉格波长（）位于LPG1的施加损失带的强度的上升侧，即具有正斜率的LPG1曲线，因此当变大时，也增大。
在图3所示的第二类传感器系统中，LPG2被用作高温传感头，FBG2被用作询问元件。 FBG2已温度补偿封装并且它的波长（）也不会改变。该原理类似于上面提到的原理，因为一个LPG和一个FBG匹配时，无论是LPG或是FBG的波长漂移会导致LPG和FBG之间的相对波长偏移。所以，当不变时，PD2检测的光强度（）将随着线性时不变（假设是LPG2的施加损耗波段的中心波长）。位于LPG2的施加损失带强度的下降一侧，即具有负斜率的LPG1曲线。所以当变长时，将会增加。在这里，人们可以考虑将检测到的PD3的光强度（）作为基准数据，以消除由于环境温度的不稳定和光源功率波动所引起的误差。。
3、实验和结果
3.1实验和第一高温传感器的结果
图5是实验装置的示意图。该传感器头是按照图1所示。黄铜（H62）杆被用作较长金属棒，它具有更大的CTE，碳素钢（45＃）杆被用作短金属棒，它具有较小的热膨胀系数。它们的长度分别为20cm和18cm。两个金属棒的热膨胀系数有相同的那些功能（4）。当它被粘在绝热杆之后时，的值是1549.98nm。第一类高温传感器系统的三个系列的实验已经完成。在实验中，感测端部的温度通过一个炉子控制。炉子的温度可以0-800℃范围内通过0.1℃的步骤进行调制。
3.1.1主要实验
为了证明该传感器系统的基本性能，第一系列的实验已经完成。OSA（光谱分析仪）已被用于询问FBG1的波长，如图5（a）中。该OSA具有0.01nm的分辨率。实验是在0-800℃的温度范围内实施的。
在0-800℃的范围内，图6中的曲线与图2中曲线（a）是一致的。当温度由0℃改为800℃时，FBG1有7.04nm的波长偏移，其理论值是6.89nm。相对误差为2.1％。
图6中的数据可以用简单的二阶多项式函数表示出来。该函数可以表示为：，其中是上面提到的FBG1的布拉格波长。T是要测量的温度。当被测定的温度高于100℃时，将会有线性响应。该函数可以表示为：。所述拟合直线的斜率值的误差是，而接头线的标准偏差是0.0403。
3.1.2进一步实验
为了提高效率和低成本，LPG1已被用作用于询问线性滤波器。该线性滤波器的实验装置示于图5（b）中。第二和第三系列实验已经完成了对LPG的审讯技术。在第二系列实验中，在三个子系列实验中，BBS的输出功率设定为三个不同的工作点，用来探索传感器系统的稳定性。其结果示于图7（a）。
在第三系列的实验中，通常的干扰（例如，周围环境的热对流）被考虑到，是为了探讨传感器系统的抗干扰能力。我们通过环境的温度波动模拟了外部干扰，是在实验中通过切换空调机来达到不同的温度，其结果示于图7（b）中。
从图7（a）很明显得到，该传感器系统具有良好的可重复性和稳定性。传感器的灵敏度是3.2mv /℃。数据采集卡的分辨率为2.4mv。因此可以证实，传感器系统的1℃（）的分辨率可以被证实。
图7表（二），当温度约为100℃以上时，经过认证的传感器系统具有更好的抗干扰能力。当温度大约低于100℃，该传感器系统具有较弱的抗干扰能力。也许是因为当温度较低时，由于温度的测量，FBG1的伸长很小，所以FBG1因外部干扰的变化相对的大。因此，我们的工作组正在努力改善和研究这种传感器系统的抗干扰能力的机制。
3.2第二类高温传感器的实验和结果
第四和第五系列实验已经完成如图3所示的第二类高温传感器系统。进行两个系列的实验，用不同的光源的输出功率来探索第二类传感器的稳定性和可重复性。高温是由上述的炉子控制的。进行实验数据处理时，被测量的值将被自动确定，并且在PC屏幕上显示出来。误差是由于光源波动和环境温度和应变之间的互作用的敏感性所引起的，根据在PD3信道的数据，它将被自动消除。
在图8中，PD2的相对电压偏移随温度线性变化。从图8中可以得出结论，第二类传感器具有良好的稳定性和可重复性。传感器的灵敏度是大约5.7mv /℃。数据采集卡的分辨率为2.4mv。因此可以确认，第二传感器系统的1℃的（）的分辨率可以放心。
4、结论
可以得出结论，两个高温测量光纤光栅传感器已经被研究。通过第一或第二传感器系统，已经获得了0-800℃的动态范围和1℃时的分辨率。实验结果与理论分析相一致。
参考书籍
1. Leng J, Asundi: Structural health monitoring of smart composite materials by using EFPI and FBG sensors. Sensor and Actuators A, 103 (2003) 330-340.
2. Zhao Y, Liao Y: Compensation technology for a novel reflex optical fiber temperature sensor used under offshore oil well. Opt.Commun. 215(2003) 11-16.
3. Kersey A, Davis M, Patrick H, Leblanc M, Koo K: Fiber grating sensors. J. Lightwave Technol. 15 (1997) 1442-1463.
4. Lee B: Review of present status of optical fiber sensors, Optical Fiber Technol.. 9(2003) 57-59.
5. Shen Y, Pal S, Mandal J, Sun T, Grattan K, Wade S, Collins S, Baxter G, Dussardier B, Monnom G: Investigation of the photosensitivity, temperature sustaina
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