基于光纤布拉格光栅的准分布式高温监测系统 
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1 引言
利用热电偶对环境温度进行监测是国内外工程应用中一种普遍的技术手段,目前很多工程应用需要对环境的温度进行准分布式实时监测,以便对环境温度有更全面、及时的了解,而热电偶难以满足这一需求,采用热电偶对温度进行准分布式测量会导致成本大幅提升、传感器体积大幅增大。FBG具有复用能力强、尺寸小、灵敏度高、响应速度快等优点,非常适合用于温度的准分布式测量。由于监测环境的温度可能很高,且FBG作为温度传感器需要长期、稳定地用于工程当中,因此对FBG的高温特性进行研究是非常有必要的。目前对FBG热稳定性的研究已经取得了较大的进展[1-12],可将其大体分为Ⅰ型FBG研究[1-3]、Ⅱ A型FBG研究[4-5]、Ⅱ型FBG研究[6-11]。此外,文献[ 12-16]对再生光栅的高温特性进行了研究。FBG在温度传感的工程应用方面也取得了一定的进展[17-21],目前已成功应用于变压器[17]、电机[18]、井下油田[19]、火灾报警系统[20]等诸多领域。近年来,基于FBG的高温传感器已受到研究人员和工业界相关人士的关注。
Ⅰ型FBG的反射率在300 ℃以上时会降低,在900 ℃时会被完全擦除[1],故Ⅰ型FBG只能在300 ℃以下长期工作,温度高于300 ℃时FBG被擦除的现象被称为FBG的热衰退效应[2]。柳阳等[3]提出对Ⅰ型FBG进行预热处理可提升其热稳定性的结论。Dong等[4]采用193 nm准分子激光在硼锗共掺光纤上写入了Ⅱ A型FBG,该FBG只有当温度升高到500 ℃时,反射率才开始下降;Groothoff等[5]采用193 nm准分子激光在硼锗共掺光纤上写入了折射率调制深度高达10-3量级的Ⅱ A型FBG,该FBG只有当温度超过800 ℃时,反射率才开始明显下降;Archambault等[6]制备的Ⅱ型FBG在800 ℃退火24 h后,其反射率仍无明显下降,在1000 ℃退火4 h后,该FBG才被完全擦除。飞秒激光结合逐点写入法[7]或相位掩模法[8]可在普通光纤上制备出能承受900 ℃高温的Ⅱ型FBG。Grobnic等[9]使用飞秒激光在蓝宝石光纤上制备出了能承受1500 ℃高温的Ⅱ型FBG;2018年,廖常锐等[10]介绍了飞秒激光制备FBG的机理,并综述了由飞秒激光制备的FBG在高温传感领域的研究进展;2019年,Liu等[11]使用193 nm准分子激光制备了FBG并进行了退火实验,他们认为在FBG的制备过程中有两种折射率调制机理,一种是在低温时占主导地位,另一种是在高温时占主导地位。2002年,Fokine[12]报道了再生光栅的研究结果;2012年,Cook等[13-14]制备了可在1100 ℃以下稳定工作的再生光栅,其最高可承受1295 ℃的高温,他们认为再生光栅形成的根本原因是高温下光纤的应力松弛差异导致折射率调制。国内也开展了再生光栅相关的研究工作[15]。2018年,薛渊泽等[16]从再生光纤光栅的形成机理、制备方法、特殊类型光栅的再生以及机械强度保护4个方面,对国内外再生光纤光栅的研究做了总结和分析。耐高温光纤光栅的研究仍是光纤光栅制备和应用领域的热点。目前很多团队对高温下FBG的反射率变化进行了大量研究,但是对长期处于高温（温度不变）环境下FBG的谐振波长变化规律的研究却不多。FBG作为温度传感器,其需要在几年甚至更久的时间里稳定工作,这要求FBG的谐振波长不能出现明显的偏差,因此研究长期高温（温度不变）下FBG谐振波长的变化情况对于其工程应用有着重大意义。通过调研各种场合中需要测量的温度范围,发现很多应用场合的测温需求为室温至400 ℃。
本文使用193 nm准分子激光在SMF-28光纤上制备了FBG,该FBG的反射带宽小于0.2 nm,具备很好的复用能力和测温精度,且在800 ℃下其依然具有超过50%的反射率;通过高温传感实验,得到了FBG谐振波长和温度之间的关系,对FBG进行了近两个月的高温退火实验,得到了高温（温度不变）环境下FBG谐振波长的变化规律,该研究为FBG的实际工程应用提供了保证。另外设计了可应用于实际工程中的准分布式高温监测系统,实验结果表明,该系统可在400 ℃以下长期稳定工作,实际测温误差小于0.2 ℃,其具有很好的应用前景。
2 光纤光栅退火与温度响应特性
2.1 FBG的制备
FBG的形成机理和很多因素相关,例如写入激光器的波长和能量、光纤掺杂情况、光纤光敏类型、光纤结构、载氢情况等。在光纤上制备FBG时,在光纤中引入的折射率调制往往是多种光敏机理共同作用的结果。为了提高FBG的制备效率,可在高掺锗或硼锗共掺的光纤上轻松地制备出Ⅰ型FBG或Ⅱ A型FBG（取决于激光的曝光次数）,但在这类光纤上制备的FBG的热稳定性不够好,因此常规方法制备的Ⅰ型FBG或Ⅱ A型FBG均不适用于高温传感。高能量的紫外脉冲曝光可在光敏性较差的光纤中缓慢地引入基于结构重组机理的折射率调制,但效率较低,其原因是这种类型的折射率调制需要高能量的紫外脉冲长时间曝光才可形成,本质是在光纤的纤芯和包层表面引起物理性损伤。这种类型的折射率调制有着较高的热稳定性。
本研究使用193 nm准分子激光（工作能量和频率分别为6.0 mJ、20 Hz）在SMF-28光纤上制备了FBG。FBG的制备过程中,透射光谱的变化如
图 1. FBG的制备。（a）不同脉冲曝光条件下FBG的透射光谱;（b）不同脉冲曝光条件下FBG的谐振波长和对比度
Fig. 1. Fabrication of FBGs. (a) Transmission spectrum of FBGs under different pulse exposure conditions; (b) wavelength and contrast of FBGs under different pulse exposure conditions
使用193 nm准分子激光在未载氢的SMF-28光纤上制备FBG时,当紫外脉冲曝光次数较少时,在光纤中引入的是基于色心机理的折射率调制,由于SMF-28光纤纤芯中锗的掺杂量较少,因此基于色心机理的折射率调制的深度并不大;当紫外激光的曝光脉冲次数较多时,高能量的紫外脉冲曝光会在光纤中引入一定的基于结构重组机理的折射率调制。本实验使用193 nm准分子激光在未载氢的SMF-28光纤上最高只能制备出谐振峰对比度为13.3 dB的FBG,之后尽管激光曝光脉冲次数不断地增加,但FBG谐振峰的对比度不再增加。
使用其他紫外激光难以在未载氢的SMF-28光纤上制备出FBG,在载氢和未载氢光纤上制备FBG的成栅机理不同,紫外激光在载氢光纤上制备的FBG的热稳定性较差。本研究使用193 nm准分子激光在未载氢的SMF-28光纤上制备了FBG,由于在光纤中引入了基于结构重组机理的折射率调制,因此制备的FBG也具有较高的热稳定性。相较于其他传统Ⅰ型FBG或Ⅱ A型FBG,该FBG具有较高的热稳定性;相较于采用飞秒激光制备的Ⅱ型FBG,该FBG具有较窄的反射带宽,保证了FBG的复用能力和测温精度;相较于再生光栅,该FBG具有更高的反射率和更好的机械性能。
2.2 FBG的高温特性
FBG具有热衰退效应,即随着温度升高,其反射率逐渐下降。为了研究实验中制备的FBG的高温特性,确保其在高温下具有适当的反射率且可正常工作,采用管式气氛炉（SJX-1500）对其进行高温退火。
2.1节中制备出的谐振峰对比度为13.3 dB的FBG在室温下放置半个月后,其谐振峰的对比度稳定在10 dB左右。该FBG的退火实验结果如
图 3. FBG的退火实验结果。（a）高温下FBG的对比度;（b）22.9 ℃下的光谱;（c）801 ℃下的光谱
Fig. 3. Annealing experiment results of FBGs. (a) Contrast of FBGs under high temperature; (b) transmission spectrum of FBG under 22.9 ℃; (c) transmission spectrum of FBG under 801 ℃
2.3 FBG的温度传感
聚酰亚胺是一种性能优良的有机高分子材料,这种材料涂覆的光纤能够在350 ℃下稳定工作,在350~400 ℃的温度范围内可短期使用,采用聚酰亚胺对FBG栅区进行重新涂覆处理可有效地保护FBG栅区,这种方法具有体积小、保护性强的优势,因此被广泛地使用。当瞬时温度超过400 ℃（或长期温度超过350 ℃）时,聚酰亚胺涂覆层可能会发生炭化,因此针对高温下聚酰亚胺涂覆层对FBG的谐振波长的影响进行了研究。在SMF-28光纤上制备FBG;使用聚酰亚胺对FBG栅区重新涂覆;在350 ℃对完成重新涂覆处理的FBG进行2 h退火处理,以使FBG的高温性质更加稳定;最后对FBG进行3次温度传感实验,实验结果如
图 4. 温度传感实验结果。（a）温度传感重复性实验;（b）3次实验数据的拟合结果
Fig. 4. Experiment results of temperature sensing. (a) Repeatability experiments of temperature sensing; (b) fitting results of three experimental data
2.4 FBG的封装
高温光纤光栅应用于工业环境时,实际环境可能比较恶劣,且高温下光纤的机械性能变差,封装光纤光栅对于高温光栅的实际应用具有重要意义。FBG工作在高温环境中,通常不仅需要对FBG栅区进行保护,还需对处于高温下的光纤进行保护。选取尺寸合适的不锈钢管可以对FBG栅区和光纤进行保护,以使其免于环境因素（应力、弯曲等）的干扰。本研究采用内径为1 mm、外径为2 mm的不锈钢管对FBG进行封装,
为了测试这种封装方法对FBG温度灵敏度的影响,对其进行了温度传感实验,实验结果如
表 1. 不锈钢管封装与否对FBG温度灵敏度的影响
Table 1. Effect of encapsulation using stainless steel tube on the temperature sensitivity of FBGs unit: pm·℃-1
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3 准分布式测温系统
3.1 准分布式设计
首先设计了基于FBG的准分布式温度监测系统,如
图 6. 准分布测温的示意图。（a）整体示意图;（b）细节图
Fig. 6. Schematic diagram of quasi-distribution temperature measurement. (a) Comprehensive schematic; (b) partial schematic
3.2 长期退火与测温结果
在FBG的工程应用中,本研究采用的是193 nm准分子激光（工作能量和频率分别为5.7 mJ、20 Hz）在SMF-28光纤上制备的FBG,该FBG和
退火装置的温度稳定在400 ℃,FBG的谐振波长呈现向长波长方向漂移的趋势（其原因是大型退火装置的内部温度最初升温至400 ℃时出现了波动,而采用小型退火炉对单个FBG进行退火的实验中未发现该现象）,经700 h的退火处理后,FBG的谐振波长才开始接近稳定状态,整个过程中FBG的谐振波长大约漂移了200 pm。退火150 h时,所有FBG的谐振波长均向短波长方向漂移了约30 pm,而后所有FBG的谐振波长又向长波长方向漂移,造成这个波动的原因是退火装置的内部温度出现了2 ℃左右的波动。完成1246 h退火处理的FBG,其谐振波长不再发生变化,谐振波长不再发生变化的原因是长时间退火处理后光纤中基于色心机理的折射率调制已被擦除,而基于结构重组机理的折射率调制在退火温度下很稳定,因此FBG的折射率调制不再变化,这为FBG温度传感器标定温度响应参数创造了条件。
在完成对FBG温度传感器的长期退火处理后,对FBG温度传感器的温度响应参数进行标定。本研究应用中的温度测量范围是200~350 ℃,因此将退火后的FBG温度传感器在200~350 ℃的范围内进行了温度传感实验,进而得到了FBG温度传感器谐振波长和其周围温度之间的对应关系。实验发现,不同位点的环境温度有细小差别,因此每个FBG温度传感器的温度响应参数均需要采用独立的实验数据进行标定,由于50个FBG温度传感器的实验情况非常相似,本研究选用其中一个FBG温度传感器的实验结果进行说明。FBG （#31）的温度传感实验结果如
有研究表明[22],在低温段（<100 ℃）时,FBG谐振波长和温度呈现较好的线性关系;但在高温段（>100 ℃）时,应采用高阶多项式来拟合谐振波长和温度的关系。因此在温度测量范围较大时,FBG谐振波长和温度之间采用多项式拟合更为准确。在0~400 ℃的范围内,二次拟合已经足够准确,其拟合程度接近为1;而在0~1000 ℃的范围内,采用三次或者更高次拟合更为准确。本研究中的温度测量范围是200~350 ℃,由于二次拟合的拟合程度较好,且采用基于二次拟合的标定公式解调出的温度具有较小误差,因此本文选用二次拟合。根据
式中：T 为FBG（#31）周围环境的温度,单位为 ℃;λ 为FBG（#31）的谐振波长,单位为 nm。通过测量FBG谐振波长的变化,可得到其周围温度的信息。本系统采用的传感器分析仪的波长分辨率为1 pm,由于FBG温度传感器的温度灵敏度大于10 pm/℃,因此本系统的理论测温误差小于0.1 ℃。完成对FBG温度传感器传感参数的标定后,对该系统进行温度传感实验,
表 2. 准分布式高温监测系统的实验结果
Table 2. Experimental results of quasi-distributed high temperature monitoring system unit: ℃
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4 结论
FBG作为一种常用的温度传感器,其在高温下的长期稳定性十分重要。本研究使用193 nm准分子激光在未载氢的SMF-28光纤上制备了带宽为0.2 nm的FBG,该FBG在800 ℃下依然具有超过50%的反射率;对其进行温度传感实验时发现,在0~400 ℃的范围内FBG谐振波长和温度呈二次曲线的关系;利用不锈钢管对FBG完成封装后,设计了一个可在0~400 ℃的范围内对环境温度进行准分布式测量的监测系统,在400 ℃对该系统进行了1246 h的退火处理,结果表明退火过程中FBG的谐振波长逐渐向长波方向漂移,在1246 h的退火处理后FBG的谐振波长不再发生变化;采用热电偶作为参考标定,该系统的温度测量结果表明其实际测量误差小于0.2 ℃。相较于传统热电偶测温系统,该系统可实现对环境温度的准分布式实时监测,相较于其他FBG温度监测系统,该系统的温度测量范围更大,该系统在石油化工、钢铁冶金、航空航天等领域具有很好的应用前景。
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司晓龙, 吴林坊, 庄岩, 牟成博, 刘云启. 基于光纤布拉格光栅的准分布式高温监测系统[J]. 激光与光电子学进展, 2021, 58(1): 0106001. Si Xiaolong, Wu Linfang, Zhuang Yan, Mou Chengbo, Liu Yunqi. Quasi-Distributed High-Temperature Monitoring System Based on Fiber Bragg Grating[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2021, 58(1): 0106001.
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