Coherent fiber optic temperature sensor

In many industrial application fields (oil & gas and high voltage transformers…) the use of conventional electrical temperature sensors (e.g. thermocouples) is forbidden because of harsh environmental conditions or risk of explosions due to sparks. In these fields fiber optic sensor represent a valid alternative as they can withstand severe conditions (high temperature, pressure) and offer a complete electromagnetic immunity. Already available commercial fiber optic temperature sensors are mainly of two types: distributed sensors, that is, they can provide the entire profile of temperature along the entire fiber length (even km) with high spatial resolution (Raman, Brillouin sensor). And local sensors is that, in this case the fiber is used only to transport the optical light but the actual sensor is a material with peculiar thermal properties (fluorescence, absorption) which is place on top of the fiber end face. These commercial systems are still expensive monitoring solutions and their cost can only be sustained mainly by industries such those of the Oil & Gas and High-Voltage Transformers. On the other hand, the Manufacturing Industry (packaging, mechanical, automotive…) is now realizing the importance of implementing predictive maintenance strategies to prevent the occurrence of failure and downtimes in the manufacturing process. The implementation of an effective predictive maintenance requires the installation of monitoring system comprising a plurality of conventional sensors (even temperature sensors) which can provide manifold real-time information on the machine condition. The manufacturing industry is however struggling with the still high costs and complexity of installation of these monitoring solutions based on conventional electrical sensors. In this frame fiber optic sensors can bring a real innovation, due to their minimal invasiveness, electromagnetic immunity and capability to sense manifold environmental parameter with the same transducer, that is, the optical fiber. As mentioned above commercially available fiber optic sensors are however too expensive. In the present work, we have decided to re-consider a coherent approach, that is, interferometric, to fiber optic sensors, to achieve a cost-effective solution that can be proposed also to the Manufacturing Industry. Interferometric technique were already proposed more than 40 years ago, offering very high sensitivity and accuracy, but their actual in-field applicability has been limited by technological issues related to the stabilization of the interferometric working point and polarization fading. In the present work to overcome, the above-mentioned issues a completely passive phase diversity receiver combined with Faraday rotation mirrors, respectively for quadrature point and polarization stabilization, have been exploited to develop a low-cost interferometric fiber optic sensor capable to reliably detect temperature variations in an industrial environment. The present work are divided as follows: in the first chapter, a brief review of the fiber optic sensor peculiar properties is given while in the second chapter a more detailed description is provided related to fiber optic temperature sensors. In the third chapter a theoretical description of the coherent approach to fiber optic sensing is given. In particular, in order to convert temperature measurement which is a quasi-static parameter, in a dynamic measurement, which guarantees a better accuracy, coherent detection is associated with a wavelength modulation, that is, a chirp of the optical laser source. In chapter four different typology of laser source with different chirp characteristics are taken into account and compared to evaluate the optical source that allows better performance in terms of sensitivity and accuracy in coherent detection. Finally, in chapter five, the coherent fiber optic temperature sensor experimental setup is described and preliminary results are provided.

In molti settori industriali diversi campi di applicazione (oil & gas e trasformatori di alta tensione…) l'uso di tradizionali elettriche dei sensori di temperatura (ad esempio termocoppie) è vietato a causa delle severe condizioni ambientali o il rischio di esplosioni dovute a scintille. In questi campi sensore a fibra ottica rappresentano una valida alternativa in quanto possono resistere a condizioni difficili (ad alta temperatura, pressione) e offrono una completa immunità elettromagnetica. Già disponibile in commercio sensori di temperatura in fibra ottica sono principalmente di due tipi: sensori distribuiti, che essi possono fornire tutto il profilo di temperatura lungo tutta la lunghezza della fibra (anche km) con elevata risoluzione spaziale (Raman, Brillouin sensore). E sensori locali è che in questo caso la fibra viene utilizzato solo per il trasporto della luce ottica ma il sensore effettivo è un materiale con una peculiare proprietà termiche (fluorescenza, assorbimento) che è posto sulla cima di la faccia finale della fibra. Questi sistemi commerciali sono ancora costose soluzioni per il monitoraggio e il loro costo può essere sostenuta solo principalmente dalle industrie quali quelli dell'Oil & Gas e trasformatori di alta tensione. D'altro canto, l'industria manifatturiera (imballaggio, meccanica, automotive…) è ora a rendersi conto dell importanza di attuare la manutenzione predittiva delle strategie per prevenire il verificarsi del guasto e tempi morti nel processo di fabbricazione. La realizzazione di un efficace manutenzione predittiva richiede l'installazione del sistema di monitoraggio comprendente una pluralità di sensori convenzionali (anche sensori di temperatura) che può fornire il collettore informazioni in tempo reale sulle condizioni della macchina. L'industria manifatturiera è tuttavia lottando con gli ancora elevati costi e complessità di installazione di queste soluzioni per il monitoraggio basato su convenzionali sensori elettrici. In questa cornice i sensori a fibra ottica può portare una vera innovazione, a causa della loro invasività minima, immunità elettromagnetica e capacità di collettore di rilevamento del parametro ambientale con lo stesso trasduttore, cioè la fibra ottica. Come accennato in precedenza disponibili in commercio sensori a fibra ottica sono però troppo costoso. Nel presente lavoro abbiamo deciso di ri-considera un approccio coerente, che è, interferometrico per sensori a fibre ottiche, per ottenere una soluzione conveniente che può essere proposto anche per il settore manifatturiero. Tecnica interferometrica sono stati già proposti più di quarant anni fa, offrendo molto alta sensibilità e precisione, ma la loro effettiva nel campo di applicabilità è stata limitata da problemi tecnologici legati alla stabilizzazione del interferometrica del punto di lavoro e polarizzazione fading. Nel presente lavoro di superare il sopra menzionato questioni completamente una fase passiva di ricevitore in diversità combinata con la rotazione di Faraday specchi, rispettivamente per punto in quadratura e la stabilizzazione di polarizzazione, sono stati sfruttati per sviluppare un basso costo interferometriche di sensore a fibra ottica in grado di rilevare in maniera affidabile le variazioni di temperatura in un ambiente industriale. Il presente lavoro sono suddivisi come segue: nel primo capitolo un breve riepilogo del sensore a fibra ottica peculiari proprietà è dato mentre nel secondo capitolo una descrizione più dettagliata è fornite relative ai sensori di temperatura in fibra ottica. Nel terzo capitolo una descrizione teorica di un approccio coerente di rilevamento a fibre ottiche è dato. In particolare, al fine di convertire la misura di temperatura che è quasi un parametro statico in una misura dinamica, che garantisce una migliore precisione, rilevamento coerente è associato ad una lunghezza d'onda di modulazione, che è, un chirp dell'ottica laser sorgente. Nel capitolo 4 la diversa tipologia di sorgente laser con diverse caratteristiche di pigolio sono presi in considerazione e rispetto per valutare la sorgente ottica che consente di ottenere prestazioni migliori in termini di sensibilità e precisione nel rilevamento coerente. Infine nel capitolo cinque, la coerente in fibra ottica del sensore di temperatura setup sperimentale è descritto e i risultati preliminari sono previsti.