（光学专业论文）光纤bragg光栅温度压力传感技术研究.pdf

摘要 摘要 本论文对光纤光栅传感技术，增敏技术以及温度和压力测量中的应用进行了 系统研究，主要包括：光纤光栅基本理论；光纤光栅传感原理；光纤光栅增敏技 术；油气井下光纤光栅高温和高压传感器的实验研究。 首先简要阐述了光纤光栅传感技术的背景和国内外发展现状以及光纤光栅 传感的特点；研究了光纤布拉格光栅的耦合模理论；并分析了光纤光栅温度、应 变和压力传感原理。 其次针对裸光纤光栅压力温度灵敏度低的特点，分析了不同的增敏技术，提 出了一种基于等强度悬臂梁与c 形弹簧管结合的光纤光栅压力增敏技术，在0 1 0 m p a 范围内实现了5 6 倍的压力增敏，分析了影响灵敏度的因素，并通过实验得 到验证。提出了一种基于金属管封装的f b g 温度增敏技术，在o 一1 0 0 范围实 现3 2 倍的温度增敏。 最后针对油气井下高温高压环境下，对裸栅分别作了高温高压实验，从理论 上研究了高温下光纤光栅的非线性现象。针对光纤光栅温度应变交叉敏感问题提 出适用于井下高温高压环境的基于弹性圆筒双光纤光栅，压力温度同时测量的可 行方案，并对该传感器进行了实验和结果分析，结果表明其有效性和实用性。 关键词：光纤光栅传感增敏技术温度测量压力测量 摘要 a b s t r a c t t h i sp a p e rf o c u s e so nr e s e a r c ho nt h ef i b e rg r a t i n gs e n s i n gt e c h n o l o g y ，e n h a n c e ds e n s i t i v i t y t e c h n o l o g y ，a n di t sa p p l i c a t i o n so nt h et e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r em e a s u r e m e n t , i n c l u d i n gt h eb a s i c t h e o r yo ff i b e rg r a t i n g ，t h es e n s i n gm e c h a n i s mo ff i b e rg r a t i n g ，t h ei n c r e a s i n go ft e m p e r a t u r ea n d t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e so nt h er e s i s t i n gh i g ht e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ef b g ( f i b e rb r a g g g r a t i n g ) s e n s o ri nt h el a b f i r s t l y ，t h er e c e n td e v e l o p m e n t si nt h et e c h n o l o g i e so fs e n s i n gf i b e rg r a t i n g s ，t h ef b gs e n s i n g t e c h n o l o g yd e v e l o p m e n ti nt h ew o r l d ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i co ff b gs e n s o ra r er e v i e w e d t h e t h e o r yo ft h ef b g sc o u p l i n gm o d e lw a ss t u d i e d t h et e m p e r a t u r e ，s t r a i na n dp r e s s u r es e n s i n g p r i n c i p l e so ff i b e rg r a t i n gw e r ea n a l y z e d s e c o n d l y ，v a r i o u sm e t h o d so fi m p r o v i n gs e n s i t i v i t yo ff b gw e r ea n a l y z e da c c o r d i n gt ot h e l o ws e n s i t i v i t yo fb a r ef b g t oi m p r o v et h ep r e s s u r es e n s i t i v i t yo f 阳g o n ek i n do fm e t h o dw a s p r o p o s e db a s e do nt h eb o u r d o na n dc a n t i l e v e rb e a mo fu n i f o r ms t r e n g t h i nt h ep r e s s u r er a n g e f r o m0t o10m p a , 5 6t i m e so ft h ep r e s s u r es e n s i t i v i t yc o e f f i c i e n t so ft h i sk i n d so ff b gs e n s o r s w a sr e a l i z e d t h ei n f l u e n c i n gf a c t o rt os e n s i t i v i t yw a sa n a l y z e da n dt h er e s u l tw a sv e r i f i e db y e x p e r i m e n t a n o t h e rk i n do ff b gb a s e do nt h ef b gw a sd e v e l o p e do nt h ep l a t es t u f f i t s t e m p e r a t u r es e n s i t i v i t yc o e f f i c i e n t si nt h et e m p e r a t u r er a n g ef r o m0 1 2 t ol0 5 ca r e3 2t i m e so f t l l a to f b a r ef b g f i n a l l y ，u n d e rt h ec i r c u m s t a n c e so fh i g i lt e m p e r a t u r ea n dh i 曲p r e s s u r ei nt h eo i l g a s d o w n - h o l e ，h i g ht e m p e r a t u r ea n dh i g hp r e s s u r ee x p e r i m e n t st ob a r ef b gw e r ec a r r i e do u t , a n dt h e n o n l i n e a rp h e n o m e n ao ff b ga r es t u d i e d t ot h et e m p e r a t u r ea n ds t r a i nc r o s ss e n s i t i v i t yq u e s t i o n o ff i b e rg r a t i n g ，af e a s i b l es o l u t i o nw a s p r e s e n t e db a s e d o ne l a s t i cc y l i n d e rt w i nf i b e rg r a t i n g s ，t h a t p r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r ec a l lb em e a s u r e da tt h es a m et i m e t h es e n s o ri sf i tf o rt h ec i r c u m s t a n c e s o f1 1 i 曲t e m p e r a t u r ea n dh i 曲p r e s s u r ei nt h eo i f g a sd o w n - h o l e ，a n dt h er e s u l to fe x p e r i m e n t i n d i c a t e si t se f f i c i e n c ya n dp r a c t i c a l i t y k e y w o r d s ：f i b e rg r a t i n gs e n s i n g ，e n h a n c e ds e n s i t i v i t y ，e n c a p s u l a t i o n ，t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t , p r e s s u r et e m p e r a t u r e 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。 本人允许论文被查阅和借阅。本人授权西北大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研 究所等机构将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库或其它 相关数据库。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：盎趟煎 指导教师签名：臣! 塑竺! o 气年b 只se t加移3 年6 具治e l 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本论文不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西北大学或其它教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：嘛：稍硼 d ? 年6 月je l 第一章：绪论 1 1 引言 第一章绪论 当今世界已跨入信息时代，计算机与通信网络的发展在各个行业的作用日 益增大。以光子或光波代替电子或电磁波作为信息载体是超高速率和超大容量现 代信息科技发展中的必然选择。2 l 世纪是信息时代，信息技术主要包括信息获取、 信息处理、信息传输这三大部分。信息的获取和载入也将成为国家信息基础设施 中的重要组成部分，能够反映社会和物质运动状态的信息，可以通过声、图、文、 数据的表达而反映出来，物质运动时运动状态通常会伴随有光场、电磁场、声场、 热场和应力场等的出现，它们的存在可以是某种材料或器件的物理、化学等特性 发生变化，通过对这种变化的测量就能察觉物质的存在或变化状态，这种器件称 为传感器。传感技术是信息技术的重要组成部分，传感技术亦是现代科技的前沿 技术，其水平的高低是衡量一个国家技术发展的重要标志之一，各发达国家都将 其视为现代化高技术发展的关键。 光纤是现代化通信网中传输信息的媒质，早在1 9 6 6 年英籍华人高锟，一个在 英国h a r l o w t t t 实验室工作的年轻工程师大胆地提出，发送高速信息脉冲到一根 纤细的玻璃丝中已成为可能，并且通过一系列的试验得到验证。光纤传感器是利 用光纤将待测量对光纤内传输的光波参量进行调制，并对被调制过的光波信号进 行解调检测，从而获得待测量值的一种装置。光纤传感技术是伴随着光导纤维及 光纤通信技术发展而出现的一种崭新的传感技术。 自从利用全息曝光法制作光纤光栅获得成功以来，国内外在光纤光栅制作 技术、解调技术等方面开展了大量工作。光纤光栅( ( f b g ：f i b e rb r a g gg r a t i n g ) 是一种新型的光无源器件。它是利用光纤材料的光敏特性，通过在光纤轴向上建 立周期性的折射率分布来改变或控制光在该区域的传播行为和方式。通过适配 的解调系统获取感知的被测信息，从而实现对被测量的可靠测量。光纤光栅的 出现使许多复杂的全光通信和传感网络成为可能，并极大地拓宽了光纤技术的 应用范围。近年来，光纤光栅在光纤传感方面的研究越来越受到人们的重视。 光纤光栅传感器也就代表着新一代传感器的发展方向。由于光纤光栅传感器有 第一章：绪论 其他传感器无法比拟的优点，成为国内外光纤传感领域的研究热点。具有纳米 级折射率分布周期的光纤光栅称为光纤布喇格光栅。光纤布拉格光栅具有体积 小、灵敏度高、易于制造、成本底、不受电磁干扰、隔离度大、与偏振无关、 而且易集成、本征自相干性好，能够实现多点分布式测量，克服了传统传感器测 量成本高、精度小的缺点。因此在光纤传感领域中得到了极大的重视。经过近 十几年来的研究，光纤光栅的传感机理已基本探明，用于测量各种物理量的多种 结构光纤光栅传感器已被制作出来目前，光纤光栅传感器可以检测的物理量包 括温度、应变、应力、位移、压强、扭角、扭矩( 扭应力) 、加速度、电流、电 压、磁场、频率及浓度等 总之，光纤光栅传感技术不仅改变了人们的工作、学习和生活方式，而且 推动了新产业革命、新军事革命，对其进行深入的研究是十分有意义的。 1 2 光纤光栅传感技术的特点 光纤光栅是利用掺杂( 如锗、磷等) 光纤的光敏特性，通过某种工艺方法使 外界入射光子和纤芯内的掺杂粒子相互作用导致纤芯折射率沿纤轴方向周期性 或非周期性的永久变化，在纤芯内形成空间相位光栅。由于光纤光栅纵向折射 率的变化，会对某一波长的光波产生反射或透射，其实质是在光纤光栅纤芯内 形成一个窄带的透射( 或反射) 镜。当宽带光注入到光栅时，在光栅中传输的光 波就在这种折射率微扰下产生模式耦合，在光栅的入口反射出布拉格波长的反 射谱。 光纤光栅传感器是在光纤光栅的基础上，以布拉格条件为基础发展起来的 一种本征波长调制型传感器。光纤光栅传感器是利用反射( 或透射) 谱的波长变 化来实现物理量的测量，其反射( 透射) 谱的波长与光栅的折射率调制周期及纤 芯的有效折射率有关。当外界温度和应变变化时会影响光纤光栅的折射率调制 周期和纤芯折射率变化，从而引起光纤光栅的反射( 透射) 谱峰值波长的移动， 通过测量布拉格波长的移动量可实现外界物理量的测量。这就是光纤光栅传感 器的基本工作原理。在应变、温度传感机理的基础上，可衍生出压力、磁场、 电流、位移、加速度等传感器。 与传统的强度调制型或相位调制型光纤传感器相比，波长调制型的光纤光 2 第一章：绪论 栅传感器具有许多独特的优点： ( 1 ) 传感探头结构简单、尺寸小( 其外径与光纤本身等同) ，质量轻，外形可 变，可绕的优点，适于范围广，尤其是智能材料和结构。便于埋入复合材料构 件及大型建筑物内部，还有利于航空、航天以及狭窄空间的应用。 ( 2 ) 抗电磁干扰，电绝缘，耐腐蚀，本质安全。由于光纤传感器是利用光波 传输信息，而光纤又是电绝缘、耐腐蚀的传输媒质，因而不怕强电磁干扰，也 不影响外界的电磁场，并且安全可靠。这使它在各种大型机电、石油化工、冶 金高压、强电磁干扰、易燃易爆、强腐蚀环境中能方便而有效地进行传感。 ( 3 ) 耐久性好。由于石英本身就是耐腐蚀材料，化学性能极其稳定，因此适 合在高温、化学侵蚀等恶劣环境中使用； ( 4 ) 可用于对外界参量的绝对测量。由于光纤光栅传感器采用波长绝对编 码，在对其进行定标后可实现物理量的绝对测量。 ( 5 ) 可以实现多点测量、分布式测量，采用波分复用( ( w d 峋、时分复用 ( t o m ) 、空分复用( s d m ) 或联合使用，便于进行大面积的多点测量。还可以能 利用波分复用技术在一根光纤中串联多个光纤光栅进行分布式测量，构成光纤 传感网络。 ( 6 ) 测量范围广：可测量温度、压力、应变、应力、液位、气体浓度、液 体浓度、流量、流速、电流、电压等。 ( 7 ) 测量结果重复性好，灵敏度高。基于光纤光栅的上述诸多优点，其被 广泛应用于石油工业、民用工程结构、航空航天业、船舶航运业、电力工业等 领域。由于光纤光栅传感器和传统的传感器相比，具有普通传感器无法比拟的 优点，它可以应用于许多复杂恶劣的环境中。例如，可用光纤光栅传感器来代 替现在的电类传感器，来实现永久连续的井下油田监控系统。 1 3 光纤光栅传感系统国内外发展现状 光纤光栅的研究最早主要集中在光纤布拉格光栅。1 9 7 8 年，加拿大通信研 究中心的h i l l 等人首次观察到掺锗光纤中因光诱导产生光栅的效应【1 1 。他们利 用4 8 8 n m 氩离子激光照射掺锗的光纤，在光纤中产生驻波干涉条纹，制成纤芯 折射率沿轴向的周期性分布的光纤光栅。制成了世界上第一个永久性可实现反 3 第一章：绪论 向模式间耦和的光纤光栅，被称为“h i l l 光栅 【2 】，开辟了光纤光栅传感器研 究与应用的新领域。驻波法写入的光纤光栅的反射率可达9 0 以上，反射带宽 可小于2 0 0 m h z ，但是由于需要特制的掺锗量高，芯径小，因此其实用性受到限 制。 1 9 8 8 年，美国的m e l t z 等人提出了用两束相干的紫外光形成的干涉条纹侧 面曝光氢载光纤写入光纤布拉格光栅横向全息成像技术【3 】，这项技术不仅有效 地提高了光纤光栅的写入效率，而且还可以通过选择激光波长或改变两束相干 光间的夹角可在任何可用的波段写入光纤布拉格光栅，为光纤光栅实用化铺平 了道路。1 9 9 3 年，h i l l 等人提出了紫外光垂直照射位相掩模形成的衍射条纹曝 光氢载光纤写入光纤光栅的位相掩模法【4 1 ，极大地放宽了对写入光源相干性的 要求，使光纤光栅真正走向实用化和产业化。 世界各国对光纤光栅的写入方法、理论研究和其应用都获得了飞速的发展。 光纤光栅的制作及光纤光敏化技术不断取得新的进展，其制作技术也不断提高 和完善。随着研究的不断深入，光纤光栅的优良特性也逐步展现出来，光纤光 栅传感器被视为具有推动光纤传感器进入前沿发展的潜力。在国内光纤光栅传 感器也发展迅猛，国家自然科学基金、8 6 3 项目等国家基金以及其他专项基金 给予了大力的支持和资助。早在“八五 计划期间基金委就布置了若干与之相 关的重大基金和重点基金项目，并且投资力度逐渐加大。到现在为止，数量上 已形成了一定规模，质量上已经上了新的层次。在传感理论研究方面，以清华 大学、吉林大学、中科院半导体所、上海光机所等为代表的机构对光纤的光敏 性、成栅机理、光波传输规律等问题进行了深入研究l 5 , 6 1 。清华大学从1 9 9 6 年 开始对光纤布拉格光栅及其传感特性进行研究，提出了利用光纤光栅实现应变 和温度同时测量的构想，近几年则在光纤光栅匹配调谐技术和压力温度区分测 量方面进行了实验研究；南开大学提出了宽带光源，光纤光栅封装技术，以及 适用于光纤光栅应用的光纤放大器等研究方向，其现代光学研究所对光纤光栅 在通信和传感方面的应用已有深入的研究，且在实现光纤光栅的温度、应变、 扭矩等参量的区分测量方面，取得了一定的成就；武汉理工大学的国家光纤研 究中心目前已经自行研制了光纤光栅温度传感器、应变传感器，光纤光栅解调 仪，光纤液位计等；哈尔滨工业大学研究出的纤维增强塑料一光纤光栅复合传感 4 第一章：绪论 筋、光纤光栅毛细管式封装应变计、光纤光栅片式应变计等都已经申请专利。 西安石油大学在传感器的封装和埋覆方面，取得了显著的成绩。 许多高新技术企业也陆续生产出了自己的产品。上海紫栅光电技术有限公 司不但拥有解调器，温度、应力传感器，色散补偿器，滤波器等产品的自主知 识产权，而且生产出波长范围为4 0 n r n ，分辨率i p m 的第二代解调设备。北京 品傲光电科技有限公司生产各种光纤光栅传感器( 温度传感器、位移传感器、 应变传感器、压力传感器等) ；解调设备有p i 系列传感网络分析仪，其技术指 标优异，可靠性设计高，可应用于桥梁、大坝、隧道、远距离输油管道等大型 结构的长期健康监测。北京路科锐威科技有限公司是专业从事光电子器件与系 统的设计、开发、生产与销售的高科技企业，该公司生产的光纤传感器及配套 的光纤光栅解调仪已应用在桥梁，大坝，石油平台监测等。 虽然我国在光纤光栅传感方面取得了很多成绩，但还有许多关键技术和工 艺问题有待进一步深入研究和完善。在制作方面，生产的光栅多以通信为主， 传感性能不一定最佳；在波长解调方面，满足工程需要的具有自主知识产权、 经济型、小型化的解调设备始终没有重大突破，成为制约我国光纤光栅传感系 统工程应用的瓶颈；在光源方面，可调谐激光光源( t l s ) 、自激发辐射放大 ( a s e ) 宽带光源的稳定性和可靠性等方面有待进一步提高；在传感器的封装 和保护方面，多为手工操作，产品一致性差，适合批量生产的自动化封装工艺 需要进一步研究。 国际上，美、英、加拿大等西方发达国家以及亚洲的日本、韩国在光纤光 栅传感领域中发展得比较迅速。处于光纤光栅传感领域的领先地位。主要研究 机构有：美国的海军实验室( n r l ) 、国家航空航天管理局( n a s a ) 、b l u er o a d r e s e a r c h 公司、m i c r o no p ti c s 公司等；英国的k e n t 大学、c i t y 大学、s m a r t f i b e r s 公司等；加拿大的p h o t o n i c sr e s e a r c h 公司以及韩国的国家光子研究 中心等。光纤布拉格光栅传感器已经在大型结构工程( 如桥梁、大坝、隧道、 高层建筑、矿井巷道、运动场馆、岩土工程等) 、电力、航空航天、船舶、生物 医学、核工业、石化、水利、石油勘探以及军事武器装备等领域获得了应用。 1 9 9 3 年加拿大卡尔加里附近的b e d d i n g t o nt r a il 大桥首先使用了光纤光栅进 行应力测量并用此方法长期监测桥梁结构。1 9 7 9 年，美国国家宇航局首次将光 5 第一章：绪论 纤传感器埋入聚合物复合材料蒙皮中，用以监控复合材料应变与温度。后来， 他们在航天飞机x - 3 3 上安装了测量应变和温度的光纤光栅传感网络，对航天飞 机进行实时的健康监测。在德国，自1 9 9 6 年开始，研究基于光纤光栅的自适应 机翼，在结构变化监视中埋入了静态分布式光纤光栅应变和温度传感器。德国 累斯顿大学的m e i s s n e r 等人将布拉格光栅埋入桥的混凝土棱柱中，测量荷载下 的基本线性响应，并且用常规的应变仪作了对比实验，证实了光纤光栅传感器 应用的可行性。在石油化工等易燃易爆领域，光纤光栅传感器因其本质安全性 以及耐腐蚀性而非常适用。2 0 0 0 年，s p i ri n 等人用一种聚合物封装光纤光栅， 用来监测石油的泄漏情况【7 】。2 0 0 3 年w e a t h e r f o r d 公司将光纤光栅振动传感阵列 安装于井下，可以在1 0 0 0 b a r 和1 7 5 的环境下持续工作，用于监测井下声波振 动。加拿大的s a b e u s 光子学公司发明了在光纤中写入光栅时不需要去掉光纤的 外包层的光纤光栅在线冷写入技术，从而使光纤光栅的强度比普通光纤光栅增 加了4 倍，同时提高了光纤光栅传感器的可测量范围和长期稳定性，成为油气 并下光纤光栅传感器的一次技术革命，该公司为此而获2 0 0 2 年国际光子学组织 的卓越奖。该公司推出的光纤光栅压力、温度、振动传感器采用了冷写入技术 和特殊的不锈钢光纤封装方式，克服了以往光纤强度不够的缺陷，便于永久性 安装于油井下，可以承受的工作压强达1 0 0 0 0 p a ，工作温度达2 5 0 c ，传输光纤 长1 2 k m ，压力读取精确度达0 1 ，预期的使用寿命达l o 年。 1 4 光纤光栅传感技术在石油工业中的应用及应用难点 光纤光栅传感技术在石油工业中的应用石油、天然气是影响国计民生的重 要能源，如何有效地开发并利用好这一有限的资源，是我国国民经济可持续发 展所面临的重大课题。油气工业的特点是油、气田设施大多分布在人迹罕至的 地方，如戈壁、沙漠、大草原或海上，油、气的生产和施工多数在野外；工作 对象是隐藏于地下巨大的流动矿体资源；因此，就比较困难。想要开发合理油 气资源，有效提高采收率，油气井下压力、温度、粘度等物理量的准确测量就 非常重要。通过测量井下温度的变化，可分析油井工作状态，确定井下漏失层 位，粗略分析流量。通过压力的测量，可分析油气田不同油层的孔隙度、渗透 率以及油气层结构和其它物理性质。目前对这些物理量有电、声、热、机械等 6 第一章：绪论 多种原理及技术方法的测量，但普遍存在着探测灵敏度低、仪器笨重、测试信 息单一、线路复杂、适应恶劣环境差等不足。如何有效解决油气田高温高压复 杂环境生产测井是现代石油工业传感领域的重大技术难题。光纤b r a g g 光栅具 有耐高温、抗腐蚀、抗辐射、抗电磁干扰、井下无电子部分、尺寸小、易于复 用、可组网、通过一根光纤就可以实现实时、在线、分布式地测量温度、压力、 流量等物理参数等诸多优点，非常适合于油气工业永久、实时、在线、长期监 测。 目前，光纤光栅主要应用在生产测井、随钻测井、油气管道监测这三个方 面。虽然光纤光栅在石油工业中有了很大的发展，但仍存在一些应用难点，主 要表现在以下几个方面： ( 1 ) 、降低光纤光栅高温传感中非线性效应。例如测井中的温度会随开采 深度的增加而不断升高。而光纤光栅在高温段表现出反射波长的变化量与温度 的变化量成非线性关系的现象，这将不利于传感信号的测量。 ( 2 ) 解决灵敏度和测量范围很难同时满足的问题。裸光纤光栅的压力响 应灵敏度约为0 0 0 3 n m m p a ，温度响应灵敏度约为0 0 1 衄，其灵敏度比较 低。为了解决灵敏度低的问题，可对光纤光栅进行封装，封装后，光纤光栅的 压力响应灵敏度可以提高很多，但其测量范围一般较小。 ( 3 ) 光纤光栅传感器存在交叉敏感问题，。由于光纤光栅对温度压力同时 敏感，当温度压力同时存在时，实用中必须采取措施将这些参量在测量时加以 区分。 ( 4 ) 光纤光栅传感器封装问题。光纤光栅作本身非常脆弱，光栅的封装能 起到保护传感设备的目的，通过封装技术还能解决温度应变响应灵敏度低的问 题。在封装的过程中，有效的保护光栅、保证光纤光栅的响应灵敏度、光纤光 栅的响应线性和重复性是必须要考虑的问题。 ( 5 ) 光纤光栅解调技术。 1 5 本论文的研究目的和意义 石油工业是国民经济的血脉行业，油气井下的温度压强信息为含油量分析、 钻井方向控制等方面提供了重要的依据；我国每年由于油气管线破裂造成的直 7 第一章：绪论 接经济损失就达上千万元，“西气东输”已经供气，对上千公里的输气管线进行 实时监测是必不可少的，普通的传感器无法完成如此庞大的监测任务。研究新 型传感器，使其能完成长距离管线实时的永久检测势在必行。而且油气井下环 境恶劣，当前普遍采用的电类温度压强传感手段都容易受到很强的电磁干扰， 而且构成多点监测时的系统结构复杂、成本太高，上行数据实时性较差。光纤 光栅传感器的传感信号为波长调制，其具有：抗电磁干扰能力强、尺寸小、重 量轻、耐温性好、复用能力强、传输距离远、耐腐蚀等，可以实现多参量、大 范围、分布式测量；测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测 器老化等因素的影响；光纤光栅在低于6 0 0 的温度下，寿命可达几十年，一 旦将光纤光栅置于油气井中，便可对其进行永久性监测。因此它可以应用于许 多复杂石油工业环境( 石油勘探、测量、开采、运输) 。油井和输油管线中不同 部位的压力、温度、流量、粘度等物理量的变化对测井、采油和输油有着重要 作用，因此光纤光栅可以应用于石油勘探、测量、开采和油气的安全运输。本 论文主要研究光纤光栅温度传感技术、光纤光栅压力传感技术，以及光纤光栅 在高温、高压传感技术得理论和实验研究。 1 6 本论文主要的研究内容 本论文主要研究了光纤光栅传感技术的理论和实际应用，以解决油气田工业 中的高温、高压传感问题。本文的主要研究工作如下： 第一章、绪论。简要阐述了光纤光栅传感技术的背景，分析了光纤光栅传 感技术的特点、光纤光栅发展的现状、光纤光栅在石油工业中的应用以及光纤 光栅传感技术应用的难点，介绍了研究本课题的目的、意义和内容。 第二章、光纤光栅耦合模理论和传感原理。从光纤光栅的基本结构入手， 利用耦合模理论分析了光在光纤光栅中的传播规律，推导出光纤光栅满足的 b r a g g 条件。论述了光纤b r a g g 光栅温度应变以及压力传感机理，分析了裸光 纤光栅温度、应变和压力的响应特性。 第三章光纤布喇格光栅压力温度增敏研究。首先介绍了对光纤光栅传感 器封装的作用，以及通过封装实现增敏的注意问题。分别介绍了几种常用的压 8 第一章：绪论 力和温度增敏方法。分别提出了一种基于等强度悬臂梁与c 形弹簧管结合的光 纤光栅压力传感器和一种基于金属管封装的f b g 温度传感器，实现了压力和温 度的增敏，并对这两种方案进行了实验验证。 第四章光纤b r a g g 光栅高温高压传感技术研究。首先对裸栅分别作了高温、 高压实验，并分析了高温情况下光纤光栅的非线性效应。对温度和应变交叉敏感 问题进行了分析。介绍了几种常用的温度、压力区分测量的方法。提出了一种基 于弹性圆筒双光纤光栅压力温度区分测量方案，并且通过实验进行验证。 ， 第五章总结。对本文的研究工作进行了总结，提出了要下一步进行工作以 及要解决的问题。 9 第二章：光纤光栅传输理论和传感原理 第二章光纤光栅传输理论和传感原理 2 1 光纤光栅的基本结构及耦合模理论 2 1 1 光纤b r a g g 光栅的基本结构及原理【8 】 光纤b r a g g 光栅是周期小于1 u n 的短周期光纤光栅，其特点是传输方向相 反的模式之间发生耦合，属于反射型带通滤波器。光纤b r a g g 光栅的结构如图 2 1 ( a ) 所示，当光波通过光纤b r a g g 光栅时，满足b r a g g 光栅波长条件的光 波矢将被反射回来，这样入射光波矢就会分为两部分：透射光波矢和反射光波 矢，如图2 1 ( b ) 所示，这就是光纤布拉格光栅的基本工作原理。光纤布拉格 光栅的这种特性基于光栅折射率的周期分布，而这种周期性的折射率分布来自 光栅的特殊写入工艺技术，即利用外界能量改变裸光栅上的折射率。 ( a ) 光纤布拉格光栅结构示意图 渡长波长 竣长 ( b ) 光波通过布拉格光栅能量分配示意图 图2 - 1 光纤b r a g g 光栅结构及其反射和透射特性 2 1 2 光纤b r a g g 光栅的耦合模理论嘲 光纤光栅应用于传感的实质是将外界待测物理量的信息调制到其中心波长 的变化上，因此在理论分析光纤光栅传感器的响应机理前，必须建立光纤光栅 的理论模型，了解其基本光学传输特性。 1 0 第二章：光纤光栅传输理论和传感原理 比较常用的分析光纤光栅的理论方法主要有耦合模理论n 0 1 1 1 、傅立叶变换 理论n 2 1 羽、传输矩阵理论n 钔等。耦合模理论可以得到光在各种不同类型的光纤 光栅中的传播规律，特别是均匀周期的b r a g g 光栅。由于耦合模理论最突出的 优点在于能够诠释光波在波导中的物理行为，能够比较全面、细致、全程地描 述光波耦合行为过程，因此，下面将利用耦合模理论来分析光纤 将光敏光纤放置在不同样式的模板下用紫外光曝光就可以在光纤中形成所 需的折射率扰动，这样就形成了光纤光栅。因曝光形成的总导模有效折射变 化可表示为： 卟耐c 。仔砒) ) m - ) 式中，s 是折射率调制的条纹可见度；人是光栅周期；伊g ) 描述光栅啁啾； 翻谚表示直流有效折射率的变化。 光纤光栅纵向不均匀性的存在，使得模式问产生耦合。由耦合模理论， 此种情况下的电磁场了表达成各本征模的叠加。 丘g ，少，z ，, ) - - z a 。( z ) e x p ( f 既z ) + 吃( z ) e x p ( 帆z 滩。，g ，y ) e x l , ( - i o t ) ( 卜2 ) 式中，a m ( z ) 和吃( z ) 是第m 阶模沿+ z 和- z 方向缓慢变化的幅度，为 传输常数，可见但描述为：= 【2 - 谚，p 。，g ，y ) 可表示纤心、包层或辐射模。 在理想的情况下，各阶次模式之间没有能量交换，然而由于光栅中周期性介电 微扰的引入导致了模间耦和的产生。此时，彳。( z ) 和吃( z ) 沿纵向的变化为： 警= z 弘虹+ c i 工) e x p i ( f l q 一尾跏莩或雠+ ) 唧【f 讧一统纠 ( 1 - 3 ) 警刊弘螺+ ) e 冲一尾m 莩忆+ ) 唧【- ，纸一风) z 】 第m 阶和第q 阶模式的横向耦合系数表示如下： ( 1 - 4 ) 第二章：光纤光栅传输理论和传感原理 ( z ) = 署占z 蟠g ，y ) t g ，y ) 出a y ( 1 _ 5 ) s 表示介电微扰，对于8 n 的折射率变化可表示为2 玎痢，远小于折射率 纵向耦合系数的定义与横向耦合系数的定义类似，但一般情况下 c 二g ) ( ( c 二( z ) ，因此c 易( z ) 可以忽略。 通常，紫外光照射后的折射率变化国在纤芯区近似均匀而在包层可以忽 略。因此，可仿照( 1 - 1 ) 式来定义纤芯的折射率变化。我们定义： 自耦合系数为：岛( z ) = 缈等荔。( z ) p ；g ，y ) p 朋t g ，y 渺 ( 卜6 ) 交叉耦合系数为：( z ) = 要( z ) ( 卜7 ) 故总耦合系数可表示为： g ) = ( z ) + 2 ( z ) c 。s 安z + 缈( z ) ( _ 8 ) 由于在光纤b r a g g 光栅中耦合主要发生在沿相反方向传播的模式之间，因 此只需要考虑沿相反方向传播的模式之间的耦合，对( 1 3 ) 和( 1 - 4 ) 式进行 简化得： 华= 亏( z ) + i r b + ( z ) ( 1 - 9 ) _ b ：f f + b + g ) 一f r 彳+ ( z ) 比 ( 卜1 0 ) 式中彳+ ( z ) = 彳g ) e 文峨z 一) ，召+ ( z ) = b ( z ) e 文一峨z + ) ；f + 表示 直流自耦合系数，4 - + ：以+ 善一i 1 譬 ( 1 _ 1 1 ) z 宓 其中力表示模式间的失谐量， 例一吴讥 期 乃= 2 n 万人是光纤b r a g g 光栅的初始谐振波长，f 用来描述光栅的吸收损 耗。对于在单模光纤上写入的均匀光纤b r a g g 光栅，翻谚为常数，d = 0 ， 第二章：光纤光栅传输理论和传感原理 且 f ：孕荔谚 ( 1 1 3 ) r ：r ：军(14)sovt珂 11 4r = r = 一( - 这样( 1 - 9 ) 、( 1 1 0 ) 式可转化为一阶常系数微分方程组。只要有合适的边 界条件，就能得到它的解。设长为l 的均匀光纤b r a g g 光栅在z = 嘲处有前向 传输的光入射，娩时没有反射光。幅蜘计彬( - ) 城量的反 r = i p l 2 表示如下： p ：f 芸警迤些堑生f 一 ( 1 - 1 5 )= = = = = = = = = = = = = = = _ = = 兰= = = 兰，_ 三；= = = = = = = = = = = =() f + s 讪似) 2 一g + 上) 2 + f r 2 一f + 2c o s h 池) 2 一卜f + 三) 2 、。 r ：掣：丝! 二篮：墨z ( 1 _ 1 6 ) 一等+ c 。s h 2 似) 2 一( - f + l ) 2 由( 卜1 6 ) 式可见光纤b r a g g 光栅的最大反射率为： r m = = t a n h 2 池) ( 1 - 1 7 ) 这个最大值发生在f + l = 0 时，即在波长k 处，其中 = ( + 静。 又因为锄咿7 锄所以k 乃= 2 n 咿人 光纤b r a g g 光栅的带宽为谐振波长两侧反射率第一次为零的波长间距，由 丛：兰堕 兄 ( 1 - 1 9 ) 我们主要研究折射率变化非常小弱光纤光栅，即s 历玎非常小，因此 嘞“且等去 ( 1 - 2 0 ) 第二章：光纤光栅传输理论和传感原理 式( 1 - - 2 0 ) 说明，弱光栅的带宽是由光栅长度决定的。 x 忏v a n 争的强光栅，式( 1 - 2 0 ) 可转化为： 丝一! 堕 名 ( 1 - 2 1 ) 反射光谱的带宽取决于折射率的改变。 2 2 光纤b r a g g 光栅传感原理【1 5 - 1 7 1 由耦合模理论可知，均匀光纤b r a g g 光栅可将其中传输的一个导模耦合到 另一个沿相反方向传输的导模而形成窄带反射，峰值反射波长为： 如= 2 n 谚人 ( 1 - 2 2 ) 其中1 1 盯为纤芯的有效折射率，a 为光栅周期，由( 1 - 2 2 ) 式可见光纤光栅的 b r a g g 波长与光纤折射率调制的变化大小以及空间分布的周期有关。一般用有 效折射率反映光纤折射率调制变化的大小，用光栅条纹周期描述折射率调制的 空间分布情况。有效折射率和光栅条纹周期称为光栅常数。任何引起光栅常数 发生改变的物理过程都将引起光纤布拉格波长的变化。作用在光纤光栅的外界 条件如温度、应变或压力改变就会引起光栅周期和折射率的变化，从而导致光 纤光栅波长的变化，通过检测光纤光栅波长的变化，可获得温度、应变和压力 等信息。 通常认为应变和压力影响b r a g g 波长是由于光栅周期的伸缩以及弹光效应 引起的，而温度影响b r a g g 波长是由于热膨胀效应和热光效应引起的，其直观 的描述如图2 2 所示。 横向压力场径向压力场温度场t 图2 - 2 横向压力场、径向应力场和温度场作用下的光纤光栅 光纤b r a g g 光栅的峰值反射波长为： 1 4 第二章：光纤光栅传输理论和传感原理 砧= 2 n , # a ( 1 - 2 3 ) 当改变纤芯折射率和光栅周期时，b r a g g 波长变化量为： a 2 = 2 人仇+ 2 n 够a a ( 1 - 2 4 ) 当温度和应变同时变化时，b r a g g 波长的相应改变为： 2 小 f _ ( 昝帆卜忪刁 2 5 ， 式中，a 6 为应变变化，a t 为温度变化，只为光纤材料的弹光张量分量，口为 光纤材料的热膨胀系数，孝为光纤材料的热光系数，y 为光纤材料泊松( p o i s s o n ) 比系数。 对于硅光纤材料： 口5 5 1 0 。刀彬声，善6 3 1 0 巧行聊膨，： 瞳：一y 。+ e 1 2 ) o 2 2 温度恒定应交变化和应变恒定温度变化的波长响应( 中心波长为 如= 1 5 5 0 n m ) 分别为： 告1 2 0 x 1 0 - 3n 叫胆，石a 2 b = 1 0 3 10 - 3 刀妒 2 2 1 光纤光栅温度传感原理 当外界温度发生改变时，光栅就会产生热膨胀以及热光效应，热膨胀以及 热光效应会引起光纤光栅波长的变化。 将( 2 2 3 ) 式对t 求导数得： 去堕-2(去百d刀eff+-1旁dadt n ( 2 - 2 6 ) 九3、婀报 k 以? 、。 d n 万d r = 力谚孝是热光效应引起的纤芯有效折射率的变化， 孝= 1 ， 1 够d n 万d t 为光纤光栅的热光系数，表示折射率随温度的变化率；d 人 d t = a a 是由热膨胀效应引起的光栅周期的变化，口= l 人d a d t 为光纤的热膨 胀系数，表示光栅周期随温度的变化率。 第二章：光纤光栅传输理论和传感原理 ( 2 2 6 ) 式可以写成： 堕：2人(孝+口)：q+孝玩dt 叼 、。7 、。7 。 光纤b r a g g 光栅的温度灵敏度系数为 k t = k 州 ( 2 - 2 7 ) ( 2 - 2 8 ) 对于普通掺锗石英光纤光纤光栅，口= 0 5 x 1 0 - 6 ，善= 7 0 x 1 0 - 6 ，可计算出 常温下光纤光栅每l 的温度变化引起的1 5 5 0 n m 波段b r a g g 光栅耦合波长峰值 的变化量为0 0 1 1 6 n m ，以及常温下光纤光栅的温度灵敏度系数大约为 7 5x1 0 。6 r 。当掺杂的成分和浓度不同时，不同光纤的热膨胀系数和热光系数 会有较大差别，灵敏度因此相差较大。 2 2 2 光纤光栅应变传感原理 当光纤光栅受到施加压力或轴向应力后，由于光栅周期的伸缩以及弹光效 应，引起光栅的b r a g g 波长发生漂移。 考虑光栅仅受轴向应力而无切向应力的情况下，且温度场保持恒定。轴向 应变会引起光栅栅距的变化： aa=a。s：(2-29) 有效折射率的变化可以由弹光系数矩阵b 和应变张量矩阵0 表示为： 6 a ( 1 n 。) 弓f ( i = 1 ，2 ，3 ) ( 2 3 0 ) j - i 式中i = 1 ，2 ，3 分别表示x ，y ，z 方向。 由于剪切应力为零，0 0 4 = 6 ，= 气= o ，应变张量矩阵巳可用轴向应变表示为： 弹光矩阵为： 占- i - - v 6 ：- - v 8 ：占：0 0 o 】r( 2 - 3 1 ) 1 6 第二章：光纤光栅传输理论和传感原理 p ，= 丑。 丑： 丑： e ：丑。丑： 丑：丑：只。 oo0 000 00o ooo o o0 0oo 厶0 ，0 0 厶0 00 咒 ( 2 3 2 ) 式中弓是弹光系数，y 是纤芯材料泊松比，对各向同性材料， 匕= ( 最。- p , ：) 2 。 由于剪切应变存在，故需考虑弹光张量中f ，j f = 1 , 2 ，3 的矩阵元，此时弹光张 ( 2 3 3 ) f 【只2 - v ( p , 1 + 丑2 ) 】乞 x 方向 似扣广眨箍f 吒萼蛊 q 。3 4 血盯2 7 1 弘去k y2 一三拧犯：叫 珊“2 - 3 5 ) = 导刀【e ：一y ( 丑。+ 只：) 】( 2 - 3 6 ) 1 7 暑只毋 。l = ： 最 为化简可量 第二章：光纤光栅