（光学工程专业论文）光纤光栅传感技术及在油田测井中的应用分析.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 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、易于复用等特 点，可通过一根光纤实现实时、在线，分布式地测量温度、压力、流量等诸多物 理参数等。非常适合于石油工业永久、实时、在线、长期监测。本文对光纤光栅 传感技术及其在油田环境的压力和温度测量的应用进行了研究。 首先对光纤光栅传感技术的研究现状和仍存在的关键技术问题进行了回顾和 分析，提出光纤光栅技术是油气井下压力温度测量的理想选择，具有很好的应用 前景。 研究了光纤b r a g g 光栅的传感原理、均匀轴向应力作用下光纤光栅传感模 型、均匀横向应力作用下光纤光栅传感模型、光纤b r a g g 光栅的温度传感模型， 得到了光纤光栅压力温度测量的理论依据。 从传感应用角度对光纤b r a g g 光栅的制作技术进行了研究。分析了传感用光 纤光栅的特点和制作技术，归纳了耐高温、高机械强度、增敏和去敏传感用光纤 光栅的写入技术论。 对光纤b r a g g 光栅传感网络的信号解调、复用技术进行系统分析。 最后对油气井下光纤b r a g g 光栅温度、压力测量技术进行了系统的理论设计。 设计f b 6 传感器进行油气井下压力、温度同时测量的传感器系统的理论模型，并 分析测量系统的关键技术问题。 关键词：光纤光栅，温度测量，压力测量，油井 重庆大学硕七学位论文 英文摘要 a b s t r a c t t h eo p t i c a lf i b e rb r a g gd i f f r a c t i o ng r a t i n gh a s ，t h ec o r r o s i o m e s i s t a n c e ，t h ea n t i - r a d i a t i o i lt h ea n t i - e l e c t r o n m a g e t i c i n t e r f e r e n c et h e r m o s t a b l l y , i se a s yt ot u r nr o u n dw i t h a n ds oo nt h e c h a r a c t e r i s t i c a l s o ，a p a s s a b l eo p t i e a lf i b e rr e a l i z a t i o nr e a l - t i m e ，o n - l i n e , d i s t r i b u t i o n a lh a ss u r v e y e dt h et e m p e r a t u r e , t h ep r e s s u r e ，t h ec u r r e n tc a p a c i t ya n ds oo n m a n yp h y s i c a lp a r a m e t e r sa n ds oo n e x t r e m e l ys u i t st ot h eo i li n d m t r yp e r m a n e n t l y , r e a l - t i m e ，o n - l i n e ，t h el o n g - t e r mm o n i t o r t h i sp a p e rf o c l l s e di n t ot h ef i b e r - o p t i cg r a t i n g s e n s i n gt e c h n o l o g ya n di t sa p p l i c a t i o n so nt h ep r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t f o rt h eo i ld o w n - h o l e 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 r - o p t i cg r a t i n g s a r er e v i e w e d i ti n d i c a t e st h a tt h ef i b e r - o p t i cg r a t i n gs e n s i n gm e t h o di st h eb e s to n ei na l l o u rd i s c u s s i o na n dh a sab r i l l i a n ta p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d t h e n ，t h es e n s i n gm e c h a n i s m so ft h ef i b e r - o p t i cb r a g gg r a t i n g sa n du n d e re v e n a x i a ls t r e s sf u n c t i o no p t i c a lf i b e rd i f f r a c t i o ng r a t i n gs e n s i n gm o d e la n du n d e re v e n l a t e r a ls t r e s sf u n c t i o no p t i c a lf i b e rd i f f r a c t i o ng r a t i n gs e n s i n gm o d e la n do p t i c a lf i b e r b r a g gd i f f r a c t i o ng r a t i n gt e m p e r a t u r eg r a t i n gs e n s i n gm o d e la r ea n a l y z e di nas y s t e m i c w a y t h i sp a p e ro b t a i n e dt h eo p t i c a lf i b e rd i f f r a c t i o ng r a t i n gp r e s s u r et e m p e r a t u r e s u r v e y t h e o r yb a s i s t h ef a b r i c a t i o nt e c h n o l o g i e sp a r t i c u l a r l yf o rt h es e n s i n gf i b e r - o p t i cg r a t i n g sa r e s t u d i e di nt h i sp a p e r t h em o s ta p p l y i n gt h r e ek i n d so ff i b e rg r a t i n gs e n s o r ss u c ha s r e s i s t i n gs u p e r - h i g ht e m p e r a t u r e ，h i g hm e c h a n i c a li n t e n s i t ya n de n h a n c i n g w e a k e n i n g s e n s i t i v i t i e sa r eg e n e r a l i z e di nc o m p a r i n gw i t ht h ec o m m u n i c a t i n go n e s t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ed e m o d u l a t i n gt e c h n o l o g i e sa n dm u l t i p l e x i n gt e c h n o l o g i e s f o r t h es e n s i n gf i b e r - o p t i cb r a g g g r a t i n g s f i n a l l y , t h ep r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r es e n s i n gt e c h n o l o g i e sf o rt h eo i ld o w n - h o l e a p p l i c a t i o nb a s e do nf i b e r - o p t i cb r a g gg r a t i n gs e n s o r sa r es t u d i e d u s i n gf i n i t ee l e m e n t a n a l y z i n gt h e o r y , t h eo p t i m i z a t i o n o fs t r u c t u r e d p a r a m e t e r s o ft h es i d e - h o l e h i g h - b i r c f r i n g e n tf i b e rf o rh y d r o s t a t i cp r e s s u r es e n s i n gi sd e d u c e d k e y w o r d s ：f i b e r - o p t i cg r a t i n g s ，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 em e a s u r e m e n t ，o i l d o w n - h o l e 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，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重送太堂 或其他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。 一躲即如期：如h 月旧 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重鏖太堂可以将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、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( 、) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文储张脚南 签字日期：洳0 年6 月f 日 导师签名： 签字日期：加年6 月中日 f 重庆大学硕十学位论文l 绪论 l 绪论 1 1 光纤传感技术简介 光纤是光导纤维的简称，组成成份为s i 0 2 ，由折射较高的纤芯、折射率较低 的包层及保护层组成。纤芯是直径大约0 i i 脚左右的细玻璃丝，把光封闭在其 中并沿轴向进行传播的导波结构。 传感器的基本作用是将某种形式的输入能量( 被测对象) 的变化转化为同种 或其他形式的能量( 信号) 的单值变化。 光纤传感技术是2 0 世纪7 0 年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的 以光波为载体、光纤为媒介、感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。 一般的光纤传感系统由光源、传感器件、光缆、光电转换及信号处理组成。 光在光纤传输过程中，描述光波特征的参量很多( 如光强、波长、相位、频率、 偏振态和模式分布等) ，这些参量在光纤传输中都可能受到外界影响( 如温度、压 力、加速度、电压、电流、位移、振动、转动、弯曲、应变等物理参量以及化学 量的影响) 而发生变化，光纤传感器就是根据光波特征参量随物理或化学量的变 化来检测相应的被测参量变化的一种传感器。按照光纤在传感系统中的作用可将 光纤传感器分为功能型和非功能型两种类型。在功能型光纤传感器中，光纤不仅 是光传输媒质，而且是敏感元件；在非功能型光纤传感器中光纤只作为光信号的 传输媒介。 与传统的电磁传感器相比，光纤传感器具有独特的优点。1 ： 抗电磁干扰性强、电绝缘性好、耐腐蚀性高、本质安全。由于光纤传感器 是利用光波传输信息，不产生电磁波，也不受电磁干扰；光纤是电绝缘、抗辐射、 耐腐蚀的传输媒质，并且安全可靠，这使它可以方便有效地应用于各种大型机电、 石油化工、矿井等强电磁干扰和易燃易爆等恶劣环境中。 灵敏度高。光纤的工作频带宽，动态范围大，光纤传感器的灵敏度优于一 般的传感器。 重量轻、体积小、可挠曲。光纤除具有重量轻、体积小的特点外，还有可 挠曲的优点。因此，可以利用光纤制成不同外形、不同尺寸的各种传感器，这有 利于应用在航空航天以及狭窄空间的领域。 测量对象范围广，对被测介质影响小。目前具有各种性能的测量物理量、 化学量的光纤传感器在实际中已经得到了广泛应用。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 2 光纤光栅传感技术的发展状况 1 9 7 8 年，加拿大渥太华通信研究中心的ko h i l l 等人首先发现搀锗( g e ) 光 纤的折射率能够在某些波长的光照射下发生周期性的永久性改变，并根据光纤的 这种光敏感性采用驻波干涉法制成了世界上第一个光纤光栅【3 】，成为光纤光栅研究 的起点，但是由于这种刻写方法的效率很低且灵活性差，在光纤光敏性被发现后 的十年内未引起很大的注意；1 9 8 9 年，美国东哈特福德技术中心的g m e l t z 等人 发明了横向干涉制作技术，并采用全息干涉法用2 4 4 n m 紫外光双光束全息曝光法 成功地制成了第一支布拉格( 谐振波长位于通信波段的) 光纤光栅【4 】，克服了驻波 干涉法的缺点，从而在世界范围内掀起了光纤光栅的研究高潮：1 9 9 3 年k o h i l l 提出了更加有效的相位掩模制作方法，p j l e m a i r e 等人发现了低温高压载氢敏化处 理技术【5 l 【6 j ，以及准分子激光单脉冲在线写入法吼，使高性能光纤光栅的批量生 产成为可能。光纤光栅制作方法的成熟极大地推动了光纤光栅应用技术的发展， 逐步走向实用化，广泛用于光纤通信、光纤传感两大领域，被认为是继掺饵光纤 放大器( e d f a ) 之后，最有发展前途和最具代表性的光纤无源器件之一。 自1 9 8 9 年m o r e y 首次报道将光纤光栅用于温度和应变测量以来【9 】，光纤光栅 具有的波长编码特性可以避免光强调制型光纤传感器精度受光能波动的严重影响 和光纤干涉型传感系统只能进行相对测量和对工作环境要求高的不足，光纤光栅 具有可测参量多、测量精度高、复用能力强、体积小的突出优点，同时继承了传 统光纤传感器的耐腐蚀、抗电磁干扰、本质安全等特性，广泛用于航空航天、石 油化工、电力、纺织等军民用领域，正在成为2 1 世纪广为关注的“智能结构”、“智 能材料”、“智能蒙皮”( 3 m ) 技术中多点位、多参数、网络化测量的理想传感方式。 光纤光栅传感技术受到了世界范围内的广泛重视，国际上，美、英、加拿大 等西方发达国家以及亚洲的日本、韩国利用其在光通信领域的优势和巨大资金投 入，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 ) 的大实验室( l a r g e rr e s e a r c hl a b ) 、b l u er o a d r e s e a r c h 公司、m i c r o no p t i c s 公司等；英国的k e n t 大学、c i t y 大学、s m a r tf 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。在美 国，光纤光栅传感器己被用于民用工程结构、航空航天业、船舶航运业、石油化 工业和电力工业中，并且民用工程结构监测的光纤光栅传感器已经商品化，如： 在美国新墨西哥l a sc r u c e s1 0 号洲际高速公路的一座钢结构桥梁上，1 9 9 8 年夏 安装了1 2 0 个光纤光栅传感器，不仅可以对标准车辆探测和计数，而且可以测量 车辆的速度和重量，可监视动态荷载引起的结构响应、退化和损坏，了解桥梁对 交通响应的长期变化【1 0 1 。在欧洲，光纤光栅传感器也得到了广泛应用，例如 c o s m u s 计划于1 9 9 6 年开始，旨在改善民用工程建设的安全。法国、德国、瑞典 2 重庆人学硕士学位论文1 绪论 和英国的光学研究院都在运用光纤光栅传感器对航空航天设备进行监测。在医学 中，光纤光栅传感器的小尺寸被研究用来对人体组织功能进行内部测量；巴西用 光纤光栅应变传感器来测量呼吸过程的频谱，新加坡用一种光纤光栅压力传感器 来进行外科较正。在核工业中，日本将光纤光栅用于核电厂设备和管道的传感， 德国将研究用b r a g g 光栅分布式传感器监测地下核废料堆中的应变和温度，比利 时核研究中心将光纤光栅用于机器人的执行终端或机器手的传感。国外对光纤光 栅传感和分布式光纤光栅传感技术的研究在快速发展。 在国内，光纤光栅的传感应用研究取得了一定成果。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，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；在光纤光栅传感的关键技 术研究方面，南开大学、武汉理工大学、重庆大学、西安石油大学、深圳朗科公 司、北京品傲公司等单位作了各有特色的工作。其中，南开大学在实现光纤光栅 的温度、应变、扭矩等参量的区分测量方面；哈尔滨工业大学、武汉理工大学、 西安石油大学在传感器的封装和埋覆方面；重庆大学在光纤光栅( 主要是长周期 光纤光栅) 的传感应用方面；深圳朗科公司在宽带光源( b b s ) 的研发方面；清华大 学、北京品傲公司在光纤光栅解调方面均取得了显著的成绩。在实际工程应用方 面，哈尔滨工业大学、香港理工大学、上海紫栅公司成功完成了光纤光栅传感系 统对黑龙江呼兰河大桥、上海卢浦大桥等桥梁的结构监测；清华大学、武汉理工 大学、西安石油大学、中山大学等也开展了将光纤光栅用于压力、温度、液位、 电流等参量的传感应用研究，取得了不少阶段性成果。但光纤光栅传感器在国内 仍处于研发阶段，主要集中在理论分析和误差计算方面的研究，在应用方面尚有 许多关键技术和工艺问题需要进一步深入研究和完善。 1 3 油井下压力、温度测量技术的国内外研究现状分析 在油田测井中，无论是裸眼井还是生产井，井内温度和压力的测量是测井工 作的基本任务。井下的温度变化反应了油井工作状态，分析温度数据可以确定井 下漏失层位，粗略分析流量，对完井的机械完整性进行评价。油气田的油层往往 由许多小油气层组成，这些小油气层不但厚度不同，它们的孔隙度、渗透率以及 油气层结构和其它物理性质都有一定差别。因此充分发挥每个小层的生产能力， 就需要测定每个小层的压力差，才能确定其注水量和采油量。 目前，油井下压力、温度的监测通常是采用热电阻、热电偶以及石英晶体等 电子产品来实现，这些传感器虽然可获得高精度的单点测量结果，但不能够对温 度和压力同时测量，也无法实现多点分布式测量，所以不能实时获取整个井深段 的井温曲线和压力曲线；而且，在测井中更希望得到井底、井筒中温度、压力场 重庆大学硕士学位论文1 绪论 的动态分布，就需要以机械方式在井筒中上下移动井下传感器，导致整个测量过 程周期较长，测量精度也受到限制；更为严重的是：在高温、高压、腐蚀的油气 井下环境中，电子产品的长期稳定性和可靠性极其有限。国内外石油业界的工程 实践表明：井下温度每升高1 8 c ，电子产品的故障率就会增大1 倍，即使全部采用军 品级的电子元器件，也只能用于温度不超过1 2 5 的油气井中【l l 】【1 2 1 。随着油田的不 断开采，油气井的深度不断增加，井下温度和压力也相应升高，新的海上油气资 源的勘探和开采温度也往往超出这一限度，稠油注气井的开采温度更是高达3 0 0 以上。由于无法对油气井的井下参量进行实时、高精度监测，堵蜡、入水、出沙 等故障导致的关井现象时有发生，油气井的采收率仅为3 0 左右【l3 1 ，不仅造成资 源浪费，而且生产费用偏高。 各石油大国均投入大量的人力和物力，研究新的传感原理和器件以替代电子 产品，在此基础上同现代控制技术相结合，导致了“智能井”技术的问世和飞速 发展。“智能井”技术是以最大限度地提高采收率、获取长远的最大经济效益为目 标的。光纤光栅传感器具有灵敏度高、动态范围大、结构简单、可靠性好、性能 稳定、抗干扰性强、适应恶劣环境、便于组成传感网络等一系列优点，在石油勘 探中展现了其良好的应用前景，因此在“智能井”技术中被普遍采用。自1 9 9 3 年 挪威的a l c a t a t e lk a b e l 公司开展光纤传感器的油气井应用研究以来，先后有挪威 o p t o p l a n a s 公司、美国v i g i n e r a 理工大学、c i d r a 公司、s a b e u s 公司，以及b p 、 s c h l u m b e r g e r 、w e a t h e r f o r d 等跨国石油公司开展了相应研究。美国的s 曲s 光子 公司利用其专利保护的近紫外冷写入( c o l d w r i t i n g ) 技术制作的高机械强度的f b g 传感器，开发出了l sd t s 2 5 0 型油气井下温度监测系统，在1 2 0 0 0 m 的单井中实 现了1 0 0 个f b g 温度传感器的波分复用测量，设计和适用寿命可达l o 年之久。 美国的w e a t h e r f o r d 公司购买了c i d r a 公司的f b g 封装和传感技术，利用自身在石 油钻井、测井和完井领域的技术优势，开发出了一系列用于智能井监控的压力、 温度、多相流量、地震波测量仪器，在光纤传感油气勘探和开发领域处于世界领 先地位【1 4 1 。 在我国，大庆、胜利、华北等油气田已相继进入中后期开发阶段，开采深度 和难度加大，加上我国海上油气资源的开发需要，开展耐高温、高压、腐蚀油气 井下环境中长期使用的光纤压力温度传感器的研究和开发工作意义重大。1 9 9 8 年， 胜利油田联合北京航空航天大学开展了d t s 技术研究工作【”】；九五期间，在国家 自然基金的资助下，西安石油大学会同中科院西安光机所、南开大学，在国内首 次开展了光纤b r a g g 光栅用于油气井下压力、温度测量的研究工作，从理论和试 验两方面论证了这一新技术的可行性【l “。目前，在国家“8 6 3 计划”的进一步资助 下，西安石油大学、中科院西安光机所、长庆油田有限公司三方联合，正在进行 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 产业化关键技术研究和攻关，取得了许多阶段性成果【1 7 1 。 光纤b r a g g 光栅传感器可以直接检测温度、应力、应变，可以实现其它许多 物理量和化学量的间接测量。它除了具有普通光纤传感器重量轻、耐腐蚀、抗电 磁干扰、使用安全可靠等优点外，还具有其独特的优点，如探头尺寸小，其直径 与光纤等同；易于与光纤耦合，耦合损耗小；属波长调制型，抗干扰能力强；集 传感与传输于一体，且具有很强的复用能力，易于构成传感网络；测量对象广泛， 易于实现多参数测量等特点。光纤b r a g g 光栅型传感系统是实现油气井下压力、 温度、流量等多参数、多点位、实时监测的最理想选择，在石油勘探领域展现了 其良好的应用前景。 2 0 0 2 年开始，胜利石油管理局科技处和胜利物探公司与美国s t e v e n s 理工 学院合作，进行了光纤检波器的研究开发。2 0 0 4 年4 月，f b g 检波器首次走出 实验室，进行地震勘探的野外实验，取得了令人鼓舞的成果。可以预期，在不远 的将来，光纤b r a g g 光栅传感器必将以其卓越的性能、良好的性能价格比，出现 在地震勘探领域，使石油勘探的水平产生质的跨趔1 8 】。 1 4 本论文的主要工作 本论文研究了光纤光栅的基本理论和性质，研究b r a g g 光纤光栅的性质及传感 原理，分析适合油井高温、高压、腐蚀、地磁地电干扰的恶劣环境下的b r a g g 光 纤光栅技术要求。最后，提出光纤光栅传感技术在油井下参数测量中的应用技术 方案。 其主要研究的内容如下： 简要分析光纤传感技术在油井下监测应用领域的国内外研究现状。 研究b r a g g 光纤光栅的传感原理和应力、温度传感模型。 分析光纤光栅的信号解调与复用技术。 提出适合油井环境下的光纤光栅的理论技术要求，设计了适用于油井下恶 劣环境的光纤光栅压力温度测量系统的理论模型，并分析测量系统的关键技术问 题。 重庆大学硕七学位论文2 光纤光栅的传感原理及传感模型 2 光纤光栅的传感原理及传感模型 光纤光栅是利用光纤材料的光敏性( 外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用 引起折射率的永久性变化) ，在纤芯内形成空间相位光栅，其作用实质上是在纤芯 内形成一个窄带的( 透射或反射) 滤波器或反射镜。利用这一特性可构成许多性 能独特的光纤无源器件。利用藕合模理论可以正确地分析光在各种不同类型的布 拉格光纤光栅中的传播规律，特别是对于均匀周期的布拉格光纤光栅，可以得到 其反射率的解析表达式。本章将对光纤b r a g g 光栅的传感原理及传感模型做出详 细说明。 2 1 光纤b r a g g 光栅传感原理 光纤b r a g g 光栅是最普遍的一种光纤光栅，它是利用光纤光栅的波长对温度、 应力参量的敏感特性而制成的一种新型光纤传感器，它是利用单模掺锗光纤经紫 外光照射形成的，成栅后的光纤纤芯呈现周期性分布，温度、应变和压力的变化 会引起光纤光栅的栅距和折射率的变化，从而使光纤光栅的反射谱和透射谱发生 变化。通过检测光纤光栅的反射谱或透射谱的变化，就可以获得相应的温度、应 变或压力信息。 矗腻： 图2 1 光纤b r a g g 光栅 f i g2 1f i b e r - o p t i cb r a g gg r a t i n g s z 布拉格光纤光栅的周期和折射率调制幅度均为常数，如图2 1 示，光栅周期小 于l u m ，纤芯折射率的变化为 郴间 c o s ( 警z ) ， 式中：西表纤芯折射率的平均增加值；y 表示折射率的调制系数( 0 v 1 ) ；a 表 6 重庆人学硕士学位论文2 光纤光栅的传感原理及传感模璎 示均匀光栅的周期；z 表示光纤光栅轴向方向的位黄坐标。 此种光栅是一种性能优异的反射滤波器，具有很高的反射率( 约为1 0 0 ) ，而 且反射带宽和反射率可以根据需要改变写入条件来灵活控制。这种光栅在通信和 传感领域都有重要应用。 图2 2 所示为光纤b r a g g 光栅的工作原理示意图。当光栅周围的温度、应变或 其他待测物理量发生变化时，将导致光栅周期a 或纤芯折射率打发生变化，进而使 反射回的b r a g g 波长九产生漂移，通过检测以的变化情况，即可获得待测物理量 的变化信息。 匕l 鹾匕l 入射光灌反射光谱透射光谱 图2 2 光纤b r a g g 光栅的工作原理示意图 f i g2 2t h es e n s i n gm e c h a n i s m so f t h ef i b e r - o p t i cb r a g gg r a t i n g s b r a g g 波长满足方程1 9 1 以= 2 珂够人 ( 2 2 ) 式中，栉为光栅的有效折射率，a 为光栅周期。 利用藕合模理论，可推导出由温度和应变引起的b r a g g 波长变化砧= 如一乃 可以表示为： 厶= 2 劭a 1 _ ( 钟分吣m 别) ( 2 3 ) 式中，占为应变；晶、日：为光弹系数；v 为泊松比；口为光纤材料的热膨胀系数； 丁为温度变化；对掺锗石英舰因子 ( 譬皿叫即酬 约等于常数。 7 重庆人学硕士学位论文 2 光纤光栅的传感原理及传感模型 由( 2 3 ) 式可以看出，砧与应变、温度变化，存在制约关系，因此可以通 过检测b r a g g 波长变化来测出外界应力与温度的变化。在恒定温度下测得的应力 响应可近似表示为 三垒盐：0 7 8 l o 。占1 ( 2 4 ) 8 在恒定应力下的归一化温度响应为 丢等：6 6 7 1 0 。c 。 ( 2 5 ) 如丁 将( 2 4 ) 式和( 2 5 ) 式两者因素合并，可得到波长的总漂移可近似表示为 垒垒：0 7 8 l o 。口- 1 0 8 + 6 6 7 1 0 。c - t a t ( 2 6 ) 由( 2 6 ) 式可知，对于分辨率为l p m ( 0 0 0 1 r i m ) 的光谱仪，当b r a g g 波长以为1 3 ! m 、 波长漂移以为l p m 时，可对应l 占的应变或者o 1 0 c 的温度变化。 2 2 光纤b r a g g 光栅的应变传感模型 根据式( 2 2 ) ，当外施被测应变和温度发生变化时，将对光纤光栅的折射率n e f f 和光栅空间周期a 产生影响，应力引起光栅中心波长厶漂移可表示”1 为： a 以= 2 a a n 够+ 2 ，o a ( 2 7 ) 式中a 表示光纤本身在应力作用下的弹性形变；a ，o 表示光纤的弹光效应。外界 不同的应力状态将导致a 和如。的不同变化。一般情况下，对于光纤光栅来讲， 由于它本身属于各向同性柱体结构，所以施加于其上的应力总可以在柱坐标系下 分解为q 、和盯：三个方向。我们称单纯有盯：作用的情况为轴向应力作用，q 和 称为横向应力作用。 下面讨论应力遵循胡克定律、内部不存在切应变、各向同性的理想光纤光栅 的轴向和横向应变传感模型。 2 2 1 均匀轴向应力作用下光纤光栅传感模型 均匀轴向应力是指对光纤光栅进行纵向拉伸或压缩，此时各向应力可表示为： o - z = 一尸( 一p 为压应力) ，仉= c r 0 = 0 ，且不存在切向应力。根据胡克定律，可求 得均匀轴向应力作用下，各方向的应变量为【2 l 】 重庆大学硕士学位论文 2 光纤光栅的传感原理及传感模型 讣 p v e p t ，一 e 尸 e ( 2 8 ) 式中e 及 ，分别为石英光纤的弹性模量及泊松比。下面以此为基础进步求解光纤 光栅的应力灵敏度系数。 将( 2 7 ) 式展开得： = 2 a ( 鲁此+ i a n e g - 口) = z 釜址 g 9 ， 式中a t 代表光纤的纵向伸缩量，a a 表示由于纵向拉伸引起的光纤直径变化， a ) 哳o l 表示弹光效应，a 】加表示波导效应。 下面首先推算由弹光效应引起的b r a g g 中心波长偏移。 相对介电抗渗张量岛与介电常数。有如下关系： 岛2 亩+ 虿1 o j 式中为某一方向上的光纤折射率。对于熔融石英光纤，由于其各向同性，可认 为各方向折射率相同，在此仅研究光纤光栅反射模的有效折射率h 咿，故可将上式 变形为： 如) = 锄等 由于= 钇，( 2 9 ) 式中除去波导效应其余项可变形为： = 2 a 一譬( 古 + z 铴l 瓦0 a q ，。 式中乞= a l l 为纵向应变。 由于( 2 1 0 ) 5 戈的存在，可以得到更为简单的k 的表达式。实际上，在有外 界应力存在的情况下相对介电抗渗张量尾应为应力盯的函数，对岛进行泰勒展开 并约掉高阶项，利用( 2 1 0 ) 式，同时引入材料的弹光系数0 得到： l 剖电l + 圪) 晖媚z 嘞 ( 2 1 3 ) 式中利用了光纤的轴对称性= 白，将此式代入( 2 1 2 ) 式得到弹光效应导致的相对 波长漂移为： 9 重庆大学硕士学位论文 2 光纤光栅的传感原理及传感模型 a g ，t b z ：一立2 ( 日。+ 墨：) 勺+ 日：乞 + 乞 ( 2 1 4 ) 如 ”“。 式中利用了均匀光纤在均匀拉伸下满足的条件警壶= l ，将( 2 8 ) 代入上式得： 等= 悟 ( 即褂川： - 1 卜i 巧i 毛i 亿 令= 孕 ( 丑。+ 日：) y 一只： ，即得光纤光栅由弹光效应引起的纵向应变灵敏度 系数： = 等= o 嗍厶 ( 2 6 ) 所以，若只考虑轴向应变时，中心波长位移的相对变化为： 等- ：( 1 一只) i e i ( 2 1 7 ) 屯 、 “ 。 对掺锗石英光纤，日。= 0 1 2 1 、岛= o 2 7 、y = o 1 7 、切= 1 4 5 6 ，因此可以求出 只* 0 2 2 、k * 0 7 8 4 。若用中心波长为1 5 3 1 a m 的光栅实验，即可求出由弹光效应 单位纵向应变引起的波长漂移为1 1 2 p m p e 。 下面讨论由于光纤芯径变化引起的波导效应而产生的b r a g g 波长漂移现象。 对于单模光纤，其传播常数尼与光纤芯径密切相关，从而使得有效折射率，也随 纤芯的改变而改变。引入光纤归一化频率，= k 4 2 ( 砰一悔2 ) 以及横向传播常数 u = 4 碚砰一所，可将有效折射率，妨表示为： = 砰一姘呻 采用g u a r s 场近似对u ，v 的光纤本征方程化简、对光纤纤芯半径a 直接求导，最 后可得由波导效应引起的光纤光栅波长相对漂移为： ( 等 。= 詈鲁= 等懈，一等忉y i 乞l 功 l 砧j 。加 7 引 、 。 式中k 为光纤光栅由波导效应引起的纵向应变灵敏度系数。 利用单模光纤的条件，可得出波导效应光纤光栅纵向应变灵敏度系数与光纤 芯径及数值孔径关系如图2 3 所示，光纤参数如图中说明。 1 0 重庆大学硕士学位论文2 光纤光栅的传感原理及传感模型 光纤芯径，脚 图2 3波导效应光纤光栅纵向应变灵敏度系数与光纤芯径及数值孔径关系 f i g2 3s e n s i t i v i t yc o e f f i c i e n ta n do p t i c a lf i b e rc o t cd i a m e t e rn u m e r i c a l a p e r t u r e r e l a t i o n s 可以看出，波导效应对光纤光栅纵向应变灵敏度影响较小，但其作用与弹光 效应相反，属于妨碍光纤光栅用于光纤传感领域的一个因素。还可以看出，随着 光纤芯径及数值孔径的增加( 保持在单模状态) ，波导效应逐渐增大，所以欲得到 高灵敏度的光纤光栅传感器最好采用低数值孔径、小芯径光纤。即低的掺锗量将 有利于提高传感器灵敏度，因此在应用光纤光栅进行高精度传感研究时需控制光 纤的掺锗含量。 基于以上分析，光纤光栅的纵向应变灵敏度系数仅取决于材料本身和反向耦 合模的有效折射率。对于单模光纤，由于仅有基模存在，当光纤材料选定后( 具有 固定的掺杂量) 其灵敏度系数将为一定值，这就从根本上保证了光纤光栅作为轴向 应变传感器时具有良好的线性输出特性。 2 2 2 均匀横向应力作用下光纤光栅传感模型 均匀横向应力是指对光纤沿各个径向施加压力p ，对应的光纤内部应力状态为 d = d 0 = 一p 、仃。= 0 ，不存在剪切应变，胡克定律可求得光纤应变张量为： _ ( 1 一y ) 罢 丘 ：i _ ( 1 叫导 i丘 2 l ，! e ( 2 4 0 ) 利用上节推导过程可知，此种受力状态下弹光效应引起的光纤光栅相对波长漂移 可表示为： 等= 一轩( 即硝h p 知讣知 重庆大学硕士学位论文2 光纤光栅的传感原理及传感模型 + 针( 耵蚴訾恍h 白 ( 2 。) 利用上节给出的光纤参数，可以求得此种应力状态下弹光效应引起的光纤光 栅相对波长漂移纵向应变灵敏度系数为1 7 2 6 ，仍然取光栅中心波长1 5 3 9 m ，可得 单位纵向应变引起的波长漂移为2 6 4 p m , u , g 。从表面上看，此种情况比纵向均匀 拉伸更为敏感，但由于同样压力p 下横向应力引起的纵向应变较纵向应力小，所 以两者之间只能采用应力灵敏度系数来进行比较，可得纵向拉伸下的应力灵敏度 为o 7 8 6 e ，而横向应力下的应力灵敏度仅为o 5 8 7 e ，其中e 为光纤弹性模量。 可以看出，从弹光效应的角度来看，光纤光栅对纵向应力较横向应力更为敏感。 2 2 3 流体静压场单独作用的传感模型 当满足流体静压条件，即p 0 、a t = o 、乞= o 时，由2 3 式得 垒他：l 丝墨略4 + 日：) - 1 】 2)e2 a 。 。 。、 对应的流体静压灵敏度系数为 唧= 学= 半略( 粤峨) 1 】 2 3 光纤b r a g g 光栅的温度传感模型 外界温度的变化也会引起光栅b r a g g 波长的漂移，引起波长漂移的主要原因 有3 个方面：光纤热膨胀效应、光纤热光效应以及光纤内部热应力效应引起的弹光 效应。为了研究方便，只考虑光纤自身各种热效应、只考虑光纤的线性热膨胀区、 热光效应在所研究的温度范围内保持一致、只研究温度均匀分布情况等条件的理 想模型光纤光栅。 根据b r a g g 波长方程以= 2 n 。s a ，当外界温度改变时，可得到b r a g g 方程的 微分形式为以= 2 a a n q i + 2 n 矿a a = 2 l 鲁仉( ) ，+ 鲁血i a + z 劭等r t z 删 式中百a n f e f f 代表光纤光栅折射率温度系数，用手表示，( ) 。代表热膨胀引起的弹 光效应；安生代表由于热膨胀导致光纤芯径变化而产生的波导效应；：o 鬲a 代表光纤 c 忱d 1 2 重庆大学硕士学位论文2 光纤光栅的传感原理及传感模型 怒= 球+ 訾扣c a n 盯a a l i + 口 s ， 刚朝 畚= 球一- ( p i , + 2 p i 2 ) a + 2叫帕 偿a 回 九r l 7 ”j 、。 式中k 为光纤光栅由波导效应引起的纵向应变灵敏度系数。可以明显看出，当 当温度场单独作用( a t 0 、p = o 、k = 0 ) 时，2 4 4 式可化简为： 全冬l ：( 岱+ o a r ( 2 4 7 ) 坼：a a s r ：( 口+ 善) 九 ( 2 4 8 ) 1 r 、 、 对于熔融石英光纤，其折射率温度系数善= o 6 8 xl o - 5 o c ，线性热膨胀系 a 8 = k t 垂d + k e z s z + k p p q 4 9 ) 重庆大学硕士学位论文3 传感用光纤光栅制作技术 传感用光纤光栅制作技术 自1 9 7 9 年光纤光栅问世以来，尤其是1 9 8 9 年侧面干涉写入技术和1 9 9 1 年相 位掩模写入技术发明后，光纤光栅在通信和传感两大领域得到了大量应用。传感 用光纤光栅由于被测参量类型多、使用环境恶劣，写入技术具有难于规范、统一 的突出特点，加上需要高成本和p l i l ( 1 0 - 1 2 i n ) 量级的波长解调系统相配合，对传感 用光纤光栅制作技术的研究和投入远远落后于通信用光纤光栅。 3 1 传感用光纤光栅的特点和制作要求 传感用光纤光栅在峰值反射率r 。、中心波长九的范围和准确性等光谱特性和 温度、应力、腐蚀等环境适应性方面应具有如下特点。 对光敏性和中心波长的精确度要求较低、但对中心波长选择范围和谱宽要 求高。 光纤光栅波长编码特性，降低了传感系统对能量的要求，传感用光纤光栅无 需追求过高的反射率( 或透射率) ，尤其是在时分复用( t d m ) 分布式测量系统中， 为避免各光纤光栅反射信号相互间的串绕，1 0 一3 0 左右的反射率即可满足要求， 低的反射率要求，有助于采用超短长度的光纤光栅，以获得高的空间测量分辨率。 传感用光纤光栅希望得到高的中心波长位移灵敏度，对中心波长的精确性要求低 于通信应用，一定范围内的中心波长误差，并不影响传感系统的测量性能，可以 通过标定方法加于修正。 光谱信号简单，易于处理 为便于后续电路的处理，传感用光纤光栅往往要求简单的光谱输出，尤其是 在多个光纤光栅复用的传感网络中更为重要，因此，具有单一反射峰值的f b g 应 用最多，l p f g 其次，c f g 最少，而在光通信领域，c f g 具有好的色散补偿作用，用 的较多。 对被测参量敏感，对其他干扰量去敏 为克服被测量和干扰量之问的交叉敏感问题，传感用光纤光栅要求有好的增 敏和去敏措施，为此往往需要研究双重曝光光纤光栅、一次和高次衍射光纤光栅 的制作技术以及在高双折射光纤上刻写光纤光栅技术等o ”。 对环境承受能力要求较高 传感用光纤光栅经常面临恶劣的工作环境，如3 0 0 一7 0 0 甚至1 0 0 0 高温， 一7 0 c 的液氮、液氦超低温，l o o m - 1 2 0 m p a 的高压以及酸、碱、盐等腐蚀性物质， 研究耐高温( 或低温) 、耐高压、防腐蚀的传感用光纤光栅写入技术迫在眉睫。 1 4 重庆大学硕士学位论文3 传感用光纤光栅制作技术 3 2 布拉格光纤光栅的制作 对于传感用f b g 写入技术而言，在写入方法上并未太大突破，除在线写入法 外，一般采用干涉法、相位掩模板法、掩模板一干涉仪法等离线侧写入技术，这四 种方法的优缺点对比如表3 1 所示。 表3 1 光纤光栅的制作法对比 t a b l e3 1m a n u f a c t u r em e t h o do f o p t i c a lf i b e rd i f f r a c t i o ng r a t i n g 方法优点缺点 自动化程度高、成本低、适使用场合受限( 只能在光纤拉 在线法 合大批量生产丝时使用) 、光谱去迹困难 对写入激光器相干性和环f b g 中心波长调整时需要更换 相位掩模法 境震动等要求低掩模板，成本较高 对写入激光器相干性、环境震 干涉仪法f b g 中心波长调整容易 动等要求严 对激光器相干性要求不高、 掩模板一干涉仪法无 中心波长调整容易 从上表不难看出：由于掩模板一干涉仪法结合了相位掩模板法和干涉仪法的 所用优点，是传感用f b g 制作的最佳方法。在制作材料上，主要集中于新型光敏 光纤掺杂材料及其潜在传感应用研究。由于载氢和高掺锗光敏光纤的传感效果并 不理想，b g e 共掺、掺s n 、掺n 等新型光敏光纤及其耐高温、抗疲劳等传感特性 研究非常有实用价值，引