（通信与信息系统专业论文）基于钻机井架的光纤光栅安全监测系统.pdf

中文摘要 井架是石油钻机的重要组成部分，在使用过程中经常面临拆卸、组装、移动、 锈蚀和偶然冲撞等外部作用，使得井架不同程度地存在着各种各样的缺陷，其安 全性对整台钻机的工作性能、可靠性及使用寿命影响很大，因此，对钻机井架进行 安全监测意义重大。 光纤光栅传感技术是一种新兴的传感技术。光纤光栅传感器具有诸如抗电磁 干扰、低损耗、易弯曲、体积小、重量轻、成本低、耐腐蚀、防水、防火等固有 的优点外，还对应力、应变等重要测量参量具有极高的测量精度，特别适合在钻 井现场( 井场) 这种环境恶劣的场合中进行非电监测。 本文研究的课题是武汉理工大学光纤传感技术研究中心与南阳二机石油装 备( 集团) 有限公司的合作项目。通过光纤光栅传感技术与石油钻机井架的安全监 测相结合，设计出一套基于钻机井架的光纤光栅安全监测系统，并在河南油田 z j 4 0 k 钻机井架上得到了应用。 本文所做的主要工作包括： 1 概括地介绍了光纤光栅的分类、制备方法、光学特性、传感原理以及 解调方法。着重阐述了光纤光栅的应力传感特性、温度传感特性以及 应力和温度的交叉敏感现象，并讨论了消除应力和温度交叉敏感的方 法。 2 分析了基于可调谐法布里一珀罗( f a b r y p e r o t ) 滤波器的光纤光栅 b m g g 波长解调原理，进而提出了基于最小二乘法的光纤光栅b r a g g 波长直线拟合算法和二次曲线修正的光纤光栅b r a g g 波长算法，以提 高系统的解调精度，并做了实验研究。 3 介绍了有限元方法的基本思想，并用有限元方法对钻机井架进行了结 构静力分析、结构动力分析和稳定性分析。介绍了对钻机井架进行安 全评定的主要方法。 4 。 研究了基于钻机井架的光纤光栅安全监测系统的设计原则、系统功能 以及系统结构，着重探讨了系统软件的设计以及程序的实现过程。通 过系统在钻机井架上的加载试验，证明了系统的有效性，符合实际应 用的要求。 关键词：钻机井架，光纤光栅，传感技术，安全监测系统 a b s t r a c t d r i l l i n gd e r r i c ki so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n t so fd r i l l i n gr i g i nt h e p r o c e s so fu s e ，t h ed r i l l i n gd e r r i c ka l w a y sn e e dt ob ed i s a s s e m b l e d ，i n s t a l l e d ，m o v e d ， a n di th a st os u f f e rf r o mr u s t i n ga n dc o l l i d i n g s a f e t yo fo i ld e r r i c kh a sg r e a ti n f l u e n c e o np e r f o r m a n c e ，r e l i a b i l i t ya n dl i f eo ft h ew h o l ed r i l l i n gr i g t h u s ，s a f e t ym o n i t o r i n g o fd r i l l i n gd e r r i c ki sv e r ys i g n i f i c a n t f i b e rg r a t i n gs e n s i n gt e c h n o l o g yi sar i s i n gs e n s i n gt e c h n o l o g y f i b e rg r a t i n g s e n s o rh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sa n t i - e l e c t r o m a g n e t i s m ，l o w l o s s , f l e c t i o n a l ，s m a l l ， l i g h t ，l o w c o s t ，a n t i c o r r o s i v e ，w a t e r p r o o f , f i r e p r o o fa n ds oo n f u r t h e r m o r e ，f i b e r g r a t i n gs e n s o rm e a s u r e sp a r a m e t e r ss u c ha ss t r a i na n ds t r e s sw i t hh i r g hp r e c i s i o n t h e r e f o r e ，f i b e rg r a t i n gs e n s o r si sv e r ys u i t a b l ef o ra t r o c i o u se n v i r o r a n e n to fd r i l l i n g p l a t f o r mt op r o c e s sn o n e l e c t r i c i t ym e a s u r e m e n t t h er e s e a r c hs u b j e c to ft h i st h e s i si sac o o p e r a t i v ep r o j e c tb e t w e e nf i b e ro p t i c s e n s i n gt e c h n o l o g y c e n t e ro fw u h a nu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y a n dr g p e t r o m a c h i n e r y ( g r o u p ) c o l t d o u rt a s ki st od e s i g nas a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e m w i t hf i b e rg r a t i n gb a s e do nd r i l l i n gd e r r i c k , b yc o m b i n a t i o nf i b e rg r a t i n gs e n s i n g t e c h n o l o g ya n ds a f e t ym o n i t o r i n gt e c h n o l o g yo fd r i l l i n gd e r r i c k t h es y s t e mh a sb e e n a p p l i e dt or i gz j 4 0 k i nh e n a no i lf i e l d t h em a i nw o r k so ft h i st h e s i si n e l u d e ： 1 r a s u m p t i v e l yi n t r o d u c e sc l a s s i f i c a t i o n ，f a b r i c a t i o n ，o p t i c a lp r o p e r t i e s ， s e n s i n gp r i n c i p l ea n dd e m o d u l a t i n gm e t h o do ff i b e rg r a t i n g s t r e s s s e n s i n gp r o p e r t i e s ，t e m p e r a t u r es e n s i n gp r o p e r t i e s ，s t r e s sa n dt e m p e r a t u r e c r o s s s e n s i t i v i t yo ff i b e rg r a t i n ga r ee m p h a t i c a l l yp r e s e n t e d m e t h o d so f e l i m i n a t i n gs t r e s sa n dt e m p e r a t u r ec r o s s s e n s i t i v i t ya r ea l s od i s c u s s e d 2 a n a l y z e st h ed e m o d u l a t i n gp r i n c i p l eo ff i b e rg r a t i n gb r a g gw a v e l e n g t h b a s e do nf a b r y - p e r o tf i l t e lt w oa l g o r i t h m sh a v e b e e np r o p o s e dt o i m p r o v ed e m o d u l a t i n gp r e c i s i o no ff i b e rg r a t i n g ：s t r a i g h tl i n ef i t t i n g a l g o r i t h mo ff i b e rg r a t i n gb r a g gw a v e l e n g t hb a s e do nl e a s ts q u a r e m e t h o da n dc o n i cm o d i f i e da l g o r i t h mo ff i b e rg r a t i n gb r a g g w a v e l e n g t h e x p e r i m e n tr e s e a r c hi sa l s op r e s e n t e d 3 b a s i cp r i n c i p l eo ff i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) i si n t r o d u c e d f e mi s a d o p t e dt op r o c e s ss t r u c t u r es t a t i ca n a l y s i s ，s t r u c t u r ed y n a m i ca n a l y s i s a n ds t a b i l i t ya n a l y s i so ft h ed r i l l i n gd e r r i c k t h em a i nm e t h o d so fs a f e t y e v a l u a t i o no fd r i l l i n gd e r r i c ka t ea l s op r e s e n t e d 1 1 4 d e s i g n i n gp r i n c i p l e ，f u n c t i o na n ds t r u c t u r e o ft h es a f e t ym o n i t o r i n g s y s t e m w i t hf i b e rg r a t i n gb a s e do nd r i l l i n gd e r r i c ka r er e s e a r c h e d d e s i g n i n go ft h es y s t e ms o f t w a r ea n d t h ep r o g r a mi m p l e m e n t i n gp r o c e s s a r es i g n i f i c a n t l yd i s c u s s e d i ti sp r o v e db ye x p e r i m e n tt h a tt h es y s t e mi s e f f e c t i v ea n dc a ns a t i s f yt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n s k e yw o r d s ：d r i l l i n gd e r r i c k ，f i b e rg r a t i n g ，s e n g s i n gt e c h n o l o g y , s a f e t ym o n i t o r i n g s y s t e m 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 钻机井架安全监测的技术现状 井架是石油钻机的重要组成部分，其安全性对整台钻机的工作性能、可靠性 及寿命影响很大，因此，多年来钻机井架的安全性问题一直广受人们关注。按结构 形式，石油钻机井架被分为塔形井架、a 型井架、k 形井架和桅形井架4 种“3 。所 有这些井架均属大型空间框架或桁架结构体系。其工作环境恶劣，所受载荷复杂， 无论是对单一构件还是对整个系统，其可靠性和安全性的定量分析都比较困难。 而且钻机井架在长期的使用过程中，由于拆卸、安装和运输等导致的各种缺陷以 及超载和腐蚀等因素的影响，使得在用钻机井架的内部结构产生不良的变化，从 而降低了钻机并架原设计的承载能力。为了既能确保钻机井架设备的安全，特别 是人员的生命安全，又能尽可能减少对正常生产的影响，开发现役钻机井架安全 监测系统具有十分重要的实际意义。 目前，国内外对钻机井架的安全性评定主要采用理论计算和现场实测两种方 法。 理论计算主要有建立钻机井架的统计特性模型和有限元分析两种。1 ) 根据 各种钻机井架的结构性能，通常可以建立包括各相关随机变量在内的统计分析模 型，对钻机井架的应力应变等参数作出可靠性评定。2 ) 有限元分析属于c a e ( 计 算机辅助工程) 技术，其全部思想就是通过定义一些适当的类来实现有限元分析 过程。有限元分析的核心是单元分析，对于钻机井架，单元最基本的属性包括： 材料、几何拓扑、载荷以及约束条件。利用有限元仿真软件可以实现对钻机井架 模型数据库的建立、结构的静力分析、动力特性分析、稳定性分析、缺杆分析和 损伤杆件局部加固分析、以及模型数据及计算结果的表格输出和图形化显示等。 对钻机井架的现场实测主要采取两个步骤：1 ) 对钻机井架结构的初步检查。 主要是检测井架构件、零部件和联接件的损伤与缺陷。按其内容可有构件弯曲变 形、构件截面锈蚀量及构件联接质量等。测试仪器采用超声波测厚仪、超声波探 伤仪、经纬仪及拉线测量等。当然，在用井架结构构件与联接中各种损伤与缺陷 的特征还很多，而初步检查中仅以主要的损伤与缺陷特征加以考虑，均未包括全 部损伤缺陷等因素。另一方面在初步检查中也未考虑各种损伤缺陷的相互作用与 影响。这些将通过实测应力来统筹解决。2 ) 在用井架结构电测应力分析。主要 是通过在某些构件上布置电阻应变片，根据这些构件实际应变值，确定构件工作 应力，从而评定在用井架结构的承载能力。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 钻机井架安全监测国内研究进展 在国内。石油钻机井架的安全监测主要是以井架的承载能力和动力特性的评 定为主。井架承载能力和动力特性的评定研究工作已开展多年，取得了一定的成 果，并得到了应用。国内的评定井架承载力理论研究主要有以强度、稳定性为主 的评定理论，以刚度为主的评定理论。1 、可靠性评定理论”“1 、模糊评定理论 “1 和基于动态参数为主的评定理论。 以强度、稳定性为主的评定理论主要对井架构件的多处部位实施加载测试 静、动态应力，根据一定理论计算出其承载能力，有一定的局限性。 以刚度为主的评定理论是根据井架的整体变形与其载荷大小有一定的关系， 通过判别单位载荷的变形可以确定井架的承载能力。 可靠性评定理论及模糊评定理论主要是为了确定服役井架的承载能力，从可 靠性角度对服役井架的可靠性进行评定研究。用失效树分析方法，研究了识别在 用井架可能的各种缺陷模式、相互间的关系及其对在用井架整体系统的可靠性的 影响，提出了用串联系统、并联系统和混联系统来进行井架系统的可靠性计算的 问题，重点研究了井架因构件失效而引起的结构失效问题：以强度储备比作为井 架构件和结构服役安全度的一种表达形式，来研究现役井架的安全度评估问题， 定义了井架结构的有效体系：用模糊集合理论对井架可靠性进行评估。 可靠性评定理论因其本身为系统工程，在目前缺乏大量基础数据的条件下实 际应用尚有很大距离。 基于动态参数为主的评定理论是从振动理论出发，通过对服役井架动态特性 的测试，研究井架结构的临界载荷与井架结构本身频率之间的关系，用试验模态 分析方法定量地确定在用井架的承载能力。 应用模态参数识别技术获得井架的动态特性参数，可确定在用井架存在的薄 弱环节。这种评定理论是对在用井架的动态特性参数进行测试，根据测试数据构 造模态模型来分析井架的振动特性，要求测试数据准确。由于这种测试所用仪器 技术要求较高，仪器设备投资相对较大，现场实旌存在一定难度。 ( 2 ) 钻机井架安全监测国外研究进展 在国外，石油井架承载能力和动力特性、安全评定脚吖”的研究工作一直在进 行中。早在8 0 年代，前苏联石油工业安全评定条例中就有规定，一部井架在使 用6 年后，至少要进行一次全面的检测，古比雪夫石油科学院、全苏石油科学安 全技术研究院等单位推荐井架在油田正常工作条件下进行自身检查的办法，以确 保井架在钻井作业中的安全：美国对在用石油井架的检测、维修、更换及报废很 重视，a p l 4 a 、4 d 及4 e 、4 f 等钻井井架和修井井架的规范中都给出了在用石油 武汉理工大学硕士学位论文 井架现场外观检测的具体内容和方法，还发表了多篇研究报告。 从国外的一些资料分析可看出，国外在这期间对井架承载力的评定偏重于外 观检测，简单论断和一般处置与预防三方面，查测主要是井架构件的变形、损伤、 磨损、腐蚀等，诊断多偏重于定性分析，处理和预测主要是针对在用石油井架的 测试采用肉眼来查测，误差较大。9 0 年代就开始针对油田在用石油井架使用时 间过长，井架受损较严重等实际情况，重视井架检测新技术的开发与诊断理论的 研究工作，提出了多项改革措施。 目前钻机井架安全监测存在的问题主要是：理论计算用于估计钻机井架的静 应力和应变可以得到较好的结果，但钻机井架在长期的工作过程中往往受到许多 不可预知的因素的影响，因此无法对它的安全性作出长期实时动态的估计。另外， 传统的电测应力分析所用的电阻应变片也无法在钻井现场这种恶劣的环境下长 期应用。 1 2 光纤光栅传感研究及应用现状 光纤光栅是近2 0 年来迅速发展起来的微型光学元件。1 9 7 8 年，加拿大渥太 华通信研究中心的k 0 h i l l 等人首次在掺锗石英光纤中发现光纤的光敏效应， 并采用驻波写入法制成世界上第一只光纤光栅。1 。1 9 8 9 年，美国联合技术研究中 心的g m e l t z 等人利用掺锗光纤的紫外光敏特性，用2 4 4 n m 波长的紫外激光干涉 条纹侧面照射纤芯掺锗的光纤，将任意工作波长的位相光栅写进了纤芯，形成光 纤芯内b r a g g 光栅( 光纤光栅) ，使光纤光栅的制作技术实现了突破性进展。光纤 光栅是近几年发展最快的光纤无源器件之一，它的出现将可能在光纤技术以及众 多相关领域中引起一场新的技术革命。由于它具有许多独特的优点，因而在光纤 通信、光纤传感、光计算和光信息处理等领域均有广阔的应用前景。 光纤光栅是利用光纤中的光敏性制成的。所谓光纤中的光敏性是指激光通过 掺杂光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应变化的特性( 这种现象 亦称之为光致折射率变化效应) 。光纤光栅的反射或透射峰的波长与光栅的折射 率调制周期以及纤芯折射率有关，从而引起光纤光栅的反射或透射峰波长的变化， 这就是光纤光栅传感器的基本工作原理。因此，温度和应变是光纤光栅能够直接 传感测量的两个最基本的物理量，它们构成了其他各种物理量传感的基础，其他 各种物理量的传感均以光纤光栅的应变和温度传感为基础间接衍生出来的。光纤 光栅技术是继掺铒光纤放大器( e d f a ) 技术之后的又一重大技术突破。光纤光栅的 出现将改变人们在光纤技术应用中的传统设计思想，并使全光纤器件的研制和集 成成为可能，从而为人们梦寐以求进入全光信息时代带来了无限生机和希望。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 光纤光栅传感的研究现状 作为一种新型的光学器件，光纤光栅的研究近年来受到普遍关注。目前，已报 道的光纤光栅传感器可以检测的物理量有：温度、应变、压力、位移、压强、扭 角、扭矩( 扭应力) 、加速度、电流、电压、磁场、频率、浓度、热膨胀系数、振 动等，其中，一部分光纤光栅传感系统已经得到实际应用。通常，温度和应变是直 接影响光纤光栅波长独立变化的物理量，但裸光栅对温度和应交响应的灵敏度都 很低，光纤光栅传感器要想在实际中得到广泛应用，必须对其增敏。另外，光纤光 栅传感器存在应变和温度交叉敏感问题，克服这一问题，实现多参数同时测量是 光纤光栅传感器从实验室走向实际应用必须解决的问题。国内外学者在此方面做 了许多工作，提出了一些方法。 利用光纤b r a g g 光栅进行传感，传感信息是波长编码的，因此，准确测量 b r a g g 波长的漂移至关重要。目前，解调方法很多，有体滤波法、匹配光栅滤波法、 可调谐f p 滤波器解调法、可调窄带光源解调法、非平衡m a c h z e h n d e r 光纤干 涉仪法、双腔查询干涉解调法、非平衡扫描迈克尔逊干涉仪解调法、色散法等， 这些方法各有优缺点，对新的解调方法的探索仍在不断的进行中。 光纤光栅传感器的一个重要的优点是可以组成阵列传感器，实现分布式传 感。目前，光纤光栅分布式传感主要技术有波分复用、时分复用以及混合复用， 国外已经开展了广泛而深入的研究，取得了很多重要的研究成果。 ( 2 ) 光纤光栅传感的应用现状“”。“”“” 光纤光栅能以高分辨率测量许多物理参数，并且具有本质防爆、抗电磁干扰、 抗腐蚀、耐高温与低温、体积小、重量轻、灵活方便等优点，因此它在诸多领域 得到了广泛应用。 航空航天是一个使用传感器密集的领域，对于传感器的灵敏度、体积和重量 都有很高的要求。光纤光栅传感器因其具有体积小、重量轻和灵敏度高、可以集 成等独具的优势而在航空航天领域应用中受到青睐，美国在这方面的研究一直居 领先地位。 民用工程中的结构监测也是光纤光栅传感技术应用最活跃的领域之一。光纤 光栅很容易埋入材料中对其内部的应变和温度进行高分辨率和大范围的测量，被 认为是实现“光纤灵巧结构”的理想器件。既可以把光纤光栅贴在现存结构的表 面，也可以在浇注时将其埋入结构中对结构进行实时监测，实现对工程结构的健 康诊断、系统和服务设施的管理和控制。另外，可以把多个光纡光栅传感器串接 实现准分布式检测方案：传感信号经长距离传输后，送到监控中心实现对目标的 遥测。因此光纤光栅传感器成为民用工程领域中结构监测的最重要手段之一，从 而吸引一些发达国家投入大量的人力物力进行这方面的应用研究。 武汉理工大学硕士学位论文 在能源化工领域，由于光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、耐腐蚀等优点，因此 可以替代传统的电传感器广泛应用在海洋石油平台上及油田、煤田中探测储量和 地层情况。还可以监测石油装备如钻机井架或钻机平台所受的应力，保证油田安 全作业。另外，光纤光栅传感技术在船舶航运业、电力工业、核工业、医学等领 域也得到了广泛的应用。 1 3 本文研究的主要内容 本文研究的课题为武汉理工大学光纤传感技术研究中心与南阳二机石油装 备( 集团) 有限公司合作项目。通过对光纤光栅传感器技术研究以及对钻井装备具 体问题进行具体分析，设计出一套适合油田钻机井架的光纤光栅安全监测系统， 并在河南油田z j 4 0 k 钻机井架上得到应用。 本文的主要内容包括： ( 1 ) 概括地介绍了光纤光栅的分类、制备方法、光学特性、传感原理 以及解调方法。着重阐述了光纤光栅的应力传感特性、温度传感 特性以及应力和温度的交叉敏感现象，并讨论了消除应力和温度 交叉敏感的方法。 ( 2 ) 光纤光栅b r a g g 波长解调技术是光纤光栅实用化的关键技术。分 析了基于可调谐法布里珀罗( f - - p ) 滤波器的光纤光栅b r a g g 波长解调原理，在此基础上，提出了基于最小二乘法的光纤光栅 b r a g g 波长直线拟合算法和二次曲线修正的光纤光栅b r a g g 波长 算法，以提高系统的解调精度，并做了实验研究。 ( 3 ) 介绍了有限元方法的基本思想，并用有限元方法对钻机井架进行 了结构静力分析、结构动力分析和稳定性分析。钻机井架在使用 过程中经常面临拆卸、安装、移动、锈蚀和偶然冲撞等外部作用， 使得井架不同程度地存在着各种各样的缺陷，介绍了对钻机井架 进行安全评定的主要方法。 ( 4 ) 研究了基于钻机井架的光纤光栅安全监测系统的设计原则、系统 功能以及系统组成，着重探讨了系统软件的设计以及程序的实现 过程。通过系统在钻机井架上的加载试验，证明了系统的有效性， 符合实际应用的要求。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章光纤光栅传感的基本理论 光纤光栅传感技术是一种新兴传感技术。对石油钻机井架各关键点处应力应 变状况的监测，是评定钻机井架可靠性和安全性的重要依据。与传统的电类传感 器相比，光纤光栅传感器具有诸如抗电磁干扰、低损耗、易弯曲、体积小、重量 轻、成本低、耐腐蚀、防水、防火等固有的优点外，对应力、应变等重要测量参 量具有极高的测量精度。所以光纤光栅传感器特别适合在钻井现场( 井场) 这种 环境恶劣的场合中应用。 本章主要介绍光纤光栅的分类、制备方法、光学特性、传感原理以及解调方 法。 2 1 光纤光栅的分类 随着对光纤光栅研究的深入和应用的需要，各种光纤光栅层出不穷，种类繁 多，特性各异。人们用不同的标准对光纤光栅进行了分类，主要有“： ( 1 ) 按光纤光栅的周期分类。根据光纤光栅周期的长短，通常把周期 小于1pi l l 的光纤光栅称为短周期光纤光栅，又称为光纤布拉格光 栅或反射光栅；而把周期为几十至几百微米的光纤光栅称为长周 期光纤光栅，又称为透射光栅。短周期光纤光栅的特点是传输方 向相反的模式之间发生耦合，属于反射型带通滤波器。长周期光 纤光栅的特点是同向传输的纤芯基模和包层模之间的耦合，无后 向反射，属于透射型带阻滤波器。 ( 2 ) 按光纤光栅的波导结构分类。根据光栅的波导结构即光栅轴向折 射率分布，光纤光栅可分为：( a ) 均匀光纤光栅：特点是光栅的 周期和折射率调制的大小均为常数，这是最常见的一种光纤光栅， 其反射谱具有对称的边模振荡。( b ) 啁啾光纤光栅：特点是光栅 的周期沿轴向逐渐变化，该光栅在光纤通信中最突出的应用是作 为大容量密集波分复用( d w d m ) 系统中的色散补偿器件。( c ) 高 斯变迹光纤光栅：特点是光致折变大小沿光纤轴向为高斯函数且 直流d c 折射率变化也是高斯函数。( d ) 升余弦变迹光纤光栅： 光致折变大小沿光纤轴向为升余弦函数，且直流d c 折射率变 化为零。( e ) 相移光纤光栅：特点是光栅在某些位置发生相位跳 变，通常是n 相位跳变，从而改变光谱的分布。( f ) 超结构光 纤光栅：特点是光栅由许多小段光栅构成，折变区域不连续，如 果这种不连续区域的出现有一定周期性则又称为取样光栅。( g ) 武汉理工大学硕士学位论文 倾斜光纤光栅：也称为闪耀光纤光栅，其特点是光栅条纹与光纤 轴成- - + 于9 0 。的夹角。( h ) 特殊折射率调制的光纤光栅：其特 点是其折射率调制不能简单地归结为以上某一类，而是两种或多 种光栅的结合或者折射率调制按某一特殊函数变化，这种光纤光 栅往往在光纤通信和光纤传感领域有特殊的应用。 ( 3 )按光纤光栅的形成机理，光纤光栅可分为：( a ) 利用光敏性形成 的光纤光栅，其特点是利用激光曝光掺杂光纤诱导其光敏性导致 折射率变化从而形成光纤光栅。光纤的光敏性引起纤芯折射率周 期性调制，从而形成光纤光栅；( b ) 利用弹光效应形成的光纤光 栅，其特点是利用周期性的残余应力释放或光纤的物理结构变化 从而轴向周期性地改变光纤的应力分布，通过弹光效应导致光纤 折射率发生轴向周期性变化从而形成光纤光栅。由于目前对各种 光纤光栅的形成机理的解释还不完全统一，以致以上按形成机理 的分类可能不太全面，但相信随着研究的深入按形成机理对光纤 光栅的分类必将更加完善。 ( 4 ) 根据折射率调制的强弱，光敏性光纤光栅又可分三类：i 型、i 【型 和i i h 型( 也叫i i i 型) 光纤光栅。i 型光纤光栅是由连续u v 光或者能量较弱的u v 光脉冲曝光光敏光纤形成的，折射率变化 较弱，约1 0 1 数量级。其优点是具有较理想的透射谱，且没有明 显的包层耦合损耗，因此是目前最常用的光纤光栅，但其热稳定 性较差。i i 型光纤光栅一般由高能量( 阈值脉冲能量约为 0 7 j c m 2 ) 的u v 光脉冲在高掺锗光纤中写入，折射率变化较大， 约l o 3 数量级。其优点是只需单个脉冲曝光就可制成1 0 0 反射 率的光栅，且热稳定性较好，缺点是具有较大的包层或辐射模损 耗。i i h 型光纤光栅一般是在掺锗浓度较高纤芯较小的光敏光纤 中写成的，可通过对i 型光纤光栅过量曝光得到，其温度稳定性 介于i 型和i i 型光纤光栅之间。 ( 5 ) 按写入光栅的光纤材料类型，光纤光栅可分为硅玻璃光纤光栅和 塑料光纤光栅。此前研究和应用最多的是在硅玻璃光纤中写入的 光纤光栅，然而最近在塑料光纤中写入的光纤光栅己引起了入们 越来越多的关注，该种光纤光栅在通信和传感领域有着许多潜在 的应用，比如大的谐振波长可调范围。 可以看出，根据不同的分类标准，光纤光栅可以分成许多不同的类。在本文 中，如果没有特殊说明，所指的光纤光栅均为光纤b r a g g 光栅。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 光纤光栅的制备方法 当光纤受到蓝光或紫外激光的强烈照射时就会永久地改变它们的光学特性， 当掺g e 的石英光纤被强激光束照射几分钟后，光敏效应就会导致折射率沿光纤 的轴向作周期性改变，从而形成纤芯内的b r a g g 光栅。这种现象最早在1 9 7 8 年 被h i l l 等人发现，光纤光栅发展至今，掺杂元素已从单纯的g e 元素发展到掺p ， b ，a 1 ，e r ，c e 等元素，所用紫外光波也从四倍频的n d ：y a g 激光器的2 6 6 n m 到 a r f 准分子激光器的1 9 2 n m 。目前光纤光栅的写入方法很多，每种方法都有自己 的优点，下面简要介绍几种“”“”： ( 1 ) 单束光纵向写入 这种方法最早是1 9 7 8 年h i l l 等人在实验中用到的，4 8 8 n m 的a r 离子单模 激光器发出的一束激光射入个掺锗的石英光纤，监视光纤末端的反射光。开始， 就象我们所知的光纤和空气交接面的反射一样，反射率为4 ，但是，随着时间 的推移，它渐渐的增加，几分钟之后甚至超过了9 0 ( 取决于光敏光纤的长度) ， 最终成为一个布喇格光栅。光栅的形成是在光纤的远端开始的，反射光和入射光 传输方向相反，形成驻波，拍周期是a 2 n ，其中a 是激光波长，n 是在此波长 时的折射率。石英的折射率在高光强区改变，形成了一个沿着光纤长度的周期变 化。即使光栅开始时很微弱，因为反射光的强度较弱( 远端反射率为4 ) ，它会 通过一个快速过程不断加强。由于光栅的周期正好就是驻波的周期，所以布喇格 条件对波长是满足的。结果，一些前向传输的光通过分布反馈反射回来，加强了 光栅，即加强了反馈。当光致折射率的变化达到饱和时这种过程停止。芯内带有 b r a g g 光栅的光纤其作用就像一个窄带反射滤波器。 入射光反射率的增加和相应的透射率的减少可以用周期介质中传输波的耦 合模式理论来解释。折射率的变化在光栅的生成过程中是动态发生的。因而减轻 了对固定的j r 2 相位差需要。 单束光纵向写入光栅的缺点是它们只能适用在写入激光的波长范围附近。由 于掺锗的石英光纤在大于0 。5 p m 的波长范围内表现出很弱的光敏特性，这样的 光栅就不能应用在光纤通信常用的1 3 f m 1 6 卢m 的波长范围内。接下来讨 论的双光束全息相干技术解决了这个问题。 ( 2 ) 双光束全息相干写入 双光束全息相干技术，如图2 一l 所示，应用了类似全息术一样的外部干涉方 案。从同一个激光器( 工作波长在紫外区) 获得的两束激光以2 疗的夹角在一根光 纤裸露的纤芯处产生干涉，用圆柱透镜来扩展沿光纤长度方向的光束，一束光典 型的横截面是1 5 o 3 m 2 ，其中长边决定了光纤光栅的长度。和单柬光写入方法 一样，干涉图案产生了折射率光栅，但是光栅周期a 与激光波长a 和角度p 有关： 武汉理工大学硕士学位论文 a1a ( 2 s i n 日1 图2 - 1 双光束全息写入技术 ( 2 - 1 ) 光纤光栅反射峰值波长即b r a g g 波长九为： k一2nd(2-2) 其中r l 。为光纤纤芯有效折射率。从式( 2 一1 ) 可以看出，只要调节角度0 ，周期a 就可以在很宽的范围内变化。由于a 决定了光纤光摊反射光的波长范围，且可以 比a 大很多，即使a 在紫外区，也可以用这种双光束全息方法制成应用在可见光 或红外光范围的布喇格光栅。m e l t z 等人在1 9 8 9 年的实验中，用一个平均功率 为1 0 一2 0 m w 的倍频脉冲染料激光器( f r e q u e n c y d o u b l e d ，p u l s e dd y el a s e r ) 发 出的2 4 4 n m 的光，对感光光纤4 4 m m 长的芯区曝光5 分钟，做成了一个5 8 0 n m 的布喇格光栅。对反射率的测量表明干涉图形的高密区折射率的变化是1 0 一。用 双光束全息技术制成的布喇格光栅很稳定，甚至当温度加热到5 0 0 c 时也不变。 这种方法最大的优点是它突破了单束光纵向写入法对布喇格中心反射波长 的限制，使人们可以更充分地利用最感兴趣的波段。采用改变两束光的夹角或旋 转光纤放置位置的方法都可以方便地改变反射光的中心波长。 双光束全息相干技术的缺点之一是它要求紫外激光器有良好的时间和空间 相干性，另一个缺点是要想得到准确的布喇格中心反射波长，对光路的调整精度 要求极高。从式( 2 - 1 ) 和式( 2 - 2 ) 可得： k 。一n a 旦尝d ( 2 - 3 )。 s i n 0 假设采用a = 2 4 0 n m 的激光输出，光纤折射率为1 4 5 ，那么若想得到1 5 5 0 n m 的 反射中心波长，0 应为1 2 9 7 。如果此时0 偏差为0 0 r ，则九= 6 7 2 7 n m ，早已 远离中心波长，由此可见对光路调整精度的要求有多么苛刻。 ( 3 ) 相位掩模技术 1 9 9 3 年出现了一种非全息技术即在集成电路制作中经常用到的光刻技术。 武汉理工大学硕士学位论文 其基本原理是用一块相位掩模版，这个掩模版的周期正好就是所要光栅的周期， 掩模版就象光母版，通过光刻读到光纤上。本方案的其中一个实现方法是用电子 束平板印刷和反应离子蚀刻术把c r 沉积在石英基片上，刻制而成相位掩模版。 c r 的线间距为5 2 0 r i m ，对应于九一1 5 1 # m 时的光栅周期a 一九2 n 。2 4 2 n m 的射线 穿过掩模版形成周期性的强度变化，光纤的光敏特性把光强变化转变为折射率的 变化，从而形成光栅。 相位掩模方法的最主要优点是降低了对紫外光束的时间和空间相干性的要 求。实际上，即使用非激光光源，比如紫光灯也行，因为光栅周期和光源的波长 无关。 图2 2 ( a ) 所示为垂直入射情形，利用+ 1 级一1 级衍射光相干，此时光纤光 栅周期为相位掩模版的周期的一半。图2 2 ( b ) 所示为斜入射，利用0 级和一l 级 衍射光相干，得到的光纤光栅周期和相位掩模版的周期一样。 (a)(b)(c) 图2 2 相位掩模和振幅掩模 值得注意的是，光纤光栅的质量( 长度、一致性等) 完全取决于相位掩模版， 所有的缺陷都会被原样地复制到光栅上。为了达到预期的目的，必须严格控制相 位光栅的刻蚀深度和占空比。 除了用相位掩模版以外，还可以用振幅掩模版来制作光栅，如图2 2 ( c ) 所 示。这种方法要采用一个光学成像系统，将振幅光栅产生的0 级衍射阻挡掉，同 时将1 级的衍射光经变化后在光纤中相干。这种方法对掩模版的要求有所降低， 但对光源的时间和空阃相干性的要求与全息法是一样的。 ( 4 ) 逐点写入法 逐点写入不需要全息技术，也不用相位掩模版，它直接在光纤上写入光栅。 一个高能脉冲对光纤上长度为w 的- - d , 段曝光后，然后在下一个脉冲时刻写入下 一个周期。这种方法被称为逐点写入，因为光栅是一个周期接一个周期写入的， 即使当周期低于l m 时也是这样，将紫外光束紧紧聚焦在长度为w 的一段光纤 上曝光。虽然可以选择我们想要的w 值，但般情况选为a 2 。 堂 一 武汉理工大学硕士学位论文 这种技术在实际应用中有两个问题。首先，因为逐点写入方法费时的特点， 所以只制造短光纤光栅( 长度 2 和k 一2 , x a n 。a ，可以用来在阻带内估算高 反射率光栅的长度。对于n 。约为1 0 。，a 一1 5 5 # m ，对应条件k l 2 时，l 应该 大于5 m m 。用双光束全息相干技术制作的光栅很容易满足这些条件，长度为1 5 m m 的光栅反射率可以超过9 9 。 光纤光栅带宽h 定义为它的半高全宽( f 删) ，即 r ( 九争) 丢r ( 九) ( 2 - 2 1 ) 这个方程没有精确的解析解，使用泰勒级数展开的方法可以求得近似解。带宽的 近似公式为 ( 针。f 虹2 h e n ) 1 + p ：劫 n 。为光纤光栅纤芯有效折射率。 2 4 光纤光栅的传感原理 光纤光栅是种光纤折射率受到周期调制的光纤型器件，该调制使光纤内传 输的光信号的不同模式进行耦合。它的工作像一个高反射窄带光反射镜，反射一 种波长并传输所有其它波长，如图2 - 3 所示。 图2 - 3 光纤光栅反射b r a g g 波长示意图 根据光纤模式理论，当宽带光在光纤光栅中传输时，产生模式耦合，满足 武汉理工大学硕士学位论文 b r a g g 条件的入射光波被光纤光栅耦合到反射模中，b r a g g 反射条件由 九一2 n f f a ( 2 2 3 ) 表示。式( 2 2 3 ) 中，k 为无应变时光纤光栅的b r a g g 波长；a 为光栅周期；1 1 。 为光纤纤芯的有效折射率。其他波长的光在传输过程中将不会有显著衰减。实际 上光栅的作用类似一个窄带滤波器。可以使用一个宽带光源并将其分配给许多不 同的光栅，每个光栅有不同的光栅周期，于是就对应不同的反射波长。 当a 和n 。受外界环境( 应力、应变、温度等) 影响而发生变化a 和n 。时， 导致符合b r a g g 条件的反射波长如发生位移九。对式( 2 - 2 3 ) 作微分得，则其中 心波长的变化量九可由下式决定： z ( a 鲁饥。瓮) a l + 2 ( a 鲁饥。等) a t ( 2 - 2 4 ) 其中l 为光栅区的长度；l 为其纵向伸缩量。式( 2 2 4 ) 可以写为： 一2 a n 。h a + 2 n 。h 从( 2 - 2 5 ) 式( 2 - 锄表明反射波长偏移与光纤纤芯的有效折射率和光栅常数的变化有关。当 光纤光栅受到轴向应力作用或温度的变化影响时，1 1 。和a 都会发生变化。应力 作用下的光弹效应导致折射率变化，形变使光栅常数变化；温度导致的光热效应 使有效折射率改变，而热膨胀系数致使光栅常数改变。 2 4 1 光纤光栅应力传感特性 应力影响b r a g g 波长是由于光栅周期的伸缩和弹光效应引起的“”。为了简化 推导，设光纤仅受轴向应力作用( 即横向拉伸光纤光栅) ，忽略温度和其它均匀压 力场的影响，则轴向应变引起的栅距改变量为： a a a 。巳( 2 - 2 6 ) 有效折射率的变化可以由弹光系数矩阵p j 和应变张量矩阵钿表示为： ( 1 n c f r ) 2 。善( i - 1 2 ，3 ) ( 2 - 2 7 ) 其中i = 1 ，2 ，3 分别代表x ，y ，z 轴方向。 由于剪切力为零，所以s 。一屯一气- 0 ，应变张量矩阵可用轴向应变表示为： s i - 卜w ：一w ：一竹：0 0 0 】( 2 2 8 ) 弹光矩阵为： 武汉理工大学硕士学位论文 e 1e 2 e ：p l 。 p l ：p 1 ： 00 00 o0 b 2 0 b ：0 p 1 1 0 0 p “ 00 00 00 00 00 00 匕0 0 p 舭 ( 2 - 2 9 ) 式( 2 - 2 9 ) d 0e 1 e ：，p 为弹光系数；，是纤芯材料的泊松比，对于各向同性材料 有匕- ( e ，一e ：) 2 。所以只需考虑弹光张量中i ，j - - i ，2 ，3 的矩阵元，此时弹光 气睢p 1 2 乏1 ( 2 - 3 0 ) 气- i 气i 【p 1 ： b ： e j 将式( 2 3 0 ) 和式( 2 2 8 ) 代入式( 2 - 2 7 ) 得： f p 1 ：- v ( p 1 ，+ b ：) 】毛x 方向 ( _ l ) 一 【e 2 1 ，( p 1 1 + e 2 ) 】：y方向(2-31) n c n i【b 。一知e ：】屯 z 方向 一：亡) x ，。一i l n ：盹叫蚴k ( 2 - 3 2 ) 定义有效弹光系数e 为： e ! 晕【b ：一，( e ，+ b ：) 】( 2 - 3 3 ) k _ 垒年1 一p c ( 2 - 3 4 ) b r a g g 光纤光栅的二阶应变灵敏度k 。：为： k ，矗。( 1 吲2 + 2 蜉 ( 2 - 3 5 ) 九= ( k ，乞+ 寺k 。：s ；) k ( 2 - 3 6 ) 武汉理工大学硕士学位论文 对于掺锗石英光纤，b 。一0 1 2 1 ，e 2 - 0 2 7 ，一0 1 7 ，1 1 1 4 6 ，所以e 一0 2 2 ，估 算出 k 。一0 7 8( 2 - 3 7 ) 当光纤光栅受到允许张力的1 时，二阶灵敏度