（物理电子学专业论文）光纤光栅高温高压传感技术研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 指导教师： 光纤光栅高温高压传感技术研究 物理电子学 刘钦朋( 签名) 乔学光( 签名) 贾振安( 签名) 要 本文对光纤光栅高温、高压传感技术及交叉敏感问题进行了系统研究，主要包括：光 纤布拉格光栅的基本理论；光纤布拉格光栅的传感原理；光纤光栅高温传感技术研究； 光纤光栅高压传感技术研究；光纤光栅温度一压力交叉敏感问题研究。 首先，回顾了光纤光栅的产生和发展，分析了光纤光栅传感器发展现状以及难题； 研究了光纤布拉格光栅的耦合模理论；在此基础上分析了光纤光栅温度、应变和压力传 感原理，并提出了设计光纤光栅高温高压传感器所遵循的原则和思路。 其次，研究了光纤布拉格光栅的高温响应特性，提出了在高温环境中降低光纤布拉 格光栅的非线性响应效应的方法。实验结果表明，提高基底材料的热膨胀系数能有效降 低光纤布拉格光栅传感器在高温环境中的非线性的影响。 再次，研究了光纤光栅高压传感技术，提出并制作了一种基于单管结构的高压传感 器，推导了这种压强传感器的光纤布拉格光栅中心波长与压强的关系，得到了该传感器 的压强响应灵敏度的解析表达式。从实验上获得了0 0 3 7 7 n m m p a 压强响应灵敏度，是 裸光纤布拉格光栅压力响应灵敏度的1 2 7 倍。在o - - 4 0 m p a 的测量范围内，传感器的压 强响应具有很好的线性和重复性。在此基础上进一步研究了光纤光栅高压增敏技术，提 出了一种多金属管结构的光纤光栅压强传感器，在o - - 4 5 m p a 的测量范围内，获得了 0 0 5 9 2 n m m p a 的压强灵敏度。 最后，研究了光纤光栅交叉敏感问题。分析了两种高温高压传感模型的可行性，并 对传感器模型进行了优化。设计了一种温度自补偿的高压光纤布拉格传感器。在温度为 2 1 - - - 2 6 0 8 c ，压力为o 4 4m p a 的范围内测试了传感器的特性，压力响应灵敏度为一0 0 5 4 8 r i m l i p a 。该传感器性能稳定，重复性好。初步研究了基于双悬梁机构的区分测量技术， 分析了双悬梁光纤布拉格光栅应力响应特性，从实验上获得了一0 0 5 n m n 的压力响应灵 敏度，且应力响应的线性、重复性和迟滞性较好，为双悬梁区分测量技术提供了条件。 关键词：光纤光栅，高温传感，高压传感，灵敏度 论文类型：应用研究 本文得到国家高科技8 6 3 计划( 2 0 0 6 从0 6 2 2 1 0 ) 、国家自然科学基金( 6 0 6 5 4 0 0 1 ) 、国家 教育部科学技术重点项目( 0 2 1 9 0 ) 、中国石油天然气集团公司应用基础研究项目 ( 2 0 0 5 0 7 1 9 ) 、井下高温高压光纤光栅传感测井技术( 6 6 0 6 0 0 4 ) 、庆咸管道线路工程光纤 光栅检测( a 一2 0 0 6 - j s - 0 0 3 ) 、油气管线光纤光栅传感检测技术( 2 0 0 6 z z - 2 1 ) i i 英文摘要 s u b j e c t ：s t u d yo nf i b e rg r a t i n gs e n s i n gt e c h n o l o g yo fh i g ht e m p e r a t u r ea n dh i g h p r e s s u r e s p e c i a l i t y ： n a m e ： 1 n s t r u c t o r ： 1 n s t r u c t o r ： p h y s i c se l e c t r o n i c s l i uq i np e n g ( s i g n a t u r e ) q i a ox u eg u a n g ( s i g n a t u j i az h e n a n ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t t h i sp a p e rf o c u s e so 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 yf o rh i g ht e m p e r a t u r ea n dh i g h p r e s s u r e i n c l u d i n gt h e b a s i ct h e o r yo ff i b e rb r a g g g r a t i n g ，t h es e n s i n gp r i n c i p l eo ff i b e rb r a g g g r a t i n g ，t h es e n s i n gt e c h n o l o g yf o rh i g ht e m p e r a t u r e ，t h es e n s i n gt e c h n o l o g yf o rh i g hp r e s s u r e ， c r o s s - s e n s i t i v i t yo fs t r a i na n dt e m p e r a t u r ew i t ho p t i c a lf i b e rb r a g gg r a t i n g f i r s t l y , a p p e a r a n c e a n dd e v e l o p m e n to ff i b e r g r a t i n g a r er e v i e w e d t h er e c e n t d e v e l o p m e n t si nt h ea r e ao fo p t i c a lf i b e rg r a t i n ga n dt h ep r o b l e m sc o n c e r n i n go p t i c a lf i b e r g r a t i n gs e n s i n gt e c h n o l o g ya r ea n a l y z e d t h et h e o r yo ft h ec o u p l i n gm o d e lf o rf i b e rb r a g g g r a t i n ga r er e s e a r c h e d ，b a s eo nt h i s ，s t r a i n ，t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r es e n s i n gm e c h a n i s m so f f i b e rb r a g gg r a t i n g sa r es t u d i e d ，p r i n c i p l ea n dt r a i no ft h o u g h t sf o rd e s i g n i n gh i g hp r e s s u r e a n dh i g ht e m p e r a t u r ef i b e rg r a t i n gs e n s o r sa r ep r o p o s e d s e c o n d l y ，h i g ht e m p e r a t u r es e n s i n gc h a r a c t e r so fi n f i b e rb r a g gg r a t i n g sa r es t u d i e d t h e w a yo fr e d u c i n gn o n l i n e a rr e s p o n s ei nh i g ht e m p e r a t u r ei sp r o p o s e d t h e r e s u l to f e x p e r i m e n t i n d i c a t e st h a ti m p r o v i n gc o e f f i c i e n t so fe n c a p s u l a t i o nc a nr e d u c ee f f e c t i v e l yn o n l i n e a r r e s p o n s eo ff i b e rb r a g gg r a t i n gi nh i g ht e m p e r a t u r e t h i r d l y , t h es e n s i n gt e c h n o l o g yf o rh i g hp r e s s u r ei ss t u d i e d ak i n do fs e n s o rf o rh i 曲 p r e s s u r eb a s e do ns i n g l et u b ei sp r o p o s e d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep r e s s u r ea n dt h e c e n t r a lw a v e l e n g t ho ff b gi sd e r i v e d a n dt h ea n a l y t i ce x p r e s s i o ni sa l s og i v e n f r o mt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t si tc o u l db es e e nt h a tt h ep r e s s u r es e n s i t i v i t yo ff i b e rb r a g gg r a t i n gi s a b o u t 一0 0 3 7 7 n m m p ”p r e s s u r es e n s i t i v i t yi s12t i m e so fb a r ef b gf r o m0t o4 0 m p & t h e r e w a sav e r yg o o dl i n e a r i t ya n d r e p e t i t i o nb e t w e e nt h ec e n t e rw a v e l e n g t ho ff i b e rb r a g gg r a t i n g a n dp r e s s u r ec h a n g e b a s eo ni t ，t h et e c h n o l o g yo fi m p r o v i n gp r e s s u r es e n s i t i v i t yo fh i g h p r e s s u r es e n s o ri ss t u d i e d ak i n do fs e n s o rf o rh i g hp r e s s u r eb a s e do nm u l f i t u b ei sp r o p o s e d f r o m0t o4 5 m p a ，t h ep r e s s u r es e n s i t i v i t yo ff i b e rb r a g gg r a t i n gi sa b o u t - o 0 5 9 2 n m m p a f i n d l y , t h ep r o b l e mo fc r o s ss e n s i t i v i t yt ot e m p e r a t u r ea n ds t r a i ni ss t u d i e d f e a s i b i l i t yo f t w os e n s o rm o d e l so fh i g ht e m p e r a t u r ea n dh i g hp r e s s u r ei sa n a l y z e d ，a n dt h em o d e lo ff i b e r g r a t i n g s e n s o ri s o p t i m i z e d ，ah i g h p r e s s u r e f i b e r b r a g gg r a t i n gp r e s s u r e s e n s o rw i t h i 英文摘要 t e m p e r a t u r es e l f - c o m p e n s a t e di sd e s i g n e d ，t h ep r o p e r t i e so ft h es e n s o r & r et e s t e di nt h e t e m p e r a t u r er a n g eo f 2 1 2 6 0 8 a n dt h ep r e s s u r er a n g eo f 0 - - 4 4 m p a t h ep r e s s u r es e n s i t i v i t y i s 一0 0 5 4 8 n m m p a ，r e s u l t ss h o w st h a tt h ep e r f o r m a n c eo f t h e 辩n s o ri ss t a b l e t h er e p e a t a b i l i t y o fi ti s9 0 0 d t e c h n o l o g yb a s e do nd o u b l ec a n t i l e v e rf o rs i m u l t a n e o u sm e a s u r e m c n to f t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e si ss t u d i e d s t r e s sr e s p o n s eo f t h ed o u b l ec a n t i l e v e ri sa n a l y z e d t h e s e n s i t i v i t y ( 一o 0 5 n m n ) o ft h es y s t e mi sr e a c h e df r o me x p e r i m e n t , a n dt h e r ew a s av e r yg o o d l i n e a r i t ya n dr e p e t i t i o n 姗e e l lt h ec e n t r a lw a v e l e n g t ho ff i b e rb r a g gg r a t i n ga n ds t r e s s ，a n d t h e r ei sn oh y s t e r e s i se f f e c t t h ec o n d i t i o nf o rs i m u l t a n e o u si n c a s u r c m c n tb a s e do nd o u b l e c a n t i l e v e ri sp r o v e d k e y w o r d s ：f i b e rg r a t i n g ，h i g ht e m p e r a t u r es e n s i n g , h i g hp r e s s u r es e n s i n g , s e n s i t i v i t y t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y t h ep a p e ri ss u p p o r t e db y ：n a t i o n a ls u m m i tp r o j e c tf p r o j e c t8 6 3 ) ( 2 0 0 6 a a 0 6 2 2 1 0 ) 、n a t i o n a l n a t u r es c i e n c ef o u n d a t i o np r o j e c t ( 6 0 6 5 4 0 0 1 ) 、s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yr e s e a r c hp r o j e c to f n a t i o n a lm i n i s t r yo fe d u c a t i o n ( 0 2 1 9 0 ) 、f u n d a m e n ts t u d yp r o j e c to fp c t r o c h i n ac o m p a n y ( 2 0 0 5 0 7 1 9 ) 、f i b e rg r a t i n gs e n s i n gl o g g i n gt e c h n o l o g yo f h i g l lt e m p e r a t u r ea n dh i g hp r e s s u r e i nw e l l ( g g 0 6 0 0 4 ) 、a p p l yf i b e rg r a t i n gm e a s u r e m e n tf o rq i n g x i a np i p i n gl i n ep r o j e c t ( a - 2 0 0 6 - j s 一0 0 3 ) 、f i b e rg r a t i n gs e n s i n gm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yf o ro i la n dg a s p i p i n g l i n e ( 2 0 0 6 z z 2 1 ) i v 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油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做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 幺j 勉日臼 日期：垄望。! 篮 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接 相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名： 导师签名： 日期：趔! ，心 日期：绷! 彩 铋墼锨 筮湫 第一章绪论 第一章绪论 1 1 光纤光栅产生及发展 光纤光栅是利用光纤材料的光敏性在光纤内建立的一种空间周期性折射率分布，其 作用在于改变或控制光在该区域的传播方式。光纤光栅是一种新型的光无源器件，它的 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。 光纤光栅经历了产生与发展两个阶段，而每一阶段发生的标志性事件，则突出记录了光 纤光栅的发展历程。 l 1 2 光纤光栅产生 1 9 7 8 年加拿大通信研究中心的k 0 h i l l 等人首次观察到掺锗光纤的光敏性并用 4 8 8 n m 的氢离子激光采用驻波干涉法制成了世界上第一个光纤光栅【l 】，被称为“h i l l 光 栅”，开创了光纤光栅研究与应用的先河。事实证明，该技术已引起光纤光学领域的一场 革命，使光纤光栅传感成为可能。在这一阶段的又一重大发明是1 9 8 9 年美国东哈特福德 联合技术研究中心的gm e l t z 等人发明了紫外光侧面写入光敏光栅的技术【2 l 。这项技术 不仅有效地提高了光纤光栅的写入效率，而且还可以通过改变两束光的夹角对光纤光栅 的波长进行调控，为光纤光栅的实用化开辟了一条可行之路。 1 1 2 光纤光栅发展 紫外侧写入技术发明之后，世界各国对光纤光栅及其应用的研究迅速开展起来，光 纤光栅制作及光纤光敏化技术不断取得新的进展，在发展阶段有六个标志性事件，其时 间跨度约为八年。 一、色心模型：1 9 9 0 年，h a n d 和r u s s e l 提出色心模型【3 】。光纤的光敏性是光栅写入 光纤的前提条件。为此，人们提出了一些理论模型，而色心模型是其中最有影的一个。 该模型指出：g e 掺杂光纤中形成的色心6 e ( 1 ) 和g e ( 2 ) 的吸收中心在紫外波段，这就导 致了g e 掺杂光纤在紫外区的吸收光谱。该模型的合理性在h t k i n s 等人的吸收带实验与 k r a m e r - k r o n i n g 关系计算对比分析【4 】、光栅写入光纤与经高温擦除后的光纤光敏性对比 实验中得到了证明。 二、调谐技术：1 9 9 2 年，b a l l 等人首先发现在1 5 5 0 n m 附近，光纤布喇格光栅的波 长随其轴向机械拉伸应力的变化成线性关系，其调谐速率约为1 2 n m m ，他们将该技术 用于光纤激光波长的调谐，在光纤的极限应变范围内，获得了l o n m 左右的波长调谐量 s j 。 该发现意义重大，促使人们不断探索新颖的光纤光栅波长调谐方法，研发新型的光子器 件技术，将光纤光栅调谐技术的实用化推进了一大步。 三、载氢技术：1 9 9 3 年，为了提高光纤光敏性，l e m a i r e 等人提出了一种简单而有 效的方法一低温高压载氢技术【6 】。这是继在光纤内掺杂离子使其内在地提高光纤的光敏 西安石油大学硕士学位论文 性之后，首次通过外在方式成功的提高光纤光敏性的范例。该技术可使光纤的光敏性提 高近两个数量级，同时亦可大幅度降低光纤光栅的制作成本，为在普通光纤上制作高反 射率的光纤光栅提供了技术保证。 四、掩模技术：同年，h i l l 等人提出了相位掩模写入技术，他们利用紫外激光经过 相位掩模衍射后的士1 级衍射光形成的干涉条纹对光纤曝光写入光栅【7 j 。该技术极大的 放宽了对写入光源相干性的要求，使得光纤光栅的制作更加容易，这为光纤光栅的商品 化生产提供了强有力的技术支持。预应变调谐技术的提出，使得同一个相位掩模板写入 不同波长的光纤布喇格光栅成为可能。 五、复用技术：同年，j a c k s o n 等人提出了基于平行阵列的光纤布喇格光栅w d m 拓扑 结构【引，在光纤光栅复用技术的研究与应用方面率先迈出了第一步。从此，诸如t d m ， s d m ，c d m 等复用技术、以光纤光栅为基元的各种拓扑结构以及它们的各种组合形式与网 络系统【9 】层出不穷，极大地推动了光纤光栅在光纤通信及光纤传感领域的应用。 六、“3 s ”系统：1 9 8 8 年光学工程团体( s p i e ) 召开首届光纤“智能结构蒙皮”的国 际学术会议【1 0 1 ，由此开始了对“3 s ”系统的国际性研究，至今方兴未艾。“3 s ”指s m a r t m a t e r i a l ，s m a r ts t r u c t u r e ，s m a r ts k i n ，即把光纤光栅技术、光神经网络、光纤制动 仪器有机地融为一体，利用掩埋或贴附技术把它们复合到制造现代运载体( 如飞机、舰船、 坦克等) 或各种建筑体( 如桥墩、大坝、楼房等) 的框架，制成灵敏材料、灵敏结构和灵敏 表皮形成智能传感系统、“3 s ”系统概念的提出与研发，是自光纤光栅出现以来在理论、 方法、技术与应用等诸方面重大的综合集成，标志着光纤光栅技术及应用已经进入了新 的历史发展阶段。 1 2 光纤光栅分类 根据折射率在光纤轴向分布的形式，即光纤光栅空间周期分布及折射率调制深度分 布是否均匀，通常可将光纤光栅分为均匀光栅和非均匀光栅两大基本类型。前者的栅格 周期与折射率调制深度均为常数，而后者的栅格周期与折射率调制深度二者必有其一不 为常数。 ( 一) 均匀光纤光栅：指栅格周期沿纤芯轴向均匀且折射率调制深度为常数的一类光 纤光栅。这类光纤光栅的典型代表有光纤布喇格光栅、长周期光栅和闪耀光纤光栅等。 1 光纤布喇格光栅( f b g ) l l u ：又称短周期光栅，栅格周期一般为0 5 岬量级，折射率 调制深度一般为1 0 一1 0 一，能量耦合发生在两个反向传输的模场中，这种光纤光栅具有 较窄的反射带宽( 1 0 4u m ) 和较高的反射率( 1 0 0 ) ，其反射带宽和反射率可以根据需要， 通过改变写入条件而加以灵活地调节，这是最早发展起来的一类光纤光栅，目前在光纤 通信和光纤传感领域广泛应用。 2 长周期光纤光栅( l p g ) 0 2 ：光栅的周期在数百个微米量级，它是将前向导波模耦合 到不同级次的包层模之中去，其作用相当于一种波长可选择的滤波元件。长周期光栅的 第一章绪论 工作原理是通过选择一定的光栅周期，使得基模与一个前向传播的包层模满足相位匹配 条件a = 2 z ( 反一皮) ，从而发生耦合，使光在包层中因吸收和散射而损耗掉。由于耦合 发生在前向导波模之间，长周期光栅是一种传输型光栅，没有背向反射。它是作为e d f a 增益平坦滤波器的较佳方案。 3 闪耀光纤布拉格光栅【1 3 】( b l a z e df i b e rb r a g gg r a t i n g ) ：这类光栅的周期与折射 率调制深度均为常数，但其光栅波矢方向与光纤轴线方向不一致，这种光栅不但能引起 反向导波模耦合，而且还能将基模耦合到包层模中损耗掉。基于闪耀光纤布拉格光栅的 包层模耦合形成的宽带损耗特性，可将其用于掺铒光纤放大器( e d f a ) 的增益平坦。 ( 二) 非均匀光纤光栅：栅格周期沿纤芯轴向不均匀或折射率调制深度不为常数。从栅 格周期与折射率调制深度等因素考虑，这类光纤光栅的典型代表有线性啁啾光纤光栅、 分段啁啾光纤光栅以及非均匀特种光纤光栅等。 1 啁啾光纤光栅( c h i r pg r a t i n g ) 1 4 1 ：栅格周期不是常数而是沿轴向变化的，最常 用的啁啾光纤光栅是线性啁啾光纤光栅，这种光栅的纤芯折射率沿轴向呈线性单调变化。 由于不同的栅格周期对应于不同的反射波长，因此线性啁啾光纤光栅能够形成很大的反 射带宽和稳定色散，其宽度足以覆盖整个脉冲的谱宽，从而被广泛应用于波分复用( w d m ) 通信系统的色散补偿。 2 非均匀特种光纤光栅：采用特定形式的函数对光纤光栅( 布喇格或啁啾光纤光栅) 的栅格周期或折射率调制深度进行调制，将得到具有特殊性能的啁啾光纤光栅。典型的 有如下几种： 相移光纤光栅【l 钉：相移光纤光栅就是通过一些方法破坏光纤光栅折射率分布的连 续性，在均匀周期光纤光栅的某些特定点上引入相移，而形成的光栅。 莫尔光纤光栅【l6 】：已是采用两组具有微小周期差异的紫外条纹对光纤同一位置进 行二次暴光所得到的光栅。其光谱特征是在反射带中开一个很窄的投射窗口，它实际相 当于一个v 4 相移光栅。 t a p e r e d 光栅【1 7 ：t a p e r e d 光栅是采用特定的函数形式对光纤布拉格光栅的折射 率调制深度进行调制而形成的光栅。根据需要，通过改变其调制函数及有关参数可以控 制其反射谱的形状，t a p e r e d 光栅可以用于光纤通信系统中的色散补偿及多波长激光器 的制作。 超结构光纤光栅【1 8 1 ( s u p e r s t r u c t u r ef i b e rg r a t i n g ) ：超结构光纤光栅就是利用 方波函数对光纤布拉格光栅或啁啾光纤光栅的折射率分布进行调制而形成的光栅。这种 光栅的反射谱具有一组分立的反射峰。 1 3 光纤光栅传感技术的特点及发展现状 光纤光栅的反射或透射波的波长与光栅的折射率调制周期以及纤芯折射率有关，而 外界温度或应变的变化会影响光纤光栅的折射率调制周期和纤芯折射率，从而引起光纤 西安石油大学硕士学位论文 光栅的反射或透射波长的变化，所以光纤光栅是一种波长调制型器件。与传统的强度调 制和相位调制的光纤传感器相比，波长调制型的光纤光栅传感器具有许多独特的优点： ( 1 ) 避免了“干涉型”传感器( 读取信息是观察干涉条纹的变化) 中相位测量的不清 晰和对固定参考点的需要，可进行绝对测量( 光纤光栅标定后) 。 ( 2 ) 抗干扰能力强，因为普通传输光纤不会影响光波的频率特性( 忽略光纤的非线性 效应) ：另一方面光纤光栅传感系统从本质上排除了各种光强起伏的干扰，例如，光源强 度的起伏、光纤微弯效应引起的随机起伏耦合损耗等都不可能影响传感信号的波长特性， 因而基于光纤光栅的传感系统具有很高的可靠性和稳定性。 ( 3 ) 传感探头结构简单、尺寸小，其外径与光纤本身相同，适于各种精密测量，比如 测量复合材料的应变分布、油气管线的温度等。 ( 4 ) 光栅的写入工艺较成熟，便于产业化。 ( 5 ) 光纤光栅传感器能方便的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。 由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，以检测温度、压强、应力、应变等物理量。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( 比如油气田) 中。例如，永久连续的井下传感有利于油田的生产 管理，目前只有少数的油井和油气管线使用了永久连续井下油田监控系统，而且主要是 电类传感器，高温操作和长期稳定性的要求限制了电类传感器的应用。光纤光栅传感器 因其抗电磁干扰、耐高温、长期稳定并且抗高辐射非常适用于油气工业传感。 从国外相关报道看，自光纤光栅用于传感以来，受到世界范围内的广泛重视，并且 取得了持续和快速的发展。挪威的o p t o p l a n 正在开发用于永久井下测量的光纤光栅温度 和应力传感器【1 9 1 ，“随钻随测”系统对钻井作业非常有利，w e i s 等人用光纤光栅制成一 个井下光纤光栅调制器用来跟踪钻井过程中绞盘头的幅度变化。还有人在海上钻井平台 的复合材料索链中安装了光纤光栅传感器来测试链棒的强度和疲劳。美国的c i d r a 和 英国的s m a r tf i b r e sl t d 都在研究将光纤光栅传感技术应用于海洋石油平台的结构监测 【2 0 】。 我国对光纤光栅技术研究总体而言处于研究开发阶段，研究成果效益化及实际应用 还在进一步完善，潜力巨大。国家对光纤光栅技术的研究和发展非常关注，早在9 0 年代 就出现了这方面研究成果的报道。国家对其极为重视，“8 6 3 ”计划和自然科学基金以及 其他一些基金项目给予了一定力度的支持。“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。清华大学在1 9 9 6 年提出了波长扫描光纤b r a g g 光栅及其传感特性的研究，对光纤光栅制作做出了具体研究，对光纤b r a g g 光栅具体性 能进行了较为深入的研究与实验，提出了利用光纤光栅实现温度和应变同时区分测量的 4 第一章绪论 构想和连续波调频技术在气体成分测量中应用的研究；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 在光纤光栅通信和传感方面已有深入的研究，形成实力强大的科研梯队：西安石油大学、 中国石油大学( 北京) 、辽河测井公司、胜利油田等科研单位和院校都投入了一定的人力 和物力，取得了一些可喜的成果。 1 4 光纤光栅传感技术在石油工业中的应用【2 1 制 光纤b r a g g 光栅之所以可能在油气工业领域得到广泛应用，是伴随着技术发展导向、 油气工业信息的特点而出现的。油气工业信息的特点：( 1 ) 大规模的野外生产和施工，例 如有的油田设施分布在人迹罕至的地方，如戈壁、沙漠、大草原或海上；( 2 ) 对象是隐藏 于地下巨大的流动矿体资源；( 3 ) 连续密集的数据采集，数据是一种时间、空间跨度大， 复杂的、庞大的信息体。一般的数据采集和处理手段显得非常笨拙和缓慢。用什么手段、 方法既可以快速又经济地采集数据并传输和处理，一直是油田开发者们努力摸索和实践 的重要课题。由于光纤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。 1 4 1 生产测井 生产测井是测井技术的重要内容之一，通过对生产井测井数据进行分析，可以了解整 个油区的开发状态，从而调整、优化油田开发、生产方案，提高原油采收率。随着我国国 民经济的快速、持续发展，对油气的需求日益增长，各油田公司除了寻找新的油气资源外， 更重要的是对老油区进行挖潜、增效，因此生产测井将发挥越来越重要的作用。 目前用于动态监测的生产测井设备主要是电子测量仪器，自身存在很多不足，如井下 电子部件长期工作漂移问题、可靠性问题；每次测量时生产井须停产；井下作业和生产 成本过高；测量数据不能实时、在线、准确地反映井下动态情况等。光纤b r a g g 光栅传 感技术除了能很好地弥补这些缺点外，还具有传输损耗小、抗腐蚀、抗电磁干扰、可组网， 特别适合用于生产井中测量井下各种参数( 温度、压力、流量、应变等) ，随着其技术体 系的不断完善和发展，逐渐会取代其他大部分生产监测仪器，成为油田生产测井领域动 态、实时、在线监测数据的一种有效手段。迄今为止，在国内把b r a g g 光栅传感技术用 于生产测井领域还处于试验探索阶段，跟国内相比，国外已有部分成熟产品和监测方案， 并开始推广和应用，自从1 9 9 9 年3 月份c i d r a 公司在加利福尼亚b a k e r f i e l d 地区的 一口2 0 0 0 f t 深的井中成功安装了世界上第一套光纤b r a g g 光栅温度压力计，并取得了很 好的试验效果以来，光纤b r a g g 光栅在生产测井中的应用越来越受到用户的重视和青睐。 2 0 0 2 年该公司又开发出了在生产测井领域应用很广的光纤b r a g g 光栅多相流计，并在墨 西哥湾油田首次安装。 西安石油大学硕士学位论文 1 4 2 随钻测井 近年来，随钻测井得到迅速发展，其独特的优势是获取的数据更真实、更及时、精度 更高。随着随钻测井技术、方法的不断改进，测量仪器类型不断增加，随钻测井技术在 岩石物理、储层描述等领域的应用越来越多。实时、在线、全程监控钻井过程是十分必 要的，这样钻井设计者就能及时修改钻井设计轨迹和优化钻井作业方案，从而节省钻机 时间、降低钻井成本提高钻井成功率、减少钻井事故、获得更加准确的地层信息等。但 是在随钻测井中，发射探头和钻头之间有一段距离，发射探头和钻头经过同一地层时在时 间上就会不一致，这样接收探头接收到的信息并不能完全反映地层的真实信息。解决的 方法之一就是两者之间的距离越近越好，常规探头体积大、震动干扰大等问题，可下移 的空间很小。而光纤布拉格光栅传感器优点之一就是体积小、抗震动能力强，根据需要 可以任意调整外型( 最小可做到纵向厘米级，横向毫米级) ，能大大缩短光栅传感头和钻头 之间的距离，增加随钻测井获取信息的实时性。 相对于电子类传感器，光纤b r a g g 光栅具有许多独特的优点，可胜任钻井过程实时、 在线、全程监控。监测的项目几乎包括目前随钻测井所有项目( 温度、压力、压强、泥浆 流量、流速、钻头加速度等) 。因此，将光纤布拉格光栅及其传感监测系统与随钻测井技 术、钻井技术相结合能更及时、更有效识别油气藏、监测钻井过程。 1 4 3 油气管道监测 石油、天然气需求的增加及能源应用的扩大极大地促进了我国长距离油气管道的建 设步伐。目前油气的运输主要通过输油管道的方式进行，据不完全统计，到目前为止， 我国共建成油气管线2 万多公里。由于外界和内部诸多因素的综合作用，长期使用的输 油气管道就会发生腐蚀、断裂或泄漏等事故，可能造成严重的财产、人员伤亡以及环境 污染等。 目前建成的输油气管线检测、维修大多数处在就地控制、手工操作的落后状态，随着 供油气系统容量的扩大、旧管线的改造以及气田压力递减需增加兴建大干线油气管道等 都迫切需要改变这种落后状况，因此对油气管道输运生产过程必须进行自动化监测、监 视、控制和管理，从而实现油气输运管线安全、经济可靠地运营。 到现在为止，输油气管道检测基本上都是用漏磁法、超声波法、涡流法、电磁感应 法，这些方法虽然应用比较广泛，但普遍存在探测分辨率低、信号传输与解调复杂、仪 器笨重等缺点，尤其易受高温、高压、电磁辐射、腐蚀等环境因素影响，且管道在线检 测和管道无损检测设备在国际上属于垄断技术，仅有几家大国际公司掌握。这项检测技 术服务费用昂贵，国外公司给我国管道进行检测服务一般每公里需要1 万美元，因此在 管道检测方面，我国迫切需要拥有自主知识产权的智能检测系统。光纤b r a g g 光栅及其 检测系统由于具有许多独特的优点( 抗腐蚀、体积小、本征传感等) ，特别适合分布式( 在 一根光纤上可同时布置上百个光纤传感器) 、在线、实时、动态监测油气管道各种参数信 6 第一章绪论 息的变化，如温度、压力、应力、流量、流速等。监测人员可以根据测量信息变化实时 判断油气管道是否发生泄漏，泄漏地点、压力、温度、流速大小分布情况，从而实现对 油气管道在线和无损检测，最优化油气输送方案，最大可能地利用管道，节约成本，减 少事故发生。在这方面，西安石油大学光纤传感研究室进行了很多有益地探索和试验， 取得了一些可贵的经验和成果。 1 5 光纤光栅传感技术的应用难点 从光纤光栅传感技术的发展趋势及进展来看，光纤光栅的制作工艺、光纤光栅传感 器的封装技术、光纤光栅作为敏感元件的增敏技术、光纤光栅解调技术都取得了较大的 进展，但随着其应用范围的不断扩大，目前仍存在一些应用难点，主要表现在以下几个 方面： ( 1 ) 光纤光栅高温传感技术 随着光纤光栅传感器应用范围的不断扩大，人们对其性能的要求也越来越高，工业 领域中有时需要用其测量较高的温度。例如测井中的温度( 测井温度是确定汕层的位置、 厚度、含水层深度的基木依据) 会随开采深度的增加而不断升高。而光纤光栅在高温段表 现出非线性效应，即反射波长的变化量与温度的变化量成非线性关系，这将不利于传感 信号的测量，如何降低光纤光栅高温传感中非线性效应，提高测量精度成为光纤光栅传 感器在高温环境中应用的一个关键性的技术。 ( 2 ) 光纤光栅高压传感技术 对于压力的测量，很多方案主要强调对光纤光栅的增敏，然而实际上缩小了传感器 的测量范围，裸光纤光栅的压力响应灵敏度约为0 0 0 3 n m m p 。，当采用有机弹性体、波纹 管和膜片等对光纤光栅封装后，光纤光栅的压力响应灵敏度可以提高很多，能够用于一些 测量精度要求较高的现场，但其测量范围一般较小，正是由于这一局限性，当光纤b r a g g 光栅用于高压如油气井下等动态变化范围较大的环境中时，此类传感器远不能满足实际 需要，如何设计出压力灵敏度满足高压环境需要的光纤光栅传感器成为关键性的难题。 ( 3 ) 光纤光栅高温高压交叉敏感问题 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。目前，对于常温常压的区分测量技术有很多方案，但对 于高温高压等恶劣环境，光纤光栅温度压力响应灵敏度与测量范围，温度与压力测量范 围之间的优化问题等都是必须考虑的。 ( 4 ) 光纤光栅高温高压封装技术 耐高温高压传感探头的设计、封装、制造有一定难度。光纤光栅作为传感敏感元件 本身非常脆弱，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。国内目前封装的温度传感器一般不超过 1 5 0 ，压力传感器不超过2 0 m p a ，很难满足油气工业对高温、高压传感器的需求国外 7 西安石油大学硕士学位论文 有封装温度超过2 0 0 c 的温度探头，压强超过5 0 m p a 的压强探头，但价格十分昂贵，不适 合大面积使用。 ( 5 ) 光纤光栅解调技术 实验中一般采用光谱分析仪提供准确全面的解调数据，但光谱仪价格昂贵、体积大、 不能输出与被测量物理量成正比的电信号。因此，在实际测量中必须开发高效低成本的 信号解调系统。 1 6 课题的提出与意义 随着光纤光栅传感技术的飞速发展，越来越多的光纤传感技术不断的成熟，逐渐实 现产业化和工程应用，它将在光纤传感、光通信领域掀起一场新的技术革命。 光纤光栅传感器的市场前景十分诱人，我国对光纤光栅传感器的需求量很大，但我 国在光纤光栅传感器的研究与开发方面，尤其是在商品化、产业化方面还不能满足市场 需求。与发达国家相比，光纤光栅传感技术还有一定的差距，特别是在高温、高压条件 下光纤光栅传感技术还不能满足油气井等恶劣环境应用，影响了光纤光栅传感器在油气 工业中的应用。 西安石油大学光纤传感研究室在光纤光栅传感器的研究方面投入了巨大人力和物 力，在一些关键的技术领域取得了重大的技术突破。现在正在进行各种光纤布拉格光栅 ( f b g ) 传感器的应用研究开发。本文研究目标是对光纤光栅高温传感技术、光纤光栅高压 传感技术深入系统的研究，使光纤光栅在高温、高压传感技术在理论和应用方面取得一 定的进展。 1 7 课题的主要工作内容 本课题是由国家科技部8 6 3 项目( 2 0 0 6 a a 0 6 2 2 1 0 ) 、中国石油天然气集团公司应用 基础研究项目“井下永久光纤温度、压力传感器设计方法研究( n 0 ：2 0 0 5 0 7 1 9 ) 、国家自 然科学基金资助项目( 6 0 6 5 4 0 0 1 ) 等资助。课题的研究目标是在研究光纤b r a g g 光栅的各 种特性的基础上，对光纤光栅高温传感探头、光纤光栅高压传感探头材料、结构和工艺 进行研究，研究适合于工程应用的光纤b r a g g 光栅传感模型。 本课题研究依托陕西省光电传感测井重点实验室光纤传感研究室的有关实验条件， 开展光纤b r a g g 光栅高温传感、光纤b r a g g 光栅高压传感技术实验，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： 第一章阐述了光纤光栅的产生、发展及光栅的分类，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、光纤光栅传感技术应用的难 点以及课题提