（测试计量技术及仪器专业论文）光纤光栅传感器温度压力同时区分测量技术研究.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 光纤光栅传感器温度压力同时区分测量技术研究 羰翟跫：弧姿： 孙安( 签名) z 趟篷二 乔学光签名_ 名导孚羞卜 摘要 本文对光纤光栅传感器的基本理论以及技术进行了系统的研究，主要包括光纤光栅传 感机理、温度以及压力响应增敏技术，封装聚合物材料的热学和力学特性、聚合物封装光 纤光栅传感原理以及封装固化工艺，针对油气井下等高温高压测量环境，提出采用聚合物 封装双光纤光栅实现同时测量方案，实现对较高温度以及压力的区分测量，围绕以上各方 面进行了大量实验，并对实验结果进行了详细深入的分析。 首先对光纤光栅传感器研究现状和发展趋势进行了回顾和展望，分析了光纤光栅传感 器发展前景以及现存难题；研究了光纤光栅的形成机理、传感原理：在此基础上，研究了 光纤光栅温度压力交叉敏感问题并对现有区分测量方案工程可实现性进行了讨论，提出采 用聚合物封装实现双光纤光栅对温度以及压力同时区分测量；。对聚合物材料特性进行了深 入研究，提出封装光纤光栅的聚合物所需满足条件，指出一般可用于封装光纤光栅的几类 聚合物材料：对聚合物材料温度以及压力等直接影响到封装后光纤光栅性能的特性进行分 析讨论，选用几种具有代表性的聚合物封装材料，对光纤光栅封装固化工艺进行了深入的 理论以及实验研究，通过改进封装工艺克服封装过程中光纤光栅所产生的几个问题。对聚 合物封装光纤光栅温度以及压力响应机理进行分析，并通过实验分别研究了2 0 1 8 0 9 c 、 o - 4 0 m p a 和0 , - 4 ) 2 m p a 范围内几种不同材料封装后光纤光栅的温度、压力以及温度一压力 同时旋加时的响应特性，发现以往采用聚合物封装光纤光栅区分测量方案所忽略的问题： 聚合物弹性模量一温度特性所存在的函数关系，并在此基础上，对以往所使用公式进行了 修正；根据实验结果确定应用于高温高压测量的光纤光栅用聚合物封装材料。 提出一种简单实用的采用聚合物封装双光纤b r a g g 实现对温度及压力同时区分测量方 案，详细分析了以往区分测量方案所忽略的另一个重要问题一温度与压力灵敏度的匹配优 化，通过使用某种特殊聚合物材料解决这问题；针对双参量测量的不同特性，提出新的 定标方案；最后通过实验，在0 m p a - 1 6 m p a 和2 0 。c 1 4 0 c 范围内对光纤光栅传感器区分测 量性能进行测试，对测量结果进行了深入分析，证明其可行性，最后分析所采用方案所存 在的问题以及进一步改进方案。 关键词：光纤传感，光纤光栅传感器，聚合物封装，增敏技术，温度压力区分测量 论文类型；应用基础型 本文得到国家高科技8 6 3 计划( 2 0 0 2 a a 3 1 3 1 5 0 ) 、国家自然科学基金( 6 9 8 7 7 0 2 5 ) 、国家教育部 科学技术重点项目( 0 2 1 9 0 ) 、陕西省科技攻关项目( 2 0 0 3 k 0 5 一g 2 3 ) 、陕西省教育厅项目 ( 0 2 j k l 5 8 ) 、西安市工业科技攻关计划项n ( 0 0 2 0 0 1 2 6 ) 研究资金的资助 a b s t r a c t 1 1 1 i st h e s i sf o c u s e so nt h eb a s i ct h e o r e t i c a la n dt e c h n i c a lr e s e a r c h e so nt h eo p t i c a lf i b e r g r a t i n gs e n s o r s ，i n c l u d i n gt 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 s ，t h ei n c r e a s i n go f t e m p e r a t u r e a n dp r e s s u r es e n s i t i v i t yo f o p t i c a lf i b e rg r a t i n g s ，t h et e m p e r a t u r ea n dm e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i c ： t h es e n s i n g p r i n e i p l e o fo p t i cf i b e r g r a t i n g s e n s o rw i t hp o l y m e rp a c k a g e ，t h e c o a t i n g a n d s o l i d i f y i n gt e c h n o l o g y o fp o l y m e r a s i m p l e a n d p r a c t i c a l m e t h o df o rt h es i m u l t a n e o u s m e a s u r e m e n to ft e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ea i ma tt h em e a s u r e m e n tt h eh i g ht e m p e r a t u r ea n d p r e s s u r ea to i la n dg a sb o t t o ml i n ei sp r o p o s e d ，i t sf e a s i b i l i t yi sp r o v e dt h r o u g hag r e a td e a lo f e x p e r i m e n t s f i r s t l y 血er e c e n td 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 gs e l i s o r sa r er e v i e w e d n ek e yp r o b l e m s c o n c e r n i n go p t i c a l f i b e r g m t m gs e n s i n gt e c h n o l o g y a r c a n a l y z e d 1 1 l e f a b r i c a t i o n 、t e m p e r a t u r ea n dp m s s i 】r es e n s i n gm e c h a n i s m so ff i b e rb r a g gg r a t i n g sa r es t u d i e d s y s t e m a t i c a l l y o n t h i sb a s i s ，t h ep r o b l e mo f c r o s s s e n s i t i v i t yb e t w e e nt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e a r es t u d i e d 1 1 l ep r a c t i c a b i l i t yo fc u r r e n ts c h e m e sf o rt h es i m u l t a n e o u sm e a s u r e m e n to f p r e s s u r e a n dt e m p e r a t u r ea r ed i s c u s s e d c o n s i d e r i n gt h ed i s a d v a n t a g eo fo t h e rs e h e m e s t h em e t h o do f d i s c r i m i n a t i n g m e a s u r e m e n tb y u s i n gp o l y m e rp a c k a g e i s p r o p o s e d ；t h e t h e r m a la n dt h e m e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i co fp o l y m e ra 豫s t u d i e ds y s t e m a t i e a l l y , a n dp r e s e n tt h er e q u i r e m e n tt h e p o l y m e rs h o u i dm e e tf o rt h ep a c k a g eo fo p t i cf i b e rg r a t i n g s e v e r a lk i n d so fr e p r e s e n t a t i v e p o l y m e r f o ro p t i cf i b e rg r a t i n gu s ea r el i s t e d n 忙c h a r a c t e r i s t i e st h a tw i l la f f e c tt h e t e m p e r a t u r e a n dp r e s s u r er e s p o n s eo fo p t i cf i b e rg r a t i n ga r e rp a c k a g ea r es t u d i e d ek i n do f t y p i c a l p o l y m e ra l ec h o s ef o rt h ep a c k a g eo fo p t i cf i b e rg r a t i n g t h ec o a t i n gt e e h n o l o g i e so ft h e s e p o l y m e r sa r es t u d i e dt h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l y a n dt h ec o a t i n gt e c h n i c si si m p r o v e dt o o v e r c o m ep r o b l e m sg e n e r a t e di nt h ec o a t i n gp r o c e s s 1 1 圮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 g m e c h a n i s m so ff i b e rb r a g g g r a t i n g sw i t hp o l y m e rp a c k a g ea r es t u d i e d e x p e r i m e n t sc o n c e r n i n g o p t i e a l f i b e r g r a t i n g sw i t h d i f f e r e n tp o l y m e rp a c k a g ea r ec a r r i e do nt ot e s tt h e r e s p o n s i v e c b a r a c t e r i s t i c so f s i n g l ep a r a m e t e r o f p r e s s u r e 、t e m p e r a t u r e w i t h i n t h er a n g eo f 2 0 】8 0 、 乱4 0 m p aa n d o - 一o 2 m p a r e s p e c t i v e l y an e w p r o b l e mc o n c e r n i n g t h e s i m u l t a n e o u s l y m e a s u r e m e n to f p r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r eb yu s i n gp o l y m e rp a c k a g e do p t i c a lf i b e rg r a t i n gt h a t h a sb e e n n e g l e c t e db yo t h e r s c h e m e si sp r e s e n t e da n da n a l y z e d ：t h er e l a t i o nb e t w e e nt e m p e r a t u r e a n dt h ey o u n gm o d u l u so f p o l y m e r o nt h i sb a s i s ，o r i g i n a lf o r m u l ai sa d j u s t e d a s i m p l ea n dp r a c t i c a ls c h e m ei s a l s op r o p o s e df o rt h es i m u l t a n e o u sm e a s u r e m e n to f p r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r e a n o t h e rp r o b l e mn e g l e c t e di no t h e r t h em a t c h b e t w e e n p r e s s u r ea n d t e m p e r a t u r es e n s i t i v i t yi sp o i n t e do u ta n da n a l y z e d a n das p o c i a lp o l y m e r i su s e dt os o l v et h i s p r o b l e m g r e a td e a l so f e x p e r i m e n t s a r ec a r r i e do nt op r o v et h ep r a c t i c a b i l i t yo f 也i ss c h e m e n e r e s u l t sa r ea n a l y z e dt h a ts h o wt h a tt h i sk i n do f o p t i c a lf i b e rg r a t i n gs e n s o rc a nb eu s e df o rt h e s i m u l t a n e o u s m e a s m e m e n t o f t e m p e r a t u r e w i t h i n t h er a n g eo f 0 m p a - 1 6 m p a a n d 2 0 + 1 4 0 k e yw o r d ：o p t i c a lf i b e rs e n s i n g ，o p t i c a lf i b e rg r a t i n gs e n s o r , p o i y m e tp a c k a g e ，e n h a n c e d s e n s i t i v i t y , s i m u l t a n e o u sm e a s u r e m e n t o f t e m p e r a t u r e a n d p r e s s u r e t h e s i s ：f u n d a m e n t s t u d y t h i sp 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 t p r o j e c t s ( p r o j e c t8 6 3 ) 【2 0 0 2 a a 3 1 3 1 5 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 e t ( 6 9 8 7 7 0 2 5 ) 、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 l m i n i s t r y o f e d u c a t i o n ( 0 2 1 9 0 ) 、s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y r e s e a r c h p r o j e c t o fs h a a n x i p r o v i n c e r 2 0 0 3 k 0 5 g 2 3 ) 、p r o j e c to f e d u c a t i o no f f i c eo f s h a a n x ip r o v i n c e 、i n d u s t r i a ls o l e n e e a n d t e c h n o l o g yr e s e a r c h p r o j e c t o f x i a n c i t y ( g g 2 0 0 1 2 6 ) 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：翻妥： 日期：2 卿反凡 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 f t l i ：芝啦丞冬 日期：坦鲤! 笸a 易 鲈 第一章绪论 第一章绪论 1 1 光纤光栅传感器的产生与发展 人类从早期开始就已开始将光作为信息的载体加以运用，古时候的中国就 建造烽火台，用光传递敌人入侵的信息。而利用光导纤维( 即光纤) 作为光的 传输介质发展只有几十年的历史。它的发展是以1 9 6 0 年美国人m a i m a n 发明 的红宝石激光器和1 9 6 6 年英籍华人高锟博士提出的利用s i 0 2 石英玻璃可制成 低损耗光纤的设想为基础的。这种设想直到1 9 7 0 年美国康宁公司研制出损耗 为2 0 d b k m 的光纤，才使光纤进行远距离传输成为现实。那时对光纤的研究 主要是将其作为信号传输媒质。在对光纤研究中发现，光在光纤中传输时，光 纤的某些参数( 如折射率、偏振态) 会随外界物理参量( 温度、应力、压强等) 的改变而变化，从而引起光的某些性质( 强度、波长、相位等) 发生变化。所 以，人们想到利用光纤的这些特性实现对外界物理参量的传感测量。这就是传 统的光纤传感技术的起源。它是本世纪8 0 年代发展起来的，主要是利用光纤 作为载光媒介和调制光的调制器，对被测物理量进行检测。传统的光纤传感器 大部分都属于“光强型”和“干涉型”，前者是通过测量外界物理因素引起的 光强变化来读取信息，因此光源起伏、光纤的弯曲损耗、连接损耗和探测器老 化均会影响测量精度；而后者是通过观察干涉条纹变化来读取信息的，这就要 求干涉条纹清晰，即两路光的光强相等，使光纤光路的灵活性和连接方便的优 点大打折扣，此外，此类传感器属于过程传感器，而不是状态传感器，因此必 须有一个固定参考点，这就给光纤传感器的推广应用带来了不便【l l 。所以，人 们开始寻找新型的光纤传感器。 光纤光栅作为优良的传感及通信器件起源于1 9 7 8 年。当时加拿大通信研 究中心的k o k i l l 等人首次观察到掺锗光纤的光敏性并采用驻波干涉法制成 世界上第一根光纤光栅1 2 1 。但由于这种方法写入效率低且光栅的周期完全取决 于入射光的波长，因此并未引起广泛的重视。直到1 9 8 9 年美国东哈特福德联 合技术研究中心的g m e l t z 用2 4 4 n m 的紫外光双光束全息曝光法成功制成光纤 光栅口1 ，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 曲安彳i 油人学硕士学位论文 高潮。此后不久又出现了更有效的相位掩模复制法【4 】以及准分子激光单脉冲在 线写入法1 5 1 等。光纤光栅制作方法的成熟极大推动了光纤光栅应用技术的研 究，使得光纤光栅成为最有发展前景、最具有代表性的光无源器件之一。 最初人们主要研究将光纤光栅应用在光纤通信方面，它可用于激光谐振 腔、波分复用和解复用器、色散补偿器、光滤波器、光放大器和光隔离器等。 当1 9 8 9 年m o r e y 首次报道可将光纤光栅用作传感后，马上引起全世界的广泛 关注，各国政府投入了巨大的人力和物力进行这方面的研究。通过研究人们发 现，作为传感元器件，光纤光栅除了具有普通光纤传感器体积小、灵敏度高、 带宽大、抗电磁干扰能力强、耐高温及腐蚀等优点外，而且易集成，本征自相 干性好，能够实现分布式传感器阵列，还可以直接利用光纤通信中的波分复用 以及网络技术，把单根光纤光栅传感器连接起来，构成各种形式的光纤传感网 络【6 】，就能够对大结构物体内部多个目标进行同时监测。这是光纤光栅传感器 主要优点之一。此外，光纤光栅传感器还可以实现多物理参量( 如温度、应力、 压强、流量等) 的同时区分测量，克服了传统传感器成本高，测量精度低以及 多个参量间相互串扰的缺点。 1 2光纤光栅传感器的研究与应用现状 因为光纤光栅传感器有着普通传感器无法比拟的优点，它可以应用于许多 复杂恶劣的油田环境中。例如，永久连续的井下传感有利于油田的管理、优化 和发展，目前只有少数的油井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井下传 感【7 1 ，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【8 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( 9 】。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 【1 0 1 。美国的c i d r a 和英国的s m a r t f 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【1 。此外，石油碳氢化合物是一种有害物质，输 两安“油大学硕士学位论文 油气管线和储油罐的泄漏是非常危险的，如果不能及时探测、定位和修复，不 但会造成巨大的经济损失，而且可能造成严重的环境污染甚至是灾难性的后 果。因此开发监测输油气管线和储油罐的传感系统是非常重要的。最近，s p i r i n 等人用一种聚合物材料封装光纤光栅( 这种聚合物遇到碳氢化合物就会膨胀) ， 然后将这种光纤光栅放置在待测点，当发生碳氢化合物泄露时，光纤光栅就会 通过聚合物感应到，就可以知道石油光纤光栅处的石油泄漏情况【l 引。同时，美 国的m c d e r m o t tt e c h n o l o g yi n c 也正在开发应用于高压管道应变和弯曲监测 的光纤光栅传感器【13 1 。2 0 0 2 年8 月，n o r s kh y d r oa s a 公司完成了业内第一口 多光纤传感器智能井。光纤测量系统安装在北海挪威海域o s e b e r g s t ( 东) e 一1 1 c 井，包括在井内安装多光纤压力计温度计、分布式温度传感( d t s ) 光纤及 地面操纵智能完井流量控制装置。所有光纤传感器都由w e a t h e r f o r d 公司生产。 自设备安装以来，井下传感器阵列已经为日常油田生产管理提供测量数据，作 业者能在整个油田生产寿命期间进行战略性油藏管理。e 1 1 c 井的井下压力计 腽度计提供两个产层的连续监测数据；d t s 传感光纤提供整个井眼的温度数 据；一根直径1 4 i n 的光缆把测量数据传输到地面【1 4 1 。 此外，人们还正在研究将光纤光栅应用于民用建筑( 桥梁、公路、大坝、 隧道、高层建筑等基础结构的状态，力学参数的测量) 、航空航天业( 飞行器 的压力、温度、振动、燃料液位、起落架状态、机翼和方向舵的位置等) 、船 舶航运业( 船体结构的动、静态负荷及弯曲力矩) 、电力工业( 高压开关的在 线监测、高压变压器绕组、发电机定子等地方的温度和位移等参数的实时测 量) 、核工业( 设备、管道、核废料的监测) 医学( 通过最小限度的侵害方式 对人体组织功能进行内部测量，提供有关温度、压力和声波场的精确局部信息) 等广泛的测量领域i l 引。 1 3 光纤光栅传感器发展前景及现存难点 由于光纤光栅具有一系列普通传感器无法比拟的优点，所以能够满足复杂 环境下的对大型物体长期温度和应力检测的需要。光纤光栅在低于6 0 0 。c 的温 度下，其寿命可达几十年，因此，一旦将光纤光栅埋伏进物体内部，便可进行 阿安t i 油人学硕士学位论文 永久性监测，这正是光纤光栅传感器本身所特有的优越性。 但就目前来说，困扰光纤光栅传感器实用化主要有以下几个关键性技术难 题：温度和应力的相互串扰、裸光纤光栅响应灵敏度低、信号解调系统成本高、 传感器封装及埋覆工艺复杂等。 温度和压力的变化均会引起光纤光栅反射峰中心波长漂移，通过测量光栅 波长便可以得到外界物理参量变化。因此光纤光栅既可以用来探测温度变化， 又可用于测量压力。这是光纤光栅的一个优点。但是在某些环境中，若温度和 压力均为动态变化的，这一优点将成为困扰光纤光栅应用的一个主要难题，严 重影响光纤光栅的作为传感器的使用。在诸如油气井下等大多数测量环境中， 温度和压力同时存在，在这种情况下，光纤光栅不能直接作为传感器进行测量。 针对光纤光栅传感器温度和压力相互串扰问题，可以通过适当方案，使之 能够实现传感器对温度以及压力的同时区分测量。许多种方案被提出用于光纤 光栅对温度和压力( 或应变) 的同时测量：采用不同聚合物封装单个光栅1 1 6 ，1 7 】、 重叠写入双周期光纤光栅1 8 l 、不同直径的光纤b r a g g 光栅1 9 】、长短周期光栅 组合测量【2 0 1 以及其它一些方案。目前一些公司已有光纤光栅传感器产品问世， 主要采用简单的温度补偿方法来克服温度与压力相互串扰的问题。然而，很多 方案只是理论上可行，而在实际中较难实现。 此外，一般方案均不能进行高温高压的区分测量。对于大多数采用聚合物 封装方案来说，在高温高压的影响下，材料的性能发生较大的变化，此时常规 的聚合物封装光纤光栅温度与压力响应公式已经不再适用。 温度、压力或应变、流量是许多工程测量中的主要监测对象。针对油田应 用来说，油气井下主要参量包括温度、压力、湿度、以及流量等四个重要参量， 其决定着井下油气的分布状况，以及输油气管线健康状态；目前我国很多油田 含有大量稠油，对于此类油质必须采用高压注气，将水蒸气压入油气井下进行 开采，一般的高压注气井下温度约为1 8 0 c ，压力在1 6 m p a 左右，有些井下 温度甚至达到3 0 0 c 。因此，对油气井下温度和压力的实时动态监测显得犹为 关键。 目前国内大多数油气田主要采用常规方法对油气井下温度以及压力等参 西安彳i 油大学硕士学位论文 量进行测量，一般是通过使用热电偶等基本测量工具进行。由于此类常规工具 无法对井下状况进行长期实时监测，只能定期测量，一般为一月对油气井下进 行检测一次，使用极为不便，而且成本较高。近年来国外有报道采用光纤光栅 监测油气井下的温度以及压力变化情况，但仅处于实验阶段。而国内尚无将光 纤光栅用于井下温度以及压力同时测量。 据统计，我国每年由于油气管线破裂造成的直接经济损失就达上千万元， 而此时正值“西气东输”工程建设之际，对上千公里的油气管线进行实时监测 是必不可少的，普通的传感器很难完成如此庞大结构的监测任务，且其费用昂 贵。而温度以及压力( 应变、流量) 是油气井下或其它工程监测需获得的基本 参量。因此，研究新型传感器，使其能完成对长距离管线健康状态实时的永久 监测势在必行。 采用光纤光栅传感器能够利用较为成熟的网络技术，形成网络式分布光纤 光栅传感器，实现对温度以及压力的实施动态监测，能够极大降低油田井测量 成本，提高测量精度。 在国家8 6 3 计划以及自然科学基金等多项省部级项目资助下，我们实验室 对光纤光栅的温度和应力响应机制和传感原理以及将其用于油气井下、输油气 管线等工程环境中的温度以及压力测量进行了大量深入细致的理论及实验研 究，目前已取得了阶段性成果。 1 4 课题背景及本文主要工作 迄今为止，尚无有关将光纤光栅用于油气井下大范围温度压力传感检测的 报道。油气井下等高温高压检测环境对光纤光栅传感器性能提出了较高要求， 包括传感器封装埋覆，传感器温度与压力响应灵敏度、测量范围与精度、传感 器的重复性与长期稳定性等。此外，由于光纤光栅需要同时测量双参量，所以 无法对待测量进行精确定标。如果只是对单参量温度或压力测量，可利用传统 定标方法，通过反复测量确定传感器响应规律，做出定标函数以及定标曲线， 但对于双参量区分测量来说，由于有两个待测量，所以无法进行逐点定标，必 须用新方法来确定光纤光栅的温度与压力同时作用下的定标函数与曲线。 堕堑至! 塑奎堂堡堂生堡塞 f h 于光纤光栅本身易损坏，必须加以封装保护。很多文献提出使用聚合物 封装方法，这样除了能够保护光纤光栅外，还可提高传感器温度或压力响应灵 敏度，实现对温度和压力同时区分测量等。但是在采用聚合物封装方案实现大 范围温度压力同时测量之前，必须对聚合物材料性质，以及聚合物封装后光纤 光栅的温度与压力响应特性进行详细的分析研究，以确定聚合物封装光纤光栅 的温度与压力响应规律。封装工艺是决定光纤光栅传感器特性的关键，封装工 艺好坏直接影响光纤光栅传感器的重复性与稳定性。 有国内外有很多文献提出采用聚合物封装光纤光栅进行温度与压力的测 量。但目前仍无有关聚合物材料温度与力学特性、封装工艺、温度压力大动态 范围变化下聚合物封装光纤光栅特性、以及温度压力区分测量定标方案、测量 方案等方面的进一步研究报道。 针对高温、高压等恶劣环境，在研究以往双参量区分测量方案基础上，本 文提出采用特殊聚合物封装方法来实现区分测量。 通过对聚合物材料温度以及力学特性的深入研究，总结出几类适合光纤光 栅封装用的聚合物材料。对光纤光栅封装工艺进行了深入研究，在多次封装实 验基础上，通过改进封装工艺，克服了封装固化过程中由于聚合物收缩造成的 光纤光栅啁啾化问题，改善了光纤光栅传感器的温度以及压力稳定性。理论研 究了聚合物封装后光纤光栅温度与压力响应以及在高、低温条件下响应特性的 变化，通过分析实验结果找出高温高压对封装光纤光栅温度和压力响应特性的 影响，首次发现以往文献中所并未报道的实验结果：聚合物封装光纤光栅温度 一压力响应灵敏度之间的函数关系，修正了以往文献所采用的聚合物封装光纤 光栅温度、压力响应公式。在此基础上，提出一种简单实用的聚合物封装双光 纤光栅温度压力传感器结构，通过采用特殊聚合物将光纤光栅封装于双筒套管 中，针对所采用方案，提出光纤光栅双参量传感器定标方案。在高低温段对光 纤光栅进行多次温度定标实验，在不同温度下标定双光纤光栅灵敏度矩阵中的 矩阵元系数。在较大范围进行光纤光栅对温度和压力的同时区分测量实验。最 后通过对实验数据计算分析，证明此方案能够初步实现对温度和压力同时区分 瓶安石油大学硕十学位论文 测量。 本论文的主要内容如下： 本文主要进行光纤光栅温度与压力传感器的研究与设计工作，分为六个部 分，分别以七个章节来描述： 第一章绪论，主要综述了光纤光栅传感技术的产生背景、发展现状、应用 前景及其现存问题。 第二章系统论述了光纤光栅形成机理、理论模型，温度、压力传感原理， 以及交叉敏感问题，对现有双参量区分测量方案可行性进行分析讨论，提出传 感器设计过程中需要注意的问题以及设计思路。 第三章深入研究了聚合物封装材料的温度与力学特性，并在此基础上详细 分析了聚合物封装以后光纤光栅温度和压力响应特性，提出几类典型可用于光 纤光栅封装的聚合物材料。对几种聚合物的封装工艺进行深入的理论以及实验 研究，通过适当方法解决了在封装过程中出现的光纤光栅反射波啁啾化和封装 后光纤光栅性能不稳定等问题。 第四章利用广义胡克定理推导出聚合物封装光纤光栅的压力和温度响应 公式，从理论上验证使用聚合物封装光纤光栅用于温度以及压力测量的可行 性。对几种典型的聚合物封装光纤光栅分别进行了在2 0 c 1 8 0 。c 、o m p a - 4 0 m p a 、0m p a 2 5m p a 以及o m p a - o 2 m p a 范围内单参量的测量。根据实验 结果，分析了不同聚合物封装对光纤光栅温度以及压力响应特性产生的影响， 确定不同聚合物封装后光纤光栅传感器的适用范围。通过对多种聚合物性能分 析、聚合物封装后光纤光栅温度与压力响应特性，最终确定用于高温以及高压 区分测量的封装聚合物类型。 第五章深入研究了聚合物封装工艺以及大范围温度压力同时变化情况下 封装光纤光栅响应特性，实验结果表明，聚合物封装后温度与光纤光栅的压力 响应灵敏度之间存在一定的函数关系。根据这一特性，建立了新的聚合物封装 光纤光栅对温度压力区分测量传感模型，提出了光纤光栅温度压力同时测量的 定标方案，通过大量实验找出聚合物封装光纤光栅的温度与压力响应趋势，修 西安石油大学硕士学位论文 正了以往使用的采用聚合物同时区分测量的计算公式。对光纤光栅传感器进行 多次定标实验，确定双光纤光栅灵敏度矩阵中的系数。在此基础上，利用聚合 物封装双光纤光栅进行了2 06 c 1 4 0 c 和o 1 6 m p a 范围内的温度以及压力同时 区分测量实验，并利用定标实验所得数据计算出实验结果，与实际温度和压力 值进行对比，证明此类方案能够用于较大范围内温度以及压力同时区分测量。 第六章根据多次实验结果讨论了方案仍需改进的地方，指出下一步发展方 向等。 第七章对本论文研究工作进行了总结。 第二章光纤光栅理论模弛以及传感机理分析 第二章光纤光栅理论模型以及传感机理分析 研究光在光纤b r a g g 光栅中的传输规律，对正确理解光纤b r a g g 光栅的传 光机理与性质，从而合理使用光纤b r a g g 光栅进行温度与压力的传感测量非常 关键。本文简要分析了光纤光栅的折射率分布方程及其耦合波方程。在此基础 上，分析了光纤光栅温度和压力传感原理，对现有使用光纤光栅传感器进行温 度和压力( 或应变) 区分测量方案可行性进行讨论，提出光纤光栅双参量传感 器设计所应注意问题以及设计准则。 2 1 光纤b r a g g 光栅的理论模型 光纤光栅的理论模型包括光纤光栅折射率分布以及耦合波方程，在利用光 纤光栅进行传感测量前，必须要对光纤光栅形成以及传光机理有所了解。本节 简要分析描述了光纤光栅的折射率分布和耦合模原理两方面内容，研究了在光 纤光栅中光波的传输规律 2 1 1 光纤光栅折射率分布特性分析 光纤光栅是利用掺杂光纤的光敏性，通过某种工艺，使外界入射光子和纤 芯内的掺杂粒子相互作用，通过改变光纤纤芯折射率，使其沿光纤轴向产生周 期性的( 或非周期性) 永久性变化，在纤芯内形成空间位相光栅。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。光纤光栅形成的物理机制可以简 单描述为：在晶体介质中由于光场的相干作用产生了电荷及其分离，而分离的 电荷又产生空间电荷场( 扩散场、漂移场、光伏场) 。由于空间电荷场的作用， 引起材料折射率的变化，形成了光纤光栅。到目前为止，光纤光栅行之有效的 写入方法大体可归纳为两类：干涉写入法和逐点写入法。干涉写入法是指利用 入射紫外光源，通过不同的途径产生干涉场，相交于光敏光纤上，形成明暗相 间干涉条纹。光纤经过一段时间照射，在纤芯内部引起和干涉条纹同样分布的 折射率永久变化，从而在光纤上写入体光栅；而逐点写入法是指利用聚焦激光 暇安石油火学硕十学位论文 束在光纤上逐点曝光形成光栅的方法，它一般采用光纤固定光斑逐点运动或光 斑固定光纤逐点运动，将高能量的激光束打在光纤上，对纤芯内部折射率造成 永久破坏，在光纤内形成光栅。其中每一类写入法又都包含许多种具体的实现 方法【2 4 ，2 5 1 。例如：干涉写入法包括全息写入法、晶体分波面干涉法、相位光栅 衍射相干法、振幅光栅衍射相干法等；逐点写入法又可分为基波写入法和谐波 写入法两类。虽然方法多样，但在实际应用中都试图互补长短，最终目的都是 要在光纤纤芯上写入清晰的变折射率条纹，制出反射率高、反射峰值曲线光滑 的高质量光纤光栅。 光纤b r a g g 光栅( f b 回的原理是由于光纤芯区折射率周期变化造成光线波 导条件的改变，造成一定波长的光波发生相应的模式耦合，使得其透射率光谱 和反射光谱对该波长出现奇异性，对于整个光纤曝光区域，可以由下列表达式 给出折射率分布较为一般的描述【2 4 】： h 十f ( ，仍2 ) 1 h ( r ，舭) ： 疗： 【鸭j h 兰q 口1 j r l 蔓口2( 2 - 1 ) h d 2 式中f p ，妒，z ) 为光致折射率变化函数，具有如下特性： f ( ，妒，。) ：型也! 阶仍z 】= 等 ( o z l ) ( 2 4 ) 式中，a ，为光纤纤芯半径，a 2 为光纤包层半径；n 1 为相应的纤芯初始折射率； n ：为包层折射率；n ( r ，p ，z ) 为光致折射率变化；n 。为折射率最大变化量。 由于制作光栅时需要剥去包层，所以一般指空气折射率。 当考虑到光纤光栅的菲均匀性时，可分别通过采用对光纤光栅传播常数， 相关的渐变函数，以及代表折射率调制来描述。基于这些考虑，可采用下列一 般函数描述光致折射率变化： 两安石油入学硕十学位论文 附船z ) = 垒导聃职z ) 妻a q c o s ( k g m + q g ( 别( 2 5 ) 式中r ( ，妒，z ) 表示由于纤芯对紫外光吸收作用而造成光纤横向界面曝光不均 匀性，或其他因素造成光纤轴向折射率调制不均匀性，并有i f ( r ，妒，z ) 。= 1 l ， k f 2 州人为光栅的传播常数，人为光栅的传播周期；n l 为非正弦分布时进行傅 立叶展开的谐波阶数，为展开系数；( p ( z ) 为表示周期非均匀性的渐变函数。 结合上式，可以得到光栅的实际折射率分布为 m ，舭) ：即舰z ) = 川+ 譬f o ( 唧窆q q c o s 阢m + 北) ) 司 ( 2 6 ) 尽管在实际制作中很难保证折射率变化严格遵循周期变化，但一般情况下可近 似将光纤光栅折射率变化作为均匀分布处理。在这种情况下，式2 1 6 变为【2 q 时m ，地一s l 扭az ( 2 - 7 ) 2 1 2 光纤光栅耦合模理论分析 2 7 - 3 4 i 研究光波在光纤光栅中传输规律有许多种方法，包括耦合模式法，包络函 数法，多层介质薄膜法，光程法等。其中作为光波导的理论工具，耦合模理论 因其直观性和可明确描述模场特性而得到广泛应用。本节描述了光纤光栅耦合 模方程，并简单分析了b r a g g 光栅中光波的传输规律。 光在单模光纤中的理想振幅模式耦合方程组为： 等= z k ：a ：e x p i ( p 一以) z 】+ k 翥厶c x p 【f ( 成+ 风) = 】 ( 2 8 ) 等= k ：以e x p - i ( p 。+ 尻) z 卜k = 唧【- j ( 成一成) z 】 ( 2 9 ) 在分析求解方程之前，可采用以下三个近似： 1 )弱传导近似。光纤中纤芯和包层的折射率非常接近，故可以采用弱传导 近似，使得在分析中可以采用线偏振模的方法。 2 ) 无吸收损耗。通常b r a g g 光栅的耦合长度仅为数毫米至数厘米，故可以 两安i i 油人学硕十学位论文 忽略材料的吸收损耗。 3 )传导模与辐射模的耦合不显著。这样我们在处理耦合模方程时可仅考虑 传导模。 在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，因此在求解 耦合波方程组时只需考虑沿相反方向传播模式之间的耦合，于是耦合波方 程可简化为 掣：站巧e x p ( i 2 l z )( 2 1 0 ) 筚：x - i a + e x p ( _ i 2 夙z )( 2 11 ) 式中和4 。分别表示沿正z 方向和负z 方向传播模的振幅系数。 由于我们考虑的是弱导引的光纤光栅，其中的光波场几乎是完全线偏振 的横向场，因此在计算耦合系数时可忽略纵场分量的贡献。于是 足瓦= 斋e e ( 2 - - d 或我螂 ：竺巡c。s(珊竿力ee瓦重axay(2-12)4ip 、 人 j _ 上面“ = 孚【e ) ( 脚和+ e x p ( 珈等瑚 式中q 称为横向耦合系数 q ：型 ” 。瓦威蛐 ( 2 1 3 ) 8 p j * 上* 哪 删 。、 同理可得 1 c - ；= 孚【e ) 【舭和+ e x p ( 一拥和】( 2 - 1 4 ) 将上式分别代入耦合模方程中，得 筚=孚群exp陴+m争=】+cx硝(2户一所和(2-15)azl i n 、 j 誓= 孚颤舾_ i ( 2 卢+ m 争z 】+ e x p - i ( 2 卢一m 和 ( 2 - 1 6 ) 州安打油人学硕士学位论文 忽略右侧高次项谐波，则方程( 2 1 1 5 ) 与( 2 i - 1 6 ) 可简化为 警= 弘唧 f ( ：一m 各】( 2 - 1 7 ) 誓= q - - ，7 a 沁p f ( 2 一m 务】 ( 2 - 1 8 ) 以z ，、 由上式可以看出，模式耦合存在的必要条件是 j e x