光纤布拉格光栅压力传感特性实验研究

光纤布拉格光栅压力传感特性实验研究陈旭峰(大钻探工程公司地球物理勘探一公司物探公司研究所黑龙江大庆163357)摘要：压力参数测量是油藏动态监测一个重要指标。设计一种悬臂梁结构，在室温下对光纤Bragg光栅压力传感特性进行研究。实验结果表明，粘贴在三角形弹簧钢片上的光纤光栅中心波长和微位移调节器的位移量之间呈非常好的线性关系,4次实验测量数据拟合的R2最小值为0.9985；4次测量的重复性较好,拟合的灵敏度相差很小。调谐系统的灵敏度与悬臂梁长度、厚度以及光纤光栅的粘贴位置有关。增大梁的厚度,减小梁的长度,使光纤光栅尽可能接近悬臂梁固定端,均可以有效地提高系统的灵敏度。关键词：光纤布拉格光栅压力传感特性实验研究中图分类号:TN253文献标识码：A文章编号：1007-9416（2011）05-0173-021、前言光纤布拉格光栅作为一种新型的传感器件，在压力（应变）参数监测方面具有其他传感器件无法比拟的优点。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[1-7]。目前用于动态监测的生产测井技术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；每次测量时生产井必须停产；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Bragg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、在一跟光纤上就可实现实时、在线、分布式测量等优点,非常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）,能够为油田的动态监测提供一种有效的技术手段。本文设计一种悬臂梁结构，对光纤布拉格光栅压力（应变）传感特性进行研究。ΔλBB=kεf显然,从上式中可以看出,光纤光栅波长移动量与悬臂梁自由端位移f成线性关系,通过测量悬臂梁自由端位移的大小,即可得到光栅波长移动量ΔλB,如果将悬臂梁自由端与待测物相连,可通过测量Bragg波长移动量来确定待测物位移的大小,从而达到对光栅进行调谐的目的。3、实验原理实验设备包括：宽带光源、裸光栅、光纤Bragg光栅解调仪、耦合器、三角形悬臂梁、微位移调节器、快干胶、改性丙烯酸树脂等。实验原理：应变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中心波长发生变化。通过检测光纤光栅的反射谱或透射谱中心波长的变化,就可以获得相应的压力、应变信息,反过来,若知道了压力、应变信息,就可以测出光纤光栅反射谱和透射谱中心波长的变化,图2为实验测量原理示意图。2、实验方法采用悬臂梁与光纤光栅相结合的方法来进行应变传感特性测试（图1）。图1悬臂梁结构图它是一端固定,另一端自由的梁结构,设梁的厚度为h,长度为L,则当梁的自由端发生位移f（可由微位移调节器来控制读数）时,粘贴在悬臂上的光栅将发生拉应变或压应变,根据材料力学的原理,可以推导出光纤Bragg光栅波长移动量与梁的自由端位移f的关系[8-11]图2应力（变）传感特性测量原理图本实验所用等腰三角形悬臂梁的底边为168.0mm,高为138.0mm,材质为弹簧钢,裸光栅的中心波长为1554.4367nm,所用光谱分析仪为自行组建,精度为±3Pm。裸光栅粘在三角形悬臂梁中垂线靠近悬臂梁根部的地方（图2）,目的防止在应变过程中光栅产生啁啾现象。4、实验结果及分析式中Ρe为有效弹光系数,x0为考察点。3令Kω=3(1−Ρe)(L−x0)h/2L上式可变为：实验温度为室温,从微位移调节器的24mm刻度处开始,每下降1mm测量三次,然后取平均值作为测量值,目的是减少实验误差,直至13mm。不改变实验环境,调节微位移调节器,从13mm开始测量,每升高1mm测量三次,直至24mm。采用同样的实验方法进行第二次测量,图3、图4和图5为实测数据拟合图。173与悬臂梁之间是非刚性连接的,悬臂梁弹簧钢片自由端位移引起的应变并不能完全作用于光纤光栅上等。由式(1)可以看出,调谐系统的灵敏度与悬臂梁长度L、厚度h以及光纤光栅的粘贴位置x0有关。增大梁的厚度h,减小梁的长度L,使光纤光栅尽可能接近悬臂梁固定端,均可以有效地提高系统的灵敏度。5、结语本系统将光纤光栅与三角形悬臂梁结构相结合,实现了光纤光栅的位移（压力）调节。系统结构简单、动态范围较大、线性好、抗电磁干扰,并可实现再线监测。通过改进悬臂梁结构,还可以进一步提高系统的响应特性。参考文献图3第一次中心波长和位移量的关系比较[1]陆大卫,王春利.剩余油饱和度测井评价新技术,北京:石油工业出版社,2003.[2]郭海敏.生产测井导论,北京:石油工业出版社,2003.[3]ErikssonK,BaggsK,TheobaldM.Fiberopticdownholesensorforsubseawells:RemainingProblems[J].OTCpaper14198,2002.图4第二次中心波长和位移量的关系比较图••••••上接第140页图5多次测量的中心波长和位移量关系比较由图3、图4可以看出粘贴在三角形弹簧钢片上的光纤光栅中心波长和微位移调节器的位移量之间呈非常好的线性关系,4次实验测量数据拟合的R2最小值为0.9985；4次测量的重复性较好,拟合的灵敏度相差很小。由图3和图5可以看出，第一次测量上升阶段在22cm以后重复性不好，尤其在22cm处，误差较大,分析认为造成误差的原因主要是由于人为读数原因或者三角形弹簧刚片受力发生形变,当施加压力撤除后,弹性元件会表现出残余变形、弹性滞后、和弹性后效等现象。当然还有其他的一些因素会对实验造成误差,比如光线光栅的粘贴质量问题造成的误差,由于光纤光栅的粘贴不理想,光纤光栅[18]CHENA,KUMARS,LAITH.Designinglocalizedalgorithmsforbarriercoverage[C]//Proceedingsofthe13thAnnualInternationalConferenceonMobileComputingandNetworking(MobiCom‘07),Sep9-14,2007,Montréal,Canada.NewYork,NY,USA:ACM,2007:63-74.[19]LIXY.Algorithmic,geometricandgraphsissuesinwirelessnetworks[J].WirelessCommunicationsandMobileComputing,2003,3(2):119-140.[20]WANGX,XINGG,ZHANGY,etal.Integratedcoverageandconnectivityconfigurationinwirelesssensornetworks[C]//Proceedingsofthe1stInternationa