应用于高温高压测量的非本征型光纤法布里-珀罗传感器系统研究

摘要

光纤法布里-珀罗传感器是当前光纤传感器研究领域的一个重要分支。光纤法-珀传感器除具备光纤传感器的一般优点外，还能够直接测量高温、高压、应变、振动及声波等多种参量，特别适用于石油化工、电力系统等恶劣环境下应用。 该文以非本征型光纤法布里-珀罗干涉传感器为研究对象，对传感器的解调机理、传感头的制作技术及传感器应用于高温高压等多参量测量作了深入、系统的研究。主要包括以下几方面： 1、对干涉、强度结合型解调机理的光纤法布里-珀罗传感器系统进行深入的理论分析，给出自补偿强度型传感器的比值输出模型和实验验证。提出反相位干涉、强度结合自补偿解调型传感器系统，并给出这一解调机理的理论模型和数值计算结果。采用粗波分复用器(CWDM)将传感探头返回光信号分离为宽谱和窄谱两束，利用两束光相似的传输特性和不同的干涉特性，将传感器的输出比值设定在两束光相位相反的位置，补偿了光源波动和光纤传输损耗对测量的影响，且提高了信噪比和测量灵敏度。采用L-M非线性拟合算法对干涉、强度结合型光纤法-珀传感器进行比值和传感参量的标定，其非线性拟合相关度大于0.9999。 2、进行了非本征光纤法布里-珀罗传感探头的制作技术研究，采用CO2激光热熔接的方法制作适用于高温高压等多参量测量的非本征型光纤F-P传感头。针对传感头的温度和压力交叉敏感性问题，设计和制作出一种结构简单的激光热熔全石英密封结构型压力不敏感温度传感探头；利用实验中发现的石英材料在高压下热膨胀系数增大的效应，优化了光纤F-P压力传感头的设计，将温度敏感性降到最小。并通过改变传感头的设计参数，制作出多种不同测量量程和测量灵敏度的温度和压力传感头，适用于低压测量的压力传感头和能够快速响应的振动测量传感头。 3、对非本征光纤法布里-珀罗传感器系统的工作特性进行了实验研究。利用该类传感器系统对20～200℃、100～300℃、0～300℃、20～450℃量程的温度传感头及0～14MPa、0～19MPa、0～30MPa等多种量程的压力传感头进行了实验标定和性能测试。对量程大于200℃的温度测量实验结果表明，传感器的温度分辨率好于0.06℃；满量程测量重复性偏差为0.1％FS；连续多天的稳定性测量偏差小于±0.1％FS。对量程大于20MPa的压力测量实验结果表明，压力分辨率好于6.4KPa，即小于0.03％FS；满量程测量中与压力校验仪的测量偏差为±0.3％FS；多次重复性测量偏差为0.7％FS；连续多天的稳定性测量偏差小于±0.5％FS。光纤低压传感探头的量程小于0.2MPa，其最小分辨率达200Pa，连续4小时的静态测量稳定度为0.5％FS。利用干涉、强度结合自补偿型系统的快时间响应的特点，进行了光纤F-P传感器振动测量的实验研究，初步的研究结果表明，该传感器的振动频率响应达到1kHz以上。 4、针对油气井下高温和高压测量的要求，研制完成了基于非本征光纤F-P腔传感头的时分复用式高温和高压传感器系统。实验室内的高温、高压模拟测试结果表明，特殊设计制作的传感头具有极小的温度-压力交叉敏感性：在0-20MPa压力变化范围内，对温度传感测量的影响小于0.25％FS；在20-300℃温度变化范围内，对压力传感器测量的影响小于1％；通过简单的系统软件处理，温度和压力的测量精度达到0.2％FS。该传感器系统目前已经完成与测井仪器车、耐高温光缆和光缆绞车的连接，近期正用于辽河油田井下温度和压力测量工程。

目录

文摘

英文文摘

独创性说明和大连理工大学学位论文版权使用授权书

1绪论

1.1光纤传感器的特点及发展过程

1.2光纤传感器的研究现状

1.3本论文研究工作的意义

1.4本论文的结构

参考文献

2光纤法布里-珀罗传感器的基本原理

2.1光纤法布里-珀罗传感器结构

2.1.1本征型光纤法布里-珀罗传感器

2.1.2非本征型光纤法布里-珀罗传感器

2.1.3其他类型光纤法布里-珀罗传感器

2.2光纤法布里-珀罗传感器的解调方法

2.2.1强度解调

2.2.2相位解调

2.2.3波长解调

2.3光纤法布里-珀罗传感器的复用技术

2.3.1波分复用技术

2.3.2频分复用技术

2.3.3时分复用技术

2.4本章小结

参考文献

3自补偿型非本征光纤法布里-珀罗传感器系统研究

3.1干涉、强度结合自补偿型解调系统研究

3.1.1自补偿机理研究

3.1.2系统设计

3.1.3测量结果和讨论

3.2反相位干涉、强度结合自补偿型解调系统研究

3.2.1系统组成

3.2.2反相位自补偿解调机理研究

3.2.3测量结果和讨论

3.4本章小结

参考文献

4非本征型光纤法布里-珀罗传感头制作技术与优化设计研究

4.1非本征型光纤法-珀传感头的制作方法

4.2非本征型光纤法-珀传感头工作特性研究

4.2.1干涉对比度研究

4.2.2对比度影响因素讨论

4.3非本征型光纤法-珀传感头的设计及优化

4.3.1非本征型光纤法-珀传感头设计

4.3.2传感头的优化及温度和压力交叉敏感问题研究

4.3.3非本征型光纤法-珀传感头的封装

4.4本章小结

参考文献

5非本征光纤法布里-珀罗传感器多参量测量的实验研究

5.1光纤传感器的性能指标

5.2温度测量的实验研究

5.2.1温度传感器的标定

5.2.2温度传感器性能测试

5.3压力测量的实验研究

5.3.1压力传感器的标定

5.3.2压力传感器性能测试

5.4低压测量的实验研究

5.4.1垂直式低压测量传感头的结构设计及测量

5.4.2平行式低压测量传感头的结构设计及测量

5.5振动测量的实验研究

5.5.1振动测量系统

5.5.2响应频率测量

5.6本章小结

参考文献

6非本征光纤法布里-珀罗传感器系统应用于高温高压测量研究

6.1时分复用型光纤温度和压力传感系统

6.2高温高压环境测量

6.2.1实验室高温高压环境模拟

6.2.2温度测量

6.2.3压力测量

6.3用于井下高温高压测量的传感器系统

6.4本章小结

7结论、创新点与展望

7.1论文工作总结

7.2创新点摘要

7.3后续工作展望

攻读博士学位期间发表学术论文情况

致 谢