用于黏度检测的光纤布拉格光栅解调系统研究

摘要

课题为精密测试技术及仪器国家重点实验室开发基金资助项目和中海油能源发展股份有限公司采油技术服务分公司资助项目，主要目的是将光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)传感技术与溶液黏度测量相结合，研究用于黏度检测的FBG解调系统。
　　 光纤光栅作为新型的光无源传感器件具有尺寸小巧、抗干扰能力强、易于分布等优点，在传感领域得到了广泛的关注和应用。论文从光纤光栅出发，结合扭振式黏度测量方法，对适用于黏度检测的FBG解调系统进行理论和实验研究，验证系统的可行性，并对系统的性能参数做出评估。
　　 在课题的研究过程中，主要完成以下工作：
　　 1、介绍光纤光栅传感器的特点、应用现状和常用的解调技术。通过耦合模理论推导出FBG的传感机理，对应变和温度交叉敏感问题的解决方案进行分析和总结。
　　 2、根据FBG的传感特性和扭振式黏度计的探头规格，设计基于等强度梁的FBG扭振敏感结构嵌于探头内部，采用参考光纤光栅法解决测量过程中存在的应变和温度交叉敏感问题。
　　 3、介绍光纤光栅的边缘滤波解调技术，并在其基础上利用长周期光纤光栅(Long Period Grating，LPG)的边缘滤波特性搭建了用于黏度检测的FBG解调系统。系统的线性解调范围达到3.59nm，解调灵敏度为0.097nm-1，显示精度为0.01 nm，解调误差为±0.004nm，可有效检测出低频振动信号。
　　 4、LPG作为光学滤波器件，其稳定性直接关系到解调系统性能。针对LPG温度漂移的问题，采用适当的温度补偿和封装技术，使其温度漂移系数从115pm/℃下降到36pm/℃，效果比较理想。
　　 5、利用解调系统对FBG扭振式黏度计的传感信号进行解调，实验结果表明系统可有效区分出探头在空载、水中和不同黏度的甲基硅油溶液中扭振幅度，应用此系统进行溶液黏度检测时误差在5％以内，说明系统符合解调黏度测量传感信号的要求。