带温度补偿的光纤布拉格光栅压力传感器的研究

摘要

光纤光栅传感器较之于传统电传感器得到广泛的关注,不仅是因为其抗电磁干扰、耐腐蚀等特性,还有光纤传感能构成大型的传感网络的波分复用的特点,由于研发力度的加强,相应的光纤光栅传感器的产品也在不断推陈出新,在很多工程领域都得到了广泛的应用。
　　本文结合油气井等恶劣环境下的压力检测的应用背景,分别从理论和实验研究了一种基于光纤布拉格光栅的带温度补偿的压力传感器,主要研究内容为:
　　(1)研究了一种光纤光栅压力传感器结构,使用了参考光栅进行温度补偿的原理,分析了布拉格光纤光栅的传感原理,运用ANSYS10.0大型有限元分析软件针对研究的薄壁圆筒结构建模和静力仿真,分析了该结构应力分布情况,在此基础上研究了传感器中涉及到的关键参数对传感器的灵敏度的影响以满足实际工程不同应用场合。
　　(2)结合仿真结果,本文选用了不同尺寸参数的薄壁圆筒结构加工,对光纤光栅封装后对传感器的温度及压力灵敏度分别进行测试,且选取加工中的一个传感器进一步地测试了该结构的可重复性及稳定性,实验结果显示该传感器压力灵敏度为7.8±0.7 pm/MPa,重复性好,线性度>0.999,当环境温度从0-50℃内变化时,温度补偿后10小时内的稳定性优于±0.5％,并将结果与一膜片式光纤布拉格光栅压力传感器结构传感性能进行了实验对比。
　　(3)介绍了SMS(单模-多模-单模)模式干涉结构在传感领域的研究现状,研究了多模光纤对 SMS结构透射特性的影响,同时从理论和实验两个角度分别对SMS模式干涉结构在温度、应变、弯曲等参数影响下传感性能进行了研究。
　　(4)基于前文研究的薄壁圆筒结构,使用SMS模式干涉结构替代前文的薄壁圆筒结构中的测压光纤布拉格光栅制成了SMS-FBG结构用于大压力的测量,测试了SMS-FBG结构封装在圆筒结构的温度及压力传感性能,并与双FBG结构在同一薄壁圆筒结构压力灵敏度进行了对比,结果表明SMS-FBG结构的灵敏度近似为双FBG的两倍。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

图目录

表目录

第一章 绪 论

1.1 国内外光纤光栅传感技术研究现状

1.2 油气井中光纤光栅传感器的应用

1.3 本论文研究的目的和意义

1.4 本论文研究内容

第二章 光纤布拉格光栅传感原理及压力传感器的设计方法

2.1 光纤布拉格光栅传感原理

2.2 光纤布拉格光栅传感器封装技术

2.3几种典型的FBG压力传感器设计原理

2.4 本章小结

第三章 带温度补偿的光纤光栅压力传感器的性能分析

3.1 带温度补偿的光纤光栅压力传感器结构设计原理

3.2 带温度补偿的光纤光栅压力传感器结构的有限元分析

3.3 带温度补偿的光纤光栅压力传感器特性实验

3.4筒式结构与膜片式结构压力传感的对比实验

3.5 本章小结

第四章 SMS模式干涉结构光纤压力传感器性能分析

4.1 SMS模式干涉结构光纤传感器研究现状

4.2 SMS结构传感实验分析

4.3 SMS-FBG结构用于温度压力双参测量传感器的实验研究

4.4 本章小结

第五章 结 论

5.1 本文的主要贡献

5.2 下一步工作的展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果