應(yīng)用于高溫高壓測量的非本征型光纖法布里-珀羅傳感器系統(tǒng)研究.pdf

1、光纖法布里-珀羅傳感器是當(dāng)前光纖傳感器研究領(lǐng)域的一個重要分支。光纖法-珀傳感器除具備光纖傳感器的一般優(yōu)點(diǎn)外，還能夠直接測量高溫、高壓、應(yīng)變、振動及聲波等多種參量，特別適用于石油化工、電力系統(tǒng)等惡劣環(huán)境下應(yīng)用。 該文以非本征型光纖法布里-珀羅干涉?zhèn)鞲衅鳛檠芯繉ο?，對傳感器的解調(diào)機(jī)理、傳感頭的制作技術(shù)及傳感器應(yīng)用于高溫高壓等多參量測量作了深入、系統(tǒng)的研究。主要包括以下幾方面： 1、對干涉、強(qiáng)度結(jié)合型解調(diào)機(jī)理的光纖法布里-珀羅

2、傳感器系統(tǒng)進(jìn)行深入的理論分析，給出自補(bǔ)償強(qiáng)度型傳感器的比值輸出模型和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。提出反相位干涉、強(qiáng)度結(jié)合自補(bǔ)償解調(diào)型傳感器系統(tǒng)，并給出這一解調(diào)機(jī)理的理論模型和數(shù)值計算結(jié)果。采用粗波分復(fù)用器(CWDM)將傳感探頭返回光信號分離為寬譜和窄譜兩束，利用兩束光相似的傳輸特性和不同的干涉特性，將傳感器的輸出比值設(shè)定在兩束光相位相反的位置，補(bǔ)償了光源波動和光纖傳輸損耗對測量的影響，且提高了信噪比和測量靈敏度。采用L-M非線性擬合算法對干涉、強(qiáng)度結(jié)合型

3、光纖法-珀傳感器進(jìn)行比值和傳感參量的標(biāo)定，其非線性擬合相關(guān)度大于0.9999。 2、進(jìn)行了非本征光纖法布里-珀羅傳感探頭的制作技術(shù)研究，采用CO2激光熱熔接的方法制作適用于高溫高壓等多參量測量的非本征型光纖F-P傳感頭。針對傳感頭的溫度和壓力交叉敏感性問題，設(shè)計和制作出一種結(jié)構(gòu)簡單的激光熱熔全石英密封結(jié)構(gòu)型壓力不敏感溫度傳感探頭；利用實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的石英材料在高壓下熱膨脹系數(shù)增大的效應(yīng)，優(yōu)化了光纖F-P壓力傳感頭的設(shè)計，將溫度敏感性

4、降到最小。并通過改變傳感頭的設(shè)計參數(shù)，制作出多種不同測量量程和測量靈敏度的溫度和壓力傳感頭，適用于低壓測量的壓力傳感頭和能夠快速響應(yīng)的振動測量傳感頭。 3、對非本征光纖法布里-珀羅傳感器系統(tǒng)的工作特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。利用該類傳感器系統(tǒng)對20～200℃、100～300℃、0～300℃、20～450℃量程的溫度傳感頭及0～14MPa、0～19MPa、0～30MPa等多種量程的壓力傳感頭進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)標(biāo)定和性能測試。對量程大于200℃的溫

5、度測量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，傳感器的溫度分辨率好于0.06℃；滿量程測量重復(fù)性偏差為0.1％FS；連續(xù)多天的穩(wěn)定性測量偏差小于±0.1％FS。對量程大于20MPa的壓力測量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，壓力分辨率好于6.4KPa，即小于0.03％FS；滿量程測量中與壓力校驗(yàn)儀的測量偏差為±0.3％FS；多次重復(fù)性測量偏差為0.7％FS；連續(xù)多天的穩(wěn)定性測量偏差小于±0.5％FS。光纖低壓傳感探頭的量程小于0.2MPa，其最小分辨率達(dá)200Pa，連續(xù)4小時的靜態(tài)

6、測量穩(wěn)定度為0.5％FS。利用干涉、強(qiáng)度結(jié)合自補(bǔ)償型系統(tǒng)的快時間響應(yīng)的特點(diǎn)，進(jìn)行了光纖F-P傳感器振動測量的實(shí)驗(yàn)研究，初步的研究結(jié)果表明，該傳感器的振動頻率響應(yīng)達(dá)到1kHz以上。 4、針對油氣井下高溫和高壓測量的要求，研制完成了基于非本征光纖F-P腔傳感頭的時分復(fù)用式高溫和高壓傳感器系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的高溫、高壓模擬測試結(jié)果表明，特殊設(shè)計制作的傳感頭具有極小的溫度-壓力交叉敏感性：在0-20MPa壓力變化范圍內(nèi)，對溫度傳感測量的影響