應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-珀羅傳感器是當前光纖傳感器研究領域的一個重要分支。光纖法-珀傳感器除具備光纖傳感器的一般優(yōu)點外，還能夠直接測量高溫、高壓、應變、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螅瑢鞲衅鞯慕庹{機理、傳感頭的制作技術及傳感器應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、強度結合型解調機理的光纖法布里-珀羅

2、傳感器系統(tǒng)進行深入的理論分析，給出自補償強度型傳感器的比值輸出模型和實驗驗證。提出反相位干涉、強度結合自補償解調型傳感器系統(tǒng)，并給出這一解調機理的理論模型和數(shù)值計算結果。采用粗波分復用器(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定在兩束光相位相反的位置，補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、強度結合型

3、光纖法-珀傳感器進行比值和傳感參量的標定，其非線性擬合相關度大于0.9999。 2、進行了非本征光纖法布里-珀羅傳感探頭的制作技術研究，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，設計和制作出一種結構簡單的激光熱熔全石英密封結構型壓力不敏感溫度傳感探頭；利用實驗中發(fā)現(xiàn)的石英材料在高壓下熱膨脹系數(shù)增大的效應，優(yōu)化了光纖F-P壓力傳感頭的設計，將溫度敏感性

4、降到最小。并通過改變傳感頭的設計參數(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)的工作特性進行了實驗研究。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行了實驗標定和性能測試。對量程大于200℃的溫

5、度測量實驗結果表明，傳感器的溫度分辨率好于0.06℃；滿量程測量重復性偏差為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的壓力測量實驗結果表明，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儀的測量偏差為±0.3％FS；多次重復性測量偏差為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、強度結合自補償型系統(tǒng)的快時間響應的特點，進行了光纖F-P傳感器振動測量的實驗研究，初步的研究結果表明，該傳感器的振動頻率響應達到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腔傳感頭的時分復用式高溫和高壓傳感器系統(tǒng)。實驗室內的高溫、高壓模擬測試結果表明，特殊設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，對溫度傳感測量的影響