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新型高精度光纤光栅应变传感技术研究

返回列表 来源:骁锐科技 浏览:- 发布日期:2021-01-20 14:16:53【

石油天然气是人类现代文明发展中不可或缺的资源,在油气勘探开发过程中,应变的监测(包含了油气井的井斜和方位测量、生产测井中高温应变监测及高精度压力检测等)可以有效地保障油气田正常的勘探开发作业、提高采收率、提升储量替代率等。

光纤光栅

光纤布拉格光栅(Fiber Bragg grating,FBG)应变监测技术相较于传统电类应变监测技术,具有抗电磁干扰、耐腐蚀、耐高温高压、易于组网复用等优势,克服了电类传感器存在的诸多限制和难题,赢得了大量关注和研究,具有广阔的市场应用潜力。另外,由于国内石油勘探开发工程也正面临着如高成本、油田高含水、高采出、非常规油田高占比等诸多严峻问题和考验,对新技术的需求已迫在眉睫,因此研究基于新型FBG的应变传感技术具有重大意义。

本论文利用飞秒激光结合相位掩模板技术在特种光纤中写制新型FBG,针对应变测量中的高精度、方向性识别和多参量测量等科学技术和工程应用问题,重点研制了两种基于少模光纤的新型FBG弯曲(位移)传感器;一种基于熔接点集成双FBG的高温应变传感器;制作了一种膜片式FBG压力传感器,并进行了标准计量测试。

论文主要内容如下:1.综述了光纤应变传感技术及新型FBG矢量应变传感器国内外研究现状,结合FBG的基本理论,阐述了利用飞秒激光写制FBG的技术和方法。介绍了实验室利用飞秒激光刻写新型FBG的实验研究平台及实验方案。

2.提出并优化了少模FBG飞秒激光结合相位掩模板写制新方法(对芯写制和离轴写制)用于高效激发耦合模LP01-11,研究了基于少模FBG传感器的耦合特性和弯曲作用机理,设计制作了两种基于少模FBG的弯曲(位移)传感器,且弯曲测量均利用耦合模LP01-11能量解调。其中:(1)基于四模对芯FBG的弯曲(位移)传感器,以四模光纤作为敏感元件,FBG仅作为反射镜,耦合模LP01-11能量弯曲响应具有良好的线性灵敏度和规律的方向性响应特性,且该传感器可实现温度同时测量;(2)基于两模离轴FBG的弯曲(位移)传感器,利用离轴写制法引入了非圆对称FBG结构,相比于四模对芯FBG结构,该传感器弯曲灵敏度更高,方向响应特性更好,也能实现温度同时测量。

3.研制了一种基于光纤熔接点集成双FBG的高温应变传感器。利用单模光纤(Single Mode Fiber,SMF)和细芯光纤(Thin-core Fiber,TCF)纤芯折射率的差异,通过飞秒激光结合相位掩模板法,在SMF和TCF熔接点两侧纤芯区域刻写了总长度仅约为4mm的双FBG结构,实现了温度应变的同时测量。实验中通过化学腐蚀TCF进一步提高传感器的应变响应灵敏度,并采用高温退火工艺提高传感器的热可靠性和稳定性。传感器温度和应变测量范围分别为100℃-800℃、0-1000με,应变灵敏度最高可达到3.25 pm/μ?。了解更多骁锐科技

4.研制了一种基于膜片与FBG相结合的压力传感器。通过对传感器件进行整体封装结构设计、承压膜片材料选择、膜片尺寸优化、模拟仿真分析、机械结构加工和装配等,实现了0-40 Mpa的油压测量,基本误差为0.073%,测量精度(不确定度/准确度/最大允许误差)为0.1级,为高精度FBG压力传感器的后续研制积累了宝贵的资料和经验。

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