應(yīng)用于高溫高壓測(cè)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(gè)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(cè)量高溫、高壓、應(yīng)變、振動(dòng)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?duì)象，對(duì)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(cè)量作了深入、系統(tǒng)的研究。主要包括以下幾方面： 1、對(duì)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(jì)算結(jié)果。采用粗波分復(fù)用器(CWDM)將傳感探頭返回光信號(hào)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(dòng)和光纖傳輸損耗對(duì)測(cè)量的影響，且提高了信噪比和測(cè)量靈敏度。采用L-M非線性擬合算法對(duì)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(cè)量的非本征型光纖F-P傳感頭。針對(duì)傳感頭的溫度和壓力交叉敏感性問(wèn)題，設(shè)計(jì)和制作出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jì)，將溫度敏感性

4、降到最小。并通過(guò)改變傳感頭的設(shè)計(jì)參數(shù)，制作出多種不同測(cè)量量程和測(cè)量靈敏度的溫度和壓力傳感頭，適用于低壓測(cè)量的壓力傳感頭和能夠快速響應(yīng)的振動(dòng)測(cè)量傳感頭。 3、對(duì)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(duì)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(cè)試。對(duì)量程大于200℃的溫

5、度測(cè)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(cè)量重復(fù)性偏差為0.1％FS；連續(xù)多天的穩(wěn)定性測(cè)量偏差小于±0.1％FS。對(duì)量程大于20MPa的壓力測(cè)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(cè)量中與壓力校驗(yàn)儀的測(cè)量偏差為±0.3％FS；多次重復(fù)性測(cè)量偏差為0.7％FS；連續(xù)多天的穩(wěn)定性測(cè)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(shí)的靜態(tài)

6、測(cè)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(shí)間響應(yīng)的特點(diǎn)，進(jìn)行了光纖F-P傳感器振動(dòng)測(cè)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(dòng)頻率響應(yīng)達(dá)到1kHz以上。 4、針對(duì)油氣井下高溫和高壓測(cè)量的要求，研制完成了基于非本征光纖F-P腔傳感頭的時(shí)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(cè)試結(jié)果表明，特殊設(shè)計(jì)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(duì)溫度傳感測(cè)量的影響