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21 0 9月 1年

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文章编号：10—8 22 1 )20 6 -5 0 04 8(0 S -4 50 1

石油工业光纤光栅传感技术的研究与应用徐明政，孙延辉( .中海油能源发展油田建设S程公司，天津 3 0 5;2 I - 0 4 2 .辽河石油勘探局油建二公司，辽宁盘锦 14 1 2 0 2)

摘

要

简要阐述了光纤光栅传感技术的基本原理及其区别于常规电子传感器件的显著特点结合石油工业对

传感器件的自身安全性、耐腐蚀性、长期稳定性等方面的严格要求和光纤光栅传感技术的突出优势，讨论其在油气生产中的温度和压力测量、测井技术、地震波检测、长距离石油管道监测等方面的应用。

关键词：光纤光栅；传感技术；石化应用

0引言 随着光纤作为信息传输手段在通信领域取得的巨大成功，光纤作为敏感介质的光纤传感技术的将研究在迅速开展。自从二十世纪 7 0年代中期产生以来，经过 2 0多年的研究开发，光纤传感技术的商

业开发条件也日益成熟，目前已从实验室研究走向实用化。一些新型仪器已经投入实际应用，并形成了产业，其社会经济效益与日俱增。在光纤传感技术发展的过程中，产生出来一种更新颖、更具有光

纤本征特性的新型传感器一光纤光栅传感器。这种传感器除具有一般光纤传感器的优点之外，还具有本身自相干能力强和在一根光纤上实现多点复用、多参数同时测量的独特优势，实现对温度、可压力、 流速、流量等诸多物理量的检测，在国内外引起了极大的关注¨。 石油工业属于高损耗、强腐蚀、易燃易爆的领域，测量环境恶劣，因而对应用于这一领域的传感

器提出了更高的要求。各种电类传感器在用于诸如油气罐、油气井、油气管等地方的测量中存在不安全的因素。光纤光栅传感器因其本质安全性非常适合在石油领域里应用。光纤光栅传感器除具有诸如

抗电磁干扰、低损耗、易弯曲、体积小、重量轻、成本低、耐腐蚀、防水、防火等固有的优点外，对温度和应力等重要测量参量具有极高的测量精度 (温度 05 ." C,应力 1一 a、线性

度 (0 0 MP ) 9%以上 ) 以及宽广的测量范围 (度 0 0"温￣3 0C,应力约 1 a 0MP ),因而在石油工业具有巨大的发展潜力和应用市场。

1光纤光栅传感技术 简要地介绍光纤光栅传感基本原理 ( F G为例 )。用激光干涉条纹侧面辐照掺杂光纤技术在以 B光纤内部制作光栅。当光栅周围的温度、应力或其它待测量发生变化时，将导致光栅周期或纤芯折射率的变化，从而产生 B a g反射峰值波长位移。通过检测 B a g反射峰值波长位移，即可获得待测量 rg rg

的变化情况。为实时区分测量温度和应力等诸多参量，可在光纤同一位置处写入两个不同栅距的光纤Bag光栅，利用不同栅距光纤 B ag光栅对各参量不同响应系数，可以分别求出产生这种位移的各 rg rg

参量变化，从而实现用光纤光栅对多参量的同点实时区分测量。光纤 Bag光栅是纤芯折射率沿轴向呈周期性变化，使前向传输的导模能量耦合到反向导模中， rg

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学术论文

形成反射波长周期变化的尖锐的反射峰的光波导器件。其结构如图 1所示。

A^ B1

A^ B2

图 1光纤光栅温度与应变传感系统温度系统

光纤 B a g光栅的响应峰值波长为 rg九=2 eA 8 n y () 1

式中，,为光纤纤芯的有效折射率， A为光栅周期 ( ) 2 栅距。改变纤芯折射率和光栅周期时，B a g反射波长变化量为 rg△口=2 n+2△ 1九 AA / () 2

当温度和应变同时变化时，B ag波长的相应改变为 rg

△8 2 11(}一(+ )△+ △ )九=/{ ) v 2) (+ ) {一[ ] 式中，△为应变变化，△为温度变化，, 为光纤材料的弹光张量分量，

( 3 )

为光纤材料的热膨胀系

数，为光纤材料的热光系数， I为光纤材料泊松比系数。 v ' 对硅材料制成的单模光纤光栅进行温度和应力测量。在 2~ 10C的温度测量范围和 0 0 g 0 8￣￣4 0f的拉力测量范围内，实验得到：裸光纤光栅的温度响应系数为 009n/拟合曲线线性度为 9 .%; .0 7m * C, 99 4压力响应系数为 0 08m/,拟合曲线线性度为 9 .1温度和压

力实验数据及其拟合曲线分别如图 . 0n g 0 98%。2和图 3所示。实验结果表明：裸光纤光栅具有极高的温度和应力线性响应度，但响应系数较低。根据实际测量要求，利用增敏技术适当提高光纤光栅的对待测量的响应系数，是光纤光栅传感技术走向实际应用的关键 引。

℃

lg

图 2光纤光栅温度响应曲线

图 3光纤光栅应力响应曲线

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徐明政，等：石油工业光纤光栅传感技术的研究与应用

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2石油工业中的应用传感器在石油工业中有着极其很广的应用，针对诸如温度、压力、流量、振动等物理量进行的传

感测量对于油气田的勘探、开发，油气储运有着重要的意义。但由于石油工业生产环境的特殊性，因此对应用其中的传感器相对其它领域传感器又提出了更高的要求。例如井下存在温度高、压力大等环境因素，下仪中的传感器就需要克服高温、高压的影响，而且仪器耐腐蚀性要求高，结构要求小巧。井依据上述光纤光栅传感器的特点，可以预测光纤光栅很适 …… 此处隐藏：4987字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……