用于石化反应器的光纤F-P温/压复合传感器

为了实时监测石化反应器内部高温、高压环境下压力和温度变化, 严格控制原料的反应过程, 采用法布里-珀罗(F-P)多腔干涉理论, 设计并制备了一种光纤F-P温度、压力复合传感器。该传感器由石英玻璃和蓝宝石玻璃构成, 石英与蓝宝石之间的空气腔为压力腔, 温度腔则为蓝宝石本身。通过理论计算和仿真验证, 分析了压力腔和温度腔不同参数对传感器性能的影响, 从而取得了最佳的传感器结构参数数据。结果表明, 该传感器制作工艺简单且性能可靠, 能够实现0MPa~5MPa和-20℃~300℃范围内压力和温度的同时测量; 该传感器在压力0.1MPa~5MPa和温度20℃~180℃环境下有良好压力温度线性响应关系, 压力灵敏度为796nm/MPa, 温度灵敏度为3.864nm/℃。该传感器适用于石化反应器内部高温高压环境下压力和温度的同时监测。     

基于级联腔法布里-珀罗干涉仪的温度和压力同时测量

提出了一种基于级联法布里-珀罗干涉仪(CFPI)的光纤传感器,用于同时测量温度和压力.该传感器由单模光纤(SMF)、空心光纤(HCF)和双孔光纤(DHF)依次熔接在一起而构成.其中,HCF构成空气腔法布里-珀罗干涉仪(FPI),DHF构成石英腔FPI,两个FPI级联形成混合腔FPI.空气腔FPI通过DHF的空气孔与外部环境连通,实现对气压的高灵敏度传感;石英腔FPI利用二氧化硅的热光效应和热膨胀效应,实现对温度的高灵敏度传感.在0.1～0.6 MPa气压范围,60～260℃温度范围,实现的空气腔FPI的气压和温度灵敏度分别为4 nm/MPa和1 pm/℃,混合腔FPI的气压和温度灵敏度分别为0.5 nm/MPa和9 pm/℃.空气腔FPI和混合腔FPI对温度和气压的灵敏度不同,实现了温度和气压的双参数测量,同时该传感结构制造工艺简单,集成度高,灵敏度高.     

石油测井光纤光栅温度压力传感器

根据石油测井时对温度、压力传感器的要求,设计了一种利用聚合物封装的光纤布喇格光栅(FBG)传感器.封装后的光纤光栅温度和压力灵敏度系数分别为0.02128 nm/℃和0.163 nm/MPa,分别为裸光栅的2.1倍和52.3倍,压力测量范围0～30 MPa,且传感器的温度和压力响应与光栅反射波长呈良好的线性关系.通过现场测井实验,测得光纤光栅温度和压力传感器与电子五参数传感器的测量值符合良好,该传感系统满足了温度和压力测量的要求.     

新颖的光纤光栅温度压力同时区分测量传感器

提出了一种基于圆柱形容器和活塞结合的双光纤Bragg光栅(FBG)温度和压力同时区分测量的传感模型.将FBG 1和FBG 2粘结在基底材料上,基底材料固定在活塞和圆柱形底部间,圆柱形容器内压力和温度的变化将引起FBG 1波长的变化,圆柱形容器内温度的变化引起FBG 2波长的变化,通过2根光栅的波长漂移来进行温度和压力的区分测量.实验测得该传感器的压力响应灵敏度系数为0.822 3 nm/MPa,温度响应灵敏度系数为0.032 2 nm/℃,分别是裸FBG的274倍和3.2倍.该传感器可以实现10 MPa压力以下、-20～100 ℃温度的液体和气体的高精度同时测量;可以改变基底材料的种类或基底材料和活塞的参数,实现不同灵敏度要求的温度、压力同时测量.     

非本征F-P干涉仪式光纤触觉传感器的研究

基于法布里-珀罗(F-P)干涉原理,设计制作了具有核磁共振成像(MRI)兼容能力的光纤非本征F-P干涉仪(EFPI)结构的触觉传感器。在整个光纤触觉传感系统中,利用螺旋微控装置对传感器施加力,通过光谱分析(OSA)测量干涉光谱,利用交叉相关解调技术解调出传感器腔长,同时由FS20系列力传感器进行标定。对传感器的性能指标进行了分析,本文传感器的测量范围为0～3N,测量分辨率为0.02nm,多次测量结果显示和理论的吻合度较高。     

一种基于马赫-曾德尔干涉仪的折射率和温度同时测量传感器

设计制作了一种基于马赫-曾德干涉结构的传感器用于折射率和温度的同时测量,传感器的结构为单模-多模-细芯-多模-单模。利用RSoft光学仿真软件的BeamPROP模块对传感结构内部光场进行模拟分析,确定了多模光纤(multi-mode fiber, MMF)及细芯光纤(thin core fiber, TCF)的最优长度,制作了传感结构并搭建实验系统观测其折射率和温度响应情况,结合敏感矩阵,实现了双参量的同时测量。实验结果表明,该传感器在1.333—1.380的折射率范围内灵敏度为-44.944 nm/RIU,在30—65℃的温度范围内灵敏度为0.082 9 nm/℃。本文提出的传感器结构简单、体积小、灵敏度高,可以为折射率和温度双参量传感设计提供参考。     

光纤端面涂覆敏感材料的高灵敏度传感器北大核心CSCD

描述了一种基于法布里-佩罗干涉仪(Fabry-Perot interferometer, FPI)结构的双参数光纤传感器,并演示了它可以同时测量气压和温度。所提出的FPI传感结构由覆盖在单模光纤端面上半球形的紫外固化胶组成,FPI产生的光谱干涉峰对环境温度和气压变化敏感。选择传感器干涉谱中两个谐振峰波谷Dip 1和Dip 2,跟踪它们的波长随气压和温度的变化,构建传输矩阵,能够同时测量气压和温度,并消除交叉敏感。实验结果表明Dip 1点的气压与温度灵敏度分别为2.925 nm/MPa和-1.165 nm/℃,Dip 2点的气压与温度灵敏度分别为4.715 nm/MPa和-1.209 nm/℃。利用Dip 1和Dip2的气压与温度灵敏度构建测量矩阵,传感器实现了多参数测量。通过长时间稳定性实验发现传感器测量气压与温度的最大误差分别为0.068 MPa和0.19℃。该传感器具有灵敏度高、结构简单紧凑、造价低廉等优点,在工业生产中具有一定的应用价值。     

应用在油气管线的光纤光栅温度压力传感系统

为了提高光纤光栅的温度和压力灵敏度系数以满足实用化对灵敏度精度的要求,对光纤光栅进行封装设计。得到封装后的光纤光栅温度和压力灵敏度系数分别为0.052nm/℃和0.8208nm/MPa,分别为裸光栅的5倍和273倍,且传感器的温度和压力响应与光栅反射波长成良好的线性关系。通过半个月的油气管线现场实验,测得光纤光栅温度压力传感器与油气管线的电类传感器的测量值符合得特别好,该温度和压力传感系统满足了温度和压力的实时测量。     

EFPI和光纤光栅传感器混合测量技术

研究了一种对外腔式F-P干涉型(EFPI)传感器和光纤光栅(FBG)传感器进行混合测量的技术。用窄线宽的扫描光注入EFPI或FBG,通过测量FBG的反射光波长和EFPI的反射光光谱完成在同一台仪器的不同通道实现了对FBG或EFPI的同时测量。还研究了在一根光纤上同时实现FBG和EFPI测量的技术,结果表明FBG串联在EFPI前面时,可准确测量出FBG的波长和EFPI的腔长。而EFPI串联在FBG前时,只能测量EFPI,而不能完成FBG的同时测量。     

光纤光栅传感器在石油测井中的应用

介绍一种新型光纤布拉格(Bragg)光栅油井温度/压力传感器.在详细分析光纤光栅温度、应力传感原理的基础上,设计了适合于井下温度、压力参数测量的传感器.通过温度和压力实验推导了传感器波长与温度、压力之间的关系,得到了压力响应灵敏度的解析表达式.该传感器可实现温度和压力同时测量.现场实验证明:温度测量范围为10～100℃,温度灵敏度为0.0213=nm/℃;在0～20MPa的压力变化范围内,压力灵敏度达0.1631nm/Mpa,能够很好地满足油井井下测量的要求.     

光纤光栅高压传感器封装技术实验研究

提出了一种基于弹性薄壁网筒的耐高压光纤光栅(FBG)压力传感器,推导了该传感器的波长与压力间的关系,得到了其压力响应灵敏度的解析式.分别对其用不锈钢和一种金属合金进行封装,并进行了对比实验研究,获得温度响应灵敏度分别为0.027 nm/℃和0.013 nm/℃,压力响应灵敏度分别为0.004 nm/MPa和0.013nm/MPa.本传感器的压力响应具有很好的线性,压力测量范围可达40 MPa以上,可应用于高压下物理量的传感测量.     

F-P腔式光纤MEMS压力传感器的设计

提出了一种新型结构的法布里-珀罗(F-P)腔光纤压力传感器.该传感器基于法布里-珀罗多光束干涉,利用压力敏感膜的纵向挠度变化带动位移柱的横向位移运动来改变F-P腔的腔长变化.详细阐述了传感器新结构的设计方法及其工作原理,分析了不同参数对传感器性能的影响.采用ANSYS软件仿真模拟了传感器压力敏感膜在压力作用下的挠度变化.结合现有的MEMS工艺,可制作出工艺简单、温度系数低、灵敏度高,且抗电磁干扰的MEMS光纤压力传感器.     

基于EFPI和FBG传感器的光纤智能夹层系统研究

以光纤自诊断系统为研究对象,围绕光纤智能夹层(FOSL)制作和标定中的相关理论及技术展开较深入的研究。采用聚酰亚胺薄膜制作了基于非本征法布里-珀罗干涉型(EFPI)传感器和光纤布拉格光栅(FBG)传感器的FOSL。制作过程中,光纤传感器性能完好,FOSL的埋入对复合材料强度影响较小。在此基础上,对FOSL试件中的EFPI和FBG传感器进行了四点弯曲试验。试验表明,FOSL中,EFPI传感器的应变与载荷、FBG波长偏移与应变之间均具有良好的线性关系;在FOSL的制作中,可以选用EFPI和FBG传感器同时监测结构应变和温度。利用FOSL中的光纤传感器网络和先进信息处理技术,可以建立结构损伤主动、在线和实时监测系统。     

基于双金属膜的光纤MEMS温度传感器的设计

提出了一种新型结构的温度传感器,该传感器基于Fabry-Perot干涉和双金属效应.采用MEMS技术制作出线性度好、精度高的光纤MEMS温度传感器.阐述了传感器的工作原理,研究了传感器的力学模型,确定了温度敏感膜材料,用有限元软件ANSYS验证了模型的合理性.模拟了法珀腔的腔长对温度传感器性能的影响,为传感器的加工制作提供了理论依据.该设计可为以硅为基底的压力传感器提供一种温度补偿方法.     

光纤光栅温度压力同时区分测量技术研究

提出一种基于金属合金薄壁弹性圆筒双光纤Bragg光栅(FBG)温度压力同时区分测量的传感模型。将FBG1和FBG2分别沿着圆筒的轴线方向粘贴在空心段外壁上和底座实心的外壁面上。圆筒内压力和温度的变化将引起FBG1波长的变化,温度的变化引起FBG2波长的变化,通过FBG2对FBG1的温度补偿进行温度和压力的同时区分测量。在100℃内2、0 MPa压力下,实验测得传感器的压力响应灵敏度系数约为0.012 nm/MPa,温度响应灵敏度系数约为0.012 nm/℃。     

基于马赫-曾德尔干涉的球形结构光纤温度传感器

提出一种基于马赫-曾德尔干涉的球形结构光纤 温度传感器。该传感器通过在单模光纤上熔接两个球 形结构形成球形-单模-球形结构的马赫-曾德尔干涉仪。外界温度的变化会引起光纤包层 模的有效折射率变化, 从而导致干涉光谱的变化,通过检测干涉谷的特征波长漂移量,实现对温度的测量。实验结 果表明,在温度 变化范围为18～78℃时,当中间单模光纤长度为1.8cm时,传感器 的灵敏度为0.129nm/℃ ,当中间单模 光纤长度为2.4cm时,传感器灵敏度为0.121 nm/℃,当中间单模光纤长度为4.0cm时,传感器灵敏度为 0.070nm/℃。根据0.01nm的波长分辨率,该传感器可以实现温度 的分辨率为0.077℃。该球形结构的 光纤温度传感器灵敏度高、结构紧凑、制作简单、成本低廉,在温度检测方面具有良好的应 用前景。     

基于法布里-珀罗干涉的光纤倾角传感技术研究

提出一种基于法布里—珀罗(Fabry Perot,F P)干涉的光纤倾角传感器,该传感器由单模光纤和毛细管组成。首先,分析光纤干涉原理和倾角传感原理;然后,制作封装光纤倾角传感器;最后,完成光纤F P传感器倾斜实验,通过对采集得到的数据分析得到传感器倾角的响应特性,并进行温度实验探究温度对传感器波长漂移的影响。实验结果表明:在0°～10°测量范围内,测量角度和反射波长呈线性关系,倾角灵敏度为02031nm/°,线性度为099707;在45～49℃温度范围内,温度灵敏度为4777nm/℃,线性度为099934。该传感器具有结构简单、成本低、灵敏度高等特点,具有广阔的应用前景。     

细芯锥形光纤构成的温度与折射率同时测量传感器

在工程实际中,具有多参量同时测量功能的光纤传感器有很大的市场需求。为了实现多参量的同时测量,提出了一种“单模—无芯—细芯—无芯—单模”光纤熔接与拉锥的马赫-泽德尔干涉仪传感器。细芯光纤作为传感器的主要传感元件,利用多功能光纤熔接拉锥机对细芯光纤进行了精准拉锥,提高了传感器对环境温度与折射率的敏感度。研究了传感器对环境温度与折射率的传感特性,利用传感器透射谱中2个谐振峰波谷的温度和折射率灵敏度,构建测量矩阵,消除了交叉敏感,完成了温度与折射率的同时测量。实验结果表明：传感器透射谱谐振峰波谷的中心波长随温度变化、折射率变化均有很好的线性关系,最大温度灵敏度达到33.63 pm/℃,最大折射率灵敏度为-135 nm/RIU。该传感器尺寸小、集成度高、结构简单、制作容易、灵敏度高,在工业、国防、民用等领域有一定的应用价值。     

光纤F-P腔压力传感器在高温油井下的应用研究

针对高温、高压油井的测量环境,设计研制了基于光纤非本征型Fabry-Perot(F-P)腔的波长解调型光纤压力传感器系统.该系统采用激光熔接制作的光纤F-P传感头,具有测量动态范围大、温度敏感性小、耐高温和长期工作稳定等优点,在压强0～30 MPa范围内,系统压力测量分辨率达到0.003 MPa,温度敏感性小于0.002 MPa/℃.光纤传感头采用光纤-厚壁石英管激光熔接的无胶封装方式,解决了高温环境下的传感器高压密封和光纤保护问题.     

光纤FBG高压传感器的优化设计与实验研究

基于对FBG传感器薄壁圆筒材料和结构的优化设计,制作了FBG高压传感器,在0～50MPa压力范围,进行了加压和减压高压实验,实验结果表明:FBG的压力灵敏度为0.0374nm/MPa,其中心波长与压力变化有着良好的线性关系和重复性,且迟滞性好。模拟结果与实验结果很好吻合。