持气率测量光纤探针敏感头仿真及形状优化*

张 勇 李英伟 刘兴斌 王振玉 沈染庆

(1．大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司 黑龙江 大庆 163100;2．燕山大学信息科学与工程学院 河北 秦皇岛 066004)



·仪器设备与应用·

持气率测量光纤探针敏感头仿真及形状优化*

张 勇1李英伟2刘兴斌1王振玉1沈染庆1

(1．大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司 黑龙江 大庆 163100;2．燕山大学信息科学与工程学院 河北 秦皇岛 066004)

文章针对传统光纤探针传感器测量持气率灵敏度差的问题，以光纤光学原理为基础，基于光学设计软件Zemax纯非序列模式，分析光线在不同形状光纤敏感头中的传输情况，对光纤探针敏感头结构进行优化。按单光纤探针的形状，初步设计四种敏感头形状并模拟其光路，经过百万次的光线追迹，对探测器上的回光能量进行收集并对比分析，最终设计出最优形状光纤探针敏感头。

光纤探针传感器；Zemax；持气率；仿真模型

0 引 言

油井实际生产中，持气率测量是油气水三相流参数测量中一个重要的研究内容，但油气水三相流的流动特性十分复杂，致使油气水三相流持气率的测量难度较大。国内外发展了多种测量持气率的方法，但各种方法都有其针对性和局限性[1～3]。探针法因其抗电磁干扰、耐腐蚀、灵敏度高等优点在多相流持气率测量中得到广泛应用[4～5]。目前我国多数油田已经进入高含水阶段，针对传统光纤探针传感器测量持气率灵敏度差的问题，研究了光纤探针传感器敏感头优化设计方法。因此本文以光纤光学原理为基础，基于光学设计软件Zemax纯非序列模式[6]，建立探针及其耦合光路仿真模型，对光纤内部光线进行追迹，通过百万次的光线追迹，分析光线在不同形状光纤敏感头中的传输情况。模拟耦合系统中经光纤探针敏感头反射回探测的光线，收集回光能量并对探测器上的回光能量进行对比分析，研究探针置于空气介质中时探针形状对其灵敏度产生的影响，对光纤探针敏感头结构进行优化设计，以期更准确的进行油气水三相流持气率测量。

1 光纤探针测量原理

光纤探针法的测量原理是利用气相和液相对光的折射率不同，根据探针头部接收到的折射光强度不同，来分辨探针头部是处于气相还是液相。当光纤探针端部与气相接触时，入射光在棱镜上发生全反射；当光纤探针端部与水和油接触时，入射光在棱镜上发生折射进入被测介质而无反射，即可获得光纤探针所处点的持气率，如图1所示。

图1 光纤探针测量原理

光纤探针敏感头是其主要的传感部分，对仪器的灵敏度及可靠性至关重要，因此敏感头的形状和直径的选择是光纤探针传感器设计能否成功的关键。一方面，探针直径应足够大以使其与液膜相比为最小；另一方面又应当足够小以尽量减小探针敏感头对流体流动的干扰，这也是研究光纤探针形状不断地提高敏感头回光率的重要原因之一。本文按光纤探针头部结构的不同，设计四种单纤探针分为圆锥形探针、球形探针、抛物线形探针和椭圆形探针，如图2所示。

图2 四种探针形状剖面图

2 仿真模型的建立

本文利用Zemax软件对光纤探针敏感头内部光线传输进行仿真测试即光线追迹，下面具体介绍如何将探针放入耦合系统光路中进行软件仿真。参照光纤基本原理知光纤的组成部分纤芯与包层，内外都是圆柱形结构，因此光纤在软件中有多种模拟方法，其中之一是用两个圆柱体来模拟，另一种用两个标准镜来模拟。本文欲选用标准镜片模拟的方法，光纤的纤芯材料使用软件中的SILICA(二氧化硅)，在Zemax中标准面的每一个点坐标是由公式(1)决定的。

(1)

在Zemax中，光纤的模拟可以有很多的方法，这里采用最简单的方法，即两个标准透镜(standard lens)，曲率半径为0，纤芯的半径设置为0.3，材料设置为silica(石英材料)，包层的半径设置为0.33，材料设置为LZ_OK4(满足其NA=0.22)，纤芯放在包层的下面，且纤芯的inside of填写为包层的序列号。具体的设计结果如图3、4所示。

图3 基于Zemax光线追迹法的光纤设计图

3 光路模拟及结果分析

在光路模拟前，将传感器结构中耦合系统设计为Y型，如图5所示。一束光通过光纤传输到探头，当光纤探针与气相接触时，入射光大部分光通过Y结点被反射回到检测器，并转换成电信号，光电转换器输出高电平。当光纤探针与水或油相接触时，光被折射出去，进入被测介质，几乎没有光返回发射器或者探测器，从而转换成很弱的电信号，光电转换器输出低电平。随着油气水三相流体交替流过光纤探针，光电转换器将输出随时间连续变化的电压信号，将此信号经过数字信号处理，便可得到光纤探针所在位置的局部截面含气率，且随时间变化的信号将以锯齿形状的转变连续存在。

图5 耦合系统光路图

光路中，一端为入射光纤，一端为出射光纤，如果将发光二极管的光源看做点光源进行设计，那么从开始就会存在误差，造成设计的不确定性将光源看做面光源，而非点光源进行模拟分析，光纤探头即选用上述四种光纤探针。先将Zemax非序列中以光纤探针敏感头和耦合光纤连接处做为起始原点，耦合光纤的Object Type栏设定为Imported，材料设置为SILICA(二氧化硅)，敏感头选用Standard Lens。其次对光源进行定位，光源的空间位置坐标为(0,6.076,-34.34)，关于X轴旋转20°，能量参数设定为3.75(10-3W)。因为耦合系统光路出射光纤末端是接光电探测器，故此处在Zemax中仿真时放置一个探测器，实际中光电二极管尺寸为1.93 mm，故探测器选用2×2 mm2同时确定探测器的空间位置，仿真中探测器空间位置坐标为(0,-6.076,-34.34)，关于X轴旋转-20°，材料设置为ABSORB，目的是收集不同形状的探头的回光能量。基于上述研究及模拟的耦合系统光路及其参数设置，在Zemax非序列中保持光源、光纤、探测器的材料、空间位置及其它的所有参数一致的情况下，仅更换光路耦合系统中探测系统的敏感探头。如先将耦合系统光路中的探针敏感头位置放置一个如图4 (a) 圆锥形光纤探针，并且每更换一次探针敏感头都对光路进行百万次的光线追迹，探针敏感头在光路中的回光能量图如6 (a) 圆锥形光纤探针回光能量图所示，依次类推有如下各形状光纤探针敏感头光线追迹回光能量如图6所示。X，Y轴定义为以探测器中心为原点，探测器在X，Y各方向上的长度值,mm，Z轴为照度值,W/ cm2。

图6 四种不同光纤探头回光能量图

针对上述仿真数据结果进行分析讨论，由图6 (a)圆锥形光纤探针最终得到的能量分布图可知，其能量的分布主要集中在探测器坐标轴中心±0.5 mm范围内即探测器中心0.25 mm2范围内，并且能量的最值要明显高于其它七种形状的光纤探针；图6 (b)球形光纤探针回光能量分布图可知，其能量的分布主要集中在探测器中心0.25 mm2范围内，并且其能量分布范围内，能量的起伏比较大；图6 (c)抛物线形光纤探针回光能量分布图可知，其能量的分布主要集中在探测器中心0.25 mm2范围内，并且其能量的分布呈现阶梯状；图6 (d)椭圆形光纤探针回光能量分布图可知，其能量的分布主要集中在探测器中心0.25 mm2范围内，并且其能量分布范围内，能量的起伏也比较大；最后结合仿真结果图及工程制作难易及表1分析，因为四种形状收集到的照度最大值和回光能量总和均为圆锥形光纤敏感头最大，故由上述仿真结果得出本文设计的光纤传感器的核心器件光纤探针敏感头形状为圆锥形。

表1 四种形状光纤敏感头参数特征值

4 结 论

本文采用Zemax软件纯非序列模式，对四种不同光纤探针敏感头形状进行了仿真模拟。研究了探针敏感头形状对其灵敏度影响的一些规律。主要结论如下：

1)对于不同探针形状光线传输的变化规律，本文提出一种新的光纤追迹模拟方法。

2)利用Zemax软件对光纤探针内部光线进行仿真模拟，对比分析光线轨迹模拟结果，利用仿真的方法收集返回的能量值。

3)依据模拟光路中探测器上的回光能量分析，除气泡张力等影响测量不精确因素外，探针的形状及角度都是影响探针灵敏度的重要因素，本文优化结构选用圆锥形。

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Optimized Measurement of Gas Holdup of the Optical Fiber Probe Sensitive Head Structure

ZHANG Yong1LI Yingwei2LIU Xingbin1WANG Zhenyu1SHEN Ranqing1

(1.Logging&TestingServicesCompanyofDaqingOilfieldCo.LTD,Daqing,Heilongjiang163100,China2.CollegeofInformationScienceandEngineering,Yanshanuniversity,Qinhuangdao,Hebei066004,China)

Aiming at a optical fiber probe sensor head held gas rate sensitivity problem for traditional fiber probe sensor measurement,based on the principle of optical fiber,and based optical design software Zemax pure non-sequential mode,analysing the transmission of light in the different shape of the optical fiber,after a million light trace analysis of the energy of the detector,optimized the optical fiber.The shape of the single-fiber probe,preliminary design and simulate the optical path,draw four different shapes of the probe sensitivity,design the optimal shape.

optical fiber sensor, zemax, gas holdup, simulation model

国家科技重大专项，项目编号：2011ZX05020-006。

张 勇，男，1967年生，高级工程师，1991年毕业于石油大学(华东)测井专业，目前在大庆油田测试技术服务分公司从事生产测井仪器研发工作。E-mail：dlts_zhangy@petrochina.com.cn

TE372

A

2096-0077(2015)02-0082-03

2014-09-13 编辑：韩德林)