应用于特殊环境的光纤光栅温度压力传感器

李树成

摘 要

目前，光纤光栅温度压力传感器在航空航天、土木工程、复合材料、石油化工等领域的应用非常广泛。由于其可以实现对温度、应变等物理量的直接测量，因此针对光纤光栅温度压力传感器的开发更多的集中于在特殊环境下的应用研究。本文以高温高压油井的特殊环境为例，对光纤光栅温度压力传感器进行了温度补偿式光纤光栅温度压力双参量传感系统的设计，并结合环境的特点进行了传感器相关器件的选择和调整。通过实验测试明确了该设计提高了光纤光栅温度压力传感器的适应性，完全能满足在特殊环境下的工作需求。

【关键词】光纤光学 光纤光栅 高温高压 温度压力传感器

在工程技术中，温度、压力等数据是开展相关工程的重要参数，光纤光栅温度压力传感器的出现正是为促进工程顺利开展，对温度、压力、速度、应变等参数进行直接测量的相关设备。自其诞生以来，已在多个高科技领域得到了广泛应用。

1 原材料选择

针对以上提出的困扰光纤光栅温度压力传感器在特殊环境下的应用问题，在基底原材料的选择方面做出了以下考虑：

（1）提升传感器的耐高温、高压能力。以注气井为例，由于其内部环境的温度和压力较高，想要实现在这种类型环境下的测量工作，需加大光纤光栅温度压力传感器基底元件的承受应变能力。

（2）缩小材料的迟滞效应。光纤光栅温度压力传感器的迟滞效应与原材料的关系较为密切。由于材料内部分子之间存在摩擦力，在外部环境的影响下就会造成分子的弹性滞后，从而产生蠕变现象，使传感器在输入输出时表现出回线特征，形成迟滞误差。因此，加强光纤光栅温度压力传感器在特殊环境下的应用，必需保证传感器原材料的迟滞效應小，以保证有效控制传感器的迟滞误差。

（3）原材料的热膨胀系数应尽量小，且保持在宽温度范围内的膨胀系数恒定。

（4）确保原材料具有较好的抗腐蚀、抗氧化性。

结合以上要求，最终确定了一种恒弹性镍基合金为光纤光栅温度压力传感器的原材料。该合金的特点是：具有高弹性和抗疲劳强度；弹性模量小，为1.9×105MPa；迟滞效应小；热膨胀系数为8.51×10-6/℃，且膨胀系数在0-500℃内保持恒定。

2 传感器结构设计

在进行光纤光栅温度压力传感器的设计时，采取了圆筒和整体加工成型的圆形膜片组合的结构，如图1所示。

整体加工成型的圆形膜片可以减少膜片在工作中出现迟滞误差。其厚度（h）为1.5mm，半径（R）为10.0mm，在膜片下半径（r）下7.5mm处粘贴FBG1，粘贴时尽量使其与基底材料刚性耦联，并刻上凹槽嵌入光栅，以粘接剂粘牢。在膜片与圆柱筒之间的腔体底面采用同样的方法贴粘FBG2。FBG1测量压力，FBG2检测温度，并进行温度补偿。设计中两只光纤光栅都密封与腔体中，因此杜绝了其与环境中的化学物质的接触，保证了传感器的使用寿命。

3 实验及分析

将光纤光栅温度压力传感器放入高温高压反应釜中，将宽带光源（带宽40mm、功率10mW）经3dB耦合器入射到两支光纤光栅，调谐温度、压力后，再经过3dB耦合器反射加解调仪，得到解调后的信号后通过计算机软件显示出波形、波长等相关信息。

3.1 压力实验

在室温下，对传感器进行逐渐的升压，从0MPa开始，每上升3MPa记录一次光栅中心波长，直至压力值达到60MPa时逐渐减压，每下降3MPa记录一次光栅中心波长直至压力降至0MPa止。重复以上步骤5次，取FBG1和FBG25次监测值的平均值，得出结论：在加、减压的过程中，FBG1表现出较好的线性度，在同一压力下中心波长值相同，显示出镍合金的迟滞效应较小，可以有效降低传感器在压力作用下的迟滞误差。FBG2在实验中表现出不受压力调谐的特点，有利于为进行温度补偿。

3.2 温度实验

在常压下保持压强不变，逐渐升温，每升高20℃记录一次两支光栅的中心波长，至350℃时降温，每降低20℃记录一次两支光栅的中心波长，直至降至室温为止。重复以上步骤5次，取FBG1和FBG25次监测值的平均值，得出波长与温度的关系：传感器升温与降温的线性测量曲线完全重合，显示传感器的温度迟滞误差非常小。

4 误差分析

在理论计算中，得出传感器的压力灵敏度应为0.0138nm/MPa，而实际测量值为0.0136nm/MPa，理论计算与实测之间误差，可能是由于FBG1与膜片没有实现刚性耦联，或实验时温度不稳定造成的温漂影响。

5 结论

通过温度、压力实验可知，该设计可使传感器在压力0-60MPa、温度0-350℃的情况下达到0.0136nm/MPa的压力灵敏度，温度灵敏度则可达到0.0201nm/℃，两支光栅的静态误差可控制在0.046%和0.029%，完全可以满足在高温高压的油气井和深海油气井中进行温度压力测量的需要。

参考文献

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