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井下高温高压光纤光栅传感器的理论与现场测试研究

作　者: 吴海峰
导　师: 李明；王宏亮
学　校: 西安石油大学
专　业: 物理电子学
关键词: 光纤布拉格光栅 封装技术 高温高压 交叉敏感 油气井下传感检测
分类号: TP212.14
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


本文对光纤光栅传感技术进行了系统的理论与实验研究。具体内容包括:光纤光栅的基本理论与传感原理分析;光纤光栅封装技术的实验研究;光纤光栅高温高压单双参量的实验研究;光纤光栅传感器在油气井下的现场测试研究;光纤光栅液位传感器的实验研究。首先介绍了光纤光栅的发展过程、研究现状及光纤光栅传感技术在高温高压油气井下的应用前景。在此基础上,对光纤光栅的基本理论与传感理论作出系统分析。其次,根据光纤布拉格光栅的传感理论,对其封装工艺进行了大量的实验研究。其中包括光纤布拉格光栅对温度应力增减敏的实现方法研究,不同增减敏基底材料的对比实验研究。在此研究的基础上,为实现高温高压油气井下的应用,分别从单、双参量两个不同角度对已设计封装的光纤布拉格光栅传感器做了大量的高温高压实验研究。实验结果表明,该设计传感器在温度0～300℃、压力0～40MPa的范围内,布拉格中心波长与目标参量具有良好的线性关系,亦无明显迟滞现象出现,测量温度、压力的精度分别达到±0.1℃和±0.1MPa。现场测试结果也说明该设计传感器自身性能稳定,与实验室内的实验结果相符。最后对液位传感技术的背景及现状作了分析,着重对高灵敏度光纤布拉格光栅压力传感结构进行了设计,并开展了实验研究。结果表明,该设计可以感测到0～10cm范围内水位变化,其精度小于2.5mm。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章 绪论  8-16
  1.1 引言  8
  1.2 光纤光栅技术的发展概况  8-11
  1.3 光纤光栅传感技术的研究现状  11-12
  1.4 油气井下光纤光栅传感技术的应用进展  12-14
  1.5 课题的来源、目的及意义  14
  1.6 本论文的主要工作  14-16
第二章 光纤布拉格光栅的基本理论  16-29
  2.1 光纤光栅的结构及分类  16-18
    2.1.1 光纤结构及分类  16-17
    2.1.2 光纤光栅结构及分类  17-18
  2.2 光纤传光原理  18-19
  2.3 光纤布拉格光栅的耦合模理论  19-24
    2.3.1 光纤中存在的模式  19-21
    2.3.2 耦合模理论  21-23
    2.3.3 光纤布拉格光栅的耦合模理论分析  23-24
  2.4 传感原理  24-27
    2.4.1 应变传感理论  25-26
    2.4.2 温度传感理论  26
    2.4.3 压力传感理论  26-27
  2.5 温度压力的区分测量方法  27-28
  2.6 小结  28-29
第三章 光纤光栅封装技术研究  29-43
  3.1 封装方法研究  29-37
    3.1.1 保护性封装  30-32
    3.1.2 敏化封装  32-36
    3.1.3 补偿性封装  36-37
  3.2 应用难点分析  37
  3.3 封装实验研究  37-42
    3.3.1 预应力的施加方法及光栅粘贴方法研究  37-38
    3.3.2 不同基底材料的温度封装研究  38-40
    3.3.3 不同基底材料的压力封装研究  40-42
  3.4 小结  42-43
第四章 高温高压传感器的实验研究  43-58
  4.1 单参量研究  43-48
    4.1.1 原理分析  43-44
    4.1.2 高温传感研究  44-45
    4.1.3 高压传感研究  45-48
  4.2 双参量研究  48-52
    4.2.1 难点分析  48-49
    4.2.2 高温高压区分测量技术研究  49-52
  4.3 现场测试实验研究  52-57
    4.3.1 传感器在反应釜内的定标实验结果  52-53
    4.3.2 现场测试系统及测试难点分析  53-55
    4.3.3 传感器在井下的测试及结果  55-57
  4.4 小结  57-58
第五章 液位传感器的应用研究  58-67
  5.1 液位传感器的发展现状  58-62
    5.1.1 液位传感器的现状分析  58-59
    5.1.2 液位传感器的种类及原理分析  59-62
  5.2 光纤光栅液位传感器的实验研究  62-66
    5.2.1 传感结构设计  62
    5.2.2 传感理论分析  62-63
    5.2.3 实验研究及结果分析  63-64
    5.2.4 实验误差分析  64-66
  5.3 小结  66-67
第六章 总结  67-69
致谢  69-70
参考文献  70-72
攻读硕士学位期间公开发表的论文  72-73
详细摘要  73-83

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化元件、部件 > 发送器（变换器）、传感器 > 物理传感器 > 光传感器
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