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【摘 要】 油气田生产测井一个重要任务是测量温度参数.而由于光纤Bragg光栅温度传感器的固有优点,是最热门的油气井下常规温度传感器的潜力替换产品.将光纤光栅用少量环氧树脂胶粘贴于膨胀系数和光纤相等的特殊材料上,制成温敏元件.根据油气井下温度的范围,设计了35-105℃裸光纤Bragg光栅温度传感特性实验,采用精度±1℃的温控箱进行加热,每隔10℃测量一点,每点温度间隔至少15分钟,无论是温度上升还是下降,温度和中心波长的线性关系都很好,上升时R2等于0.9999,下降时R2等于1;另外,上升时光栅灵敏度为10pm/℃,下降时光栅灵敏度为9.8 pm/℃,与理论相差很小,说明所封装的温度传感器在35~105℃的工作温度范围内性质稳定,可用于实际油气井动态温度监测.

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1.前言

光纤bragg光栅由于其在温度参数测量方面固有的优点,越来越受到业内专家的重视[1-4].

本文设计了一种光纤Bragg光栅温度传感器,对其在35~105℃温度条件下的进行温敏实验.

2.光栅结构及传感原理

利用紫外激光的干涉条纹在一定范围内照射具有光敏性的光纤,可使该段光纤纤芯的折射率发生永久周期性的改变,形成光纤Bragg光栅.Bragg光纤光栅从本质上来说相当于一个窄带滤波器,当具有一定波谱范围的入射光传输到光纤Bragg光栅时,光栅就会把满足Bragg条件的、且被外界环境参量(如温度、压力、应力、流量等)调制过的入射光反射回来,通过对反射光谱进行解调,即可获得所需(压力、温度)信息,其结构如图1所示.

3.温度传感器封装结构

本次实验选用的基底为圆形,材质采用膨胀系数和光纤相等的特殊材料,长度10cm,直径3cm.为了使裸光栅能更好地和基底接触,受热均匀,可在圆形基底上划一个3mm深,1mm宽的小槽,裸光纤Bragg光栅用少量环氧树脂胶均匀粘贴在凹槽内.在对温度传感器封装过程中,应对裸光纤光栅施加适当的预应力,并适当加热,防止光纤光栅因胶凝固使中心波长减小.另外为了增加粘贴强度,需把基底凹槽外表面打磨光滑[1].封装结构见图2.


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4.实验设备及原理

实验设备包括:宽带光源、掺锗石英裸光栅(中心波长1532.137nm)、光纤Bragg光栅解谱仪(±5pm)、耦合器、匹配液、温控箱(精度±1℃)以及环氧树脂胶等.

实验原理:温度变化会引起光纤光栅的栅距和折射率的变化,

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174;而使光纤光栅的反射谱和透射谱中心波长发生变化.通过检测光纤光栅的反射谱或透射谱中心波长的变化,就可以获得相应的温度信息,反过来,若知道了温度信息,就可以测出光纤光栅反射谱和透射谱中心波长的变化,图3为实验测量原理示意图.

5.实验结果及分析

根据油气井下常见温度范围,设计了光纤Bragg光栅温度传感器35~105℃温度传感特性研究实验.实验采用温控箱加温,光纤Bragg光栅解谱仪进行解谱.实验时研制的光纤光栅温度传感器自由悬挂于温控箱内,每隔10℃测量一次,每次等待至少15分钟,待温度平衡、稳定后再测量,如此往返各测量1次.

对所测数据进行线性拟合,拟合图见图3.10.从图中可看出,温度上升阶段,灵敏度为10pm/℃,R2等于0.9999.温度下降阶段,灵敏度为9.8pm/℃,R2等于1.可见无论是温度上升阶段还是下降阶段,中心波长和温度都有良好的的线性关系.因为采用特殊材料做基底,所以实验测得的灵敏度和裸光栅(10.8pm/℃)相差不多,但也看出每摄氏度还有1个pm的误差,分析认为主要原因是光栅粘贴用胶所致.

6.结论

实验说明所研制光纤光栅温度传感器在35~105℃的工作温度范围传感性质非常稳定,可应用于油气井下温度测量.

参考文献:

[1]陈海峰,肖佃师,陈红丽.光纤增敏温度传感器及其压力敏感性实验研究[J].激光与光电子学进展,2010.4.

[2]李永伟,韩兴德,于国庆.FBG温度传感器增敏封装技术及实验研究[J].光学技术,2009,35(3):461~463


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[3]陈海峰,肖立志,张元中,等.光纤Bragg光栅在油气工业中的若干研究及进展[J].地球物理学进展,2006,21(2):572~577.

参考文献:

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