分布式光纖溫度壓力傳感器設計

（1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033；2.中國科學院大學，北京 100049）

（1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033；2.中國科學院大學，北京 100049）

為了實現油田井下溫度壓力的全分布式測量，提出了一種基于光纖散射原理的分布式溫度壓力測量方法。該方法通過對普通光纖進行封裝設計，制作成傳感光纖。由于光纖傳感器周圍流體的溫度和壓力會對傳感光纖內的散射光產生調制作用，通過光纖解調儀解調出光纖拉曼散射參數和布里淵散射頻移就能夠實現溫度和壓力的實時在線測量。實驗結果表明：設計的分布式光纖溫度壓力傳感器可以實現的溫度測量分辨率為0.1℃，壓力測量分辨率為0.07MPa。基本滿足油田井下溫度壓力測量的全分布式、實時在線、可靠性高、精度高、抗干擾能力強等要求。

光纖傳感；溫度測量；壓力測量；拉曼散射；布里淵散射

1 引言

在油田的生產開發過程中，油田井下參數的測量對于了解井下流體狀態特性、優化生產、提高原油采收率、降低采油成本有著重要的作用，在井下諸多參數的測量中，尤其以溫度和壓力參數的測量最為重要。對于油田井下溫度的測量，國內外一直采用紅外熱像儀和熱成像儀。隨著油田對井下溫度測量精度、測量范圍的要求越來越高，以及新型傳感器的迅速發展，人們研制出越來越多的新型溫度傳感器，例如基于激光和超聲波原理的井下溫度測量傳感器。對于油田井下壓力的測量，常采用通過鋼絲繩將測量裝置下到井下某一深度，進行單點壓力測量。根據測量原理，油田井下壓力測量裝置可以分為機械式和電子式，盡管機械式壓力測量裝置具有防震、抗電磁干擾、易維修等優點，但是其致命缺陷為必須停止生產才能測量，嚴重影響油田的生產效率；電子式壓力測量裝置具有壽命長、精度高等優點，但是容易受井下潮濕、電磁等環境的干擾，測量和傳輸過程易產生誤差。

由以上分析可知，目前應用于油田井下溫度壓力測量的傳統裝置和儀器具有以下缺陷：（1）傳統的測量裝置為單點測量裝置，隨著測點的增多，測量系統將變得繁雜，并且增加測量成本；（2）由于油井具有大量腐蝕性液體，常規測量裝置很難長期置于井下，不能實現油田井下溫度和壓力的實時在線測量；（3）傳統測量裝置需要油井停產才能測量，影響油田的生產效率，并且其測量數據不能反映生產過程中真實參數；（4）目前測量裝置需要電信號來傳遞測量數據，由于井下電磁環境的干擾，數據測量有誤差。

近年來，隨著光纖通信技術的發展，基于光纖的傳感技術逐步發展起來，并得到了廣泛的應用，其技術原理是光脈沖在光線中傳輸時，其散射光的相位、頻率等參數會受到周圍環境溫度和壓力的調制作用而發生變化，測量端通過解調設備解析出散射光的各種參量變化，就能間接計算出要監測點的溫度和壓力。由于光纖傳感器具有精度高、體積小、抗電磁干擾和腐蝕性等優點，光纖傳感器被應用于醫療、建筑、航天等領域［1-5］，同時也有多種類型的光纖傳感器被提出并應用于油田井下的測量，其中光纖光柵傳感器［6-8］應用最為廣泛，但是光纖光柵傳感器只能實現單點測量。本文提出的基于拉曼和布里淵散射原理設計的光纖傳感器，除了具備光纖傳感器的所有優點外，集傳感和信號傳輸于一體，可實現遠距離全分布式實時在線測量與監控。

2 光纖傳感器測量原理

2.1 溫度測量原理

光脈沖在光纖中傳輸時，會產生兩種拉曼散射：斯托克斯散射和反斯托克斯散射［9］。

距離測量端L的斯托克斯光子數表達式為：

距離測量端L的反斯托克斯光子數表達式為：

式中：vs和va分別為斯托克斯頻率和反斯托克斯頻率，Ks和Ka分別為與斯托克斯和反斯托克斯散射截面有關的系數，α0為入射光傳輸損耗，αs和αa分別為斯托克斯和反斯托克斯光傳輸損耗，L為光纖距離，Rs（T）和Ra（T）分別為與光纖低能級和高能級布局數有關的系數［10-12］。

其中，Rs（T）和Ra（T）與光纖局部溫度有關，

式中：h為普朗克常數；k為玻爾茲曼常數。

用式（1）除以式（2），并且帶入式（3）和式（4）得到：

假設初始溫度T=T0，則有：

用式（5）除以式（6），經過整理有：

測量端解調設備接收到L處的拉曼散射后，能夠對其光學參數進行解調，進而通過式（7）就能計算得出L處光纖周圍環境的溫度值［13］。

2.2 壓力測量原理

當光脈沖在光纖中傳輸時會產生布里淵散射，散射光的頻率相對于入射光的頻率會發生多普勒頻移，稱為布里淵散射頻移，其表達式為［14］：

式中：vB為布里淵散射頻移，n為光纖折射率，c為真空中的光速，μ為光纖泊松比，ρ為光纖密度，E為光纖彈性模量。

光纖材料的折射率、泊松比、密度和彈性模量會受到周圍環境溫度和應力的調制作用而發生變化，因此vB可以表示為：

由上式可知，光纖中布里淵散射頻移為溫度和應變的函數，為了進行壓力測量，假設L處的溫度為常數T0，式（9）可改寫為：

由于光纖材料具有較大的彈性模量，因此其應變ε極小，將式（10）在ε=0處進行泰勒展開，并且保留一次項，得到：

對于同一種光纖，Δμ、ΔE、Δn、Δρ為與光纖折射率、彈性模量和密度有關的常數，因此在L處溫度已知的情況下，通過輸入端測量設備解調L處的布里淵散射頻移，就可以計算出L位置處的應變值，進而通過轉換，就可得到測量位置的壓力值。

3 光纖傳感器結構設計和靈敏度分析

3.1 光纖傳感器的結構設計

由以上光纖溫度壓力測量原理可知，本文設計的傳感器需要兩根光纖進行溫度和壓力雙參數的解調。由于拉曼散射信號在多模光纖中更為明顯，因此選用G651多模光纖作為溫度測量傳感器；布里淵散射信號在單模光纖中傳輸的更遠，因此選用G652D單模光纖作為壓力測量傳感器。

為了保護纖細易碎的裸光纖，同時應對油田井下高溫、高壓、腐蝕等嚴苛環境，本文將玻璃纖維增強樹脂（GFRP）材料與光纖相結合，設計了高強度光纖傳感器。具體制作過程為：將玻璃纖維紗浸潤在樹脂中，然后通過合束盤的作用，將兩根光纖包裹在玻璃纖維紗的中心成為一束，接下來在加熱爐中將玻璃纖維紗熔化，最后通過模具將其拉擠出來，經過冷卻，便得到了GFRP材料與光纖固化一體的光纖傳感器，其制作過程如圖1所示。

圖1 光纖傳感器制作過程Fig.1 Manufacturing process of optical fiber sensor

3.2 溫度測量靈敏度分析

截取長為l的光纖傳感器進行分析，其簡化結構為多層圓筒壁結構，如圖2，由外到內分別為GFRP層、光纖涂覆層和傳感光纖。圖中λ1為光纖涂覆層的導熱系數，λ1=0.8W/（m·K）；λ2為GFRP材料的導熱系數，λ2=2.8W/（m·K）；R1為內部傳感光纖半徑，R1=62.5μm；R2為光纖涂覆層外徑，R2=0.49mm；R3為GFRP層外徑，R3=3.5mm；T1為內部傳感光纖測量溫度；T2為光纖涂覆層外表面的溫度；T3為GFRP層外表面溫度。

圖2 光纖傳感器溫度傳遞模型Fig.2 Temperature transfer model of optical fiber sensor

由傳熱學原理可知，對于穩態導熱，圓筒壁徑向熱流量Φs為：

將上式在光纖傳感器各傳熱界面進行積分，便得出封裝后光纖傳感器外表面溫度T3與內部傳感光纖測量溫度T1之間的關系：

顯然，由式（14）就得到傳感器總傳熱系數：

將光纖傳感器各層參數帶入式（15），經過計算得出總傳熱系數UZ=82.197 8W/（m·K），可以看出，經過封裝的光纖傳感器依然具有很高的導熱系數，其溫度測量延遲很小，具有較高的靈敏度，完全能夠滿足油田井下溫度測量的要求。

3.3 壓力測量靈敏度分析

由于內部傳感光纖直徑相比光纖涂覆層非常小，現將光纖傳感器壓力傳遞模型簡化為兩層圓筒壁結構（圖3），分別為GFRP層和光纖涂覆層。圖中R1為光纖涂覆層半徑，R1=0.49mm；R2為GFRP層外徑，R2=3.5mm；E1為光纖涂覆層彈性模量，E1=4GPa；E2為GFRP層彈性模量，E2=60GPa；μ1為光纖涂覆層泊松比，μ1=0.5；μ2為GFRP層泊松比，μ2=0.17；P1為光纖涂覆層外表面所受均布壓力；P2為光纖GFRP層外表面所受均布壓力。

圖3 光纖傳感器壓力傳遞模型Fig.3 Pressure transfer model of optical fiber sensor

由廣義胡克定律，受到壓力P1后，光纖涂覆層外表面的徑向變形為：

由彈性力學中的拉梅公式可得出GFRP層內壁表面位移：

并且由位移邊界條件可知ΔR2=-ΔR1：

整理上式得到：

帶入傳感器材料各層參數得出，K=0.654 33，即，P1=1.1930P2，由此可以看出，經過封裝設計的光纖傳感器對外部壓力有放大作用，具有較高的壓力測量靈敏度，能夠滿足油田井下壓力的測量。

4 測量實驗與結果

4.1 溫度測量實驗

為了標定本文設計的光纖傳感器的溫度測量性能，將傳感器置于恒溫箱內，恒溫箱溫度范圍設置為15～120℃，采用美國MOI公司的DTS5100拉曼光纖解調儀對測量的光學信號進行解調，然后根據本文提出的基于拉曼散射原理的溫度測量方法計算得出測量溫度值。實驗過程中間隔5℃進行一次數據采樣，并且進行升溫與降溫兩個循環，因此共取得44組數據，最后將實驗測量獲得的數據結果繪制曲線圖，橫坐標為恒溫箱環境溫度值，縱坐標為用本文設計的光纖傳感器結合拉曼光纖解調儀測量計算的出的恒溫箱中的溫度值，如圖4所示。

圖4 光纖傳感器溫度測量實驗結果Fig.4 Temperature measuring result of optical fiber sensor

由于光纖傳感器置于恒溫箱內，隨著恒溫箱溫度的變化，周圍熱量通過光纖傳感器的GFRP保護層傳遞到內部傳感光纖。由2.1節可知，光纖材料的Rs（T）和Ra（T）參數受到周圍溫度的調制作用，從而使得其斯托克斯光子數Ns和反斯托克斯光子數Na根據周圍溫度的變化而變化。在測量端首先使用拉曼光纖解調儀測量初始標定溫度的斯托克斯和反斯托克斯光子數；然后測量各個監測時刻的托克斯和反斯托克斯光子數，并且與初始測量時的光子數進行比對；最后通過式（7）就能夠計算得出測量的環境溫度值。由上圖測量結果可以看出，測量曲線線性度良好，說明本文設計的GFRP封裝光纖傳感器具有較高的溫度測量精度。

對測量數據進行處理，得出了標定之后光纖傳感器溫度測量的各項性能指標，如表1所示，由表1可以看出，本文設計的光纖傳感器各項指標均能滿足油田井下溫度測量的要求。

表1 光纖傳感器溫度標定結果Tab.1 Measuring results of system temperature calibration

4.2 壓力測量實驗

為了標定GFRP封裝光纖傳感器的壓力測量性能指標，對其進行了壓力測量實驗。將光纖傳感器置于充滿機油的自制液壓缸內，然后將光纖傳感器從液壓缸密封接口引出，連接到AQ8603布里淵光纖解調儀上，進行布里淵散射信號的解調，進而通過上文提出的壓力測量原理計算液壓缸內周圍液體的靜壓力值。實驗過程中，維持環境溫度為恒定值，對液壓缸在0～20MPa范圍內逐級進行加壓和泄壓，壓力變化2MPa進行一次數據采樣，共進行兩個升降壓力循環，獲得壓力測量實驗數據。以液壓缸內壓力為橫坐標軸，光纖解調儀采樣得出的布里淵頻移為縱坐標，繪制了測量實驗結果，如圖5所示。

圖5 光纖傳感器壓力測量實驗結果Fig.5 Pressure measuring result of optical fiber sensor

由于液壓缸內的光纖傳感器受到周圍液體壓力的作用，光纖材料的折射率、泊松比、密度和彈性模量會發生變化，由2.2節可知，其布里淵散射頻移相應地就會受到壓力和溫度的調制作用而發生變化，因此由式（12）就可以對光纖周圍壓力進行測量。由圖5測量結果可以看出，光纖傳感器測量的壓力值與布里淵頻移近似呈線性關系，符合上文提出的基于布里淵散射理論進行壓力測量的原理方法，用最小二乘法對以上測量數據進行線性擬合，得出布里淵散射頻移與測量壓力的線性關系為：

由于實驗過程中，光纖解調儀的采樣頻率設置為1MHz，因此根據式（20）可以得出此光纖傳感器的壓力測量分辨率為0.067 6MPa，對以上數據進行處理，就得出了光纖傳感器壓力測量標定的各項性能指標，如表2所示。由表2可以看出，本文設計的光纖傳感器各項指標均滿足油田井下壓力測量的要求。

表2 光纖傳感器壓力標定結果Tab.2 Measuring results of pressure calibration

5 結論

本文基于光纖拉曼散射和布里淵散射理論，提出了采用光纖傳感器進行溫度和壓力分布式測量的方法。為了提高光纖傳感器的實用性，本文確定了采用GFRP材料進行光纖傳感器的封裝結構設計，并且對封裝之后的光纖傳感器的溫度壓力測量靈敏度進行了分析，確定了傳感器結構設計的合理性。最后，為了標定本文設計的分布式光纖溫度壓力傳感器，分別進行了溫度標定測量實驗和壓力標定測量實驗，由實驗結果可以看出，本文設計的全分布式光纖溫度壓力傳感器溫度測量分辨率為0.1℃，壓力測量分辨率為0.07MPa，滿足油田井下溫度壓力參數的要求，具有較高的實用價值。

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戴明（1965—），男，湖北潛江人，博士生導師，研究員，1993年于中國科學院長春光學精密機械與物理研究所獲得碩士學位，主要從事光電平臺穩定技術、圖像穩定技術及航空光電成像技術方面的研究。E-mail：daim@vip.sina.com

分布式光纖溫度壓力傳感器設計

徐 寧1，2*，戴 明1

Design of distributed optical fiber sensor for temperature and pressure measurement

XU Ning1，2*，DAI Ming1
（1.Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China； 2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）
*Corresponding author，E-mail：xuninghit@163.com

In order to realize fully distributed measurement for temperature and pressure in an oil well，a measurement method of distributed temperature and pressure based on scattering theory of optical fiber is established.The method makes the common optical fiber into the sensing fiber through package design.Since the scattered light in the sensor fiber is modulated by the temperature and pressure of the fluid surrounding the optical fiber sensor，the real-time on-line measurement of the temperature and pressure is accomplished through the demodulation of the parameters of Raman scattering and Brillouin scattering frequency shift within the optical fiber by the optical fiber demodulator.Experimental results indicate that the distributed optical fiber sensor for temperature and pressure measurement can realize that the temperature resolution is 0.1℃ and pressure resolution is 0.07 MPa.It can satisfy the requirements of fully distributed，real-time，on-line，higherreliability，higher precision and strong anti-jamming for the measurement of temperature and pressure in an oil well.

optical fiber sensor；temperature measurement；pressure measurement；Raman scattering；Brillouin scattering

2095-1531（2015）04-0629-07

TN253 文獻標識碼：A doi：10.3788/CO.20150804.0629

2015-02-11；

2015-03-13

中科院長春光機所重大創新項目（No.Y3CX1SS14C）