應用于特殊環境的光纖光柵溫度壓力傳感器

李樹成

摘 要

目前，光纖光柵溫度壓力傳感器在航空航天、土木工程、復合材料、石油化工等領域的應用非常廣泛。由于其可以實現對溫度、應變等物理量的直接測量，因此針對光纖光柵溫度壓力傳感器的開發更多的集中于在特殊環境下的應用研究。本文以高溫高壓油井的特殊環境為例，對光纖光柵溫度壓力傳感器進行了溫度補償式光纖光柵溫度壓力雙參量傳感系統的設計，并結合環境的特點進行了傳感器相關器件的選擇和調整。通過實驗測試明確了該設計提高了光纖光柵溫度壓力傳感器的適應性，完全能滿足在特殊環境下的工作需求。

【關鍵詞】光纖光學 光纖光柵 高溫高壓 溫度壓力傳感器

在工程技術中，溫度、壓力等數據是開展相關工程的重要參數，光纖光柵溫度壓力傳感器的出現正是為促進工程順利開展，對溫度、壓力、速度、應變等參數進行直接測量的相關設備。自其誕生以來，已在多個高科技領域得到了廣泛應用。

1 原材料選擇

針對以上提出的困擾光纖光柵溫度壓力傳感器在特殊環境下的應用問題，在基底原材料的選擇方面做出了以下考慮：

（1）提升傳感器的耐高溫、高壓能力。以注氣井為例，由于其內部環境的溫度和壓力較高，想要實現在這種類型環境下的測量工作，需加大光纖光柵溫度壓力傳感器基底元件的承受應變能力。

（2）縮小材料的遲滯效應。光纖光柵溫度壓力傳感器的遲滯效應與原材料的關系較為密切。由于材料內部分子之間存在摩擦力，在外部環境的影響下就會造成分子的彈性滯后，從而產生蠕變現象，使傳感器在輸入輸出時表現出回線特征，形成遲滯誤差。因此，加強光纖光柵溫度壓力傳感器在特殊環境下的應用，必需保證傳感器原材料的遲滯效應小，以保證有效控制傳感器的遲滯誤差。

（3）原材料的熱膨脹系數應盡量小，且保持在寬溫度范圍內的膨脹系數恒定。

（4）確保原材料具有較好的抗腐蝕、抗氧化性。

結合以上要求，最終確定了一種恒彈性鎳基合金為光纖光柵溫度壓力傳感器的原材料。該合金的特點是：具有高彈性和抗疲勞強度；彈性模量小，為1.9×105MPa；遲滯效應小；熱膨脹系數為8.51×10-6/℃，且膨脹系數在0-500℃內保持恒定。

2 傳感器結構設計

在進行光纖光柵溫度壓力傳感器的設計時，采取了圓筒和整體加工成型的圓形膜片組合的結構，如圖1所示。

整體加工成型的圓形膜片可以減少膜片在工作中出現遲滯誤差。其厚度（h）為1.5mm，半徑（R）為10.0mm，在膜片下半徑（r）下7.5mm處粘貼FBG1，粘貼時盡量使其與基底材料剛性耦聯，并刻上凹槽嵌入光柵，以粘接劑粘牢。在膜片與圓柱筒之間的腔體底面采用同樣的方法貼粘FBG2。FBG1測量壓力，FBG2檢測溫度，并進行溫度補償。設計中兩只光纖光柵都密封與腔體中，因此杜絕了其與環境中的化學物質的接觸，保證了傳感器的使用壽命。

3 實驗及分析

將光纖光柵溫度壓力傳感器放入高溫高壓反應釜中，將寬帶光源（帶寬40mm、功率10mW）經3dB耦合器入射到兩支光纖光柵，調諧溫度、壓力后，再經過3dB耦合器反射加解調儀，得到解調后的信號后通過計算機軟件顯示出波形、波長等相關信息。

3.1 壓力實驗

在室溫下，對傳感器進行逐漸的升壓，從0MPa開始，每上升3MPa記錄一次光柵中心波長，直至壓力值達到60MPa時逐漸減壓，每下降3MPa記錄一次光柵中心波長直至壓力降至0MPa止。重復以上步驟5次，取FBG1和FBG25次監測值的平均值，得出結論：在加、減壓的過程中，FBG1表現出較好的線性度，在同一壓力下中心波長值相同，顯示出鎳合金的遲滯效應較小，可以有效降低傳感器在壓力作用下的遲滯誤差。FBG2在實驗中表現出不受壓力調諧的特點，有利于為進行溫度補償。

3.2 溫度實驗

在常壓下保持壓強不變，逐漸升溫，每升高20℃記錄一次兩支光柵的中心波長，至350℃時降溫，每降低20℃記錄一次兩支光柵的中心波長，直至降至室溫為止。重復以上步驟5次，取FBG1和FBG25次監測值的平均值，得出波長與溫度的關系：傳感器升溫與降溫的線性測量曲線完全重合，顯示傳感器的溫度遲滯誤差非常小。

4 誤差分析

在理論計算中，得出傳感器的壓力靈敏度應為0.0138nm/MPa，而實際測量值為0.0136nm/MPa，理論計算與實測之間誤差，可能是由于FBG1與膜片沒有實現剛性耦聯，或實驗時溫度不穩定造成的溫漂影響。

5 結論

通過溫度、壓力實驗可知，該設計可使傳感器在壓力0-60MPa、溫度0-350℃的情況下達到0.0136nm/MPa的壓力靈敏度，溫度靈敏度則可達到0.0201nm/℃，兩支光柵的靜態誤差可控制在0.046%和0.029%，完全可以滿足在高溫高壓的油氣井和深海油氣井中進行溫度壓力測量的需要。

參考文獻

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