油气井中超结构光纤光栅传感器系统的应用研究

作     者：张小伟 

作者单位：北京交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：宁提纲

授予年度：2008年

学科分类：08[工学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：耦合模理论 超结构光纤光栅 传感器 油气井 温度 应力 

摘      要：本文对光纤光栅传感技术及其理论进行了系统的研究,提出了基于超结构光纤光栅的传感器在油气井中进行压力、温度测量的方案。系统分析了影响超结构光纤光栅光谱的各种参数,并进行了大量的仿真和实验,实现了具有高灵敏度和良好线性度的超结构光纤光栅传感器。主要内容包括:光纤光栅的基本理论和性质及其传感应用,光栅传感器的传感原理和解调方法,超结构光纤光栅的光谱特性研究,超结构光纤光栅传感器对油气井中压力、溫度等参量进行测量的仿真和实验研究。 首先对光纤光栅的发展概况进行了回顾和分析,对主流的成栅技术和光栅种类进行了研究和探讨;随后对光纤光栅传感技术的研究现状进行了回顾和展望,分析和比较了目前应用于油气井下进行温度和压力测量的各种传感器。通过分析和比较发现光纤光栅传感技术是进行油气井下温度、压力测量的最佳方案,具有很好的发展前景。 从理论上对超结构光纤光栅进行了详细的分析和研究。以Maxwell方程组为基础,推导出了光波导中的幅度耦合模方程组,并具体应用到光纤光栅波导结构中,推导出了布拉格光纤光栅的幅度耦合模方程组和反射谱表达式。在此基础上,通过传输矩阵法对超结构光纤光栅进行了严密的分析,得到了超结构光栅的反射谱表达式,为超结构光栅的传感应用奠定了理论基础。 对光纤光栅的温度、压力、应变传感机理进行了严密的理论推导和证明,得出了外界参量变化和光栅光谱之间的密切关系,为测量方案和解调方法的创新提供了理论依据。分析研究了多种主流解调方法的优缺点,提供了不同场合下解调方案的选择。 油气井下超结构光纤光栅传感器温度、应力测量研究。详细分析了光栅各参数对超结构光栅反射光谱的影响;然后分析了油气井中温度、应力等参量对光栅参数的影响,从而建立了油气井中各参量与超结构光栅光谱之间的关系。通过大量的仿真和实验,实现了高灵敏度(M=44nm/Mpa,M=0.025nm/℃,M=28.13dBm/Mpa,M=0.17dBm/℃)和良好线性度的超结构光纤光栅传感器,验证了超结构光纤光栅传感器在油气井中应用的可行性和优越性,具有很好的发展前景和应用价值。