基于分布式光纤布里渊频移的液体压力检测技术研究

论文摘要

基于分布式光纤布里渊频移的传感器不仅具有一般光纤传感器特有的防爆、耐候等特点，而且可以实现数十公里的分布式多参数测量，较适用于井下工作要求。该技术在温度和形变测量方面，已经成功应用于某些大型工业结构和建筑的健康监测，然而，在液体压力检测方面却鲜有报道，更未见用于井下压力参数的直接测量。因此，本文以油田重要地质参数——压力监测为背景，研究基于分布式光纤布里渊频移的液体压力检测技术。在分析了分布式光纤布里渊频移测量原理和方法的基础上，本文首先构建了基于光纤受激布里渊散射（SBS）的布里渊光时域分析（BOTDA）实验平台。在不同脉冲宽度入射光下，对该实验平台所测得的布里渊散信号进行洛仑兹拟合优度评估；并与商用布里渊光时域反射计（BOTDR）作了关于散射信号线宽的比较分析，从而验证了该实验平台比BOTDR具有更高的布里渊频移测量精度。该实验平台为本文后续工作的主要实验载体。基于BOTDA技术，本文对两组不同裸光纤进行了布里渊频移的液体压力响应实验。实验表明，布里渊频移与光纤所受到的压力存在负线性关系，对于本文实验所用的G652标准单模裸光纤，其比例系数约为-0.742MHz/MPa。并且，该结果与基于块状硅玻璃的理论推导结果基本一致。此实验和分析验证了光纤布里渊频移在压力作用下的线性敏感特性，为利用基于分布式光纤布里渊频移的传感器进行液体压力检测奠定了基础。为了跟一般情况下光纤不受径向应力时的布里渊频移与光纤应变关系进行比较和统一，本文还设计了一复合力学实验，用于解耦压力导致的光纤轴向应变和径向应变，从而获得了布里渊频移同时与光纤轴向应变和径向应变关系模型的数学表达式。实验结果显示，光纤布里渊频移是这两种应变复合作用的结果，并与这两种应变都成线性关系，但它们的比例系数却存在很大差异，其中轴向应变系数实验值为0.053MHz/μ，径向应变系数实验值为0.029MHz/μ。此实验结论扩展了光纤布里渊频移关于应变的传感理论，并为利用不同光纤护套实现不同压力灵敏度提供理论基础。基于上述布里渊频移与光纤轴向和径向应变的关系模型，本文进而通过数值分析和实验验证方法，量化分析了典型双层聚合物护套结构光纤的外层护套各参数对布里渊频移的温度灵敏度和压力灵敏度影响。分析表明：这两种灵敏度都能通过聚合物护套得以大大增强，其中，温度灵敏度与护套泊松比关系不大，而随着护套的弹性模量、厚度、热膨胀系数增加而增大；然而，压力灵敏度却随着护套弹性模量和泊松比增大而减弱，只能随着护套厚度增加而增强。这些分析为后续利用不同护套结构设计不同温度和压力灵敏度的分布式布里渊传感器提供依据和参考。虽然布里渊频移对压力敏感，但同时也对温度敏感，即压力和温度交叉敏感，而且在现场应用中又难以保持恒温环境。于是，本文利用上述不同护套结构的光纤具有不同压力和温度灵敏度系数的特点，设计了基于双通道分布式光纤布里渊频移的传感器，解决了压力和温度的交叉敏感问题，并实现了压力和温度的同时测量。而且，本文还对该类双通道布里渊传感器的测量误差进行了理论分析和设计质量评估，并得到了基于误差分析的设计准则。以本文所构建的双通道分布式光纤布里渊传感器为例，其理论压力精度和温度精度分别为0.256MPa和0.284°C，此结果对于30MPa左右的井下压力已达到高于1%的精度，而且通过护套的优化设计还可以实现更高精度。最后，本文在井下压力监测的实用化方面做了相关研究工作。不仅根据井下地层分层分块的特点，设计了井下准分布式光纤布里渊压力传感器方案；还根据井下空间狭长的特点，围绕传感探头的小型化做了相关实验和研究：一方面，对于光纤缠绕式传感探头，本文通过实验研究了光纤缠绕对背向布里渊散射信号强度的影响，其结果显示，对于普通单模光纤，为避免布里渊散射信号的强度受到明显影响，光纤缠绕的直径应大于30mm，即所设计的保护壳体的内径应大于30mm；另一方面，对于非缠绕式传感探头，提出了错位布里渊频移法以优化传感器在局部位置的最小可测量长度，使作为传感探头的光纤最短长度可由传统的1m缩短到30cm以下，并且提高被测量（温度或光纤应变）较小时的频谱拟合精度和测量精度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源与背景概要
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题背景概要
• 1.2 光纤传感器技术
• 1.2.1 光纤传感器基本工作原理和分类方法
• 1.2.2 光纤传感器的优点
• 1.2.3 光纤传感器研发与应用进展
• 1.2.4 分布式光纤传感器技术特点和分类
• 1.3 基于分布式光纤布里渊散射的传感器技术
• 1.3.1 光纤中的布里渊散射
• 1.3.2 基于分布式光纤布里渊散射的温度和应变传感原理
• 1.3.3 基于分布式光纤布里渊散射的传感器的分布式测量技术
• 1.3.4 基于分布式光纤布里渊散射的传感器技术发展概况
• 1.4 油井井下压力监测的意义与监测技术发展
• 1.4.1 油井井下压力监测的意义
• 1.4.2 井下压力监测技术发展概况
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第2章 基于 BOTDA 的分布式光纤布里渊频移测量平台构建及其性能分析
• 2.1 引言
• 2.2 BOTDA 基础理论研究及其实验平台构建
• 2.2.1 光纤布里渊频移机理
• 2.2.2 BOTDA 的分布式测量原理与空间分辨率
• 2.2.3 布里渊散射信号增益谱理论分析
• 2.2.4 BOTDA 动态范围与输入光能量限制分析
• 2.2.5 基于 BOTDA 的实验平台构建
• 2.3 基于 BOTDA 的实验平台性能分析
• 2.3.1 实验平台的布里渊信号谱洛仑兹拟合优度分析
• 2.3.2 实验平台的布里渊信号谱半高宽与频移分辨率分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于分布式光纤布里渊频移的液体压力传感原理研究
• 3.1 引言
• 3.2 裸光纤布里渊频移压力响应特性研究
• 3.2.1 裸光纤布里渊频移压力响应实验方案与步骤
• 3.2.2 实验结果
• 3.2.3 基于布里渊频移机理的光纤与硅玻璃压力响应特性比照分析
• 3.3 布里渊频移与光纤轴向和径向应变关系模型的建立
• 3.3.1 布里渊频移与光纤轴向应变和径向应变关系实验方案
• 3.3.2 细长多层圆柱结构的应力-应变本构模型
• 3.3.3 光纤在不同预拉伸和压力组合下的轴向应变和径向应变
• 3.3.4 光纤在不同预拉伸和压力组合下的布里渊频移
• 3.3.5 布里渊频移与光纤轴向应变和径向应变关系模型
• 3.3.6 关于布里渊频移与光纤轴向和径向应变关系模型的讨论
• 3.4 本章小结
• 第4章 护套参数对布里渊频移温度和压力灵敏度影响规律的研究
• 4.1 引言
• 4.2 带护套光纤的结构和物理模型
• 4.3 护套对光纤布里渊频移的温度灵敏度影响
• 4.3.1 护套参数对光纤布里渊频移的温度灵敏度影响理论分析
• 4.3.2 护套对光纤布里渊频移温度灵敏度影响实验研究
• 4.3.3 讨论
• 4.4 护套对光纤布里渊频移压力灵敏度影响
• 4.4.1 护套参数对光纤布里渊频移的压力灵敏度影响理论分析
• 4.4.2 护套对光纤布里渊频移压力灵敏度影响实验研究
• 4.4.3 讨论
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于双通道分布式光纤布里渊频移的压力温度同时测量技术研究
• 5.1 引言
• 5.2 基于双通道分布式光纤布里渊频移的压力温度同时测量理论模型
• 5.3 双通道分布式布里渊传感器的联接与结构拓扑
• 5.4 基于双通道分布式光纤布里渊频移的压力温度同时测量技术实验研究
• 5.4.1 实验装置与实验方法
• 5.4.2 实验结果与分析
• 5.5 基于双通道分布式光纤布里渊频移的压力温度同时测量技术误差分析
• 5.5.1 基于灵敏度系数矩阵条件数的误差与设计质量预估
• 5.5.2 误差定量分析
• 5.5.3 实际设计方案的误差数值分析
• 5.6 本章小结
• 第6章 基于分布式光纤布里渊频移的井下压力传感器技术研究
• 6.1 引言
• 6.2 井下压力监测和传感器总体方案
• 6.3 光纤缠绕对布里渊信号强度的影响实验
• 6.3.1 实验目的
• 6.3.2 实验方案
• 6.3.3 实验结果和讨论
• 6.4 错位布里渊频移法优化传感器最小测量长度
• 6.4.1 高空间分辨率的分布式光纤布里渊传感器技术
• 6.4.2 错位布里渊频移法的设计理念和方案
• 6.4.3 布里渊双峰曲线拟合函数与拟合算法
• 6.4.4 错位布里渊频移法的实验研究
• 6.5 井下压力传感器的保护与封装
• 6.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢
• 个人简历