特殊环境下服役的光纤光栅传感器功能性封装技术的研究

论文摘要

温度和压力是工程技术中重要的参数,尤其在高温高压油气井环境中,为了安全生产等原因,必须对温度和压力进行实施检测。利用光纤光栅对温度和压力敏感的特性,设计光纤光栅传感器,实现温度和压力两个参量的传感与检测,对其封装技术进行了较为系统的研究。主要包括：光纤布拉格光栅的基本理论及温度应变传感原理；分析了基底材料、粘接剂的性能对光纤光栅传感器性能参数的影响；粘接剂的实验研究；最后对各部分性能进行了实验研究。首先,介绍了光纤及光纤光栅的发展过程,基于光纤光栅耦合模理论,分析了光在光纤光栅中传输的基本特性。以此为基础,建立了光纤光栅温度和压力的应变传感机理。指出了光纤光栅传感器在高温高压油气井中应用时存在的技术难题。其次,以经典的薄壁筒式和等强度悬臂梁式封装机构为例,分析了封装结构的尺寸和基底材料物理参数(如弹性模量、热膨胀系数、泊松比等)与迟滞效应对传感器的温度、压力灵敏度以及重复性等产生的影响,根据要求与某公司合作研制了一种性能优异的铌基合金做基底材料,降低了由迟滞效应导致的迟滞误差。然后,阐述了环氧树脂粘接剂的改性机理,并选用其中的一种环氧粘接剂进行了实验研究,实验结果表明改性后的粘接剂能够满足高温要求。最后,采用新研制的铌基合金做基底材料,设计了工形的光纤光栅温度压力传感器,并进行了相关的实验测试,测试结果表明其性能及技术指标均符合实际使用的要求。解决在特殊环境下服役的光纤光栅传感器的以下几个问题①扩展量程②增敏③温度补偿④交叉敏感⑤迟滞问题⑥密封保护。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 光纤光栅技术的发展历程
• 1.3 光纤光栅传感技术的研究现状
• 1.4 油气井下光纤光栅传感技术的应用进展
• 1.5 课题的来源、目的及意义
• 1.6 本论文的主要工作
• 第二章 光纤布拉格光栅的基本理论
• 2.1 光纤光栅的结构及分类
• 2.1.1 光纤结构及分类
• 2.1.2 光纤光栅结构及分类
• 2.2 光纤传光原理
• 2.3 光纤布拉格光栅的耦合模理论
• 2.3.1 光纤中存在的模式
• 2.3.2 耦合模理论
• 2.3.3 光纤布拉格光栅的耦合模理论分析
• 2.4 传感原理
• 2.4.1 应变传感理论
• 2.4.2 温度传感理论
• 2.4.3 压力传感理论
• 2.5 温度压力的区分测量方法
• 2.6 小结
• 第三章 封装结构与基底材料
• 3.1 封装结构
• 3.1.1 只对温度敏感的封装结构
• 3.1.2 只对压力敏感的封装结构
• 3.1.3 可同时区分测量温度压力的封装结构
• 3.2 基底材料
• 3.2.1 高温合金简介
• 3.2.2 基底材料的特性对传感器性能的影响
• 3.3 基底材料的研制与封装结构设计
• 3.3.1 材料的研制
• 3.3.2 封装结构的设计
• 3.4 小结
• 第四章 粘接剂的研究
• 4.1 粘接剂的基础原理
• 4.1.1 粘接剂的有关理论
• 4.1.2 环氧树脂改性处理
• 4.2 粘接剂的实验研究
• 4.2.1 环氧树脂粘接剂
• 4.2.2 粘接剂性能测试
• 4.3 小结
• 第五章 封装实验及结果分析
• 5.1 实验系统及实验过程
• 5.1.1 实验系统
• 5.1.2 实验过程
• 5.2 误差分析
• 5.2.1 传感器的灵敏度误差
• 5.2.2 传感器的静态误差
• 5.3 光纤光栅传感器封装的其它实验
• 5.3.1 光栅粘贴方式的实验研究
• 5.3.2 不同基底材料的对比实验研究
• 5.4 小结
• 第六章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位论文期间发表的论文
• 详细摘要