新型高性能光纤传感器研究
发布时间：2024-03-30 19:26
油气田勘探、生产测井在资源勘探开发和高效采油等方面具有重要的意义。井下多参量检测有助于全面认识地下地质面貌、发现和评价油气层、获取钻井、录井第一性资料。光纤传感器因为自身的优势(体积小、抗电磁干扰、灵敏度高、易于复用等特点)将在该领域具有广泛的应用前景。本论文研究中,制作了基于干涉型和光纤Bragg光栅型(FBG)的光纤传感器,分别实现了多种参量的测量,对这些光纤传感器进行了深入的结构特性和实验测量研究。本论文的主要研究工作包括：1.制作了两种光纤温度传感器。(1)通过在单模光纤端面涂覆一定厚度的聚乙烯醇(PVA)薄膜制作了一种Fabry-Perot (FP)干涉结构,由于PVA材料较大的熟膨胀系数,该FP干涉结构对环境温度变化具有高灵敏响应特性。此外,可以通过改变腔体的长度改善该结构的温度灵敏度,实验测得温度灵敏度可达319 pm/℃。但由于PVA材料在高温(>100℃)时会发生醇解等反应,影响传感性能。(2)为了能够满足高温测量需求,选择保偏光子晶体光纤(可耐高温至1100℃)作为传感光纤,干涉结构的制作主要是通过将一段6 cm长的保偏光子晶体光纤与单模光纤熔接,基于Sagn...
【文章页数】：127 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 研究意义
1.2 光纤传感概述
1.3 光纤传感类型
1.3.1 干涉型光纤结构
1.3.2 FBG传感类型
1.4 井中光纤检测环境参量
1.5 井中光纤传感发展方向及关键技术
1.6 研究内容
1.7 论文结构
第二章 理论基础
2.1 非均匀光波导的模式耦合方程
2.2 几种干涉结构机理
2.2.1 多模干涉结构
2.2.2 FP干涉结构
2.2.3 MZ干涉和MI干涉结构
2.2.4 SAGNAC干涉结构
2.3 FBG原理及刻写技术
2.3.1 FBG原理
2.3.2 FBG刻写技术
第三章 光纤温度传感器研究
3.1 基于FP干涉的微型光纤温度传感器
3.1.1 FP干涉结构制作
3.1.2 FP干涉特性和传感原理
3.1.3 温度测量实验
3.2 基于保偏光子晶体光纤的超高温传感器
3.2.1 传感系统理论分析
3.2.2 温度测量实验及讨论
3.3 本章小结
第四章 光纤折射率传感器研究
4.1 温度自校准的多模干涉型折射率传感器
4.1.1 传感器结构设计和制作
4.1.2 干涉结构传感原理
4.1.3 折射率和温度测量实验
4.2 基于MZ干涉的光纤折射率传感器
4.2.1 传感结构的设计和制作
4.2.2 MZ干涉特性及其折射率传感原理
4.2.3 折射率测量实验与讨论
4.3 基于多模FBG包层模复耦合的折射率传感器
4.3.1 传感器设计和制作
4.3.2 折射率测量实验及讨论
4.4 基于光纤纤芯失配的准MI干涉传感器
4.4.1 准MI干涉结构的制作和光谱特性
4.4.2 液位测量实验及结果讨论
4.4.3 温度测量
4.4.4 基于细芯光纤的准MI干涉结构
4.4.5 实验测量及讨论
4.5 本章小结
第五章 光纤应变传感器研究
5.1 基于FBG包层模复耦合的位移和温度同时测量
5.1.1 光谱特性及传感原理
5.1.2 位移和温度同时测量实验
5.2 基于刻写在细芯光纤上的FBG的位移传感器
5.2.1 FBG的刻写及反射机理
5.2.2 位移测量实验
5.3 基于保偏FBG的正交极化耦合的矢量压力传感器
5.3.1 保偏FBG传感系统
5.3.2 横向应力测量和讨论
5.4 基于保偏光子晶体光纤的角度传感器
5.4.1 传感系统理论分析
5.4.2 实验及讨论
5.4.3 混合型干涉结构
5.4.4 角度测量实验研究
5.5 方向相关的包层FBG振动传感仪
5.5.1 FBG刻写
5.5.2 加速度测量
5.6 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望及下一步研究工作计划
参考文献
攻读博士学位期间取得的科研成果
致谢
本文编号：3942827
【文章页数】：127 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 研究意义
1.2 光纤传感概述
1.3 光纤传感类型
1.3.1 干涉型光纤结构
1.3.2 FBG传感类型
1.4 井中光纤检测环境参量
1.5 井中光纤传感发展方向及关键技术
1.6 研究内容
1.7 论文结构
第二章 理论基础
2.1 非均匀光波导的模式耦合方程
2.2 几种干涉结构机理
2.2.1 多模干涉结构
2.2.2 FP干涉结构
2.2.3 MZ干涉和MI干涉结构
2.2.4 SAGNAC干涉结构
2.3 FBG原理及刻写技术
2.3.1 FBG原理
2.3.2 FBG刻写技术
第三章 光纤温度传感器研究
3.1 基于FP干涉的微型光纤温度传感器
3.1.1 FP干涉结构制作
3.1.2 FP干涉特性和传感原理
3.1.3 温度测量实验
3.2 基于保偏光子晶体光纤的超高温传感器
3.2.1 传感系统理论分析
3.2.2 温度测量实验及讨论
3.3 本章小结
第四章 光纤折射率传感器研究
4.1 温度自校准的多模干涉型折射率传感器
4.1.1 传感器结构设计和制作
4.1.2 干涉结构传感原理
4.1.3 折射率和温度测量实验
4.2 基于MZ干涉的光纤折射率传感器
4.2.1 传感结构的设计和制作
4.2.2 MZ干涉特性及其折射率传感原理
4.2.3 折射率测量实验与讨论
4.3 基于多模FBG包层模复耦合的折射率传感器
4.3.1 传感器设计和制作
4.3.2 折射率测量实验及讨论
4.4 基于光纤纤芯失配的准MI干涉传感器
4.4.1 准MI干涉结构的制作和光谱特性
4.4.2 液位测量实验及结果讨论
4.4.3 温度测量
4.4.4 基于细芯光纤的准MI干涉结构
4.4.5 实验测量及讨论
4.5 本章小结
第五章 光纤应变传感器研究
5.1 基于FBG包层模复耦合的位移和温度同时测量
5.1.1 光谱特性及传感原理
5.1.2 位移和温度同时测量实验
5.2 基于刻写在细芯光纤上的FBG的位移传感器
5.2.1 FBG的刻写及反射机理
5.2.2 位移测量实验
5.3 基于保偏FBG的正交极化耦合的矢量压力传感器
5.3.1 保偏FBG传感系统
5.3.2 横向应力测量和讨论
5.4 基于保偏光子晶体光纤的角度传感器
5.4.1 传感系统理论分析
5.4.2 实验及讨论
5.4.3 混合型干涉结构
5.4.4 角度测量实验研究
5.5 方向相关的包层FBG振动传感仪
5.5.1 FBG刻写
5.5.2 加速度测量
5.6 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望及下一步研究工作计划
参考文献
攻读博士学位期间取得的科研成果
致谢
本文编号：3942827
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