随钻光纤光栅温度传感器的研究与设计

论文摘要

光纤光栅传感技术是在光纤通讯技术的基础上发展起来的一种光纤传感技术,其原理是基于外界物理参量对光纤布拉格波长的调制来获取传感信息。相比于光纤通讯技术的大红大紫,光纤光栅传感技术则是方兴未艾。自1989年首次使用光纤光栅传感器以来,光纤光栅传感器因其探头小、不受电磁干扰、不受化学腐蚀影响、易于与光纤耦合通信、灵敏度高等优点引起了世界范围内专家和学者们的广泛关注。到目前为止,光纤光栅传感器已在土木结构质量检测、飞机燃料存储箱监测、航天飞机监测、医学影像检测、矿井油井温度检测等领域进行了广泛的应用,也取得了一定的成绩,且仍有广大的应用前景和发展潜力。本文主要研究光纤光栅传感器在随钻测量中的应用,旨在实现石油钻探作业时,钻进过程中钻头附近井筒温度的实时采集。以便于在钻探录井时,结合井筒压力等其它实时采集的录井参数,有效预警井喷、井漏等钻井安全事故,提高石油钻探作业的安全性。目前市场上存在的光纤光栅传感器多为宽带光源、传感器、解调系统三者分离的状态,且解调装置往往体积较大,难以满足随钻测量的现场要求。本文针对现有光纤光栅传感器的这些缺点,对光纤布拉格光栅温度传感器的宽带光源、温度传感和波长解调电路进行了一体化和小型化研究,并基于相关研究成果设计了仿真原理电路和宽度小于4cm、可嵌入钻杆短接中的印刷电路板,基本符合随钻测量的要求。测试结果表明,本系统的工作温度,相当于工作在井下1694米深度,测量精度可达1℃,能满足本系统设计的要求。为了满足这些要求,本文使用自制的宽带光源和波长解调系统。本文设计的创新之处在于实现了宽带光源、光纤布拉格光栅温度传感器和波长解调系统的一体化和小型化,从这个角度出发,本文详细介绍了光纤布拉格光栅温度传感器的工作原理,掺铒光纤宽带光源的实现原理和实现方式,可调谐F-P滤波器的工作原理和波长解调系统的方案设计与实现。此外本文还对常见的光纤布拉格光栅反射波波长的解调方式,进行了优缺点的对比。在掺铒光纤宽带光源的设计和实现中,980nm泵浦激光器的温度闭环控制是重点,因为温度的稳定与否对激光器的性能有着很大的影响,进而会使得宽带光源的性能受到影响。可调谐F-P滤波器波长解调系统的设计则是本文工作的重中之重,本文详细介绍了可调谐F-P滤波器的几个重要的参数,对于这些参数的理解,是设计波长解调系统的关键,是提高波长解调精度的基础。本文的最后进行了可调谐F-P滤波器驱动特性实验、光纤布拉格光栅温度敏感性实验以及系统的温度测量实验。实验结果符合预期。

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Abstract

第1章绪论

1.1 引言

1.2 光纤概述

1.3 光纤光栅概述

1.3.1 光纤光栅制作

1.3.2 光纤光栅折射率变化原理

1.3.3 光纤光栅的光传播模式

1.3.4 光纤光栅的用途

1.4 光纤光栅传感器国内外研究进展与现状

1.4.1 国外研究进展

1.4.2 国内研究进展

1.4.3 光纤光栅传感器在石油中的应用

1.4.4 目前阶段存在的一些问题和研究方向

1.5 本文的主要研究内容和方向

第2章光纤布拉格光栅温度传感器

2.1 光纤布拉格光栅传感原理

2.2 光纤布拉格光栅温度传感原理

2.3 常见光纤光栅波长解调方法

2.3.1 光谱仪解调法

2.3.2 非平衡M-Z干涉仪解调法

2.3.3 边沿滤波器解调法

2.3.4 可调谐F-P滤波器解调法

2.4 本章小结

第3章掺铒宽带光源的设计

3.1 掺铒宽带光源原理简介

3.1.1 掺铒光纤宽带光源发光原理

3.1.2 掺铒光纤光源的主要参数

3.2 掺铒光纤宽带光源的结构

3.2.1 单程前向结构

3.2.2 单程后向结构

3.2.3 双程前向结构

3.2.4 双程后向结构

3.3 掺铒光纤宽带光源设计

3.3.1 光纤连接器

3.3.2 980nm/1550nm波分复用器

3.3.3 光纤隔离器

3.4 980nm泵浦激光器

3.4.1 半导体激光器的原理

3.4.2 半导体激光器的封装与激光输出

3.4.3 半导体激光器的温度特性

3.5 本章小结

第4章可调谐F-P滤波器波长解调系统设计

4.1 可调谐F-P滤波器解调波长原理

4.1.1 可调谐F-P滤波器透射光强与波长的关系

4.1.2 可调谐F-P滤波器的自由光谱范围

4.1.3 可调谐F-P滤波器的精细度

4.2 可调谐F-P滤波器解调波长系统

4.2.1 可调谐F-P滤波器压电陶瓷驱动

4.2.2 可调谐F-P滤波器的最大驱动电压

4.2.3 可调谐F-P滤波器的最大驱动频率

4.2.4 可调谐F-P滤波器的最大输入光功率

4.2.5 可调谐F-P滤波器的电压与自由光谱范围的关系

4.2.6 可调谐F-P滤波器解调波长的实现方案

4.2.7 波长解调使用的光器件

第5章系统的电路设计

5.1 系统电源电路

5.1.1 +12V电源电路

5.1.2 +32V可调电压电路

5.1.3 +5V电压电路

5.1.4 -5V电压电路

5.1.5 2.5 V基准电压电路

5.2 半导体激光器的驱动电路

5.2.1 激光器的电流驱动

5.2.2 激光器的保护电路

5.2.3 激光器的软起动电路

5.2.4 激光器的温度闭环控制电路

5.3 可调谐F-P滤波器的驱动电路

5.3.1 DAC8551 数模转换电路

5.3.2 DAC8551 驱动F-P滤波器

5.4 光信号采集A/D转换电路

5.4.1 电流放大和I/V转换电路

5.4.2 电压放大电路

5.4.3 A/D信号转换电路

5.4.4 A/D采集电压值计算

第6章系统性能测试与分析

6.1 系统测试环境

6.2 可调谐F-P滤波器的驱动特性测试

6.3 光纤布拉格光栅温度传感器温敏特性测试

6.4 光纤布拉格光栅温度传感器性能测试

6.4.1 实验过程及结果

6.4.2 误差分析

6.5 随钻光纤布拉格光栅温度传感器检测温度的可行性

6.5.1 体积要求

6.5.2 温度要求

第7章总结与展望

7.1 本文工作的总结

7.2 对未来研究的展望

致谢

参考文献

个人简介

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 丁厚

导师: 胡杰

关键词: 光纤布拉格光栅,随钻测量,掺铒光纤,温度传感,小型化,滤波器,波长解调

来源: 长江大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,自动化技术

单位: 长江大学

分类号: TP212;TN253

总页数: 89

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