新型光纤磁场传感技术研究

论文摘要

在油气田勘探测井和生产测井行业中,一般采用磁定位测井来获得准确的磁定位曲线,以此作为测井项目中校准深度的基础资料,对于快速准确定位套管结构、测井设备的位置和检测油套管中的损伤等都具有重要意义。光纤传感器具有尺寸小、灵敏度高、耐腐蚀、易复用、多物理量测量、可工作在井中的恶劣环境和对测量对象无影响等优势,在测井行业中受到极大关注。本论文主要工作是基于微米锥形光纤和包层型光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating,FBG）的传感机理的研究,提出并制作了多种具有磁场方向相关性的光纤磁场传感器,并对这些传感器进行了理论分析和实验研究。论文的主要内容如下:1.综述了光纤磁场传感器分类和研究现状,研究了微米锥形光纤和包层型光纤布拉格光栅的模式耦合特性,Mach-Zehnder干涉型和包层型光纤布拉格光栅的磁场传感器的传感机理,对比分析了几种常见的微米锥形光纤的制作方法。2.提出了一种基于圆柱光学微谐振腔的回音壁模式（Whispering Gallery Mode,WGM）型磁场传感器,并对传感器进行了理论分析和实验研究。实验结果表明,在40-140 Oe磁场强度范围内,该传感器的磁场灵敏度为-0.04 dB/Oe。3.研制了两种Mach-Zehnder干涉型光纤磁场传感器。（1）提出了一种基于微米锥形细芯光纤结合磁流体的磁场传感器,对传感器进行了理论分析和实验研究。利用锥形细芯光纤的纤芯基模和包层模形成干涉,由外界磁场强度改变引起干涉光谱规律性变化的机理,实现了对磁场强度高灵敏测量。实验结果表明,在40-160 Oe磁场强度范围内,该传感器的磁场灵敏度为-0.10 dB/Oe。（2）在锥形少模光纤的锥区利用飞秒激光进行折射率调制形成非圆对称结构,研制了一种具有磁场方向相关性的磁场传感器,给出了一种激发两模光纤中LP11模的方法。LP11模的有效折射率对外界环境折射率变化较敏感,使该传感器的干涉谱对外界磁场响应明显。实验结果表明,在40-120 Oe磁场强度范围内,该传感器的磁场灵敏度可达0.11 dB/Oe,并呈现了显著的磁场方向相关性。传感器的温度响应测试结果表明温度变化对磁场测量引入的误差较小,可以忽略。4.利用飞秒激光器和相位掩模板技术,在多包层光纤（Multi-Clad Fiber,MCLF）的纤芯和包层上同时刻写光纤布拉格光栅,充分激发纤芯基模和包层模,提高耦合效率及稳定性,并与磁性材料有效结合,研制了两种高灵敏的光纤磁场传感器。（1）利用高阶包层模式对折射率变化的敏感特性,结合磁流体实现磁场强度大小和方向相关性测量。实验结果表明,该结构传感器在60-110 Oe磁场范围内,磁场灵敏度高达-0.14dB/Oe;传感器温度灵敏度为12 pm/oC。该结构是一种磁场和温度同时测量的传感器。（2）利用低阶包层模对弯曲的敏感特性,结合PW-080线性磁敏感材料制作的磁场传感器,实现了对磁场强度高灵敏测量,但具体数值需要进一步分析,同时该传感器呈现了显著的磁场方向相关性。本论文的光纤磁场传感器都是基于能量解调的方式,相比于波长解调的传感器提高了传感的稳定性。同时,具有结构紧凑、灵敏度较高、易复用、有方向相关性等优点,对石油测井行业磁场传感检测仪器的研制提供了基础。

论文目录

摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 光纤传感技术

1.2.1 光纤传感器基本原理和特点

1.2.2 光纤传感器的分类

1.3 光纤磁场传感技术

1.3.1 磁场传感器概述

1.3.2 光纤磁场传感器类型

1.3.3 基于磁流体光纤磁场传感器研究现状

1.4 研究内容

1.5 论文结构

第二章微米锥形光纤和光纤布拉格光栅传感理论

2.1 锥形光纤传输理论

2.1.1 锥形光纤的光线理论

2.1.2 锥形光纤的波动理论

2.1.3 锥形光纤传输相关参数和功率分布

2.2 锥形光纤磁场传感器传感原理

2.2.1 回音壁模式型光纤磁场传感器传感原理

2.2.2 Mach-Zehnder干涉型磁场传感器传感原理

2.3 光纤布拉格光栅传感原理

2.3.1 光纤布拉格光栅耦合模理论

2.3.2 倾斜光栅耦合模理论

2.3.3 光纤布拉格光栅传感理论

2.3.4 光纤布拉格光栅刻写技术

2.4 本章小结

第三章基于回音壁模式的光纤磁场传感器

3.1 磁流体概述

3.1.1 磁流体的成分

3.1.2 磁流体光学特性

3.2 回音壁模式型磁场传感器的理论分析和制作

3.2.1 理论分析

3.2.2 锥形光纤的制备工艺

3.2.3 传感器的制作

3.3 实验结果与讨论

3.4 本章小结

第四章基于锥形细芯光纤磁场传感器

4.1 基于Mach-Zehnder干涉的光纤磁场传感器

4.1.1 传感器的制作

4.1.2 理论分析

4.2 实验结果与讨论

4.2.1 磁场传感实验

4.2.2 温度传感实验

4.2.3 磁场和温度交叉灵敏问题

4.3 本章小结

第五章基于锥形少模光纤磁场传感器

5.1 传感器的传感原理和制作

5.1.1 传感器的制作

5.1.2 传感器的传感原理

5.2 实验结果和讨论

5.2.1 磁场传感实验

5.2.2 温度传感实验

5.3 本章小结

第六章包层型光纤光栅磁场传感器

6.1 基于高阶包层模的传感器制作及传感原理

6.1.1 传感器的制作

6.1.2 传感器传感原理

6.1.3 磁场测量实验

6.1.4 温度测量实验

6.2 基于低阶包层模的传感器制作及传感原理

6.2.1 传感器的制作

6.2.2 传感器传感原理

6.2.3 磁场测量实验

6.3 本章小节

第七章总结和展望

7.1 全文总结

7.2 工作展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间取得的科研成果

作者简介

文章来源

类型: 博士论文

作者: 张军英

导师: 乔学光

关键词: 光纤磁场传感器,光纤布拉格光栅,模式干涉,锥形光纤,磁流体

来源: 西北大学

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: 西北大学

分类号: TN253;TP212

DOI: 10.27405/d.cnki.gxbdu.2019.000277

总页数: 105

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