光纤压力传感器

光纤F-P腔
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光纤光栅压力传感器

2.光纤压力传感器在煤矿领域的研究
研究背景： 鉴于国内煤炭安全问题频出 , 煤矿安全监控行业也逐渐被人们所
重视, 先进而可靠的监控技术可以极大的提高和保障煤矿安全生产能效 , 并且 可以预测或预警事故的发生。光纤传感具有本质安全、耐腐蚀、漂移小、灵敏 度高、使用寿命长并且便于与光纤环网通信系统融合等一系列独特优势 , 已广 泛应用于油井、电力、建筑等高危行业。同时光纤传感器也非常适用于煤矿井 下单点或多点多参数检测, 是煤矿安全监控的理想选择。
光纤压力传感器
主要内容

一、光纤传感技术概念 二、光纤压力传感器分类
三、光纤压力传感器的应用
光纤传感技术概念

光纤传感技术
伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种以光为载体, 光纤为媒质,感知和传输外界信号(被测量)的新型传感技术。当这种外界信号为 压力时,即构成光纤压力传感器。光纤压力传感器作为一种新型的传感器 ,与传 统的压力传感器相比体积小、重量轻,具有电绝缘性、不受电磁干扰、可用于易 燃易爆的环境中等优点,另外还可以构成光纤分布式压力传感器 ,对桥梁、大坝 等进行健康状况的实时监测。
优点：结构简单、成本低、精度高、易调试等。
一、强度调制光纤压力传感器

消逝波耦合性
原理：根据受抑全
反射原理，当两根 光纤的纤芯相互靠 近到一定距离时,消 逝光波可以从一根 光纤耦合进入到另 一根光纤中去。
优点：灵敏度很源自文库,当两根光纤靠的很近时,即使间隙变化很小(即被测压力
改变量很小),相对输出光强仍有很大的变化。 缺点：这种传感器对光纤端面平整度要求较高,当光纤端面距离增加时,耦 合效率将成指数减小,因此动态范围比较小,不适合压力变化较大的场合。
光纤压力传感器的应用

1.光纤压力传感器在称重领域应用研究 2.光纤压力传感器在煤矿中的应用研究
3.光纤压力传感器在原油开采中的应用研究
1. 光纤压力传感器在称重领域的研究

研究背景：称重领域是光纤压力传感器应用的一个方向 ,目前主要集
中于动态称重方面的研究。动态称重指在汽车运动状态下称出其质量， 利用光纤压力传感器进行称重已成为目前动态称重研究的重点。
二、频率调制光纤压力传感器

频率调制光纤压力传感器
原理：硅谐振器在
调制光的激励下以固 有频率振动,当压力 影响了硅谐振器的频 率后,通过检测频率 的变化就可以得到压 力的大小。
优点：测量精度高,抗干扰能力强,采用频率输出,属于数字式传感器,省掉
了模数转换环节,具有广泛的应用前景。
三、相位调制光纤压力传感器

Mach-Zehnder干涉式光纤压力传感器
原理：光纤内传播
的光波相位在压力的 作用下发生变化,通 过干涉测量技术把相 位变化转换为光强变 化,从而检测出待测 的压力值。
优点：体积小,并且制造成本较低，灵敏度高。
四、波长调制光纤压力传感器

光纤光栅压力传感器
原理：光纤布拉格光栅贴在
形变体上,当压力加在被测物 体上时,形变体受到外界压力 产生形变,光纤光栅的有效折 射率和光纤周期都将发生变 化,光源发出的宽带光经发生 形变的光纤光栅反射,布拉格 波长产生移位,通过光谱仪测 量反射光的光谱,根据公式可 得到压力的大小。
封装好的动态称重传感器

1.2 强度调制型光纤压力传感器在称重领域的研究
工作原理： 采用传感光纤与
一根横截面为圆形的均匀细 线绞合的办法使光纤产生一 个预弯曲，在光纤受力时， 曲率会发生变化，从而使光 纤的损耗值也发生变化，其 结构如图所示，该力一案可 通过 OTDR 技术或正向光功率 测量技术测量光纤弯曲损耗。


基于迈尔讯干涉仪动态称重系统

1.4 波长调制型光纤压力传感器在称重领域的研究
工作原理： 根据光纤光栅的中心
波长漂移特性，利用光纤光栅进行 压力测量的实验基本方案如图。透 射型和反射型光纤光栅压力传感器 都需进行波长解调而得到压力值。 在进行称重实验时，多用将光纤光 栅贴在形变体上的方法。研究人员 一般采用承重梁模型或悬臂梁模型， 光纤光栅被平行或垂直的贴在承重 梁上，当车辆通过时，光纤光栅受 到拉伸或压缩 ! 通过解调波长得到 车辆的质量。
发展趋势：光纤传感测井技术是近年
来国内外石油企业一直非常关注的测井 技术，有着非常广阔的应用前景。现在 普遍采用的电子式压力计，已满足不了 测试需要，必须采用适用于高压环境的 光纤式压力监测系统。因此、其市场空 间是巨大的。

3.1 油井下光纤压力传感器
基本原理： 光纤压力传感器系
统的核心器件是由在一根光纤 端部相邻串联的一个光纤 F-P 腔 压力传感元件构成。其中光纤 压力传感器采用非本征 F-P 干涉 仪作为压力传感元。 F-P 干涉仪 （又叫 F-P 腔）的基本结构是两 个平行的平面反射镜，光经过 反射镜时会在两个反射镜之间 发生多次反射，经历不同反射 次数的光束之间会发生干涉效 应，而干涉光谱特征与两个反 射镜之间的距离有确定的对应 关系。
双拱型结构ＦＢＧ压力传感装置结构和外型图


3.光纤压力传感器在原油领域的研究
研究背景：伴随新的技术的采用，也
给用于提供井下地球物理信息的传感器 提出了更加苛刻的要求。因此，对油藏 和石油井下的一些关键的物理参数以及 他们随着时间和空间的变化实时、在线 的测量和监测就变得非常重要。比如对 于海上油田，许多超深油井下的压强高 达近百MPa，对传感器的工作压力范围 也提出了极高的要求。

ＦＢＧ称重原理图

2.2 矿用光纤液压传感器
工作原理： 当上部通道传
入压强时 , 此装置中部活塞 向下运动 , 通过触点使得双 拱型悬臂梁发生形变。此时 粘贴在悬臂梁一侧的ＦＢＧ 会受到径向应力的作用。通 过有限元分析悬臂梁的受力 不均匀 , 从而ＦＢＧ变为了 啁啾光纤光栅 , 这就会导致 ＦＢＧ反射波谱宽的增加。
绞合式光纤压力传感器

1.3 相位调制型光纤压力传感器在称重领域的研究
工作原理：通过干涉测量技术，相 位调制型光纤压力传感器测量光纤 内传播的光波相位在压力作用下发 生的变化。该技术用在称重领域通 过测量压力后转换为质量。
实例： 2005 年，袁申芳等人设计了 一套基于迈尔讯干涉仪动态称重系 统。如有图所示将干涉仪的测量光 纤铺设在一块钢板上。当有压力作 用在钢板上时，干涉仪输出信号会 发生变化，通过测量输出信号的变 化进行称量。该称重系统结构简单， 价格低，可为许多实际应用提供更 高精度需求。

应用：光纤压力传感器包括强度调制型、相位调制型及波长调制型。

1.1 强度调制型光纤压力传感器在称重领域的研究
基本原理：当光
纤弯曲时，在光纤 中传输的导行模会 在弯曲点变为辐射 模，损耗掉部分光 功率，光功率的损 耗值与待测压力具 有一定关系，通过 测量光功率可得到 待测压力。
光纤加强材料和光纤光栅组成的传感器
一、强度调制光纤压力传感器

微弯型
原理：当齿形板受
外部扰动时,光纤的 微弯程度随之变化, 从而导致输出光功 率的改变,通过光检 测器检测到的光功 率变化来间接地测 量外部压力的大小 。
优点：结构简单,容易装配,造价低。 缺点：传感器的微弯结构周期要求严格,因此机械设计相当复杂,另外加速度
效应也会使其性能恶化。
基本原理：压力(应力)是光纤光栅传感器的主要检测量之一 , 压力(应力)的
变化可被光纤光栅传感器直接感知。而压力(应力)在不同场合表示不同的物理 量, 煤矿中很多和压力(应力)有关的参数都可由光纤光栅传感器感知测量。
应用：矿用光纤称重传感器、矿用光纤液压传感器等。

2.1 矿用光纤称重传感器
工作原理： 没有施加载荷作用
时, 光谱仪接收到的光纤光栅布 拉格反射光谱具有单一的反射峰 ; 当载荷增加到一定程度时 , 在光 谱仪中看到反射光谱逐渐变宽、 幅值逐渐减小, 直至出现两个峰 值, 随外界载荷的增加, 反射峰 向波长方向移动, 并伴随着两个 反射峰彼此越发分离。再通过保 偏分束器将两个反射波峰分离开, 进入功率探测器就可以实现简单 的光纤光栅反射光谱的解调。
一、强度调制光纤压力传感器

透射型
原理：在发射光纤与
接收光纤之间放置一 个遮光片,对进入接收 光纤的光束产生一定 程度的遮挡,外界信号 通过控制遮光片的位 移来制约遮光程度,实 现对进入接收光纤的 光强进行调制。
优点：灵敏度高，线性度好。
一、强度调制光纤压力传感器

反射型
原理：利用弹
性模片在压力作 用下变形从而调 制反射光功率信 号,压力的大小 与发射光的强度 成一定关系。
优点：精度高、大量程测量分辨率高、抗干扰能力强、测量结果具有很好
重复性,因此常用于温度、压力和液体高度等的测量。
五、分布式光纤压力传感器

基于OTDR的分布式压力传感器
原理：当钢丝绳受轴向应力
作用而被拉伸时,光纤也一起 跟着被拉紧,并贴敷在绳索上 ,从而光纤产生侧向变形。另 外随着钢绳的纵向拉长,其直 径将不断减小,同时它对光纤 产生的微弯曲率脉冲峰值、 宽度将分别增大和减小,这样 就造成光纤的光功率损耗,建 立损耗与应变的关系,从而测 量出应变量的大小。