光纤传感器在石油测井中的应用

光纤传感器具有体积小、重量轻、抗干扰能力强、实时、高效、准确等优点。将其应用于石油测井，有利于提高勘探效率。介绍了流量测量、温度测量、压力测量、含水（气）率测量、密度测量、声波测量、自然伽马测量、光学电视测量等光纤传感器在测井中应用的基本原理以及光纤传感技术在石油测井方面的应用进展，列举了利用非本征F-P腔型光纤传感器测量压力、温度，利用光纤传感器和纳米技术测定油井的含水率等石油测井技术，分析了其优缺点。     

利用光纤法布里-珀罗谐振器干涉透射波长同时测量混合溶液中多溶质浓度(英文)

为了同时探测混合溶液中多种溶质的浓度,提出一种用光纤法布里-珀罗谐振器作为传感器测量混合溶液中多溶质浓度的测量系统.从理论上分析了光纤法布里-珀罗谐振器干涉透射波长与混合溶液浓度之间的关系,采用光纤法布里-珀罗谐振器干涉透射波长实现了高准确度同时测量混合溶液中多溶质浓度的原理和可行性.构建了由InGaAs发光二极管光源、光纤耦合器、FFPR传感器、光电信号转换和放大器、光谱分析仪等组成的测量系统.对乙醇和甘油的9组标准混合溶液进行测量实验,并用测量结果标定了混合溶液中各溶质浓度与光纤法布里-珀罗谐振器传感器干涉透射波长之间的数学解析关系式.根据数学关系式用Action Script 2.0脚本语言编写程序,计算机实时监控了混合溶液中各溶质浓度的变化过程.     

利用光纤法布里-珀罗谐振器干涉透射波长同时测量混合溶液中多溶质浓度

为了同时探测混合溶液中多种溶质的浓度,提出一种用光纤法布里-珀罗谐振器作为传感器测量混合溶液中多溶质浓度的测量系统.从理论上分析了光纤法布里-珀罗谐振器干涉透射波长与混合溶液浓度之间的关系,采用光纤法布里-珀罗谐振器干涉透射波长实现了高准确度同时测量混合溶液中多溶质浓度的原理和可行性.构建了由InGaAs发光二极管光源、光纤耦合器、FFPR传感器、光电信号转换和放大器、光谱分析仪等组成的测量系统.对乙醇和甘油的9组标准混合溶液进行测量实验,并用测量结果标定了混合溶液中各溶质浓度与光纤法布里-珀罗谐振器传感器干涉透射波长之间的数学解析关系式.根据数学关系式用Action Script 2.0脚本语言编写程序,计算机实时监控了混合溶液中各溶质浓度的变化过程.     

选用混合介质优化介质和控制受激布里渊散射特性的研究

本文提出了选用混合介质优化介质和控制其SBS特性的方案.分析了全氟碳化合物系列液体介质具有良好互溶性的缘故,数值模拟了HT-230/FC-72混合介质的增益系数、声子寿命和布里渊频移随混合比的变化曲线.在Countinuum Nd:YAG种子注入激光系统中测定了HT-230/FC-72混合介质的吸收系数和光学击穿阈值随混合比的变化,并实验研究了混合介质的能量反射率和Stokes光脉冲波形随混合比的变化.通过选用混合介质不仅优化介质,而且在一定范围之内可控制其SBS特性. 关键词： 受激布里渊散射 混合介质 优化介质 控制SBS特性     

基于光纤M-Z干涉的高灵敏度液体折射率传感器的实验研究

提出并制备了一种基于Mach-Zehnder干涉效应的高灵敏度光纤液体折射率传感器.分别利用NaCl溶液和甘油溶液,研究了传感器的透射光谱和外界介质折射率的关系.实验结果表明,随着周围介质折射率的增大,传感器干涉谱的极小值点对应的波长向长波方向漂移,在1.333~1.356的折射率变化范围内,极小值点对应的波长的漂移量和折射率的变化具有较好的线性关系,对应的灵敏度约为4 086 nm/refractive-index.该传感器制作简单、结构紧凑,在生物和化学测量中具有较好的应用前景.     

基于光纤M-Z干涉的高灵敏度液体折射率传感器的实验研究

提出并制备了一种基于Mach-Zehnder干涉效应的高灵敏度光纤液体折射率传感器.分别利用NaCl溶液和甘油溶液,研究了传感器的透射光谱和外界介质折射率的关系.实验结果表明,随着周围介质折射率的增大,传感器干涉谱的极小值点对应的波长向长波方向漂移,在1.333～1.356的折射率变化范围内,极小值点对应的波长的漂移量和折射率的变化具有较好的线性关系,对应的灵敏度约为4 086nm/refractive-index.该传感器制作简单、结构紧凑,在生物和化学测量中具有较好的应用前景.     

基于SPR光谱分析的液体折射率测量研究

文章从电磁场理论和射线理论的角度,详细讨论了光纤表面等离子体波传感器工作原理,分析了表面等离子体共振(SPR)光谱共振波长与液体介质折射率之间的对应关系。采用相关光谱检测技术,获得八种不同类型分析醇所对应的SPR光谱曲线族,其共振波长随液体折射率的增大而逐渐向长波长方向偏移。通过对乙醇与乙二醇混合液体所对应的共振光谱分析,实现对两者配比浓度的测定。整个传感系统结构简单,测量光路部分实现全光纤化,不仅能够对目标测量介质的实时、快速、精确测量,还可用于特殊测量场合,实现远程遥测功能。     

基于熔融拉锥光纤的液体折射率传感器

从理论和实验上研究了一种价格低廉、操作简单、可用于多点并行测量的液体折射率光纤传感器.该传感器采用分路器进行预分光,利用高稳定放大自发辐射光源作为光源、普通光功率计作为光电探测器,以熔融拉锥光纤作为传感单元.建立了一个简单模型,分析了芯层所携带的光功率占总的光功率的比值随外部介质折射率变化的关系.实验上对不同折射率样品的传输损耗进行了测量,采用对比方法作出了传输损耗随折射率变化的定标曲线.实验结果表明:外部介质折射率越高,传输损耗越大.并验证了反射器(光纤布拉格光栅)的引入能够有效的提高系统的灵敏度.     

光子晶体光纤温度压力传感器

提出了一种在高温环境下同时测量温度和气压的光子晶体光纤温度压力传感器.在普通单模光纤和光子晶体光纤之间熔接一段空心光纤构成干涉结构.空心光纤段构成非本征法布里-珀罗干涉仪,利用光子晶体光纤的微孔与外界相通,通过气体折射率变化来测量环境中的气压变化;光子晶体光纤段构成本征法布里-珀罗干涉仪,利用热膨胀效应和热光效应来测量环境中的温度.传感器的解调通过自制的白光干涉解调仪实现,实验通过测量腔长得到被测环境的温度和气压.在不同温度和气压环境下,对腔长分别为306μm和1535μm的温度压力光纤传感器进行连续测量.实验结果表明,传感器能够在28~800℃的温度下和0~10 MPa的气压下稳定工作,测量范围内温度灵敏度可达17.4 nm/℃,压力灵敏度随温度增加而降低,在28℃时可达1460.5 nm/MPa.     

基于螺线形光纤的液体质量分数传感器

设计了基于螺线形光纤的液体质量分数测量装置.在传输光纤的中间部位制作去包层裸光纤,当裸光纤与不同质量分数的溶液接触时,光纤中传输光的强度将随液体质量分数的升高而损耗增大,以此建立传输光强与质量分数的对应关系.设计了螺线形裸光纤传感器,研究了螺线形光纤设计参量——曲率半径和圈数对液体质量分数检测灵敏度和分辨率的影响.优化后的传感器对NaCl溶液的检测灵敏度为质量分数变化1%引起0.626 mV的检测电压变化,质量分数分辨率达到1.1×10^-3,且检测重复性好.     

弯曲增敏型光纤曲率传感器机理的研究

近年国外出现一种直接检测弯曲的低成本光纤曲率传感器,采用弯曲增敏技术提高光纤对弯曲的灵敏度。这种传感器的线性范围宽,能区分正向弯曲和负向弯曲,在测量较大弯曲变形的场合更具优势;并且适合埋入结构内部检测,通过转换还可测量轴向应变。然而其传感机理方面的研究仍处于探索阶段。通过分析光辐射度余弦定律理论、回音壁光线理论、沟槽角度理论等国内外对该传感器机理的研究成果,并基于平面波导的光散射损耗理论,提出了光纤曲率传感器的机理。指出弯曲引起光纤敏感区表面散射损耗的改变是导致光传输损耗改变的原因;推导出损耗与光纤弯曲半径、表面特性、光纤结构参量关系的数学模型,并通过实验验证了模型的有效性。     

小型铌酸锂多功能集成光学器件

为满足小型光纤陀螺对光学器件小体积的要求,对铌酸锂多功能集成光学小型化器件的结构做了分析和优化设计。采用BPM软件分析了Y形分支波导的S形波导损耗与弯曲长度及折射率差的关系。通过调整退火质子交换的工艺参数,增加了波导对光的束缚能力;降低了小型化芯片上S形波导的弯曲损耗;去掉了原有Y形波导的输出端直波导,直接由S形弯曲波导引至输出端,在更短的芯片上得到了更长的弯曲过渡区。设计制作的芯片长度由常规的20 mm减至12.5 mm,封装后的器件长度减小到20 mm,为目前同类常规器件尺寸的2/3。设计制作的器件插入损耗典型值小于2.5 dB,全温损耗变化量小于0.2 dB。     

基于光纤反射腔的高灵敏电流传感器方案

提出了一种基于平面Y分支波导与法拉第旋镜的高灵敏度光纤电流传感器结构方案。利用两个法拉第旋镜与平面Y分支波导构成一个光纤反射腔,通过光在腔中的多次反射来增加待测电流导致的传感光纤中的法拉第相移,从而实现对微弱电流的测量。该结构方案中首次采用了平面Y分支光波导,从而可降低光路系统损耗,增加灵敏度,为微弱电流测量的工程化提供了一种可行的方法。     

基于菲涅耳微透镜的光学加速度传感器原理研究

目前航空业惯性导航系统中广泛采用的加速度传感器存在抗电磁干扰（EMI）和电磁冲击（EMP）能力差等缺陷，针对此提出了一种基于菲涅耳衍射微透镜的光学加速度传感器，它能够有效地解决上述问题。该传感器的传感原理是把一个反光膜平行地置于微透镜的后方，根据微透镜前方汇聚点处光强的变化来敏感加速度的大小。通过Fresnel-Kirchhoff衍射公式详细推导了传感器的光学原理，并且对光纤的偏移对光强的影响进行了计算机模拟分析。结果表明：光纤接收的光强对反光膜的位置具有纳米级的灵敏度，并且对光纤沿微透镜焦平面方向的偏移极其敏感，当此偏移超过2μm，光强就会下降至不足理想情况下的50%。验证性实验结果表明这种传感器的原理是正确的。     

油-气-水三相流超声传感器持气率测量*

为探索油-气-水三相流持气率测量难题,该文开展了脉冲透射式超声传感器持气率测量动态实验研究。首先,利用超声传感器与光纤传感器组合,测取了油-气-水三相流中段塞流、混状流、泡状流的响应信号;其次,提取了超声脉冲信号的最大值序列来反映不同流型时超声传感器响应特性,同时,借助双头光纤传感器与相关测速法,计算得到了流体中气泡弦长序列;最后,结合流型与泡径信息,利用超声传感器测量了不同流型下持气率,并分析了不同流型持气率预测的误差来源,为其他油-气-水三相流持气率测量传感器设计提供了借鉴。     

双圈同轴光纤传感器在润滑油介质中的输出特性

针对双圈同轴式光纤(TCCOF)位移传感器用于滑动轴承油膜厚度检测时,由于传播介质为润滑油,传感器输出特性会受到影响,本文根据折射定律分析了传播介质对光纤最大入射角的影响,考虑传播过程中的光损并利用光场的准高斯分布规律建立了润滑油环境下的传感器数学模型,同时通过仿真计算得到了传播介质不同时的传感器输出特性。在此基础上,搭建了相应的传感器标定实验平台进行验证。结果表明:空气中TCCOF传感器的灵敏度为0.691/mm,润滑油中TCCOF传感器的灵敏度为0.464/mm;TCCOF传感器在润滑油测量环境中可减小光功率不同对传感器特性的影响;TCCOF传感器灵敏度随着反射面曲率半径的增大而增大;由于具有对称结构,当反射面为圆柱面时,TCCOF传感器可减小探头周向安装角度对其输出特性的影响。因此,在利用TCCOF传感器进行油膜厚度检测时,必须在相应润滑油环境下及相应的反射面情况下进行传感器标定。     

Absorption Measurement Using a Leaky Waveguide Mode

We propose an optical waveguide sensor using a leaky mode for absorption measurement of liquid samples. This sensor uses a single coupling prism. A cladding layer and a waveguide layer are directly deposited on the reflecting surface of the prism. The intensity of the internally reflected beam at an appropriate incident angle is very sensitive to the imaginary part of the sample attached to the surface of the waveguide layer. The sensitivity of this sensor is controlled by the thicknesses of both cladding and waveguide layers. We studied the performance of the sensor by numerical calculation.     

分布式光纤温度压力传感器设计

为了实现油田井下温度压力的全分布式测量,提出了一种基于光纤散射原理的分布式温度压力测量方法。该方法通过对普通光纤进行封装设计,制作成传感光纤。由于光纤传感器周围流体的温度和压力会对传感光纤内的散射光产生调制作用,通过光纤解调仪解调出光纤拉曼散射参数和布里渊散射频移就能够实现温度和压力的实时在线测量。实验结果表明:设计的分布式光纤温度压力传感器可以实现的温度测量分辨率为0.1 ℃,压力测量分辨率为0.07 MPa。基本满足油田井下温度压力测量的全分布式、实时在线、可靠性高、精度高、抗干扰能力强等要求。     

光纤振动传感器探头的设计

提出和论述了一种光纤振动传感器的原理和探头设计方法。使用悬臂梁来遮挡反射回光纤的光 ,用光强度调制来实现振动信号的测量。这种传感探头只需一根光纤引出 ,紧凑小巧 ,易于安装调试。结果表明 ,这种光纤振动传感器传感头是可靠而耐用的 ,长时间工作稳定 ,抗外界干扰强 ,易制作 ,易安装。     

埋入式光纤模式功率调制传感原理及实验研究——航天smart结构

对 Smart材料 /结构中的光纤传感原理进行了探讨 ,并进行了实验研究。这种新研制的传感器工作原理是基于模式功率调制。远场光强将反映结构内的变形场 ,亦即光纤受到外界加载或扰动后所产生的变形。最后提出了应用多模光纤在编织复合材料 Smart结构中进行远场光强测量的方案 ,建立了实验装置 ,给出了实验结果并进行了讨论。