李小凡，趙慶超，呂京生，唐亮，王洪忠，馬龍

(1.中海石油(中國(guó))有限公司上海分公司，上海 200335；2.山東省科學(xué)院激光研究所，山東 濟(jì)南 250014；3.勝利油田新勝石油物探技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司，山東 東營(yíng)257086 )

【光纖與光子傳感技術(shù)】

光纖布拉格光柵滲壓傳感器設(shè)計(jì)

李小凡1，趙慶超2*，呂京生2，唐亮1，王洪忠3，馬龍2

(1.中海石油(中國(guó))有限公司上海分公司，上海 200335；2.山東省科學(xué)院激光研究所，山東 濟(jì)南 250014；3.勝利油田新勝石油物探技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司，山東 東營(yíng)257086 )

為實(shí)現(xiàn)對(duì)尾礦庫(kù)的安全滲壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)了一種波紋膜片結(jié)構(gòu)封裝的光纖布拉格光柵滲壓傳感器，通過材料及溫度光柵雙溫度補(bǔ)償，剔除了環(huán)境溫度的影響。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該光纖光柵傳感器量程為0～20 kPa，壓力靈敏度為27.8 pm/kPa，線性擬合度達(dá)到0.999 99，適用于液位小范圍變化的高精度檢測(cè)。在尾礦庫(kù)浸潤(rùn)線檢測(cè)中的應(yīng)用表明，傳感器精度高，重復(fù)性好。

光纖布拉格光柵；壓力傳感器；高精度；溫度補(bǔ)償

近年來尾礦庫(kù)安全事故頻發(fā)，造成了極為嚴(yán)重的環(huán)境污染和不良社會(huì)影響，尾礦庫(kù)的安全運(yùn)營(yíng)工作刻不容緩。尾礦庫(kù)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)惡化是安全事故頻發(fā)的主要原因，主要表現(xiàn)在壩體巖石裂隙在水位高壓的長(zhǎng)期作用下，填充物逐漸被軟化、離析形成通道，造成滲壓壓力升高，因此滲壓量是尾礦庫(kù)監(jiān)測(cè)的重要物理量[1]。傳統(tǒng)尾礦庫(kù)滲壓監(jiān)測(cè)多采用電子式滲壓傳感器，而多數(shù)尾礦庫(kù)設(shè)置在山谷地區(qū)，極易產(chǎn)生雷云放電，使傳感器受到大量感應(yīng)雷和雷電波的破壞[2]。

光纖傳感技術(shù)具有不帶電、抗電磁干擾和抗雷擊等特點(diǎn)，成為近年來的研究熱點(diǎn)。光纖壓力傳感器主要分為光纖法-珀(F-P)腔式以及光纖布拉格光柵(FBG)技術(shù)兩大類，光纖F-P腔壓力傳感器由于其封裝工藝復(fù)雜、成本高等，多用在油田、軍事和航空航天等特殊領(lǐng)域[3]。對(duì)FBG的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究表明，裸光柵的溫度和應(yīng)變靈敏度很小，因此要對(duì)光纖光柵進(jìn)行增敏和保護(hù)性封裝[4]。Bremer等[5]設(shè)計(jì)的基于膜片結(jié)構(gòu)的F-P腔結(jié)構(gòu)的壓力傳感器，制作工藝復(fù)雜且不適合大量傳感器串并聯(lián)。印度國(guó)家技術(shù)學(xué)院Sengupta等[6]設(shè)計(jì)了一種雙光柵式靜態(tài)壓力傳感器用于液位的測(cè)量，但靈敏度較低。王洪亮等[7]設(shè)計(jì)一種波紋管為襯底的光纖光柵液位傳感器，靈敏度高，但量程小。

本文設(shè)計(jì)了一種波紋膜片結(jié)構(gòu)封裝FBG滲壓傳感器，已經(jīng)成功用于多個(gè)尾礦庫(kù)的安全滲壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中。

1 傳感器設(shè)計(jì)

1.1 FBG傳感原理

用強(qiáng)度在空間上周期變化的強(qiáng)紫外線激光照射摻鍺光纖就可在纖芯內(nèi)、沿軸向形成一個(gè)折射率周期變化的光柵，當(dāng)一束寬光譜光通過FBG時(shí)，F(xiàn)BG反射回一束單色光，根據(jù)耦合模理論，F(xiàn)BG的反射波中心波長(zhǎng)可表示為λB=2neff/Λ，式中λB為FBG的中心波長(zhǎng)，neff為光纖纖芯的有效折射率，Λ為光纖光柵的周期。光纖光柵周圍環(huán)境的溫度變化以及對(duì)光纖光柵施加軸向應(yīng)力，均會(huì)導(dǎo)致光纖光柵的中心波長(zhǎng)λB產(chǎn)生漂移，當(dāng)兩者同時(shí)變化時(shí)，F(xiàn)BG中心波長(zhǎng)λB的變化量如下[8-9]：

ΔλB/λB=(1-Pe)ε+(α+ζ)ΔT，

(1)

式中，Pe為有效光彈系數(shù)，α為FBG熱膨脹系數(shù)，ζ為光纖的熱光系數(shù)，ε為FBG的軸向應(yīng)變，ΔT為環(huán)境的溫度變化。

1.2 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1 保護(hù)套筒； 2 FBG滑動(dòng)粘接基座； 3 壓力FBG； 4 位移連桿； 5 FBG固定粘接基座； 6 溫度FBG；7波紋膜片；8 導(dǎo)向基座；9 緊固螺釘； 10 調(diào)節(jié)螺釘； 11 保護(hù)桶蓋； 12 光纖出纖連接頭。圖1 FBG封裝圖Fig.1 FBG package diagram

其中，光纖用低熔點(diǎn)玻璃焊料粘接在FBG滑動(dòng)和固定粘接基座上；位移連桿與波紋膜片采用激光焊接在一起，通過緊定螺釘與FBG滑動(dòng)基座實(shí)現(xiàn)緊密剛性連接，同時(shí)通過導(dǎo)向基座和FBG固定粘接基座實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向；波紋膜片和保護(hù)套筒采用激光焊接，保護(hù)桶蓋和保護(hù)套筒螺紋連接，光纖出纖連接頭與保護(hù)桶蓋用螺紋連接。

為提高傳感器精度，傳感器封裝時(shí)需在壓力FBG上施加一定預(yù)應(yīng)力，通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺釘即可實(shí)現(xiàn)。

另外，兩粘接基座材料為鋁，位移連桿的材料為304不銹鋼，基座熱膨脹系數(shù)比連桿的熱膨脹系數(shù)大，二者的熱膨脹系數(shù)相差將近一倍。綜合考慮基座材料、位移連桿和光纖三者的熱膨脹系數(shù)，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)三者的尺寸長(zhǎng)度，將環(huán)境溫度對(duì)傳感器的影響降到最低。

在波紋膜片的外部還設(shè)有膜片保護(hù)套及濾網(wǎng)，當(dāng)外界水壓作用到波紋膜片上時(shí)，引起波紋膜片軸向位移，如圖2所示，也就是所謂膜片的撓度，膜片撓度的計(jì)算公式[10]：

(2)

式中，ω為撓度，R為膜片的半徑，P為均布載荷，E為彈性模量，I為截面的軸慣性矩。

圖2 膜片軸向變形示意圖Fig.2 The axial deformation of the diaphragm

波紋膜片撓度經(jīng)位移連桿作用到壓力FBG 上，壓力FBG波長(zhǎng)發(fā)生變化，同時(shí)傳感器采用串聯(lián)溫度FBG的辦法對(duì)壓力FBG 進(jìn)行溫度補(bǔ)償，通過解調(diào)儀器測(cè)量FBG波長(zhǎng)變化量計(jì)算出所測(cè)壓力值。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及標(biāo)定

實(shí)驗(yàn)室用的寬帶光源為自制的寬帶ASE光源，光譜分析儀為MOI的光譜分析模塊sm125-500，波長(zhǎng)分辨率為0.5 pm，波長(zhǎng)穩(wěn)定度為1 pm，加壓裝置為一個(gè)手壓泵，將傳感器放在一個(gè)水桶內(nèi)，便于保持傳感器的溫度恒定，通過一個(gè)高精度的壓力表頭，讀取壓力值，壓力表頭的量程為25 kPa，精度為0.2 kPa。測(cè)試標(biāo)定示意圖如圖3所示。

圖3 測(cè)試標(biāo)定示意圖Fig.3 Measuring and calibrating diagram

壓力標(biāo)定過程中，溫度環(huán)境為室溫，通過手壓泵給壓力桶加壓，每2 kPa為一個(gè)臺(tái)階，一直加壓到18 kPa，每個(gè)臺(tái)階記錄一組數(shù)據(jù)，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行擬合獲得擬合曲線。圖4為測(cè)得的傳感器壓力響應(yīng)曲線，F(xiàn)BG波長(zhǎng)與壓力的關(guān)系為y=0.027 8x+1 531.674 24，線性相關(guān)度達(dá)到0.999 99，壓力線性響應(yīng)度良好，壓力光柵壓力靈敏度為27.8 pm/kPa,將其換算為水深為278 pm/m。

當(dāng)用裸光柵進(jìn)行測(cè)壓時(shí)，光柵同時(shí)受到軸向和徑向壓力時(shí)光柵的波長(zhǎng)變化如下[11-12]：

(2)

式中，kP為壓力靈敏度系數(shù)，約為 -2.82×10-6MPa-1。將kP代入式(2)得裸光柵的應(yīng)變靈敏度約為3.4×10-3pm/kPa，由此看出本文所設(shè)計(jì)傳感器的靈敏度為裸光柵的8 000多倍。

圖4 傳感器水壓測(cè)試曲線Fig.4 Curves of pressure characteristics of Sensor

為了進(jìn)一步驗(yàn)證傳感器溫度補(bǔ)償?shù)男Ч?，?duì)溫度進(jìn)行了標(biāo)定，采用的標(biāo)定設(shè)備為上海比朗公司生產(chǎn)的高精度檢定恒溫槽，均勻度小于等于0.01 ℃，溫度波動(dòng)度±0.01 ℃/30 min，量程為-10 ～ 95 ℃。將傳感器放入水槽中，每隔20 ℃記錄1次數(shù)據(jù)，每個(gè)溫度點(diǎn)保持溫度30 min以上，標(biāo)定曲線如圖5所示。

圖5 傳感器溫度測(cè)試曲線Fig.5 Curves of temperature characteristics of Sensor

從標(biāo)定的相應(yīng)曲線可以看出，壓力FBG波長(zhǎng)與溫度關(guān)系為y=0.009 7x+1 534.793 4，線性相關(guān)系數(shù)為0.999 98；溫度FBG波長(zhǎng)與溫度關(guān)系為y=0.012 3 4x+1 531.438 1，線性相關(guān)系數(shù)為0.999 98。兩者線性相關(guān)度均大于0.999 9，方便在解調(diào)出FBG波長(zhǎng)后用軟件對(duì)壓力光柵進(jìn)行溫度補(bǔ)償，使所測(cè)得的壓力值(可表示為水深)更準(zhǔn)確。溫度每變化1 ℃，壓力光柵的波長(zhǎng)變化9.7 pm，換算水深為3.4 m，溫度光柵變化12.3 pm。

3 滲壓傳感器在尾礦庫(kù)浸潤(rùn)線監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

為了檢測(cè)尾礦庫(kù)壩浸潤(rùn)線的變化情況，在尾礦庫(kù)壩體上打孔，見水后再打1 m深，將滲壓傳感器浸入滲水中，監(jiān)測(cè)水位變化。圖6為光纖滲壓傳感器對(duì)某尾礦庫(kù)連續(xù)監(jiān)測(cè)5 d的結(jié)果，傳感器能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)滲壓孔內(nèi)水位的變化情況。由于對(duì)尾礦庫(kù)內(nèi)的可利用資源進(jìn)行了處理，尾礦庫(kù)整體水深在降低，圖中曲線凸起部分為短時(shí)間有尾礦注入的結(jié)果，表明尾礦庫(kù)水深在短時(shí)間內(nèi)有所增加。

圖6 滲壓孔水深變化曲線(20160512/20160517)Fig.6 Curves of seepage water deep(20160512/20160517)

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的波紋膜片結(jié)構(gòu)封裝的FBG滲壓傳感器，抗電磁干擾、靈敏度高、精度高、量程大、封裝工藝簡(jiǎn)單，克服了其他結(jié)構(gòu)光纖滲壓傳感器靈敏度低、量程小和封裝工藝復(fù)雜的缺點(diǎn)。該傳感器已在某尾礦庫(kù)實(shí)際應(yīng)用，運(yùn)行良好。應(yīng)用時(shí)發(fā)現(xiàn)，在傳感器運(yùn)輸或者安裝過程中，很多傳感器的壓力光柵容易斷，因此增強(qiáng)此類傳感器的防震性是以后的重點(diǎn)研究方向。

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DOI:10.3976/j.issn.1002-4026.2017.01.011

The design of FBG seepage pressure sensor

LI Xiao-fan1, ZHAO Qing-chao2*, Lü Jing-sheng2,TANG Liang1, WANG Hong-zhong3, MA Long2

(1. CNOOC. Shanghai Co., Ltd., Shanghai 200335, China; 2.Laser Institute, Shandong Academy of Sciences, Jinan 250014,China; 3.Xinsheng Petroleum Exploration Technical Service Co.,Ltd., Shengli Oilfield, Dongying 257086, China)

∶In order to realizing the real-time monitoring of the seepage pressure of the tailing pond, a kind of corrugated diaphragm based optical FBG seepage pressure sensor was designed. The influence of the ambient temperature was eliminated by the double temperature compensation of the material and temperature grating. The experimental results show that the pressure measuring range is 0～20 kPa, the pressure sensitivity is 27.8 nm/MPa, the linearity-fitted is up to 0. 999 99, which is suitable to high accurate measurement of the liquid level changes within narrow range. The application of the sensor in the detection of saturation line of tailing pond shows that the sensor possesses the advantages of high precision and good repeatability.

∶FBG; pressure sensor; sensitivity; temperature compensation

10.3976/j.issn.1002-4026.2017.01.010

2016-10-14

國(guó)家自然科學(xué)基金(61307101)；山東省自主創(chuàng)新及成果轉(zhuǎn)化專項(xiàng)(2014ZZCX04206)

李小凡(1982—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)橛蜌馓镩_發(fā)。E-mail：lixf5@cnooc.com.cn

*通信作者，趙慶超(1989—)，男，助理研究員，研究方向?yàn)楣饫w傳感器設(shè)計(jì)。E-mail：zhaoqc1988@163.com

TP212.4+4

A

1002-4026(2017)02-0064-05