特殊环境下服役的光纤光栅传感器功能性封装技术的研究

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温度和压力是工程技术中重要的参数,尤其在高温高压油气井环境中,为了安全生产等原因,必须对温度和压力进行实施检测。利用光纤光栅对温度和压力敏感的特性,设计光纤光栅传感器,实现温度和压力两个参量的传感与检测,对其封装技术进行了较为系统的研究。主要包括:光纤布拉格光栅的基本理论及温度应变传感原理;分析了基底材料、粘接剂的性能对光纤光栅传感器性能参数的影响;粘接剂的实验研究;最后对各部分性能进行了实验研究。首先,介绍了光纤及光纤光栅的发展过程,基于光纤光栅耦合模理论,分析了光在光纤光栅中传输的基本特性。以此为基础,建立了光纤光栅温度和压力的应变传感机理。指出了光纤光栅传感器在高温高压油气井中应用时存在的技术难题。其次,以经典的薄壁筒式和等强度悬臂梁式封装机构为例,分析了封装结构的尺寸和基底材料物理参数(如弹性模量、热膨胀系数、泊松比等)与迟滞效应对传感器的温度、压力灵敏度以及重复性等产生的影响,根据要求与某公司合作研制了一种性能优异的铌基合金做基底材料,降低了由迟滞效应导致的迟滞误差。然后,阐述了环氧树脂粘接剂的改性机理,并选用其中的一种环氧粘接剂进行了实验研究,实验结果表明改性后的粘接剂能够满足高温要求。最后,采用新研制的铌基合金做基底材料,设计了工形的光纤光栅温度压力传感器,并进行了相关的实验测试,测试结果表明其性能及技术指标均符合实际使用的要求。解决在特殊环境下服役的光纤光栅传感器的以下几个问题①扩展量程②增敏③温度补偿④交叉敏感⑤迟滞问题⑥密封保护。
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