光纤布拉格光栅渗压传感器设计

李小凡，赵庆超，吕京生，唐亮，王洪忠，马龙

(1.中海石油(中国)有限公司上海分公司，上海 200335；2.山东省科学院激光研究所，山东 济南 250014；3.胜利油田新胜石油物探技术服务有限责任公司，山东 东营257086 )

【光纤与光子传感技术】

光纤布拉格光栅渗压传感器设计

李小凡1，赵庆超2*，吕京生2，唐亮1，王洪忠3，马龙2

(1.中海石油(中国)有限公司上海分公司，上海 200335；2.山东省科学院激光研究所，山东 济南 250014；3.胜利油田新胜石油物探技术服务有限责任公司，山东 东营257086 )

为实现对尾矿库的安全渗压实时监测，设计了一种波纹膜片结构封装的光纤布拉格光栅渗压传感器，通过材料及温度光栅双温度补偿，剔除了环境温度的影响。实测结果表明，该光纤光栅传感器量程为0～20 kPa，压力灵敏度为27.8 pm/kPa，线性拟合度达到0.999 99，适用于液位小范围变化的高精度检测。在尾矿库浸润线检测中的应用表明，传感器精度高，重复性好。

光纤布拉格光栅；压力传感器；高精度；温度补偿

近年来尾矿库安全事故频发，造成了极为严重的环境污染和不良社会影响，尾矿库的安全运营工作刻不容缓。尾矿库基础结构恶化是安全事故频发的主要原因，主要表现在坝体岩石裂隙在水位高压的长期作用下，填充物逐渐被软化、离析形成通道，造成渗压压力升高，因此渗压量是尾矿库监测的重要物理量[1]。传统尾矿库渗压监测多采用电子式渗压传感器，而多数尾矿库设置在山谷地区，极易产生雷云放电，使传感器受到大量感应雷和雷电波的破坏[2]。

光纤传感技术具有不带电、抗电磁干扰和抗雷击等特点，成为近年来的研究热点。光纤压力传感器主要分为光纤法-珀(F-P)腔式以及光纤布拉格光栅(FBG)技术两大类，光纤F-P腔压力传感器由于其封装工艺复杂、成本高等，多用在油田、军事和航空航天等特殊领域[3]。对FBG的理论分析和实验研究表明，裸光栅的温度和应变灵敏度很小，因此要对光纤光栅进行增敏和保护性封装[4]。Bremer等[5]设计的基于膜片结构的F-P腔结构的压力传感器，制作工艺复杂且不适合大量传感器串并联。印度国家技术学院Sengupta等[6]设计了一种双光栅式静态压力传感器用于液位的测量，但灵敏度较低。王洪亮等[7]设计一种波纹管为衬底的光纤光栅液位传感器，灵敏度高，但量程小。

本文设计了一种波纹膜片结构封装FBG渗压传感器，已经成功用于多个尾矿库的安全渗压实时监测中。

1 传感器设计

1.1 FBG传感原理

用强度在空间上周期变化的强紫外线激光照射掺锗光纤就可在纤芯内、沿轴向形成一个折射率周期变化的光栅，当一束宽光谱光通过FBG时，FBG反射回一束单色光，根据耦合模理论，FBG的反射波中心波长可表示为λB=2neff/Λ，式中λB为FBG的中心波长，neff为光纤纤芯的有效折射率，Λ为光纤光栅的周期。光纤光栅周围环境的温度变化以及对光纤光栅施加轴向应力，均会导致光纤光栅的中心波长λB产生漂移，当两者同时变化时，FBG中心波长λB的变化量如下[8-9]：

ΔλB/λB=(1-Pe)ε+(α+ζ)ΔT，

(1)

式中，Pe为有效光弹系数，α为FBG热膨胀系数，ζ为光纤的热光系数，ε为FBG的轴向应变，ΔT为环境的温度变化。

1.2 传感器结构设计

本文所设计的传感器结构如图1所示。

1 保护套筒； 2 FBG滑动粘接基座； 3 压力FBG； 4 位移连杆； 5 FBG固定粘接基座； 6 温度FBG；7波纹膜片；8 导向基座；9 紧固螺钉； 10 调节螺钉； 11 保护桶盖； 12 光纤出纤连接头。图1 FBG封装图Fig.1 FBG package diagram

其中，光纤用低熔点玻璃焊料粘接在FBG滑动和固定粘接基座上；位移连杆与波纹膜片采用激光焊接在一起，通过紧定螺钉与FBG滑动基座实现紧密刚性连接，同时通过导向基座和FBG固定粘接基座实现导向；波纹膜片和保护套筒采用激光焊接，保护桶盖和保护套筒螺纹连接，光纤出纤连接头与保护桶盖用螺纹连接。

为提高传感器精度，传感器封装时需在压力FBG上施加一定预应力，通过旋转调节螺钉即可实现。

另外，两粘接基座材料为铝，位移连杆的材料为304不锈钢，基座热膨胀系数比连杆的热膨胀系数大，二者的热膨胀系数相差将近一倍。综合考虑基座材料、位移连杆和光纤三者的热膨胀系数，通过优化设计三者的尺寸长度，将环境温度对传感器的影响降到最低。

在波纹膜片的外部还设有膜片保护套及滤网，当外界水压作用到波纹膜片上时，引起波纹膜片轴向位移，如图2所示，也就是所谓膜片的挠度，膜片挠度的计算公式[10]：

(2)

式中，ω为挠度，R为膜片的半径，P为均布载荷，E为弹性模量，I为截面的轴惯性矩。

图2 膜片轴向变形示意图Fig.2 The axial deformation of the diaphragm

波纹膜片挠度经位移连杆作用到压力FBG 上，压力FBG波长发生变化，同时传感器采用串联温度FBG的办法对压力FBG 进行温度补偿，通过解调仪器测量FBG波长变化量计算出所测压力值。

2 实验测试及标定

实验室用的宽带光源为自制的宽带ASE光源，光谱分析仪为MOI的光谱分析模块sm125-500，波长分辨率为0.5 pm，波长稳定度为1 pm，加压装置为一个手压泵，将传感器放在一个水桶内，便于保持传感器的温度恒定，通过一个高精度的压力表头，读取压力值，压力表头的量程为25 kPa，精度为0.2 kPa。测试标定示意图如图3所示。

图3 测试标定示意图Fig.3 Measuring and calibrating diagram

压力标定过程中，温度环境为室温，通过手压泵给压力桶加压，每2 kPa为一个台阶，一直加压到18 kPa，每个台阶记录一组数据，通过计算机进行拟合获得拟合曲线。图4为测得的传感器压力响应曲线，FBG波长与压力的关系为y=0.027 8x+1 531.674 24，线性相关度达到0.999 99，压力线性响应度良好，压力光栅压力灵敏度为27.8 pm/kPa,将其换算为水深为278 pm/m。

当用裸光栅进行测压时，光栅同时受到轴向和径向压力时光栅的波长变化如下[11-12]：

(2)

式中，kP为压力灵敏度系数，约为 -2.82×10-6MPa-1。将kP代入式(2)得裸光栅的应变灵敏度约为3.4×10-3pm/kPa，由此看出本文所设计传感器的灵敏度为裸光栅的8 000多倍。

图4 传感器水压测试曲线Fig.4 Curves of pressure characteristics of Sensor

为了进一步验证传感器温度补偿的效果，对温度进行了标定，采用的标定设备为上海比朗公司生产的高精度检定恒温槽，均匀度小于等于0.01 ℃，温度波动度±0.01 ℃/30 min，量程为-10 ～ 95 ℃。将传感器放入水槽中，每隔20 ℃记录1次数据，每个温度点保持温度30 min以上，标定曲线如图5所示。

图5 传感器温度测试曲线Fig.5 Curves of temperature characteristics of Sensor

从标定的相应曲线可以看出，压力FBG波长与温度关系为y=0.009 7x+1 534.793 4，线性相关系数为0.999 98；温度FBG波长与温度关系为y=0.012 3 4x+1 531.438 1，线性相关系数为0.999 98。两者线性相关度均大于0.999 9，方便在解调出FBG波长后用软件对压力光栅进行温度补偿，使所测得的压力值(可表示为水深)更准确。温度每变化1 ℃，压力光栅的波长变化9.7 pm，换算水深为3.4 m，温度光栅变化12.3 pm。

3 渗压传感器在尾矿库浸润线监测中的应用

为了检测尾矿库坝浸润线的变化情况，在尾矿库坝体上打孔，见水后再打1 m深，将渗压传感器浸入渗水中，监测水位变化。图6为光纤渗压传感器对某尾矿库连续监测5 d的结果，传感器能够实时准确地监测渗压孔内水位的变化情况。由于对尾矿库内的可利用资源进行了处理，尾矿库整体水深在降低，图中曲线凸起部分为短时间有尾矿注入的结果，表明尾矿库水深在短时间内有所增加。

图6 渗压孔水深变化曲线(20160512/20160517)Fig.6 Curves of seepage water deep(20160512/20160517)

4 结论

本文设计的波纹膜片结构封装的FBG渗压传感器，抗电磁干扰、灵敏度高、精度高、量程大、封装工艺简单，克服了其他结构光纤渗压传感器灵敏度低、量程小和封装工艺复杂的缺点。该传感器已在某尾矿库实际应用，运行良好。应用时发现，在传感器运输或者安装过程中，很多传感器的压力光栅容易断，因此增强此类传感器的防震性是以后的重点研究方向。

[1]沈竞. 尾矿库渗流自动监测系统的研究与设计[D].长沙:中南林业科技大学, 2015.

[2] 苏军，王治宇，袁子清，等. 光纤光栅(FBG)传感器在尾矿库在线监测中的应用[J]. 中国安全生产科技技术, 2014,10(7): 65-70.

[3]王晓娜. 光纤EFPI传感器系统及其在油气井中应用的研究[D]. 大连:大连理工大学, 2008.

[4] 刘潇. 光纤光栅水压传感器的研究[D]. 济南:山东建筑大学, 2012.

[5] BREMER K,LEWIS E,MOSS B ,et al. Fabrication of an high temperature resistance optical fibre micro pressure sensor [M] //6th International Multi-Conference on Systems ,Signals and Devices .[ S.l.] :IEEE,2009.

[6] SENGUPTA D, SHANKAR M S, REDDY P S, et al. Sensing of hydrostatic pressure using FBG sensor for liquid level measurement[J]. Microwave and Optical Technology Letters, 2012,54(7):1679-1683

[7] 王宏亮，王琳，贾振安，等. 一种实用的光纤光栅液位传感器[J]. 光电子·激光, 2009,20(10): 1275-1277.

[8] 赵庆超，郭士生，李舜水，等. 油井下用光纤温度压力传感器[J]. 山东科学, 2014, 27(4): 57-61

[9] WANG Y Y, WANG C,LIU X H, et al. Research on optical fiber grating sensor based on fabry-perot cavity applied in oilfield[J]. Applied Mechanics and Materials, 2013, 336/337/338: 153-157 .

[10] 冷卓燕. 用于水库水位实时监测的FBG传感器研究[D]. 武汉:武汉理工大学, 2013: 28-32

[11] 李智忠，杨华勇，刘阳，等. 光纤Bragg光栅压力传感机理研究[J]. 应用光学, 2005,26(3): 16-19

[12] 庞丹丹. 新型光纤光栅传感技术研究[D]. 济南:山东大学, 2014.

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

国家自然科学基金(61307101)；山东省自主创新及成果转化专项(2014ZZCX04206)

李小凡(1982—)，男，硕士研究生，研究方向为油气田开发。E-mail：lixf5@cnooc.com.cn

*通信作者，赵庆超(1989—)，男，助理研究员，研究方向为光纤传感器设计。E-mail：zhaoqc1988@163.com

TP212.4+4

A

1002-4026(2017)02-0064-05