油氣井下光纖光柵溫度壓力傳感器

薛兆康，國 旗，劉善仁，潘學鵬，陳 超，于永森 *

（1. 吉林大學 電子科學與工程學院 集成光電子國家重點實驗室，吉林 長春 130012；2. 中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所 發光學及應用國家重點實驗室，吉林 長春 130033）

1 引 言

石油開采過程中，井下的溫度和壓力是必不可少的測量參數，這對確定油層位置以及保障開采過程中的安全極為重要[1]。但隨著開采深度的增加，井下的溫度和壓力也在不斷增加，這對傳感器的設計和封裝提出了巨大挑戰。工程實踐表明：油氣井下溫度每升高18 ℃，電子傳感器的故障率會增加一倍[2]。鑒于以上問題，光纖傳感器的優勢被突顯出來。光纖傳感器憑借其抗電磁干擾、耐腐蝕、耐高溫、可實現多路復用等優點，被廣泛應用于航空航天，石油化工，交通運輸等諸多領域[3-8]。

光纖液壓傳感器主要可分為法布里-珀羅干涉儀型[9-11]、微結構光纖型[12-14]以及光纖光柵增敏型[15-17]。前兩種主要是基于光纖微腔結構，對外部壓力敏感，可通過刻蝕[18]、微加工[19-20]等方法制作微空隙，再用熔接機放電或二氧化碳激光器熔接的方式制備光纖微腔[21-22]，以及在微結構光纖本身存在空氣腔的基礎上，對其進行密閉封裝[23-24]。這兩種類型的傳感器可應用于液壓和氣壓的測量，但很難在高溫高壓環境下使用，在高壓環境下，很容易造成微腔爆裂，同時基于干涉型的傳感器，解調方式較復雜，解調精度較低，很難在大測量范圍內實現高靈敏度監測。這使得光纖光柵增敏型傳感器在高溫高壓苛刻環境下使用得到了進一步的研究應用。

光纖光柵已被廣泛應用于各種苛刻環境下的高溫監測，同時光纖光柵可基于波長和強度方式解調，解調方式更靈活[25-26]。波長解調方式抗干擾性強，不容易受到光源波動影響，對系統穩定性要求較低。對于光纖光柵傳感器在油氣井下的應用，早在1993年Xu等人已開展相關研究，通過裸光柵方式測試到最高壓強70 MPa，靈敏度為3 pm/MPa，由于裸光柵壓力靈敏度低，很難在工程中應用[27]。孫安等人通過特殊聚合物材料將光纖光柵封裝在金屬管中，在40MPa的壓力范圍內靈敏度為36 pm/MPa[28]。申人升等人制備了金屬薄壁筒式壓力傳感器，在40 MPa的壓力范圍內靈敏度系數為33 pm/MPa[29]。這些增敏方法都相應地提高了壓力靈敏度，但壓力靈敏度提高的過程中，如何保證傳感器能承受更大的壓力是值得進一步研究的課題。因此光纖光柵增敏型傳感器在油氣井環境下的應用也在不斷地被研究。

本文提出了一種基于光纖光柵增敏型的壓力傳感器，增敏結構采用的是自主設計編織的碳纖維管，這種結構在保證抗壓強度的同時，也有利于增大液壓傳感靈敏度。采用參考光柵和壓力傳感光柵的雙光柵結構，解決了溫度和壓力傳感過程中的交叉敏感問題。實驗表明，該傳感器可以在0~150 ℃、0~80 MPa的液壓環境下穩定工作。

2 傳感器原理與設計

在油氣井下高溫高壓惡劣環境中，需要對傳感器進行可靠的封裝才可以獲得穩定的數據。根據應用環境的不同，對傳感器的封裝及增敏方式也不盡相同。裸光纖布拉格光柵的溫度靈敏度大致在10 pm/℃，壓力靈敏度小于3 pm/MPa。為了獲得更高的靈敏度，尤其需要大幅提高壓力靈敏度，因此要對光纖布拉格光柵進行增敏處理。常用的增敏材料主要有金屬材料、合金材料、聚合物材料以及熱膨脹系數較小的碳纖維復合材料等。在進行壓力增敏材料選擇上，本文采用了碳纖維材料，這樣可以減小溫度因素帶來的較大熱膨脹變化，同時碳纖維具有很好的溫度穩定性和很高的強度，是作為穩定彈性體的理想選擇[30-31]。在增敏結構上，主要有彈性柱體，圓平膜片以及懸臂梁等結構[32]。本文采用的是中空彈性圓柱體結構，這種結構可以起到很好的增敏效果，同時也具有很高的強度。

圖1 為該光纖溫度壓力傳感器的封裝示意圖和器件實物圖。壓力傳感器基體是通過三維四向編織的中空碳纖維管，編織選用的材料是碳纖維絲（日本東麗T700-12K），將碳纖維絲相互編織制成預制件，后加入高溫樹脂膠與基體擠壓固化成型。碳纖維管兩端通過不銹鋼堵頭和高溫樹脂膠進行封裝，形成一個密閉中空結構，管長10 cm，外徑為2 cm，內徑為1 cm，壁厚0.5 cm。光纖布拉格光柵區域通過高溫樹脂膠固定在碳纖維管表面中間位置，作為傳感區域，感知外部壓力對碳纖維管產生的形變大小。參考光柵與壓力傳感光柵級聯在同一根光纖上，且將參考光柵封裝在一段空心管內，僅作為溫度補償光柵感知壓力傳感器周圍的溫度。實驗中的光纖布拉格光柵是通過飛秒激光逐點法在聚酰亞胺光纖上制備兩種不同波長的光柵。壓力傳感光柵中心波長在1550 nm左右，參考光柵中心波長在1530 nm左右，這樣可以對光柵進行獨立解調，而不發生波長串擾。光纖表面聚酰亞胺涂覆層不僅耐高溫，而且耐化學腐蝕，可在300 ℃高溫環境長期穩定工作，非常適合在油氣井下苛刻環境中應用。

圖 1 (a)光纖溫度壓力傳感器封裝示意圖和(b)封裝后的器件圖Fig. 1 (a) Schematic diagram of optical fiber temperature and pressure sensor packaging and (b) device diagram after packaging

為了更好地分析在外界壓力作用下碳纖維管管身的形變和受力情況，通過COMSOL Multiphysics軟件對碳纖維管進行了建模分析。圖2（彩圖見期刊電子版）分別為碳纖維管在(a) 20 MPa、(b) 40 MPa、(c) 60 MPa和(d) 80 MPa壓強下的仿真模型。通過仿真分析可知，當外部壓力作用碳纖維管時，管身中心位置形變最大，壓力傳感光柵應固定在此位置。

圖 2 三維四向法編織碳纖維管受壓力情況仿真圖Fig. 2 Pressure simulation diagrams of carbon fiber tube prepared by three-dimensional four-way method

當壓力傳感光柵受軸向應變 ε和溫度T共同作用時,中心反射波長λB的變化為[33]：

式中：Pe為 光纖的有效彈光系數，αs為光纖的熱膨脹系數，ξs為光纖的熱光系數。

當溫度恒定時，由外界壓力引起的各向同性應力P產生的應變量ε 可表示為[32]：

式中: μa和E分別為基底材料的泊松比和楊氏模量，R0、R1分別為碳纖維管的內半徑和外半徑，d為碳纖維管的壁厚。當溫度恒定時，由式(1)和式(2)可知，此時壓力傳感光柵中心反射波長的變化為：

由此可知，封裝后壓力傳感光柵反射波長的變化與壓力是呈線性關系的。

3 實驗結果與分析

3.1 溫度響應測試

光纖溫度壓力傳感器測試裝置如圖3所示。測試裝置主要由傳感解調系統、液壓調節測量系統和恒溫系統組成。傳感解調系統由超連續寬帶光源(NKT Photonics)、光譜儀(AQ6370B)、光纖耦合器和光纖布拉格光柵組成。液壓調節測量系統由液壓調節器、精密壓力測量儀和高壓反應釜組成。恒溫系統主要由智能恒溫油槽進行精確控溫，控溫精度為0.1 ℃，油槽內放入硅油加熱，進而對反應釜內器件進行加熱恒溫。

圖 3 光纖溫度壓力傳感器測試裝置圖Fig. 3 Test device diagram of optical fiber temperature and pressure sensor

為了獲得參考光柵和壓力傳感光柵的溫度靈敏度，在常壓情況下，通過恒溫油槽加熱該傳感器。從室溫逐漸升高到150 ℃，溫度間隔為20 ℃，每個溫度點保溫30 min，并通過光譜儀記錄對應光譜。圖4為傳感器兩種光柵的諧振波長與溫度擬合曲線。參考光柵溫度靈敏度為10.59 pm/℃，壓力傳感光柵溫度靈敏度為29.16 pm/℃。壓力傳感光柵溫度靈敏度高于參考光柵溫度靈敏度的原因是傳感光柵被固定在碳纖維管表面，由于熱膨脹效應，會起到一定的溫度增敏效果。

圖 4 傳感器兩種光柵的諧振波長與溫度擬合曲線Fig. 4 Fitting curve of the relationship between resonant wavelengths and temperature for two different gratings in the sensor

3.2 常溫下壓力響應測試

為了驗證該傳感器的可行性，首先對其進行了常溫下的壓力測試。通過液壓調節器向反應釜內注入硅油，并由精密壓力測量儀監測反應釜內壓強。從0 MPa逐漸增加到80 MPa，每個壓力點保持2 min，并通過光譜儀記錄下此時光譜。室溫（23 ℃）下傳感光柵的諧振波長隨壓力變化的一次擬合曲線如圖5所示，傳感光柵的壓力靈敏度為?28.18 pm/MPa，線性擬合度R2=0.995，具有很好的線性度，同時驗證了該傳感器能夠耐80 MPa的壓強。

圖 5 室溫（23 ℃）下傳感器的諧振波長與壓力擬合曲線Fig. 5 Fitting curve for resonant wavelength and pressure at room temperature (23 ℃)

3.3 不同溫度下壓力響應測試

將該壓力傳感器置于恒溫油槽中，測試其不同溫度下的壓力響應，如表1所示。110 ℃以內的壓力靈敏度大約在?30 pm/MPa，隨著溫度繼續升高，壓力靈敏度變化較大，在150 ℃時壓力靈敏度達到最大值為?50.02 pm/MPa。

圖6 為50 ℃、100 ℃、150 ℃下傳感光柵的諧振波長隨壓力的變化情況，最大壓強為80 MPa，壓力響應均表現出良好的線性關系。不同溫度區間的壓力靈敏度不同主要是因為在不同溫度下碳纖維管中的高溫樹脂膠的特性發生了變化，其彈性模量不在是一個常數，而是一個隨溫度變化的量，使其在高溫環境下具有更大的形變量，即高溫區的壓力靈敏度會更高，但同樣具有很好的線性擬合度。

圖 6 不同溫度下傳感光柵的諧振波長與壓力擬合曲線Fig. 6 Fitting curve for resonant wavelength and pressure at different temperatures

表 1 傳感光柵在不同溫度下的壓力響應靈敏度Tab. 1 Pressure response sensitivity of sensing grating at different temperatures

光纖光柵溫度和壓力交叉敏感問題的解決方法主要可分為：參考光柵法和雙波長矩陣法[34]。這里采用的是參考光柵法，即對壓力傳感光柵和參考光柵中心波長漂移量相減，即可求得溫度和壓力變化，實現雙參量解調。此時實際待測壓力PT可以由公式(4)表示[35]：其中λ1為 壓力傳感光柵的反射波長，λ10為壓力傳感光柵的初始波長，λ2為參考光柵的反射波長，λ20為 參考光柵的初始波長，K1為壓力傳感光柵的溫度靈敏度系數，K2為參考光柵的溫度靈敏度系數，KT為溫度T下壓力傳感光柵的壓力靈敏度系數。

為了驗證該壓力傳感器的穩定性，將傳感器放置于150 ℃、80 MPa的環境下，測量24 h內的壓力響應波動情況，結果如圖7所示。對壓力傳感光柵每隔30 min采集一個數據點，可以發現該傳感器在24 h內的波長波動為±0.03 nm，這主要由恒溫油槽溫度波動和光譜儀解調精度決定的，實驗結果表明該壓力傳感器在高溫高壓環境下表現出很好的穩定性。

圖 7 光纖壓力傳感器穩定性測試Fig. 7 Stability test of optical fiber pressure sensor

4 結 論

本文提出了一種基于碳纖維管壓力增敏型的光纖光柵溫度壓力傳感器，并建立了壓力分析模型，對傳感器封裝和測試進行了詳細分析。實驗結果表明，該傳感器能夠在150 ℃、80 MPa環境中穩定工作，壓力靈敏度最高可達?50.02 pm/MPa，且壓力響應表現出很好的線性度。通過引入參考光柵，實現對溫度和壓力雙參量解調。這種光纖壓力傳感器有望應用于油氣井下的開采，同時也驗證了這種碳纖維復合材料在油氣井苛刻環境下作為傳感器應用的可行性。