張洪濤,張廣玉,王振龍,劉合,劉麗麗

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程博士后流動(dòng)站，黑龍江 哈爾濱 150001； 3.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100000)

溫度自補(bǔ)償?shù)钠耐茥U式光纖光柵井下壓力計(jì)

張洪濤1,2,張廣玉1,王振龍1,劉合3,劉麗麗1

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程博士后流動(dòng)站，黑龍江 哈爾濱 150001； 3.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100000)

針對多數(shù)光纖光柵壓力計(jì)不能兼顧大量程和高靈敏度，且溫度無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)償?shù)膯栴}，本文提出了一種偏心推桿結(jié)構(gòu)，并采用將兩支光纖光柵對稱粘貼在應(yīng)變桿上下表面的方法，設(shè)計(jì)并制作了光纖光柵井下壓力計(jì)。對壓力計(jì)傳感頭部分進(jìn)行了理論分析和仿真，并對壓力計(jì)進(jìn)行了壓力標(biāo)定和溫度實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：此壓力計(jì)具有良好的線性度和重復(fù)性，幾乎沒有彈性滯后，在0～30 MPa的大量程范圍內(nèi)靈敏度達(dá)到了230.8 pm/MPa，并且在20～80 ℃溫度區(qū)間內(nèi)，兩光纖光柵中心波長差幾乎不變，可見此壓力計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)溫度自動(dòng)補(bǔ)償。

光纖光柵； 井下壓力； 偏心推桿； 溫度自補(bǔ)償； 高靈敏度； 彈性滯后

井下壓力數(shù)據(jù)對油田的生產(chǎn)和開發(fā)具有重要意義。目前，常規(guī)的井下壓力監(jiān)測儀表主要有機(jī)械式壓力計(jì)、毛細(xì)鋼管壓力計(jì)、電子式壓力計(jì)[1-2]。這些儀表普遍存在精度不高、穩(wěn)定性差以及帶電操作的缺點(diǎn)，并且在高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕和地磁地電干擾的井下環(huán)境中難以工作。光纖光柵(fiber bragg grating, FBG)傳感器具有體積小、抗電磁干擾、能承受極端惡劣條件、易于網(wǎng)絡(luò)化等優(yōu)點(diǎn)，近年來越來越廣泛的應(yīng)用于光纖通信、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測以及航空航天等領(lǐng)域[3-7]，尤其在石油、天然氣壓力監(jiān)測方面擁有傳統(tǒng)儀表無法比擬的優(yōu)勢。

近年來，許多研究者基于光纖光柵傳感技術(shù)對流體壓力測量展開了研究[8-11]。Pachava提出一種基于不銹鋼彈簧結(jié)構(gòu)的傳感器，擁有577 pm/MPa的高靈敏度，但量程范圍僅0～5.5 MPa[9]。Jiang提出基于圓形彈性金屬薄膜的傳感器，具有0～60 MPa的大量程范圍，但靈敏度僅為23.8 pm/MPa，與同類傳感器相比較低[10]。此外，上述兩種傳感器本身都沒有溫度補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)產(chǎn)生溫度漂移，精度難以保證。對于油田井下壓力監(jiān)測來說，要求壓力計(jì)同時(shí)具有高靈敏度和大量程范圍，以便在深井或高壓油氣井中精確的獲得壓力變化數(shù)據(jù)。此外，要求壓力計(jì)尺寸盡量小且密封良好，以滿足井下有限的安裝空間和惡劣的環(huán)境。

本文針對油氣井井下高溫高壓、電磁干擾、安裝空間有限等特殊工況，提出小尺寸的壓力計(jì)結(jié)構(gòu)，采用將兩支光纖光柵粘貼在應(yīng)變桿上下兩表面的方式，結(jié)合偏心推桿結(jié)構(gòu)，提高了傳感器的靈敏度，增大了測量范圍，并且實(shí)現(xiàn)了溫度自動(dòng)補(bǔ)償功能。

1 FBG傳感原理

光纖光柵是利用光纖材料(主要是摻鍺光纖)的光敏性，通過紫外光曝光的方法將入射光相干場圖樣寫入纖芯，在纖芯內(nèi)產(chǎn)生沿纖芯軸向的折射率周期性變化，從而形成永久性空間的相位光柵，其作用實(shí)質(zhì)上是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶的(透射或反射)濾波器或反射鏡[3]。當(dāng)一束寬光譜光經(jīng)過光纖光柵時(shí)，滿足光纖光柵布拉格條件的波長將被反射，其余的波長透過光纖光柵繼續(xù)傳輸，如圖1所示。

圖1 FBG傳感原理圖Fig.1 Sensing schematic diagram of the FBG

布拉格光柵反射波長的基本表達(dá)式為

λB=2neffΛ

(1)

式中：λB為布拉格波長，neff為纖芯有效折射率，Λ為光纖光柵周期。

當(dāng)外界環(huán)境(溫度、應(yīng)變等)變化時(shí)，光柵的neff和Λ也會(huì)變化，進(jìn)而引起光纖光柵布拉格中心波長的變化[12]，如圖1所示，其表達(dá)式為

(2)

式中：Δl是縱向伸縮變化量，ΔT是溫度變化量。式(2)也可以用另一種方式表示，即

ΔλB=λB[(1-Pe)ε+(αΛ+ζn)ΔT]

(3)

式中：Pe為有限彈光系數(shù)，對于石英光纖，Pe≈0.22；αΛ為熱膨脹系數(shù)；ζn為熱光系數(shù)。式(3)可簡化為

式中：kε是光纖光柵溫度靈敏度，kT是光纖光柵軸向應(yīng)變靈敏度。由于光纖光柵的波長變化對應(yīng)變和溫度交叉敏感，因此對于壓力測量來說，必須對溫度引起的波長變化進(jìn)行補(bǔ)償，以保證壓力計(jì)的精度。

2 傳感頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真

2.1傳感頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了使光纖光柵壓力計(jì)滿足大量程、高靈敏度，且具有溫度補(bǔ)償功能，本文提出一種偏心推桿結(jié)構(gòu)，并在應(yīng)變敏感區(qū)采用雙FBG對稱粘貼的方法。傳感頭結(jié)構(gòu)示意圖如圖2(a)所示，主要由上保護(hù)殼、膜片、偏心推桿、固定鋼套、傳力管、中保護(hù)管和應(yīng)變桿組成。圖2(b)為沒有上保護(hù)殼和中保護(hù)管的傳感頭實(shí)物圖。傳感頭與鎧裝光纜及保護(hù)殼等連接后，最后組裝成的光纖光柵井下壓力計(jì)實(shí)物圖如圖2(c)所示，其直徑20 mm，長度370 mm。

圖2 壓力計(jì)傳感頭結(jié)構(gòu)圖與實(shí)物圖以及傳感器實(shí)物圖Fig.2 Schematic diagram and photograph of the sensor head and a photograph of FBG pressure sensor

圖3為偏心推桿實(shí)物與結(jié)構(gòu)圖，可見偏心推桿有三個(gè)等長度的支腳。圖4為粘有單光纖光柵的應(yīng)變桿，光纖光柵粘貼于應(yīng)變桿中間位置的圓桿處。本文對光纖光柵的封裝方式為：粘貼時(shí)，用502膠將兩光纖光柵兩端分別固定在應(yīng)變桿上下兩表面，光纖光柵軸線應(yīng)保持在沿桿長方向的中心線上，然后將光纖光柵全部涂上環(huán)氧樹脂膠，尺寸為20 mm×1.2 mm×0.3 mm。值得注意的是，在粘貼過程中要對光纖光柵施加一定的預(yù)應(yīng)力，這樣可以增加傳感器的重復(fù)性和線性度[13]。

圖3 偏心推桿實(shí)物圖及結(jié)構(gòu)圖Fig.3 A photograph and schematic diagram of the eccentric-pushrod

圖4 粘有單光纖光柵的應(yīng)變桿Fig.4 Strain rod with a single fiber Bragg grating

由圖3、4結(jié)合圖2(a)、(b)可知，膜片緊貼偏心推桿，偏心推桿的支腳穿過固定鋼套與傳力管相接，傳力管與應(yīng)變桿的受力端面相接，固定鋼套與應(yīng)變桿通過螺紋連接，與外保護(hù)管一起將應(yīng)變桿外螺紋一頭固定，另一頭則是自由的。當(dāng)外界壓力作用在膜片上時(shí)，由于膜片緊貼偏心推桿，所以壓力通過偏心推桿和傳力管作用到應(yīng)變桿的受力端面上(此端面可稱為偏心推桿作用面)，此時(shí)應(yīng)變桿會(huì)同時(shí)受到軸力及彎矩的作用而產(chǎn)生軸向伸長與彎曲，對稱粘貼在應(yīng)變桿表面的兩支FBG亦產(chǎn)生協(xié)同變形，中心波長發(fā)生漂移，最后通過測量光纖光柵波長漂移量得到外界壓力。軸力使兩FBG中心波長同向漂移，彎矩使其中一支受拉應(yīng)力，另一支受壓應(yīng)力，最終導(dǎo)致兩支FBG的中心波長向相反方向漂移，在溫度的影響下，由于兩支FBG粘貼在同一個(gè)應(yīng)變桿上，且兩支FBG的所有參數(shù)相同，所以溫度引起的波長變化是一樣的，也是同向漂移。數(shù)據(jù)處理時(shí)將兩FBG中心波長做差，既可去掉溫度對傳感器的影響，又使彎矩作用放大了兩倍，由于彎矩比軸力對FBG產(chǎn)生的應(yīng)變效果更大，所以提高了傳感器的靈敏度，同時(shí)也增大了傳感器的量程。

根據(jù)傳感頭結(jié)構(gòu)對壓強(qiáng)作用下的應(yīng)變桿進(jìn)行受力分析如圖5所示，A部分固定，外界壓強(qiáng)P通過偏心推桿作用在B部分的左端面上，此時(shí)應(yīng)變桿將受到偏心推桿的三個(gè)支腳作用的軸力和一個(gè)由非平衡力系產(chǎn)生的彎矩的作用。應(yīng)變桿上粘貼FBG1的一側(cè)正對著非平衡力系中產(chǎn)生彎矩的支腳(即作用力F1)，此時(shí)FBG1受到最大的拉應(yīng)變，F(xiàn)BG2受到最大的壓應(yīng)變。

由圖1(a)知外界壓強(qiáng)P通過膜片和偏心推桿的三個(gè)支腳作用在B部分的左端面上，由圖5(a)、(b)知，三個(gè)支腳的作用力的大小為

式中：S是偏心推桿的受力面積(S=πd2/4，d為偏心推桿受力面直徑)。

圖5 應(yīng)變桿受力分析示意圖Fig.5 Stress analysis of strain rod

應(yīng)變桿受到偏心推桿的三個(gè)支腳同方向作用得到軸力Fx的大小為

|Fx|=|F1|+|F2|+|F3|=PS

(4)

據(jù)正應(yīng)力計(jì)算公式，正應(yīng)力σ正比于軸力Fx：

σ=Fx/A

(5)

式中：A為應(yīng)變桿截面積(A=πD2/4，D為應(yīng)變桿直徑)。

根據(jù)胡克定律：

σ=Eε

(6)

式中：E、ε分別為應(yīng)變桿的彈性模量和軸向應(yīng)變。

由式(4)～(6)知軸力作用下產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)?/p>

(7)

應(yīng)變桿受力F1作用產(chǎn)生彎矩為

(8)

式中L是力臂。

由于圓截面純彎曲梁的正應(yīng)力為

(9)

由式(6)、(8)、(9)知，應(yīng)變桿受彎矩作用產(chǎn)生應(yīng)變?yōu)?/p>

(10)

由于彎矩使應(yīng)變桿上粘貼FBG1處受拉應(yīng)變，粘貼FBG2處受壓應(yīng)變，所以，在這種拉彎組合變形的受力狀態(tài)下，粘貼FBG1位置處的總應(yīng)變?yōu)?/p>

(11)

粘貼FBG2位置處的總應(yīng)變?yōu)?/p>

(12)

將式(11)、(12)做差得總應(yīng)變?yōu)?/p>

(13)

一般通過FBG受應(yīng)變產(chǎn)生變形大小(由拉力、壓力、彎曲產(chǎn)生)來測量外界物理量，有些研究者采用直推桿結(jié)構(gòu)，此時(shí)FBG只受到拉力作用，本文的傳感頭也可采用直推桿結(jié)構(gòu)，此時(shí)應(yīng)變桿中間部分只保留FBG1。應(yīng)變桿僅受軸力Fx作用，值仍為PS，由式(5)、(6)知，此時(shí)應(yīng)變桿的應(yīng)變?yōu)?/p>

(14)

傳感器參數(shù)如下：施加的最大壓強(qiáng)P=30 MPa，推桿受力面直徑d=9 mm，產(chǎn)生彎矩的力臂L=3.75 mm，應(yīng)變桿直徑D=3.4 mm，應(yīng)變桿彈性模量E=210 GPa，將以上各參數(shù)代入到式(13)、(14)中可得兩種情況下的應(yīng)變值分別為

ε=5.9×10-3，偏心推桿

ε′=0.92×10-3，直推桿

將兩個(gè)應(yīng)變做比值可知偏心推桿的應(yīng)變量是直推桿情況下的6.41倍，靈敏度得到了較大提升。

將式(13)代入式(3)，可得波長差為

ΔλB=λB(1-Pe)ε

所以FBG壓力靈敏度可表示為

式中：Pe=0.22，λB=1 535.026 nm，P=30 MPa，ε=5.9×10-3，因此理論靈敏度是235.08 pm/MPa。

2.2傳感頭有限元分析

前文對傳感頭的設(shè)計(jì)進(jìn)行了理論分析，下面通過有限元軟件[14](ANSYS17.0)對傳感頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真。傳感頭的材料及幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：采用40CrNiMoVA作為傳感頭材料，其彈性模量為210 GPa，剪切模量為80.7 GPa，泊松比為0.295，密度為7.87 kg/m3，直徑(粘貼FBG處)為2.9 mm，力臂為3.75 mm。30 MPa壓強(qiáng)作用下應(yīng)變桿的軸向應(yīng)變分布情況如圖6 (a)、(b)，從圖中可知軸向最大拉應(yīng)變?yōu)?.76 mε，最大壓應(yīng)變?yōu)?.82 mε，傳感器總應(yīng)變?yōu)?.6 mε，與理論值基本一致。應(yīng)變桿軸向拉/壓應(yīng)變的極值隨壓強(qiáng)的變化關(guān)系如圖6(c)、(d)，隨著加載壓強(qiáng)的增大，應(yīng)變桿軸向拉/壓應(yīng)變的極值(即FBG軸向拉/壓應(yīng)變的極值)與壓強(qiáng)呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，從圖中可知傳感器的拉應(yīng)變靈敏度為0.125 mε/MP，壓應(yīng)變靈敏度為-0.060 7 mε/MPa，總應(yīng)變靈敏度是二者之差為0.185 7 mε/MPa，考慮到FBG的應(yīng)變靈敏度為1.2 pm/με，所以設(shè)計(jì)的壓力傳感器應(yīng)該有222.84 pm/MPa的靈敏度，仿真結(jié)果與理論值比較吻合。

圖6 30 MPa作用下，應(yīng)變桿軸向的應(yīng)變分布及軸向應(yīng)變極值隨壓強(qiáng)的變化關(guān)系Fig.6 Distribution of axial strain of the strain rod for pressure of 30 MPa, and extreme value of maximum axial strain of as a function of applied pressure

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

3.1實(shí)驗(yàn)過程

圖7為光纖光柵井下壓力計(jì)溫度、壓力標(biāo)定實(shí)驗(yàn)原理圖和現(xiàn)場圖。內(nèi)部填滿水的壓力測試容器置于恒溫水浴內(nèi)，并與標(biāo)準(zhǔn)液壓泵輸出端密封連接實(shí)現(xiàn)0～40 MPa壓力測試。將測溫范圍1～150 ℃，精度±1 %，感溫管長300 mm的插入式溫度計(jì)經(jīng)密封接頭安裝到壓力測試容器上，感溫管完全浸入到水中以測量壓力測試容器內(nèi)的水溫。壓力計(jì)放置于壓力測試容器內(nèi)，其末端經(jīng)密封接頭引出，并與sm130解調(diào)儀(MOI公司)和電腦連接，所用解調(diào)儀的掃描頻率為1 kHz，分辨率小于1 pm，可重復(fù)性2 pm。所用恒溫水浴是通過低溫恒溫水浴循壞泵的循環(huán)作用，利用出水口將保溫軟管與外部設(shè)備(即圖7(a)中的恒溫水浴)連接，形成封閉回路，流回設(shè)備進(jìn)水口，將槽內(nèi)恒溫液體外引，建立外部恒溫場。低溫恒溫水浴溫度測量范圍是-30 ℃～100 ℃，溫度波動(dòng)為0.05 ℃，顯示分辨率0.1 ℃。

圖7 壓力計(jì)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)Fig.7 Calibration experiment of the pressure sensor

溫度實(shí)驗(yàn)：分別在恒壓0、10、20、30 MPa時(shí)，調(diào)節(jié)恒溫水浴溫度在20～80℃范圍內(nèi)，步長5 ℃，每次恒溫1 h后記錄兩支FBG的中心波長值。壓力標(biāo)定實(shí)驗(yàn)：調(diào)節(jié)恒溫水浴至預(yù)定溫度，待溫度恒定后，在0～30 MPa測量范圍內(nèi)進(jìn)行加載，步長2 MPa，每次加載后記錄兩支FBG的中心波長值。為了減小傳感器內(nèi)殘余應(yīng)力，在正式標(biāo)定前要循環(huán)加載卸載幾次，并進(jìn)行保壓。

實(shí)驗(yàn)中使用的光纖光柵是切趾型光纖光柵，指標(biāo)如下：光纖光柵中心波長為1 535.026±0.02 nm，-3 dB帶寬小于0.3 nm，邊模抑制比大于15 dB，反射率大于90 %，柵區(qū)長度10 mm。

3.2結(jié)果與分析

不同壓強(qiáng)作用下，兩FBG中心波長差隨溫度變化的關(guān)系曲線如圖8所示，從圖中可知，不同壓強(qiáng)下，壓力計(jì)在20～80 ℃溫度區(qū)間內(nèi)，隨著溫度的變化，兩FBG中心波長差幾乎不變，可見此壓力計(jì)具有良好的溫度自補(bǔ)償功能。

圖8 不同壓強(qiáng)作用下，兩FBG中心波長差隨溫度變化的關(guān)系曲線Fig.8 Central wavelength disparity of two FBGs as a function of temperature under different pressures

對壓力計(jì)進(jìn)行兩次加載卸載循環(huán)后，兩FBG中心波長差隨壓強(qiáng)的變化如圖9所示。從圖中知，該壓力計(jì)的線性度和重復(fù)性良好，線性度最高達(dá)到0.999 9，壓力靈敏度達(dá)到230.8 pm/MPa，是裸光纖光柵壓力靈敏度(-3.063 pm/MPa[15])的75.35倍，從卸壓曲線可以看出該傳感器幾乎沒有彈性滯后。

圖9 兩FBG中心波長差隨壓強(qiáng)變化的關(guān)系Fig.9 Central wavelength disparity of two FBGs as a function of pressure

實(shí)驗(yàn)靈敏度與理論和仿真數(shù)據(jù)相比偏小，原因是仿真和理論都是理想化模型，忽略了膠黏劑特性以及粘貼過程中的粘結(jié)層對傳感器的應(yīng)變傳遞性的影響。

本文壓力計(jì)量程及靈敏度指標(biāo)與其他研究者的對比如表1所示。與其他同類壓力計(jì)相比，該壓力計(jì)能在較大量程范圍內(nèi)得到較高的靈敏度。

表1 其他研究結(jié)果

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的溫度自補(bǔ)償?shù)钠耐茥U式光纖光柵井下壓力計(jì)經(jīng)過壓力標(biāo)定實(shí)驗(yàn)和溫度實(shí)驗(yàn)得到，此壓力計(jì)具有以下特點(diǎn)：

1)良好的重復(fù)性和線性度，幾乎沒有彈性滯后；

2)量程范圍大，為0～30 MPa；

3)靈敏度達(dá)到230.8 pm/MPa；

4)溫度能夠自動(dòng)補(bǔ)償；

5)尺寸小，其直徑為20 mm，長度為370 mm。

溫度自補(bǔ)償?shù)钠耐茥U式光纖光柵井下壓力計(jì)與其他同類壓力計(jì)相比，其兼顧了大量程和高靈敏度，且溫度能夠自動(dòng)補(bǔ)償，該壓力計(jì)可測量流體壓力、壓強(qiáng)，尤其適用于高溫、高壓、高腐蝕的油氣井井下壓力監(jiān)測，本文進(jìn)一步的研究方向?yàn)槿绾卧诟罅砍虛碛懈叩撵`敏度。

[1] 姚軍，劉均榮，張凱.國外智能井技術(shù)[M].北京：石油工業(yè)出版社， 2011： 22-44.

YAO Jun, LIU Junrong, ZHANG Kai. Intelligent well system[M]. Beijing: Petroleum Industry Press，2011：22-44.

[2] 劉英.活塞式壓力計(jì)誤差研究[J].計(jì)量與測試技術(shù)，2012(9): 65-66.

LIU Ying. Discussion on the aspects that impacts piston gauge error [J]. Metrology & measurement technique, 2012(9): 65-66.

[3] 張自嘉.光纖光柵理論基礎(chǔ)與傳感技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社， 2009.

ZHANG Zijia. Theoretical basis and sensing technology of fiber Bragg grating[M].Beijing：Science Press， 2009.

[4] OTHONOS A. Fiber bragg gratings: fundamentals and app-lications in Telecommunications and Sensing[M]. Londo-npp：Artech House， 1999.

[5] 任亮. 光纖光柵傳感技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用[D].大連: 大連理工大學(xué), 2008: 3-10.

REN Liang. The application of fiber bragg grating technology in structure health monitoring[D]. Dalian: Dalian Dalian University of Technology, 2008： 3-10.

[6] 孫偉民，姜福強(qiáng)，劉志海，等.利用摻餌光纖光柵實(shí)現(xiàn)應(yīng)變測試中的溫度補(bǔ)償[J].哈爾濱工程大學(xué), 2007, 28(6): 719-722.

SUN Weimin，JIANG Fuqiang，LIU Zhihai, et al. Temperature compensation in strain measurement using Erbium doped fluorescent fiber gratings[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2007, 28(6): 719-722.

[7] 章立濱，楊軍，劉志海，等. 單索面斜拉橋模型鋼索載荷應(yīng)變的光纖傳感測量方法[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2000, 21(3): 86-89.

ZHANG Libin, YANG Jun, LIU Zhihai，et al. Fiber optics strain sensing method for steel-cable-stayed bridge model[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2000, 21(3): 86-89.

[8] GUO Mingjin, LIANG Lei. A novel fiber bragg grating pressure sensor with the smart metal structure based on the planar diaphragm[J].Proceeding of SPIE, 2010,7659: 765900.

[9] PACHAVA V R , KAMINENI S，MADHUVARASU S S, et al. Fiber bragg grating-based hydraulic pressure sensor with enhanced resolution[J]. Optical engineering, 2015, 54(9): 096104.

[10] JIANG Qi, DU Huaiguang, HU Debo, et al. Hydraulic pressure sensor based on fiber Bragg grating[J]. Optical engineering, 2011, 50(6): 064401.

[11] 佟成國，馬樹坤，林沛，等. 雙膜盒式光纖壓力傳感器設(shè)計(jì)[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2004, 25(2):192-195.

TONG Chengguo, MA Shukun, LIN Pei，et al. Design of twin diaphragm boxes fiber optic pressure sensor[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2004, 25(2):192-195.

[12] OTHONOS A. Fiber bragg gratings[J]. Review of scientific instruments, 1997, 68(12): 4309-4341.

[13] XIN Sijin, CHAI Wei. Study on encapsulating method of FBG temperature sensor[J]. Journal of transducer technology, 2004, 23(4): 10-12.

[14] LIU Hao. ANSYS 15.0 Finite element analysis from entry to the master[M]. Beijing：Machine Press， 2014: 10-287.

[15] XU M G，REEKIE L，CHOW Y T，et al. Optical in-fiber grating high pressure sensor[J]. Electronics letters, 1993, 29(4): 398-399.

[16] ZHANG Qi，LIU Nan，F(xiàn)INK T，et al. Fiber-optic pressure sensor based on π-phase-shifted fiber bragg grating on side-hole fiber[J].IEEE photonics technology letters, 2012, 24(17): 1519-1522.

[17] SHENG HaoJan，F(xiàn)U Mingyue，CHEN Tzuchiang, et al. A lateral pressure sensor using a fiber bragg grating[J]. IEEE photonics technology letters, 2004, 16(4): 1146-1148.

[18] SONG Dongcao，ZOU Jilin，WEI Zhanxiong, et al. High sensitivity fiber bragg grating pressure sensor using metal bellows[J]. Opical engineering, 2009,48(3): 034403.

本文引用格式：

張洪濤，張廣玉，王振龍，等. 溫度自補(bǔ)償?shù)钠耐茥U式光纖光柵井下壓力計(jì)[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)， 2017， 38(11): 1775-1780.

ZHANG Hongtao, ZHANG Guangyu, WANG Zhenlong, et al. Eccentric-pushrod-based downhole FBG pressure sensor with temperature self-compensation[J]. Journal of Harbin Engineering University， 2017， 38(11): 1775-1780.

Eccentric-pushrod-baseddownholeFBGpressuresensor
withtemperatureself-compensation

ZHANG Hongtao1,2, ZHANG Guangyu1, WANG Zhenlong1, LIU He3, LIU LiLi1

(1.School of Mechatronics Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China; 2.Postdoc Station of Mechanical Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China; 3.Research Institute of Petroleum Exploration & Development, Beijing 100000, China)

Most fiber bragg grating pressure gauges cannot take account of large range, high sensitivity and temperature self-compensation at the same time. Aiming at these problems, an eccentric-pushrod structure was proposed, and two fiber bragg gratings were used to affix on the upper and lower surfaces of the pushrod symmetrically. Theoretical analysis and simulation were carried out on the structure of the sensor head of the pressure gauge. The pressure and temperature test were carried out. Experimental results show that this gauge possesses good linearity and repeatability, as well as little elastic hysteresis and temperature self-compensation. The sensitivity of the gauge can reach 230.8 pm/MPa when the measured pressure is in the range of 0～30 MPa. In the temperature range of 20～80 ℃, the central wavelength difference of the two fiber bragg gratings is nearly constant, which shows a good temperature self-compensation.

fiber bragg grating(FBG); downhole pressure; eccentric pushrod structure; temperature self compensation; high sensitivity; elastic hysteresis

10.11990/jheu.201607042

http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20171016.1546.008.html

TN253

A

1006-7043(2017)11-1775-06

2016-07-18.

網(wǎng)絡(luò)出版日期：2017-10-16.

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51574098).

張洪濤(1984-), 男, 博士后；

張廣玉(1962-), 男, 教授,博士生導(dǎo)師.

張洪濤，E-mail: zht10201@163.com.