分布式光纤传感系统关键技术研究--《哈尔滨工业大学》2010年博士论文
分布式光纤传感系统关键技术研究
【摘要】：针对重大工程和基础设施的健康监测和诊断是一项贯穿整个工程生命周期的技术,从工程施工、运营管理一直到拆除都需要进行健康监测,利用无损伤的监测方式获得结构内部信息,了解结构因损伤或者退化造成的改变。结构健康监测的基础是传感单元,目前常用的传感元件限于监测距离、耐久性、精度等问题,已经成为阻碍健康监测技术发展的瓶颈。光纤传感技术因其敏感元件小巧、高耐久、绝对测量及分布式监测等特性,有逐步取代部分电类传感器成为传感健康监测首选敏感元件的趋势。虽然光纤传感器在传感领域优势明显,但在针对结构体构建分布式光纤传感系统过程中仍然存在一些难于解决的关键技术难题。本文以光纤传感技术为基础针对分布式光纤传感系统中的三个关键技术——温度补偿技术,直接传感器设计方法和间接传感器设计方法,提出相应解决办法。
分析准分布式、分布式监测系统中光纤Bragg光栅技术、布里渊光时域分析技术和拉曼光时域分析技术的温度应变耦合作用,提出一种基于ROTDR的准分布式FBG和分布式BOTDR应变监测系统的温度补偿方法,研究了多监测位置长距离监测系统温度补偿后应变灵敏度系数的计算方法及误差修正方法,并通过温度监测对比实验验证了该温度补偿方法的有效性。改进直接传感器设计方法。针对准分布式监测系统应变监测中传感器量程不够或精度有限的问题,提出一种适合多种结构形式的灵敏度系数可调(增敏减敏)的准分布式FBG应变传感器设计方法;同时在准分布式直接传感器研究基础上,研制适合油田井下应用的FRP加强型全分布式温度传感器和FRP封装全分布式应变传感器,得到0.5m的温度监测空间分辨率和1℃的温度监测精度,0.5m的应变监测空间分辨率和±20με的应变监测精度。
探讨基于FBG的间接参量(除应变和温度外)的传感器设计方法。提出分别针对液体压力和固体压力监测的平膜片等强度梁式FBG液体压力温度一体化传感器和平膜片式土压力温度一体化传感器的设计方法,针对毫米级位移监测的温度自补偿FBG位移传感器的设计方法,研制样机,并进行相关性能实验,分别得到0.001MPa的液体压力监测精度,0.004MPa的土层压力监测精度和0.1mm的位移监测精度;在压力和位移传感器研究的基础上,针对具体桥梁桩基冲刷问题,研制两种基于FBG的适用于桥梁健康监测系统的桩基冲刷监测传感器,分别得到了3x10-6MPa的水流流压监测精度和0.1m的冲刷深度监测精度。
在以上光纤传感系统关键技术研究的基础上,以油田井下参数监测为背景,针对石油行业油水井油套环空内温度难于分布式在线监测的问题,提出一种基于光纤拉曼光时域分析技术的油水井绝对温度监测方法,结合油田油水井工艺环境研制适合油套环空工况的分布式光纤拉曼温度传感器并将其应用于实际工程;分析石油行业油水井套管损坏问题的成因,提出一种基于光纤传感技术的在套管环空内布设传感器监测套管变形的新方法,综合应用FBG技术、光纤布里渊光时域分析技术与光纤拉曼光时域分析技术开发适合油田油水井应用的针对套管变形和套管环空压力的光纤传感监测系统,选取试验区块进行现场试验,对不同生产阶段套管的变形数据进行监测,结合油田已有成果,综合分析套管变形状态,以期预测套损的发生,进一步的分析有助于研究套损的成因。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2010【分类号】：TP212.14
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