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光纤式井下高温高压测试系统设计

作　者: 昝建明
导　师: 杜坚
学　校: 西南石油学院
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 井下压力光纤测试传感器
分类号: TE938
类　型: 硕士论文
年　份: 2003年
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内容摘要

本文针对油气田开发工程中高温高压井的实际工程问题，特别是CNPC西南油气田分公司采气工程研究院科研项目的具体要求，在分析研究现代测试技术基础上，提出一种新型的光纤式井下高温高压测试系统，并主要完成了井下光纤压力传感器的设计。该井下传感器满足温度300℃，测试压力为120MPa的工程条件。论文提出了光纤压力传感器的总体方案，建立了压力信号测试的数学模型，推导出了光在弯曲光纤中的数值孔径，分析了光电探测的几种方式。详尽阐述了光纤、光源和光探测器的特性，对光源—光纤和光探测器—光纤的耦合效率进行了分析。论述了零差检测技术，并对零差检测中的主动零差、被动零差检测技术分别作了分析。最后还完成了测试短节的机械结构设计和感压弹性管的强度分析。本论文所完成的设计将对今后特殊高温高压油气井测试提供一种有意义的方法。

全文目录

摘要  2-3
ABSTRACT  3-4
目录  4-7
第1章绪论  7-15
  1.1 引言  7-9
  1.2 光纤传感技术的简介  9-11
  1.3 光纤传感器研究状况  11-13
  1.4 课题的来源及主要研究内容  13-15
    1.4.1 课题的来源  13
    1.4.2 本课题的主要研究内容  13-15
第2章系统总体方案设计及其建模  15-27
  2.1 引言  15-16
  2.2 测试系统的总体结构及其实施方案  16-18
    2.2.1 井下光纤压力传感器的工作原理  16
    2.2.2 井下光纤测试系统的结构  16-18
  2.3 弹性管的数学模型  18-20
  2.4 光纤相位调制模型  20-21
    2.4.1 相位调制机制  20-21
    2.4.2 应力应变效应  21
  2.5 干涉场分布及光电探测方式  21-24
    2.5.1 干涉场分布  22
    2.5.2 光电探测方式  22-23
    2.5.3 干涉条纹的光强与相位差的关系  23
    2.5.4 干涉条纹信号检测与处理  23-24
  2.6 井下光纤温度传感器  24-27
    2.6.1 光纤温度传感器的原理  24-25
    2.6.2 光纤温度传感器的结构  25-27
第3章光纤压力传感器组成器件的理论与特性  27-42
  3.1 引言  27
  3.2 光纤的传输特性  27-30
    3.2.1 光纤的数值孔径  27-28
    3.2.2 光纤的损耗特性  28-29
    3.2.3 光纤的色散  29-30
  3.3 半导体光源  30-32
  3.4 光电探测器(PD)  32-37
    3.4.1 PN和PIN光电探测器工作原理  32-35
    3.4.2 光电探测器的特性  35-37
  3.5 光源、光探测器和光纤的耦合  37-42
    3.5.1 直接耦合  37-38
    3.5.2 透镜耦合  38-42
第4章光路系统的设计与关键器件的选择  42-51
  4.1 光源的设计  42-44
    4.1.1 光源的选择  42-43
    4.1.2 半导体激光二极管(LD)驱动电路的设计  43
    4.1.3 LD光稳定措施  43-44
  4.2 探测器的选择  44-45
  4.3 测试光纤的确定  45-51
    4.3.1 子午线在阶跃型光纤中的几何行程和反射次数  46-48
    4.3.2 弯曲光纤的数值孔径  48-49
    4.3.3 光纤的耦合方式  49-51
第5章机械结构设计  51-57
  5.1 弹性管的设计  52-54
  5.2 测试短节的设计  54-55
  5.3 井口光缆线的穿越  55-57
第6章信号处理系统  57-64
  6.1 引言  57-58
  6.2 零差检测技术  58-62
    6.2.1 被动零差法  58-60
    6.2.2 主动零差法  60-62
  6.3 A／D转换部分  62-64
第7章传感器总体性能的分析  64-67
  7.1 测试压力的分析  64-65
  7.2 测试分辨率的分析  65-67
结论  67-69
附录  69-72
致谢  72-73
参考文献  73-74

光纤式井下高温高压测试系统设计

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