编辑推荐：
光纤布拉格光栅（FBG）压力传感器基于TC4合金薄壁圆柱结构，通过分布式应变测量确定最大应变区，对比不同壁厚传感器性能，研究温度对压力灵敏度的影响，并采用双FBG配置实现温度压力解耦。实验表明传感器在150°C和50MPa极端条件下具有0.10%FS压力不确定度，适用于油气井长期高温高压监测。
Xixi Hu|Dan Sua|Chen Yang|Tianxin Duan|Weitao Luo|Yufei Xia|Ruohui Wang|Xueguang Qiao
摘要
本文提出了一种基于薄壁圆柱结构的光纤布拉格光栅（FBG）压力传感器，并通过实验进行了验证。该薄壁圆柱结构由TC4合金制成，通过分布式应变测量确定了最大应变区域。此外，还比较了三种不同壁厚下的压力响应，并研究了压力灵敏度随温度的变化情况。最后，通过使用双FBG配置实现了有效的温度-压力解耦。实验结果表明，该传感器在极端温度和压力条件下具有高精度和高稳定性。测量在高温（150°C）和高压（50 MPa）下同时进行，压力不确定度为0.10%FS（满量程）。全金属结构设计以及光纤与井液的良好隔离，确保了该传感器适用于油井和气井中的长期温度和压力监测。它有望实现油井和气井中高温和高压的长期实时监测和精确测量。
引言
由于光纤传感器具有体积小、耐高温、固有安全性和抗电磁干扰等优点[1]，因此已在多种领域得到研究。这些传感器可以测量各种参数，包括压力、加速度、应力、温度和振动。温度和压力监测在许多行业中至关重要，例如石油和天然气开采、生物医学应用以及环境安全监测[4]、[6]、[14]、[26]、[30]、[33]。该领域已进行了广泛研究，重点是提高压力灵敏度和扩展温度和压力传感器的工作范围[18]、[22]、[25]、[31]。然而，对于实际应用而言，必须确保这些传感器的稳定性和可靠性。
压力监测的技术方案主要基于光纤布拉格光栅（FBG）和法布里-珀罗干涉仪（FPI）结构。其中，基于FPI结构的传感器具有高灵敏度、宽动态范围和多样化的结构[32]等优点。然而，它们不支持级联复用，稳定性较低，并且容易受到温度交叉干扰[9]、[17]、[21]。FBG传感器结合了FBG和压力敏感结构，具有高精度、易于级联和抗光源强度变化的特点，因此适用于工程应用[7]、[28]。此外，FBG压力传感器通常采用特定封装，以确保其在恶劣环境中的性能稳定。
根据灵敏度结构，FBG压力传感器可以分为聚合物型、金属弹簧管型、金属膜片型和薄壁圆柱型。已经对这些传感器进行了大量研究。Liu等人[15]提出了一种封装在聚合物中的液压压力传感器，其工作压力范围为0 - 15.5 MPa，温度范围为0 - 44.8°C，压力灵敏度为51.296 pm/MPa。该传感器表现出高灵敏度；然而，由于聚合物材料的耐温性较低，不适合高温恶劣环境[20]。K. Srimannarayana等人[23]开发了一种基于金属弹簧管结构的FBG压力传感器，可同时实现高灵敏度压力测量和温度补偿。该传感器在0 - 100 psi的压力范围内表现出66.9 pm/psi的压力灵敏度，并具有高耐温性。然而，其线性区间有限，因此在压力测量范围较广时需要复杂的压力校准过程。Xu等人[27]提出了一种结合膜片和杠杆结构的高温压力传感器，可以同时测量压力（0 - 30 MPa）和温度（50°C - 120°C），压力灵敏度为29.76 pm/MPa，温度灵敏度为32.66 pm/°C。然而，它表现出显著的滞后现象、重复性不佳和较低的压力灵敏度。Gu等人[7]提出了一种基于薄壁圆柱结构的FBG压力传感器。薄壁区域在压力作用下变形，导致固定在其外表面的FBG被拉伸，从而实现压力监测。另一个固定在圆柱顶部的FBG仅受温度影响并进行了温度补偿。该传感器在0 - 16 MPa的压力范围内具有69.4 pm/MPa的压力灵敏度。显然，该传感器表现出较高的压力灵敏度，但其压力范围受到材料特性的限制。总之，现有研究主要集中在提高传感器的压力灵敏度和温度-压力工作范围上。然而，在实际应用中，稳定性和可靠性更为重要。此外，大多数研究是独立校准温度和压力的。关于同时进行高温和高压测试的研究有限；实际上，目前的FBG基压力传感器最多只能测量到120°C和30 MPa。在高温条件下，压力灵敏度可能会发生变化，因此有必要进一步研究压力灵敏度与温度变化之间的关系。
在本研究中，我们设计并制造了一种基于薄壁圆柱结构的FBG压力传感器，以实现大线性区间、高稳定性和高精度的同时压力和温度测量。压力测量光栅使用353ND环氧树脂胶粘剂固定在TC4制成的薄壁圆柱上，从而实现压力传感。同时，温度测量光栅用于温度补偿。最终目标是实现压力（0 - 50 MPa）和温度（25°C - 150°C）的同时测量。该传感器表现出0.10%FS的压力不确定度、0.30%FS的压力精度和0.14%FS的温度精度。
部分摘录
传感原理和封装
本研究设计的压力传感器结构如图1(a)、(b)和(c)所示。传感器由三个组成部分构成：双FBG、薄壁椭圆圆柱结构和保护封装。薄壁圆柱结构由钛合金TC4（Ti-6Al-4V）制成。同时，使用353ND环氧树脂粘合剂（可承受高达200°C的温度）将FBG1固定在薄壁区域作为压力测量FBG。
校准和讨论
图3所示的高温和高压测试系统包括一个 interrogator（Micron Optics, SI255；波长范围1460 - 1620 nm；波长精度1 pm；在1 Hz下的波长重复性0.05 pm）、一个台式液压泵（ConST137A，0 - 260 MPa）、一个标准压力校准器（ConST211，0-160 MPa，0.02%）和一个干燥箱（GHG-9145A，20°C - 300°C）。封装好的光纤压力传感器通过螺纹底座固定在干燥箱的连接器平台上。
结论
总结来说，本文提出并展示了一种基于薄壁圆柱结构的FBG压力传感器。用于制造传感器的TC4材料确保了高压力灵敏度和宽测量范围。与以往主要依赖仿真的研究不同，TC4薄壁圆柱结构通过分布式应变测量进行了实验测试，直接确定了光纤上最大应变区域。此外，
CRediT作者贡献声明
Ruohui Wang： 方法论、形式分析、概念化。Xueguang Qiao： 方法论、形式分析、概念化。Weitao Luo： 软件、方法论、形式分析。Yufei Xia： 方法论、数据管理。Xixi Hu： 编写——原始草稿、验证、方法论、研究、数据管理、概念化。Su Dan： 资源获取、项目管理、资金筹集、形式分析、概念化。Chen Yang： 软件、数据管理。Tianxin Duan： 方法论、形式分析
利益冲突声明
我们声明与可能不恰当地影响我们工作的其他人或组织没有财务和个人关系，并且对任何产品、服务和/或公司没有专业或其他形式的个人利益，这些利益可能会影响本文所述观点或手稿的评审。
Xixi Hu目前在中国西安西北大学的物理系攻读博士学位。她的研究兴趣包括光纤高温和高压传感技术。
