光纤光栅高温高压传感器

摘要

一种光纤光栅高温高压传感器，在内壁设有压力传感光栅的石英管的左端设置有左石英堵头、右端设置有右石英堵头，左石英堵头上设置有伸入到石英管内的左毛细钢管，右石英堵头上设置有伸入到石英管内的右毛细钢管，右毛细钢管的径向加工有孔，左毛细钢管内设置有与压力传感光栅连接的光纤，右毛细钢管内设置有温度传感光栅和与温度传感光栅相连接的光纤，右毛细钢管内的光纤穿出右毛细钢管的径向孔与压力传感光栅的另一端相连接。本发明经宽带光源照射后，各光纤光栅传感器光纤光栅的中心反射波长分别落在不同的波长区域，被测物体的压力、温度等发生变化时，引起相应的光纤光栅在各自的波长区域内偏移，通过偏移量得到所要检测的温度和压力。

权利要求

1.一种光纤光栅高温高压传感器，其特征在于：在内壁设有压力传感光栅(7)的石英管(8)的左端设置有左石英堵头(2)、右端设置有右石英堵头(4)，左石英堵头(2)上设置有伸入到石英管(8)内的左毛细钢管(1)，右石英堵头(4)上设置有伸入到石英管(8)内的右毛细钢管(5)，右毛细钢管(5)的径向加工有孔，左毛细钢管(1)内设置有与压力传感光栅(7)一端连接的光纤(6)，右毛细钢管(5)内设置有温度传感光栅(3)和与温度传感光栅(3)相连接的光纤(6)，右毛细钢管(5)内的光纤(6)穿出右毛细钢管(5)的径向孔与压力传感光栅(7)的另一端相连接。

2.按照权利要求1所述的光纤光栅高温高压传感器，其特征在于：所说的温度传感光栅(3)的波长为1520～1570nm，压力传感光栅(7)的波长为1520～1570nm。

3.按照权利要求1或2所述的光纤光栅高温高压传感器，其特征在于：所说的温度传感光栅(3)的波长与压力传感光栅(7)的波长不相同。

4.按照权利要求2所述的光纤光栅高温高压传感器，其特征在于：所说的压力传感光栅(7)的波长与温度传感光栅(3)的波长之差为4nm。

5.按照权利要求3所述的光纤光栅高温高压传感器，其特征在于：所说的压力传感光栅(7)的波长与温度传感光栅(3)的波长之差为4nm。

6.按照权利要求1所述的光纤光栅高温高压传感器，其特征在于：所说的石英管(8)的壁厚为0.8～1.5mm。

说明书

光纤光栅高温高压传感器

技术领域

[0001] 本发明属于传感器技术领域，具体涉及到用于对油气井中温度、压力进行检测的采用光纤光栅的高温高压传感器。

背景技术

[0002] 光纤光栅传感器可以埋覆在被测物体和材料内部对压强、温度、应力、应变、流速、流量、粘度等诸多物理量进行接收转换成电信号输出的一种器件，其检测原理是由被测体上述物理量的变化而引起光纤光栅反射或透射光谱的波长偏移、相位变化、偏振态变化及强度变化，通过解调这些光谱变化而达到对被测物理量的检测目的。由于光纤光栅具有体积小、重量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰能力强、易集成、结构简单等许多本质优点，从20世纪70年代问世以来，受到国内外的普遍关注。人们竭力探索光纤光栅在光通信及光传感方面的应用。美国、加拿大、日本和德国有较深入地研究和开发应用，在民用建筑工程、医疗、环保及航空测试等领域也有一些应用。

[0003] 目前，国内外对温度压力检测的研究有很多方法，但适合较高压力和温度的适用方法，还未见报道过。

[0004] 清华大学的赵勇等八曾提出利用置于自由弹性圆筒型压力换能器内的悬臂梁结构，实现压力与温度同时检测的光纤光栅传感器，这种温度压力传感器，结构比较复杂，所检测的温度范围不够高。

发明内容

[0005] 本发明所要解决的技术问题在于克服上述光纤光栅传感器的缺点，提供种设计合理、结构简单、灵敏度高、对多参数进行动态在线检测的光纤光栅高温高压传感器。

[0006] 解决上述技术问题所采用的技术方案是：在内壁设有压力传感光栅的石英管的左端设置有左石英堵头、右端设置有右石英堵头，左石英堵头上设置有伸入到石英管内的左毛细钢管，右石英堵头上设置有伸入到石英管内的右毛细钢管，右毛细钢管的径向加工有孔，左毛细钢管内设置有与压力传感光栅连接的光纤，右毛细钢管内设置有温度传感光栅和与温度传感光栅相连接的光纤，右毛细钢管内的光纤穿出右毛细钢管的径向孔与压力传感光栅的另一端相连接。

[0007] 本发明的温度传感光栅的波长为1520～1570nm，压力传感光栅的波长为1520～1570nm。

[0008] 本发明的温度传感光栅的波长与压力传感光栅的波长不相同。

[0009] 本发明的压力传感光栅的波长与温度传感光栅的波长之差为4nm。

[0010] 本发明说的压力传感光栅设置在石英管内壁的轴向中点位置。

[0011] 本发明的石英管的壁厚为0.8～1.5mm。

[0012] 本发明将两根光纤光栅置于石英管内，构成温度、压力同时测量的光纤光栅传感器。经宽带光源照射后，各光纤光栅传感器光纤光栅的中心反射波长分别落在不同的波长区域，当被测物体的压力、温度等发生变化时，引起相应的光纤光栅在各自的波长区域内偏移，通过偏移量最后得到所要检测的温度和压力。

附图说明

[0013] 图1是发明一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

[0014] 下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。

[0015] 实施例1

[0016] 在图1中，本实施例的光纤光栅高温高压传感器由左毛细钢管1、左石英堵头2、温度传感光栅3、右石英堵头4、右毛细钢管5、光纤6、压力传感光栅7、石英管8联接构成。

[0017] 在石英管8的左端用383胶粘接有左石英堵头2、右端用383胶粘接有右石英堵头4，本实施例石英管8的壁厚为1mm，左石英堵头2和右石英堵头4的中心位置加工有中心孔，左石英堵头2的中心孔内安装有左毛细钢管1，左毛细钢管1的一端伸入到石英管8内、另一端在石英管8外，左毛细钢管1与石英管8内相联通，左毛细钢管1内安装有光纤6，右石英堵头4的中心孔内安装有右毛细钢管5，右毛细钢管5的一端伸入到石英管8内、另一端在石英管8外，右毛细钢管5的径向加工有孔，右毛细钢管5与石英管8内相联通。
在石英管8的内壁上用383胶粘接有压力传感光栅7，压力传感光栅7位于石英管8内壁的轴向中点位置，在右毛细钢管5内用383胶粘接有温度传感光栅3和光纤6，383胶为市场销售的商品，由北京利恩和通信有限公司提供。温度传感光栅3与右毛细钢管5内的光纤
6熔接相连，压力传感光栅7的一端与穿出右毛细钢管5径向孔的光纤6熔接连接，压力传感光栅7的另一端与左毛细钢管1内的光纤6熔接相连，左毛细钢管1内的光纤6穿出左毛细钢管1后用383胶将左毛细钢管1的端口封闭，右毛细钢管5内的光纤6穿出右毛细钢管5后用383胶将右毛细钢管5的端口封闭。温度传感光栅3和压力传感光栅7为市场上销售的商品，温度传感光栅3和压力传感光栅7由深圳太辰光通信有限公司生产，温度传感光栅3的波长为1552nm，压力传感光栅7的波长为1556nm。温度传感光栅3用于接收将右毛细钢管5传导的温度信号转换成光信号经右毛细钢管5内的光纤6输出，压力传感光栅7用于接收压力变化引起石英管8发生形变转换成光信号，一路经右毛细钢管5内的光纤6输出输出、另一路经左毛细钢管1内的光纤6输出。由于本发明采用了这种结构的温度传感光栅3接收温度信号，采用压力传感光栅7接收压力信号，大大提高了温度压力传感器的灵敏度。

[0018] 实施例2

[0019] 在本实施例中，石英管8的壁厚为0.8mm，温度传感光栅3的波长为1520nm，压力传感光栅7的波长为1524nm。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

[0020] 实施例3

[0021] 在本实施例中，石英管8的壁厚为1.5mm，温度传感光栅3的波长为1566nm，压力传感光栅7的波长为1570nm。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

[0022] 为了验证本发明的有益效果，发明人采用本发明实施例1制备光纤光栅高温高压传感器进行实验室研究试验，各种试验情况如下：

[0023] 实验仪器：宽带光源，型号为ASE-CL-10-021140，由深圳朗光科技有限公司生产；耦合器，型号为WP15500202A1000，由无限光通讯(深圳)有限公司生产；光谱仪，型号为MS9710C，由安立公司生产。

[0024] 1、用本发明检测温度实验

[0025] 将本发明放入温箱内，采用逐步升温法，由室温升至350℃，升温时间间隔为10分钟。用光谱仪测得反射峰值波长。对本发明进行多次升温实验，检测本发明随温度升高变化的重复性。

[0026] 实验结果见表1。

[0027] 表1本发明的温度传感光栅3的反射波长随温度升高变化情况

[0028]升温(℃) 峰值波长1(nm) 峰值波长2(nm) 峰值波长3(nm) 平均峰值波长(nm)
22.5 1547.988 1547.984 1547.98 1547.984
33.2 1548.115 1548.098 1548.103 1548.105
42.8 1548.218 1548.205 1548.215 1548.213
53.3 1548.322 1548.319 1548.33 1548.324
63.1 1548.445 1548.441 1548.45 1548.445
73.3 1548.537 1548.546 1548.54 1548.541
84.5 1548.675 1548.674 1548.685 1548.678
94.8 1548.825 1548.807 1548.816 1548.816
105.2 1548.919 1548.918 1548.909 1548.915
114.5 1549.062 1549.054 1549.058 1549.058
124.5 1549.19 1549.176 1549.182 1549.183
133.9 1549.3 1549.292 1549.302 1549.298
145.6 1549.428 1549.432 1549.425 1549.428
155 1549.554 1549.552 1549.549 1549.552
164.2 1549.673 1549.659 1549.666 1549.666
175.7 1549.822 1549.812 1549.817 1549.817
升温(℃) 峰值波长1(nm) 峰值波长2(nm) 峰值波长3(nm) 平均峰值波长(nm)
185.1 1549.964 1549.951 1549.966 1549.96
195.8 1550.12 1550.11 1550.121 1550.117
204.4 1550.228 1550.225 1550.224 1550.226
215.4 1550.323 1550.324 1550.317 1550.321
222.3 1550.471 1550.47 1550.468 1550.47
232.4 1550.607 1550.603 1550.61 1550.607
243 1550.735 1550.729 1550.735 1550.733
253 1550.871 1550.862 1550.868 1550.867
262.1 1550.991 1550.989 1550.985 1550.988
271.9 1551.14 1551.132 1551.141 1551.138
282 1551.277 1551.266 1551.273 1551.272
292.2 1551.437 1551.424 1551.435 1551.432
301.8 1551.554 1551.555 1551.545 1551.551
311.4 1551.689 1551.687 1551.686 1551.687
321.3 1551.813 1551.811 1551.818 1551.814
332.3 1551.958 1551.967 1551.96 1551.962
343.5 1552.121 1552.138 1552.129 1552.129

[0029] 由表1可见，每次升温温度传感光栅3的反射峰值波长基本保持稳定。

[0030] 将本发明放入温箱内，采用逐步降温法，由350℃降至室温，降温时间间隔为10分钟。用光谱仪测得反射峰值波长。对本发明进行多次降温实验，检侧本发明随温度降低变化的重复性。实验结果见表2。

[0031] 表2本发明的温度传感光栅3的反射波长随温度降低变化情况

[0032]降温(℃) 峰值波长1(nm) 峰值波长2(nm) 峰值波长3(nm) 平均峰值波长(nm)
23.9 1547.869 1547.878 1547.86 1547.866
25.9 1547.891 1547.889 1547.897 1547.892
33.2 1547.962 1547.964 1547.96 1547.962
42.7 1548.063 1548.064 1548.102 1548.076
52.1 1548.172 1548.177 1548.169 1548.173
61.8 1548.284 1548.294 1548.275 1548.281
72.1 1548.419 1548.422 1548.415 1548.415
82.5 1548.518 1548523 1548.526 1548.52
92.5 1548.643 1548.64 1548.638 1548.64
102.7 1548.778 1548.772 1548.759 1548.77
112.8 1548.907 1548.899 1548.888 1548.898
123 1549.013 1549.024 1549.02 1549.015
132.3 1549.157 1549.151 1549.149 1549.152
141.7 1549.269 1549.265 1549.271 1549.268
152 1549.401 1549.395 1549.404 1549.4
161.5 1549.53 1549.525 1549.529 1549.528
170.9 1549.668 1549.66 1549.659 1549.662
181 1549.803 1549.796 1549.805 1549.801
190.6 1549.933 1549.928 1549.93 1549.93
200.1 1550.094 1550.076 1550.086 1550.085
209.9 1550.199 1550.196 1550.201 1550.199
219.9 1550.354 1550.343 1550.342 1550.346
降温(℃) 峰值波长1(nm) 峰值波长2(nm) 峰值波长3(nm) 平均峰值波长(nm)
230.4 1550.476 1550.477 1550.469 1550.474
239.6 1550.653 1550.641 1550.648 1550.647
249.1 1550.784 1550.772 1550.779 1550.778
260.4 1550.933 1550.934 1550.936 1550.934
270.2 1551.102 1551.09 1551.098 1551.097
281.6 1551.242 1551.24 1551.239 1551.24
292.2 1551.418 1551.408 1551.410 1551.412
303.4 1551.544 1551.556 1551.55 1551.547
315.5 1551.779 1551.746 1551.759 1551.761
324.6 1551.864 1551.853 1551.85 1551.856
333.6 1552.009 1551.994 1551.998 1552
343.5 1552.121 1552.138 1552.129 1552.129

[0033] 由表2可见，每次降温传感光栅3的反射峰值波长基本保持稳定。

[0034] 测试结果表明，本发明多次测试的温度误差不超过1℃。采用分辨率为0.01nm的光谱仪测得温度传感器3的精度为±1℃。对传感器温度响应曲线进行直线拟合，拟合方程为：

[0035] y＝0.0135x+1547.4

[0036] 其线性度都达到了99％以上。

[0037] 2、用本发明检测压力变化实验

[0038] 将本发明放入油压罐中，进行加压实验。油压罐中的压力由0MPa开始升压，每次加压增加2Mpa，逐步升压到40MPa。检测本发明随压力升高变化的重复性。

[0039] 实验结果见表3。

[0040] 表3本发明的压力传感光栅7的反射波长随压力升高变化情况

[0041]升压(MPa) 峰值波长1(nm) 峰值波长2(nm) 峰值波长3(nm) 平均峰值波长(nm)
0 1530.784 1530.748 1530.73 1530.754
升压(MPa) 峰值波长1(nm) 峰值波长2(nm) 峰值波长3(nm) 平均峰值波长(nm)
2 1530.67 1530.618 1530.626 1530.638
4 1530.546 1530.489 1530.502 1530.512
6 1530.428 1530.357 1530.38 1530.388
8 1530.3 1530.235 1530.252 1530.262
10 1530.174 1530.114 1530.126 1530.138
12 1530.062 1530.038 1530.002 1530.034
14 1529.94 1529.906 1529.886 1529.911
16 1529.806 1529.77 1529.75 1529.775
18 1529.684 1529.641 1529.618 1529.648
20 1529.538 1529.508 1529.49 1529.512
22 1529.41 1529.38 1529.366 1529.385
24 1529.296 1529.266 1529.244 1529.269
26 1529.16 1529.134 1529.108 1529.134
28 1529.042 1529.014 1528.996 1529.017
30 1528.906 1528.886 1528.862 1528.885
32 1528.78 1528.748 1528.734 1528.754
34 1528.656 1528.624 1528.6 1528.627
36 1528.52 1528.494 1528.476 1528.497
38 158.394 1528.366 1528.34 1528.367
40 1528.23 1528.204 1528.18 1528.205

[0042] 由表3可见，本发明的压力传感光栅7的反射波长随压力变化稳定，每次升压都保持了较好的线性关系。

[0043] 将本发明放入油压罐中，进行降压实验，油压罐中的压力由0MPa开始升压，逐步升压到40MPa。由40MPa开始，然后每次降压增加2MPa，逐步降压至0MPa。检测本发明随压力降低变化的重复性。

[0044] 实验结果见表4。

[0045] 表4本发明的压力传感光栅7的反射波长随压力降低变化表

[0046]降压(MPa) 峰值波长1(nm) 峰值波长2(nm) 峰值波长3(nm) 平均峰值波长(nm)
0 1530.744 1530.732 1530.716 1530.731
2 1530.614 1530.592 1530.586 1530.597
4 1530.474 1530.46 1530.452 1530.462
6 1530.354 1530.336 1530.312 1530.334
8 1530.222 1530.191 1530.188 1530.2
10 1530.1 1530.076 1530.058 1530.078
12 1529.968 1529.952 1529.946 1529.955
14 1529.842 1529.824 1529.81 1529.825
16 1529.706 1529.686 1529.666 1529.686
18 1529.584 1529.558 1529.546 1529.563
20 1529.45 1529.422 1529.408 1529.427
22 1529.324 1529.304 1529.284 1529.304
24 1529.2 1529.182 1529.15 1529.177
26 1529.072 1529.056 1529.03 1529.053
28 1528.956 1528.93 1528.924 1528.937
30 1528.832 1528.812 1528.8 1528.815
32 1528.702 1528.682 1528.674 1528.686
降压(MPa) 峰值波长1(nm) 峰值波长2(nm) 峰值波长3(nm) 平均峰值波长(nm)
34 1528.594 1528.56 1528.552 1528.569
36 1528.468 1528.448 1528.426 1528.447
38 1528.352 1528.32 1528.308 1528.327
40 1528.228 1528.198 1528.182 1528.203

[0047] 由表4可见，本发明的压力传感光栅7反射波长随压力变化稳定，每次降压都保持了较好的线性度。

[0048] 测试结果表明，本发明多次测试的压力误差不超过0.5MPa，本发明测试压力的灵敏度是0.063nm/MPa，对于分辨率0.01nm的光谱仪，压力传感器的精度为±0.3MPa。对传感器压力响应曲线进行直线拟合，拟合方程为：

[0049] y＝-0.0632x+1530.8

[0050] 其线性度达到了99％以上。经过多次重复加压和降压实验，分别对传感器进行0～40MPa的压力实验，同时在高压40MPa保持7天，没有发现传感器的漏压现象，在实验过程中没有观察到传感器的滞后现象。