内压式温度补偿高温高压光纤光栅传感器

摘要

一种内压式温度补偿高温高压光纤光栅传感器，在壳体的径向加工有进油孔，壳体的左端设置安装有左毛细钢管的左联接头、右端设置安装有右毛细钢管的右联接头，在壳体内设置边沿加工有轴向孔且位于进油孔侧面的弹性基底，在一根光导纤维上制作有压力传感光纤光栅和温度传感光纤光栅，光导纤维从左毛细钢管穿入设置在弹性基底的外侧面，光导纤维的另一端从右毛细钢管穿出壳体外。本发明经实验室测试和在生产现场进行高温高压油井下实际检测，压力检测范围为0～100MPa，温度检测范围为-30～+350℃；压力灵敏系数为14pm/MPa，温度灵敏系数为12pm/℃，压力绝对精度为±0.2MPa，温度绝对精度为±0.5℃，可在油井下推广应用。

权利要求

1.一种内压式温度补偿高温高压光纤光栅传感器，其特征在于：在壳体(6)的径向加工有进油孔(4)，壳体(6)的左端设置安装有左毛细钢管(2)的左联接头(3)、右端设置安装有右毛细钢管(10)的右联接头(9)，在壳体(6)内设置边沿加工有轴向孔且位于进油孔(4)侧面的弹性基底(5)，在一根光导纤维(1)上制作有压力传感光纤光栅(7)和温度传感光纤光栅(8)，光导纤维(1)从左毛细钢管(2)穿入设置在弹性基底(5)的外侧面，光导纤维(1)的另一端从右毛细钢管(10)穿出壳体(6)外；

上述所说的弹性基底(5)为：在一个管状体的压力光纤光栅基底(5-2)的一端设置有联接盘(5-1)、另一端设置有温度光纤光栅基底(5-3)，联接盘(5-1)中心孔与压力光纤光栅基底(5-2)内相联通，联接盘(5-1)的边沿轴向加工有位于压力光纤光栅基底(5-2)外侧的轴向孔，左毛细钢管(2)的右端设置在该轴向孔内。

2.按照权利要求1所述的内压式温度补偿高温高压光纤光栅传感器，其特征在于：所说的压力光纤光栅基底(5-2)为圆柱管状体，温度光纤光栅基底(5-3)为圆柱体，压力传感光纤光栅(7)设置在压力光纤光栅基底(5-2)的外表面，温度传感光纤光栅(8)设置在温度光纤光栅基底(5-3)的外表面。

3.按照权利要求1或2所述的内压式温度补偿高温高压光纤光栅传感器，其特征在于所说的压力光纤光栅基底(5-2)的壁厚(d)为0.8～2mm、长度(a)为30～60mm、温度光纤光栅基底(5-3)的长度(b)为15～20mm。

4.按照权利要求1或2所述的内压式温度补偿高温高压光纤光栅传感器，其特征在于：

所说的压力光纤光栅基底(5-2)和温度光纤光栅基底(5-3)为同一种材料制成；所说的压力光纤光栅基底(5-2)和温度光纤光栅基底(5-3)的制作材料的热胀系数与光导纤维(1)的热胀系数适配，且在-40～400℃温度范围内恒定。

5.按照权利要求3所述的内压式温度补偿高温高压光纤光栅传感器，其特征在于：所说的压力光纤光栅基底(5-2)和温度光纤光栅基底(5-3)为同一种材料制成；所说的压力光纤光栅基底(5-2)和温度光纤光栅基底(5-3)的制作材料的热胀系数与光导纤维(1)的热胀系数适配，且在-40～400℃温度范围内恒定。

6.按照权利要求1或2所述的内压式温度补偿高温高压光纤光栅传感器，其特征在于：

所说的温度传感光纤光栅(8)的制作波长为1430～1650nm，压力传感光纤光栅(7)的制作波长为1435～1655nm，温度传感光纤光栅(8)的制作波长至少小于压力传感光纤光栅(7)的制作波长3.5nm。

说明书

内压式温度补偿高温高压光纤光栅传感器

技术领域

[0001] 本发明属于光纤传感器技术领域，具体涉及到同时区分测量高温高压的光纤光栅传感器。

背景技术

[0002] 光纤光栅传感器可以对压强、温度、应力、位移、应变、流速、流量、粘度等诸多物理量进行检测，由于它具有结构简单、体积小、重量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰能力强、易实现波分复用、组建分布式监测网络等许多优点，自20世纪70年代问世以来，受到国内外的普遍关注，目前，正在致力于光纤光栅传感器的开发与应用研究。

[0003] 清华大学赵勇等人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。

[0004] 石油是人类赖以生存和发展的重要能源，随着社会的不断进步，油气的科学开发显得日趋重要。减少修井作业和关井次数，乃至减少原油的泄漏，以增加原油累计产量，这就需要利用先进的科学技术对油气井下的压力和温度实施长期跟踪监测，随时进行状态分
析，提高石油及油气的采出率，是提高原油开采经济效益的重要途径。因此，用于远距离监测油气井下温度和压强，实施远距离长期监控，是目前国内外普遍关注和研究的热点课题
之一，许多研究者正致力于研制用于井下监测高温高压传感系统。传统的方法多采用电测
方法，易受井下高温环境和电磁干扰等条件的限制，目前，采用光纤光栅取代电测方法已经倍受国内外的关注，但迄今为止，在国内用于稠油注气高温高压井下适宜宽量程范围进行
检测温度和压力的光纤光栅传感器，尚未见报道。

[0005] 现有的光纤光栅温度传感器最高只能检测250℃，不能适应在油井下300℃以上的温度检测，光纤光栅压力传感器的检测压力低，基于弹性基底的光纤光栅温度传感器和
光纤光栅压力传感器输出与输入特性曲线的迟滞回线引起较大的迟滞误差和非线性误差。
现有的对温度和压力同时区分测量的光纤光栅温度压力传感器，由于受温度和压力的交叉
敏感相互影响，使得这种光纤光栅温度压力传感器的灵敏度低，检测误差大，检测范围小。

[0006] 高温高压光纤光栅温度压力传感器当前需迫切解决的一个技术问题是同时提高光纤光栅传感器检测温度和压力的范围、检测精度、稳定性以及安全可靠性。高温高压光纤光栅温度压力传感器当前需迫切解决的另一个技术问题是消除传感器输出与输入特性曲
线的迟滞回线引起的迟滞误差和非线性误差，消除光纤光栅同时对温度和压力的交叉敏感
的影响。

发明内容

[0007] 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，提供一种结构简单、体积小、成本低、检测范围大、灵敏度高、耐腐蚀、安全可靠、高温高压同时区分测量的内压式温度补偿高温高压光纤光栅传感器。

[0008] 解决上述技术问题所采用的技术方案是：在壳体的径向加工有进油孔，壳体的左端设置安装有左毛细钢管的左联接头、右端设置安装有右毛细钢管的右联接头，在壳体内
设置边沿加工有轴向孔且位于进油孔侧面的弹性基底，在一根光导纤维上制作有压力传感
光纤光栅和温度传感光纤光栅，光导纤维从左毛细钢管穿入设置在弹性基底的外侧面，光
导纤维的另一端从右毛细钢管穿出壳体外。

[0009] 本发明的弹性基底为：在一个管状体的压力光纤光栅基底的一端设置有联接盘、另一端设置有温度光纤光栅基底，联接盘中心孔与压力光纤光栅基底内相联通，联接盘的
边沿轴向加工有位于压力光纤光栅基底外侧的轴向孔，左毛细钢管的右端设置在该轴向孔
内。

[0010] 本发明的压力光纤光栅基底为圆柱管状体，温度光纤光栅基底为圆柱体，压力传感光纤光栅设置在压力光纤光栅基底的外表面，温度传感光纤光栅设置在温度光纤光栅基
底的外表面。

[0011] 本发明的压力光纤光栅基底的壁厚d为0.8～2mm、长度a为30～60mm、温度光纤光栅基底的长度b为15～20mm。

[0012] 本发明的压力光纤光栅基底和温度光纤光栅基底为同一种材料制成。

[0013] 本发明的制作压力光纤光栅基底和温度光纤光栅基底材料的热胀系数与光导纤维的热胀系数适配，且在-40～400℃温度范围内恒定。

[0014] 本发明的温度传感光纤光栅的制作波长为1430～1650nm，压力传感光纤光栅的制作波长为1435～1655nm，温度传感光纤光栅的制作波长至少小于压力传感光纤光栅的
制作波长3.5nm。

[0015] 本发明采用在一根光导纤维上制作压力传感光纤光栅和温度传感光纤光栅，压力传感光纤光栅设置在弹性基底的外表面，温度传感光纤光栅设置在弹性基底的端部外表
面，当温度压力同时变化时，温度传感光纤光栅只对温度的变化产生响应，而压力传感光纤光栅既会对温度变化产生响应，也会对压力变化产生响应，用温度传感光纤光栅测得温度
值消除压力传感光纤光栅测压力时对温度的同时感测值，从而得到压力监测值。制作弹性
基底材料的热胀系数与光导纤维的热胀系数适配，弹性基底的屈服强度高，这些将大大提
高了本发明的压力和温度测量范围，克服了现有传感器的弹性迟滞效应，提高了其输入与
输出特性的线性度，采用温度补偿光纤光栅实现压力与温度同时区分测量，改善了重复性
和稳定性，提高了测量精度；光纤光栅的尾纤与光缆的配接使用，光信号可通过光纤传输到远距离实施在线检测和实时监控。

[0016] 本发明经大量实验室测试和在生产现场进行高温高压油井下实际检测，压力检测范围为0～100MPa，温度检测范围为-30～+350℃；压力灵敏系数为12pm/MPa，温度灵敏系
数为11pm/℃，压力绝对精度为±0.2MPa，温度绝对精度为±0.5℃，外形采用标准化设计，
为无源全光器件，安装在井下进行长期监测。本发明具有简单紧凑、体积小、安全性好、不受电磁干扰、测试精度较高、使用寿命长等优点，可在油井下推广应用。

附图说明

[0017] 图1是发明一个实施例的结构示意图。

[0018] 图2是图1中弹性基底5的结构示意图。

[0019] 图3是井下温度压力现场测试曲线。

[0020] 图4是井下温度标定曲线。

具体实施方式

[0021] 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。

[0022] 实施例1

[0023] 在图1中，本实施例的内压式温度补偿高温高压光纤光栅传感器由光导纤维1、左毛细钢管2、左联接头3、进油孔4、弹性基底5、壳体6、压力传感光纤光栅7、温度传感光纤光栅8、右联接头9、右毛细钢管10联接构成。

[0024] 在壳体6的左侧径向加工有进油孔4，油气井下的石油和天然气可从进油孔进入到壳体6内，壳体6的两端加工有螺纹，在壳体6内通过螺纹联接安装有弹性基底5，弹性基
底5与壳体6内通过螺纹联接后其左端与壳体6内焊接密封，弹性基底5的左端应位于进
油孔的右侧。弹性基底5的左端边沿轴向外侧加工有轴向孔，壳体6的左端通过螺纹联接
安装有左联接头3，壳体6的右端通过螺纹联接安装有右联接头9，左联接头3和右联接头9
的中心位置加工有中心孔，左毛细钢管2的左端安装在左联接头3的中心孔内，左毛细钢管
2的右端安装在弹性基底5上的轴向孔内，右联接头9的中心孔安装有右毛细钢管10。一根
光导纤维1的左侧上写有压力传感光纤光栅7，压力传感光纤光栅7的制作波长为1551nm，
压力传感光纤光栅7用于感受流经弹性基底5内石油、天然气的压力和温度，一根光导纤维
1的右侧上写有温度传感光纤光栅8，温度传感光纤光栅8的制作波长为1537nm，温度传感
光纤光栅8只用于感受井下石油、天然气的温度。一根光导纤维1从左毛细钢管2穿入经
弹性基底5的外侧面，光导纤维1的另一端从右毛细钢管10穿出壳体6外。壳体6的左端
与左联接头3焊接密封，壳体6的右端与右联接头9焊接密封。

[0025] 在图1、2中，本实施例的弹性基底5是由联接盘5-1、压力光纤光栅基底5-2、温度光纤光栅基底5-3连为一体构成，压力光纤光栅基底5-2为管状体，温度光纤光栅基底5-3为圆柱体，压力光纤光栅基底5-2的一端与联接盘5-1连为一体、另一端与温度光纤光栅基
底5-3连为一体，联接盘5-1的径向外侧加工有螺纹，用于与壳体6内相联接，联接盘5-1
中心孔的内径与压力光纤光栅基底5-2的内径相同且相联通，联接盘5-1的边沿轴向加工
有轴向孔，该轴向孔位于压力光纤光栅基底5-2外侧面，左毛细钢管2的右端插入该轴向孔
内。压力光纤光栅基底5-2的壁厚d为1.4mm、长度a为45mm，温度光纤光栅基底5-3的长
度b为18mm。压力光纤光栅基底5-2和温度光纤光栅基底5-3为同一种材料制成，制作压
-6
力光纤光栅基底5-2和温度光纤光栅基底5-3材料的热胀系数为4.8×10 /℃，与光导纤
维1的热胀系数相适配，且在-40～400℃温度范围内恒定，压力传感光纤光栅7用383胶
粘接在压力光纤光栅基底5-2的外表面，温度传感光纤光栅8的一端用383有机胶粘接在
温度光纤光栅基底5-3的外表面、另一端为自由端，型号为383胶为市场销售的商品，由北
京利恩和通信有限公司生产。

[0026] 实施例2

[0027] 在本实施例中，压力光纤光栅基底5-2的壁厚d为0.8mm、长度a为30mm，温度光纤光栅基底5-3的长度b为15mm，温度传感光纤光栅8的制作波长为1430nm，压力传感光
纤光栅7的制作波长为1435nm。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

[0028] 实施例3

[0029] 在本实施例中，压力光纤光栅基底5-2的壁厚d为2mm、长度a为60mm，温度光纤光栅基底5-3的长度b为20mm。温度传感光纤光栅8的制作波长为1650nm，压力传感光纤
光栅7的制作波长为1655nm。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

[0030] 实施例4

[0031] 在本实施例中，压力光纤光栅基底5-2的壁厚d为0.8mm、长度a为60mm，温度光纤光栅基底5-3的长度b为20mm。温度传感光纤光栅8的制作波长为1430nm，压力传感光
纤光栅7的制作波长为1655nm。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

[0032] 实施例5

[0033] 在本实施例中，压力光纤光栅基底5-2的壁厚d为2mm、长度a为30mm，温度光纤光栅基底5-3的长度b为20mm。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

[0034] 实施例6

[0035] 在本实施例中，压力光纤光栅基底5-2的壁厚d为2mm、长度a为60mm，温度光纤光栅基底5-3的长度b为15mm。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

[0036] 实施例7

[0037] 在本实施例中，压力光纤光栅基底5-2的壁厚d为0.8mm、长度a为30mm，温度光纤光栅基底5-3的长度b为20m。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

[0038] 实施例8

[0039] 在本实施例中，压力光纤光栅基底5-2的壁厚d为2mm、长度a为30mm，温度光纤光栅基底5-3的长度b为15mm。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

[0040] 实施例9

[0041] 在本实施例中，压力光纤光栅基底5-2的壁厚d为0.8mm、长度a为60mm，温度光纤光栅基底5-3的长度b为15mm。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

[0042] 本发明的工作原理如下：

[0043] 将本发明放入井下浸入油层时，油经壳体6的进油孔4流入弹性基底5的压力光纤光栅基底5-2内，对压力光纤光栅基底5-2内侧施以均布的内压力，压力光纤光栅基底
5-2由于内外形成压强差而产生应变，由于压力传感光纤光栅7沿压力光纤光栅基底5-2的
轴向粘贴，压力光纤光栅基底5-2的轴向应变传递并耦合到压力传感光纤光栅7沿其轴向
产生伸缩应变，使布拉格波长向长波(压力增大)或短波(压力减小)方向漂移，此漂移的
光信号通过光缆传送到井口地面，由地面设置的解调设备进行检测，随着井下油层压力和
温度变化分别引起压力传感光纤光栅7和温度传感光纤光栅8的波长变化，通过信号处理
单元即可获得待测井中原油的压力和温度。将设置在井内不同深度本发明的温度补偿高温
高压光纤光栅传感器相互串联接，可建立井下多点温度和压力分布测量网络系统。

[0044] 为了验证本发明的有益效果，发明人采用本发明实施例1制备的内压式温度补偿高温高压光纤光栅传感器在实验室和生产现场进行了升温升压、降温降压各种试验，各种
试验如下：

[0045] 实验仪器：

[0046] 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；高温高压反应装置，型号为GY-1型，由南通华兴石油仪器有限公司生产。

[0047] 1、用本发明检测温度实验

[0048] 将温度补偿高温高压光纤光栅传感器放入高温高压反应装置内，在OMPa压力下，采用稳态测温法，由室温逐步升至350℃，然后由350℃逐步降至室温，用光谱仪检测压力
传感光纤光栅7、温度传感光纤光栅8随温度变化的波长。

[0049] 测试结果见表1。

[0050] 表10 MPa时压力传感光纤光栅7和温度传感光纤光栅8对温度响应实验数据

[0051] 升温(℃) 压力光栅(nm) 温度光栅(mm) 降温(℃) 压力光栅(mm) 温度光栅(nm)[0052] 26.6 1551.1851 1537.8555 29.6 1551.1898 1537.8764

[0053] 42.0 1551.3930 1538.0233 43.1 1551.3865 1538.0252

[0054] 50.3 1551.4749 1538.0921 51.5 1551.5005 1538.1171

[0055] 59.4 1551.6178 1538.2059 59.4 1551.6373 1538.2260

[0056] 73.1 1551.8172 1538.3692 73.7 1551.8006 1538.3897

[0057] 81.2 1551.9671 1538.4955 81.4 1551.9574 1538.4862

[0058] 91.7 1552.0901 1538.5928 90.8 1552.0655 1538.5776

[0059] 102.2 1552.2394 1538.7097 103.0 1552.1958 1538.6885

[0060] 111.3 1552.3687 1538.8153 119.3 1552.4670 1538.9030

[0061] 124.1 1552.5504 1538.9638 128.6 1552.5982 1539.0219

[0062] 130.5 1552.6413 1539.0380 140.6 1552.7674 1539.1458

[0063] 146.3 1552.8657 1539.2213 152.3 1552.9323 1539.2792

[0064] 155.0 1552.9892 1539.3222 164.4 1553.1029 1539.4172

[0065] 168.8 1553.1852 1539.4823 177.3 1553.2848 1539.5642

[0066] 178.3 1553.3201 1539.5925 188.9 1553.4484 1539.6965

[0067] 188.5 1553.4649 1539.7108 201.3 1553.6635 1539.8378

[0068] 199.9 1553.6268 1539.8430 209.9 1553.7445 1539.9359

[0069] 209.5 1553.7631 1539.9544 219.3 1553.8770 1540.0430

[0070] 218.9 1553.8966 1540.0634 228.6 1554.0077 1540.1944

[0071] 232.5 1554.0902 1540.2216 240.7 1554.1784 1540.2867

[0072] 245.1 1554.2689 1540.3676 252.8 1554.3490 1540.4499

[0073] 257.7 1554.4476 1540.5136 264.9 1554.5462 1540.5626

[0074] 270.3 1554.6263 1540.6595 277.0 1554.6904 1540.7006

[0075] 282.9 1554.8050 1540.8055 289.1 1554.8611 1540.7808

[0076] 295.5 1554.9837 1540.9515 301.2 1555.0318 1540.9766

[0077] 308.0 1555.1624 1541.0975 313.3 1555.3278 1541.1146

[0078] 320.6 1555.3411 1541.2434 325.4 1555.3731 1541.2526

[0079] 333.2 1555.4864 1541.3394 337.5 1555.5438 1541.3906

[0080] 351.8 1555.7485 1541.5522 349.6 1555.7145 1541.5286

[0081] 由表1可见，在OMPa的压力，升降温过程中，压力传感光纤光栅7、温度传感光纤光栅8的反射波长随温度变化线性可逆，压力传感光纤光栅7升温：λ＝
2
0.0142T+1550.7940，线性拟合度：R ＝0.9999，温度传感光纤光栅8升温：λ＝
2
0.0115T+1537.5375，线性拟合度：R ＝0.9998；压力传感光纤光栅7降温：λ＝
2
0.0142T+1550.7725，线性拟合度：R ＝0.9997；温度传感光纤光栅8降温：λ＝
2
0.0114T+1537.5429，线性拟合度：R ＝0.9998。压力传感光纤光栅7温度响应灵敏度为
0.014nm/℃。温度传感光纤光栅8对温度响应灵敏度0.011nm/℃。

[0082] 将温度补偿高温高压光纤光栅传感器放入高温高压反应装置内，在50MPa压力条件下，采用稳态测温法，由室温逐步升至350℃，然后由350℃逐步降至室温，用光谱仪检测压力传感光纤光栅7、温度传感光纤光栅8的反射波长。测试和计算结果见表2。

[0083] 表2 压力为50 MPa时压力传感光纤光栅7和温度传感光纤光栅8对温度响应实验数据

[0084] 升温(℃) 压力光栅(nm) 温度光栅(nm) 降温(℃) 压力光栅(mm) 温度光栅(nm)

[0085] 28.0 1551.7858 1537.849 30.3 1551.8121 1537.8884

[0086] 37.5 1551.9207 1537.9592 38.5 1551.9364 1537.9874

[0087] 45.9 1552.0379 1538.0548 46.1 1552.0321 1538.0632

[0088] 55.5 1552.1604 1538.1563 54.6 1552.1501 1538.1574

[0089] 65.3 1552.3146 1538.2848 66.9 1552.3433 1538.3114

[0090] 77.0 1552.4798 1538.4191 78.8 1552.499 1538.4392

[0091] 88.0 1552.645 1538.5399 86.4 1552.6168 1538.5346

[0092] 97.2 1552.7608 1538.6561 96.2 1552.7266 1538.6287

[0093] 113.2 1552.9956 1538.8373 108.5 1552.9148 1538.7799

[0094] 122.9 1553.1334 1538.9498 120.0 1553.0769 1538.911

[0095] 135.3 1553.3095 1539.0937 130.4 1553.2235 1539.0296

[0096] 146.4 1553.4855 1539.2224 140.0 1553.3702 1539.139

[0097] 157.5 1553.6247 1539.3512 151.3 1553.5182 1539.2678

[0098] 174.0 1553.859 1539.5426 172.4 1553.8157 1539.5084

[0099] 183.0 1553.9868 1539.647 182.2 1553.9539 1539.6201

[0100] 195.0 1554.1572 1539.7862 193.7 1554.0921 1539.7512

[0101] 205.3 1554.3035 1539.9057 204.8 1554.2726 1539.8777

[0102] 213.6 1554.4213 1540.002 214.6 1554.4108 1539.9894

[0103] 223.5 1554.5619 1540.1168 225.5 1554.5645 1540.1137

[0104] 238.8 1554.7796 1540.2946 234.6 1554.693 1540.2177

[0105] 251.4 1554.9583 1540.4406 246.7 1554.8637 1540.3557

[0106] 264.0 1555.1369 1540.5866 258.8 1555.0344 1540.4937

[0107] 276.6 1555.3156 1540.7325 270.9 1555.2051 1540.6316

[0108] 289.2 1555.4943 1540.8785 283.0 1555.3758 1540.7696

[0109] 301.7 1555.673 1541.0245 295.1 1555.5464 1540.9076

[0110] 314.3 1555.8517 1541.1705 307.2 1555.7171 1541.0456

[0111] 326.9 1556.0304 1541.3164 319.5 1555.8899 1541.1853

[0112] 334.4 1556.1367 1541.4032 331.5 1556.0585 1541.3216

[0113] 341.0 1556.2304 1541.4798 343.6 1556.2292 1541.4596

[0114] 352.1 1556.3878 1541.6084 351.3 1556.3382 1541.5478

[0115] 由表2可见，在50MPa压力，升降温过程中，压力传感光纤光栅7、温度传感光纤光栅8的反射波长随温度变化线性可逆，压力传感光纤光栅7升温：λ＝
2
0.0142T+1551.3868，线性拟合度：R ＝0.9999；温度传感光纤光栅8升温：λ＝
2
0.0116T+1537.5230，线性拟合度：R ＝0.9999；压力传感光纤光栅7降温：λ＝
2
0.0141T+1551.3872，线性拟合度：R ＝0.9999；温度传感光纤光栅8降温：λ＝
2
0.0114T+1537.5421，线性拟合度：R ＝0.9998。压力传感光纤光栅7温度响应灵敏度为
0.014nm/℃，温度传感光纤光栅8对温度响应灵敏度0.011nm/℃。

[0116] 将温度补偿高温高压光纤光栅传感器放入高温高压反应装置内，在100MPa压力，采用稳态测温法，由室温逐步升至350℃，然后由350℃逐步降至室温，用光谱仪检测压力
传感光纤光栅7、温度传感光纤光栅8的反射波长，测试和计算结果见表3。

[0117] 表3 100MPa时压力传感光纤光栅7和温度传感光纤光栅8对温度响应实验数据

[0118] 升温(℃) 压力光栅(nm) 温度光栅(mm) 降温(℃) 压力光栅(nm) 温度光栅(nm)

[0119] 26 1552.3574 1537.826 29.3 1552.4007 1537.861

[0120] 36.5 1552.5065 1537.9477 39.5 1552.5446 1537.9783

[0121] 44.4 1552.6166 1538.0376 48.6 1552.6705 1538.081

[0122] 53.6 1552.7334 1538.1345 58.1 1552.7906 1538.1804

[0123] 64.2 1552.899 1538.2722 70 1552.9732 1538.3319

[0124] 74.8 1553.0486 1538.3938 80.8 1553.1245 1538.4547

[0125] 83.9 1553.1916 1538.5112 88.4 1553.2458 1538.5541

[0126] 95.2 1553.3324 1538.6331 98.7 1553.3715 1538.6635

[0127] 111.4 1553.5701 1538.8166 109.5 1553.5325 1538.7838

[0128] 121.5 1553.7135 1538.9337 120 1553.6805 1538.9045

[0129] 134 1553.891 1539.0487 129.1 1553.8095 1539.0095

[0130] 146.5 1554.0685 1539.2237 139.6 1553.9779 1539.1304

[0131] 156.5 1554.2105 1539.3397 152 1554.1323 1539.2428

[0132] 173.3 1554.4891 1539.5046 165.3 1554.3205 1539.426

[0133] 181 1554.5584 1539.624 180.2 1554.5492 1539.5968

[0134] 194 1554.743 1539.7747 194.6 1554.7319 1539.7221

[0135] 203.8 1554.8822 1539.8884 203.5 1554.8576 1539.8646

[0136] 211.7 1554.9943 1539.9801 213.2 1554.994 1539.976

[0137] 222.8 1555.152 1540.1088 224.2 1555.1791 1540.1024

[0138] 237.8 1555.3254 1540.2831 233.6 1555.2828 1540.2411

[0139] 250.4 1555.5741 1540.4291 246 1555.4577 1540.3537

[0140] 262.9 1555.7213 1540.5539 256.8 1555.6103 1540.4781

[0141] 275.3 1555.8972 1540.7176 268.9 1555.781 1540.6073

[0142] 287.8 1556.0045 1540.8424 282 1555.9056 1540.7679

[0143] 300.4 1556.2246 1541.0095 293.6 1556.1293 1540.9314

[0144] 313.3 1556.4375 1541.159 305.3 1556.2945 1541.0361

[0145] 326.2 1556.6205 1541.3084 318.8 1556.4448 1541.1612

[0146] 332.4 1556.7283 1541.3602 330.5 1556.6486 1541.3253

[0147] 339 1556.802 1541.4568 342.6 1556.8181 1541.4639

[0148] 349.9 1556.9566 1541.5431 350.3 1556.9273 1541.5628

[0149] 由表3可见，在100MPa压力，升降温过程中，压力传感光纤光栅7、温度传感光纤光栅8的反射波长随温度变化线性可逆，压力传感光纤光栅7升温：λ＝
2
0.0142T+1551.9901，线性拟合度：R ＝0.9998；温度传感光纤光栅8升温：λ＝
2
0.0116T+1537.5242，线性拟合度：R ＝0.9999；压力传感光纤光栅7降温：λ＝
2
0.0141T+1551.9922，线性拟合度：R ＝0.9999；温度传感光纤光栅8降温λ＝
2
0.0115T+1537.5227，线性拟合度：R ＝0.9998。压力传感光纤光栅7对温度响应灵敏度为
0.014nm/℃。温度传感光纤光栅8对温度响应灵敏度0.011nm/℃。

[0150] 综合表1、表2和表3的结果可知，当压力分别为0MPa、50MPa和100MPa时，在升降温过程中，压力传感光纤光栅7、温度传感光纤光栅8的反射波长随温度变化线性相关，可
逆性说明升降温过程已消除光纤光栅传感系统的温度迟滞效应，表明该基底材料的热胀系
数在很宽温度范围内保持恒定，且与石英光纤热胀系数相适配。压力传感光纤光栅7温度
响应灵敏度一致性，表明压力传感光纤光栅7检测压力时对温度具有良好的可补偿性，与
裸光栅的温度响应灵敏度0.011nm/℃相比，压力传感光纤光栅7对温度响应略有增敏。

[0151] 2.用本发明检测几种温度的压强实验

[0152] 将温度补偿高温高压光纤光栅传感器放入高温高压反应装置内实施温度控制，在控制温度为21℃相对恒定条件下进行加压和减压测试，用光谱仪检测压力传感光纤光栅
7、温度传感光纤光栅8的反射波长，测试和计算结果见表4。

[0153] 表4 21℃压力传感光纤光栅7和温度传感光纤光栅8对压力响应实验数据

[0154] 温度 升压 压力光栅 温度光栅 温度 降压 压力光栅 温度光栅 温度补偿后的压力检测值[0155] (℃) (MPa) (nm) (nm) (℃) (MPa) (nm) (nm) 升压 降压[0156] 21.0 0 1551.1038 1537.7882 20.9 0 1551.1041 1537.7870 1550.8104 1550.8122[0157] 21.0 5 1551.1639 1537.7884 21.0 5 1551.1646 1537.7885 1550.8703 1550.8708[0158] 21.0 10 1551.2261 1537.7891 21.0 10 1551.2246 1537.7884 1550.9316 1550.9310[0159] 21.0 15 1551.2859 1537.7885 21.0 15 1551.2866 1537.7889 1550.9921 1550.9924[0160] 21.2 20 1551.3457 1537.7905 21.0 20 1551.3495 1537.7885 1551.0495 1551.0557[0161] 21.1 25 1551.4059 1537.7900 21.1 25 1551.4077 1537.7898 1551.1103 1551.1123[0162] 21.1 30 1551.4646 1537.7899 21.3 30 1551.4688 1537.7918 1551.1691 1551.1710[0163] 21.3 35 1551.5256 1537.7917 21.3 35 1551.5286 1537.7921 1551.2279 1551.2304[0164] 21.2 40 1551.5840 1537.7915 21.3 40 1551.5903 1537.7919 1551.2866 1551.2924[0165] 21.4 45 1551.6449 1537.7930 21.4 45 1551.6508 1537.7936 1551.3456 1551.3508[0166] 21.3 50 1551.7048 1537.7920 21.4 50 1551.7124 1537.7933 1551.4067 1551.4128[0167] 21.5 55 1551.7665 1537.7941 21.5 55 1551.7737 1537.7943 1551.4659 1551.4728[0168] 21.5 60 1551.8267 1537.7943 21.6 60 1551.8335 1537.7958 1551.5258 1551.5308[0169] 21.5 65 1551.8859 1537.7945 21.7 65 1551.8967 1537.7963 1551.5848 1551.5934[0170] 21.5 70 1551.9458 1537.7947 21.7 70 1551.9567 1537.7970 1551.6444 1551.6525[0171] 21.7 75 1552.0077 1537.7963 21.8 75 1552.0162 1537.7981 1551.7044 1551.7107[0172] 21.6 80 1552.0667 1537.7961 21.9 80 1552.0777 1537.7990 1551.7636 1551.7711[0173] 21.6 85 1552.1257 1537.7959 21.8 85 1552.1378 1537.7982 1551.8229 1551.8321[0174] 21.9 90 1552.1881 1537.7986 21.9 90 1552.1984 1537.7988 1551.8819 1551.8920[0175] 21.9 95 1552.2509 1537.7994 22.0 95 1552.2593 1537.7998 1551.9438 1551.9517[0176] 21.9 100 1552.3105 1537.7993 22.0 100 1552.3189 1537.8005 1552.0035 1552.0104[0177] 由表4可见，在21℃的温度下，升降压力过程中，压力传感光纤光栅7的反射波长2
随压力变化线性可逆，加压：λ＝0.0119P+1550.8114，线性拟合度：R ＝1.000；减压：λ
2
＝0.0120P+1550.8122，线性拟合度：R ＝1.000。压力响应灵敏度为0.012nm/MPa。

[0178] 将温度补偿高温高压光纤光栅传感器放入高温高压反应装置内实施温度控制，在控制温度为150℃相对恒定条件下进行加压和减压测试，用光谱仪检测压力传感光纤光栅
7、温度传感光纤光栅8的波长，测试和计算结果见表5。

[0179] 表5 150℃压力传感光纤光栅7和温度传感光纤光栅8对压力响应实验数据

[0180] 温度 升压 压力光栅 温度光栅 温度 降压 压力光栅 温度光栅 温度补偿后的压力检测值[0181] (℃) (MPa) (nm) (nm) (℃) (MPa) (nm) (nm) 升压 降压[0182] 150.6 0 1552.9324 1539.2660 150.3 0 1552.9296 1539.2626 1550.8242 1550.8255[0183] 150.6 5 1552.9912 1539.2662 150.3 5 1552.9892 1539.2629 1550.8827 1550.8848[0184] 150.5 10 1553.0522 1539.2655 150.4 10 1553.0493 1539.2637 1550.9446 1550.9439[0185] 150.6 15 1553.1136 1539.2660 150.5 15 1553.1120 1539.2647 1551.0054 1551.0054[0186] 150.4 20 1553.1717 1539.2641 150.4 20 1553.1728 1539.2643 1551.0658 1551.0667[0187] 150.6 25 1553.2317 1539.2663 150.6 25 1553.2303 1539.2659 1551.1231 1551.1222[0188] 150.6 30 1553.2905 1539.2664 150.6 30 1553.2927 1539.2657 1551.1818 1551.1848[0189] 150.6 35 1553.3518 1539.2667 150.6 35 1553.3540 1539.2664 1551.2427 1551.2453[0190] 150.6 40 1553.4110 1539.2660 150.8 40 1553.4133 1539.2680 1551.3028 1551.3026[0191] 150.7 45 1553.4699 1539.2673 150.7 45 1553.4731 1539.2678 1551.3601 1551.3627[0192] 150.7 50 1553.5302 1539.2678 150.8 50 1553.5346 1539.2683 1551.4198 1551.4235[0193] 150.8 55 1553.5904 1539.2679 150.8 55 1553.5946 1539.2687 1551.4798 1551.4831[0194] 150.7 60 1553.6522 1539.2678 151.0 60 1553.6547 1539.2702 1551.5418 1551.5413[0195] 150.8 65 1553.7105 1539.2681 150.9 65 1553.7158 1539.2697 1551.5997 1551.6030[0196] 150.8 70 1553.7703 1539.2684 151.0 70 1553.7754 1539.2709 1551.6591 1551.6612[0197] 150.9 75 1553.8293 1539.2697 150.9 75 1553.8351 1539.2699 1551.7165 1551.7221[0198] 150.9 80 1553.8892 1539.2697 150.9 80 1553.8955 1539.2696 1551.7764 1551.7829[0199] 151.0 85 1553.9498 1539.2709 151.1 85 1553.9565 1539.2713 1551.8356 1551.8418[0200] 151.0 90 1554.0100 1539.2712 151.1 90 1554.0149 1539.2713 1551.8954 1551.9002[0201] 151.0 95 1554.0699 1539.2707 151.1 95 1554.0754 1539.2716 1551.9559 1551.9603[0202] 151.1 100 1554.1299 1539.2717 151.1 100 1554.1362 1539.2715 1552.0147 1552.0212[0203] 由表5可见，在150℃的温度下，升降压力过程中，压力传感光纤光栅7的反射波长2
随压力变化线性可逆，加压：λ＝0.0119P+1550.8257，线性拟合度：R ＝1.000；减压：λ
2
＝0.0120P+1550.8255；线性拟合度：R ＝1.000；压力响应灵敏度为0.012nm/MPa。

[0204] 将温度补偿高温高压光纤光栅传感器放入高温高压反应装置内实施温度控制，在控制温度为350℃相对恒定条件下进行加压和减压测试，用光谱仪检测压力传感光纤光栅
7、温度传感光纤光栅8的波长，测试和计算结果见表6。

[0205] 表6 350℃压力传感光纤光栅7和温度传感光纤光栅8对压力响应实验数据

[0206] 温度 升压 压力光栅 温度光栅 温度 降压 压力光栅 温度光栅 温度补偿后的压力检测值[0207] (℃) (MPa) (nm) (nm) (℃) (MPa) (nm) (nm) 升压 降压[0208] 352.2 0 1555.7495 1541.5640 349.4 0 1555.7044 1541.5325 1550.8192 1550.8128[0209] 351.9 5 1555.8070 1541.5608 349.5 5 1555.7645 1541.5341 1550.8806 1550.8709[0210] 351.6 10 1555.8630 1541.5574 349.6 10 1555.8222 1541.5351 1550.9408 1550.9274[0211] 351.5 15 1555.9208 1541.5562 349.7 15 1555.8845 1541.5360 1551.0000 1550.9886[0212] 351.2 20 1555.9771 1541.5532 349.7 20 1555.9453 1541.5364 1551.0600 1551.0489[0213] 351.2 25 1556.0349 1541.5527 349.9 25 1556.0051 1541.5381 1551.1184 1551.1066[0214] 350.9 30 1556.0923 1541.5498 349.9 30 1556.0651 1541.5377 1551.1794 1551.1671[0215] 350.7 35 1556.1494 1541.5468 349.9 35 1556.1275 1541.5382 1551.2402 1551.2289[0216] 350.6 40 1556.2047 1541.5464 349.9 40 1556.1874 1541.5384 1551.2960 1551.2885[0217] 350.4 45 1556.2599 1541.5443 350.0 45 1556.2482 1541.5396 1551.3538 1551.3478[0218] 350.1 50 1556.3181 1541.5407 350.1 50 1556.3066 1541.5400 1551.4164 1551.4057[0219] 350.0 55 1556.3746 1541.5395 350.1 55 1556.3685 1541.5410 1551.4744 1551.4664[0220] 349.8 60 1556.4301 1541.5370 350.2 60 1556.4283 1541.5415 1551.5329 1551.5256[0221] 349.6 65 1556.4849 1541.5344 350.3 65 1556.4887 1541.5426 1551.5909 1551.5846[0222] 349.4 70 1556.5415 1541.5321 350.3 70 1556.5517 1541.5422 1551.6503 1551.6481[0223] 349.1 75 1556.5979 1541.5290 350.3 75 1556.6117 1541.5428 1551.7105 1551.7074[0224] 348.9 80 1556.6571 1541.5272 350.4 80 1556.6709 1541.5434 1551.7720 1551.7659[0225] 348.8 85 1556.7132 1541.5255 350.4 85 1556.7319 1541.5435 1551.8301 1551.8267[0226] 348.7 90 1556.7714 1541.5246 350.4 90 1556.7926 1541.5439 1551.8895 1551.8870[0227] 348.6 95 1556.8274 1541.5239 350.4 95 1556.8529 1541.5435 1551.9463 1551.9477[0228] 348.6 100 1556.8861 1541.5229 350.6 100 1556.9133 1541.5458 1552.0062 1552.0053[0229] 由表6可见，在350℃的温度下，升降压力过程中，压力传感光纤光栅7的反射波2
长随压力变化线性可逆，加压：λ＝0.0119P+1550.8221，线性拟合度：R ＝1.000减压：λ
2
＝0.0120P+1550.8095，线性拟合度：R ＝1.000，压力响应灵敏度为0.012nm/MPa。

[0230] 综合表4、表5和表6的结果可知，当温度分别为21℃、150℃和350℃时，在升降压过程中，压力传感光纤光栅7的反射波长随压力变化是线性相关的，线性可逆说明升降压力过程已消除光纤光栅传感系统的应力迟滞效应，是实现温度补偿的必要条件，压力响应
灵敏度的一致性，表明用该压力传感光纤光栅7检测压力具有高稳定性和重复性。

[0231] 3.用本发明检验温度补偿实验

[0232] 将本发明放入高温高压反应装置内，当温度压力同时变化时，温度传感光纤光栅8只对温度的变化产生响应，而压力传感光纤光栅7既会对温度变化产生响应，也会对压力变化产生响应，用温度传感光纤光栅8测得温度值补偿压力传感光纤光栅7测压力时对温
度同时感测值，由温度补偿公式 经计算得出压力传感光纤光栅7只
对压力变化的监测值，见表4、表5和表6中的“温度补偿后的压力检测值”栏目中的数据。
式中：λP压力栅检测压力表征的波长，λPT为压力传感光纤光栅7同时感测压力和温度的
表征的波长，kT1为压力传感光纤光栅7对温度响应灵敏度，kT2为温度传感光纤光栅8对温
度响应灵敏度，λT为温度传感光纤光栅8检测温度表征的波长。λT0为温度栅在0℃的波
长。

[0233] 本实施例在辽河油田进行了现场对比检测温度和压力试验，实验结果见图3。由于该油井未注高压蒸汽，因此，井下压力决定于水压，由图3可见，测得油井压力随深度增加呈线性增加，和实际情况相符。测得油井下温度随深度变化曲线与该井的标定曲线(图4)相吻合。