CN101216325B - 光纤光栅高温高压传感器 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

光纤光栅高温高压传感器
技术领域
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
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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
本发明的石英管的壁厚为0.8～1.5mm。
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
图1是发明一个实施例的结构示意图。
具体实施方式
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。
实施例1
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。
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。
实施例2
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。
实施例3
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。
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：
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。
1、用本发明检测温度实验
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。
实验结果见表1。
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
  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
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。
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。
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
  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
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。
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：
y＝0.0135x+1547.4
其线性度都达到了99％以上。
2、用本发明检测压力变化实验
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。
实验结果见表3。
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
  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
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。
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。
实验结果见表4。
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
 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
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。
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：
y＝-0.0632x+1530.8
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。

Claims (6)

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。
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