CN101324188B - 内压式温度补偿高温高压光纤光栅传感器 - Google Patents

Abstract

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。

Description

内压式温度补偿高温高压光纤光栅传感器

技术领域

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

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。

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。

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。

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。

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

图1是发明一个实施例的结构示意图。

图2是图1中弹性基底5的结构示意图。

图3是井下温度压力现场测试曲线。

图4是井下温度标定曲线。

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。

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。

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^-6/℃，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。

实施例2

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。

实施例3

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。

实施例4

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。

实施例5

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。

实施例6

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。

实施例7

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。

实施例8

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。

实施例9

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。

本发明的工作原理如下：

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。

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：

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；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。

1、用本发明检测温度实验

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。

测试结果见表1。

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

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

26.6         1551.1851    1537.8555    29.6        1551.1898    1537.8764

42.0         1551.3930    1538.0233    43.1        1551.3865    1538.0252

50.3         1551.4749    1538.0921    51.5        1551.5005    1538.1171

59.4         1551.6178    1538.2059    59.4        1551.6373    1538.2260

73.1         1551.8172    1538.3692    73.7        1551.8006    1538.3897

81.2         1551.9671    1538.4955    81.4        1551.9574    1538.4862

91.7         1552.0901    1538.5928    90.8        1552.0655    1538.5776

102.2        1552.2394    1538.7097    103.0       1552.1958    1538.6885

111.3        1552.3687    1538.8153    119.3       1552.4670    1538.9030

124.1        1552.5504    1538.9638    128.6       1552.5982    1539.0219

130.5        1552.6413    1539.0380    140.6       1552.7674    1539.1458

146.3        1552.8657    1539.2213    152.3       1552.9323    1539.2792

155.0        1552.9892    1539.3222    164.4       1553.1029    1539.4172

168.8        1553.1852    1539.4823    177.3       1553.2848    1539.5642

178.3        1553.3201    1539.5925    188.9       1553.4484    1539.6965

188.5        1553.4649    1539.7108    201.3       1553.6635    1539.8378

199.9        1553.6268    1539.8430    209.9       1553.7445    1539.9359

209.5        1553.7631    1539.9544    219.3       1553.8770    1540.0430

218.9        1553.8966    1540.0634    228.6       1554.0077    1540.1944

232.5        1554.0902    1540.2216    240.7       1554.1784    1540.2867

245.1        1554.2689    1540.3676    252.8       1554.3490    1540.4499

257.7        1554.4476    1540.5136    264.9       1554.5462    1540.5626

270.3        1554.6263    1540.6595    277.0       1554.6904    1540.7006

282.9        1554.8050    1540.8055    289.1       1554.8611    1540.7808

295.5        1554.9837    1540.9515    301.2       1555.0318    1540.9766

308.0        1555.1624    1541.0975    313.3       1555.3278    1541.1146

320.6        1555.3411    1541.2434    325.4       1555.3731    1541.2526

333.2        1555.4864    1541.3394    337.5       1555.5438    1541.3906

351.8        1555.7485    1541.5522    349.6       1555.7145    1541.5286

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＝0.0142T+1550.7940，线性拟合度：R²＝0.9999，温度传感光纤光栅8升温：λ＝0.0115T+1537.5375，线性拟合度：R²＝0.9998；压力传感光纤光栅7降温：λ＝0.0142T+1550.7725，线性拟合度：R²＝0.9997；温度传感光纤光栅8降温：λ＝0.0114T+1537.5429，线性拟合度：R²＝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/℃。

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。

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

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

28.0     1551.7858    1537.849     30.3     1551.8121    1537.8884

37.5     1551.9207    1537.9592    38.5     1551.9364    1537.9874

45.9     1552.0379    1538.0548    46.1     1552.0321    1538.0632

55.5     1552.1604    1538.1563    54.6     1552.1501    1538.1574

65.3     1552.3146    1538.2848    66.9     1552.3433    1538.3114

77.0     1552.4798    1538.4191    78.8     1552.499     1538.4392

88.0     1552.645     1538.5399    86.4     1552.6168    1538.5346

97.2     1552.7608    1538.6561    96.2     1552.7266    1538.6287

113.2    1552.9956    1538.8373    108.5    1552.9148    1538.7799

122.9    1553.1334    1538.9498    120.0    1553.0769    1538.911

135.3    1553.3095    1539.0937    130.4    1553.2235    1539.0296

146.4    1553.4855    1539.2224    140.0    1553.3702    1539.139

157.5    1553.6247    1539.3512    151.3    1553.5182    1539.2678

174.0    1553.859     1539.5426    172.4    1553.8157    1539.5084

183.0    1553.9868    1539.647     182.2    1553.9539    1539.6201

195.0    1554.1572    1539.7862    193.7    1554.0921    1539.7512

205.3    1554.3035    1539.9057    204.8    1554.2726    1539.8777

213.6    1554.4213    1540.002     214.6    1554.4108    1539.9894

223.5    1554.5619    1540.1168    225.5    1554.5645    1540.1137

238.8    1554.7796    1540.2946    234.6    1554.693     1540.2177

251.4    1554.9583    1540.4406    246.7    1554.8637    1540.3557

264.0    1555.1369    1540.5866    258.8    1555.0344    1540.4937

276.6    1555.3156    1540.7325    270.9    1555.2051    1540.6316

289.2    1555.4943    1540.8785    283.0    1555.3758    1540.7696

301.7    1555.673     1541.0245    295.1    1555.5464    1540.9076

314.3    1555.8517    1541.1705    307.2    1555.7171    1541.0456

326.9    1556.0304    1541.3164    319.5    1555.8899    1541.1853

334.4    1556.1367    1541.4032    331.5    1556.0585    1541.3216

341.0    1556.2304    1541.4798    343.6    1556.2292    1541.4596

352.1    1556.3878    1541.6084    351.3    1556.3382    1541.5478

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＝0.0142T+1551.3868，线性拟合度：R²＝0.9999；温度传感光纤光栅8升温：λ＝0.0116T+1537.5230，线性拟合度：R²＝0.9999；压力传感光纤光栅7降温：λ＝0.0141T+1551.3872，线性拟合度：R²＝0.9999；温度传感光纤光栅8降温：λ＝0.0114T+1537.5421，线性拟合度：R²＝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/℃。

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。

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

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

26       1552.3574    1537.826     29.3     1552.4007    1537.861

36.5     1552.5065    1537.9477    39.5     1552.5446    1537.9783

44.4     1552.6166    1538.0376    48.6     1552.6705    1538.081

53.6     1552.7334    1538.1345    58.1     1552.7906    1538.1804

64.2     1552.899     1538.2722    70       1552.9732    1538.3319

74.8     1553.0486    1538.3938    80.8     1553.1245    1538.4547

83.9     1553.1916    1538.5112    88.4     1553.2458    1538.5541

95.2     1553.3324    1538.6331    98.7     1553.3715    1538.6635

111.4    1553.5701    1538.8166    109.5    1553.5325    1538.7838

121.5    1553.7135    1538.9337    120      1553.6805    1538.9045

134      1553.891     1539.0487    129.1    1553.8095    1539.0095

146.5    1554.0685    1539.2237    139.6    1553.9779    1539.1304

156.5    1554.2105    1539.3397    152      1554.1323    1539.2428

173.3    1554.4891    1539.5046    165.3    1554.3205    1539.426

181      1554.5584    1539.624     180.2    1554.5492    1539.5968

194      1554.743     1539.7747    194.6    1554.7319    1539.7221

203.8    1554.8822    1539.8884    203.5    1554.8576    1539.8646

211.7    1554.9943    1539.9801    213.2    1554.994     1539.976

222.8    1555.152     1540.1088    224.2    1555.1791    1540.1024

237.8    1555.3254    1540.2831    233.6    1555.2828    1540.2411

250.4    1555.5741    1540.4291    246      1555.4577    1540.3537

262.9    1555.7213    1540.5539    256.8    1555.6103    1540.4781

275.3    1555.8972    1540.7176    268.9    1555.781     1540.6073

287.8    1556.0045    1540.8424    282      1555.9056    1540.7679

300.4    1556.2246    1541.0095    293.6    1556.1293    1540.9314

313.3    1556.4375    1541.159     305.3    1556.2945    1541.0361

326.2    1556.6205    1541.3084    318.8    1556.4448    1541.1612

332.4    1556.7283    1541.3602    330.5    1556.6486    1541.3253

339      1556.802     1541.4568    342.6    1556.8181    1541.4639

349.9    1556.9566    1541.5431    350.3    1556.9273    1541.5628

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＝0.0142T+1551.9901，线性拟合度：R²＝0.9998；温度传感光纤光栅8升温：λ＝0.0116T+1537.5242，线性拟合度：R²＝0.9999；压力传感光纤光栅7降温：λ＝0.0141T+1551.9922，线性拟合度：R²＝0.9999；温度传感光纤光栅8降温λ＝0.0115T+1537.5227，线性拟合度：R²＝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/℃。

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。

2.用本发明检测几种温度的压强实验

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。

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

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

(℃)  (MPa) (nm)       (nm)       (℃) (MPa)  (nm)       (nm)       升压       降压

21.0  0     1551.1038  1537.7882  20.9  0     1551.1041  1537.7870  1550.8104  1550.8122

21.0  5     1551.1639  1537.7884  21.0  5     1551.1646  1537.7885  1550.8703  1550.8708

21.0  10    1551.2261  1537.7891  21.0  10    1551.2246  1537.7884  1550.9316  1550.9310

21.0  15    1551.2859  1537.7885  21.0  15    1551.2866  1537.7889  1550.9921  1550.9924

21.2  20    1551.3457  1537.7905  21.0  20    1551.3495  1537.7885  1551.0495  1551.0557

21.1  25    1551.4059  1537.7900  21.1  25    1551.4077  1537.7898  1551.1103  1551.1123

21.1  30    1551.4646  1537.7899  21.3  30    1551.4688  1537.7918  1551.1691  1551.1710

21.3  35    1551.5256  1537.7917  21.3  35    1551.5286  1537.7921  1551.2279  1551.2304

21.2  40    1551.5840  1537.7915  21.3  40    1551.5903  1537.7919  1551.2866  1551.2924

21.4  45    1551.6449  1537.7930  21.4  45    1551.6508  1537.7936  1551.3456  1551.3508

21.3  50    1551.7048  1537.7920  21.4  50    1551.7124  1537.7933  1551.4067  1551.4128

21.5  55    1551.7665  1537.7941  21.5  55    1551.7737  1537.7943  1551.4659  1551.4728

21.5  60    1551.8267  1537.7943  21.6  60    1551.8335  1537.7958  1551.5258  1551.5308

21.5  65    1551.8859  1537.7945  21.7  65    1551.8967  1537.7963  1551.5848  1551.5934

21.5  70    1551.9458  1537.7947  21.7  70    1551.9567  1537.7970  1551.6444  1551.6525

21.7  75    1552.0077  1537.7963  21.8  75    1552.0162  1537.7981  1551.7044  1551.7107

21.6  80    1552.0667  1537.7961  21.9  80    1552.0777  1537.7990  1551.7636  1551.7711

21.6  85    1552.1257  1537.7959  21.8  85    1552.1378  1537.7982  1551.8229  1551.8321

21.9  90    1552.1881  1537.7986  21.9  90    1552.1984  1537.7988  1551.8819  1551.8920

21.9  95    1552.2509  1537.7994  22.0  95    1552.2593  1537.7998  1551.9438  1551.9517

21.9  100   1552.3105  1537.7993  22.0  100   1552.3189  1537.8005  1552.0035  1552.0104

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的反射波长随压力变化线性可逆，加压：λ＝0.0119P+1550.8114，线性拟合度：R²＝1.000；减压：λ＝0.0120P+1550.8122，线性拟合度：R²＝1.000。压力响应灵敏度为0.012nm/MPa。

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。

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

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

(℃)   (MPa) (nm)       (nm)       (℃)   (MPa)  (nm)       (nm)       升压       降压

150.6  0     1552.9324  1539.2660  150.3  0      1552.9296  1539.2626  1550.8242  1550.8255

150.6  5     1552.9912  1539.2662  150.3  5      1552.9892  1539.2629  1550.8827  1550.8848

150.5  10    1553.0522  1539.2655  150.4  10     1553.0493  1539.2637  1550.9446  1550.9439

150.6  15    1553.1136  1539.2660  150.5  15     1553.1120  1539.2647  1551.0054  1551.0054

150.4  20    1553.1717  1539.2641  150.4  20     1553.1728  1539.2643  1551.0658  1551.0667

150.6  25    1553.2317  1539.2663  150.6  25     1553.2303  1539.2659  1551.1231  1551.1222

150.6  30    1553.2905  1539.2664  150.6  30     1553.2927  1539.2657  1551.1818  1551.1848

150.6  35    1553.3518  1539.2667  150.6  35     1553.3540  1539.2664  1551.2427  1551.2453

150.6  40    1553.4110  1539.2660  150.8  40     1553.4133  1539.2680  1551.3028  1551.3026

150.7  45    1553.4699  1539.2673  150.7  45     1553.4731  1539.2678  1551.3601  1551.3627

150.7  50    1553.5302  1539.2678  150.8  50     1553.5346  1539.2683  1551.4198  1551.4235

150.8  55    1553.5904  1539.2679  150.8  55     1553.5946  1539.2687  1551.4798  1551.4831

150.7  60    1553.6522  1539.2678  151.0  60     1553.6547  1539.2702  1551.5418  1551.5413

150.8  65    1553.7105  1539.2681  150.9  65     1553.7158  1539.2697  1551.5997  1551.6030

150.8  70    1553.7703  1539.2684  151.0  70     1553.7754  1539.2709  1551.6591  1551.6612

150.9  75    1553.8293  1539.2697  150.9  75     1553.8351  1539.2699  1551.7165  1551.7221

150.9  80    1553.8892  1539.2697  150.9  80     1553.8955  1539.2696  1551.7764  1551.7829

151.0  85    1553.9498  1539.2709  151.1  85     1553.9565  1539.2713  1551.8356  1551.8418

151.0  90    1554.0100  1539.2712  151.1  90     1554.0149  1539.2713  1551.8954  1551.9002

151.0  95    1554.0699  1539.2707  151.1  95     1554.0754  1539.2716  1551.9559  1551.9603

151.1  100   1554.1299  1539.2717  151.1  100    1554.1362  1539.2715  1552.0147  1552.0212

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的反射波长随压力变化线性可逆，加压：λ＝0.0119P+1550.8257，线性拟合度：R²＝1.000；减压：λ＝0.0120P+1550.8255；线性拟合度：R²＝1.000；压力响应灵敏度为0.012nm/MPa。

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。

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

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

(℃)   (MPa) (nm)       (nm)      (℃)   (MPa)(nm)       (nm)       升压       降压

352.2  0     1555.7495  1541.5640  349.4  0   1555.7044  1541.5325  1550.8192  1550.8128

351.9  5     1555.8070  1541.5608  349.5  5   1555.7645  1541.5341  1550.8806  1550.8709

351.6  10    1555.8630  1541.5574  349.6  10  1555.8222  1541.5351  1550.9408  1550.9274

351.5  15    1555.9208  1541.5562  349.7  15  1555.8845  1541.5360  1551.0000  1550.9886

351.2  20    1555.9771  1541.5532  349.7  20  1555.9453  1541.5364  1551.0600  1551.0489

351.2  25    1556.0349  1541.5527  349.9  25  1556.0051  1541.5381  1551.1184  1551.1066

350.9  30    1556.0923  1541.5498  349.9  30  1556.0651  1541.5377  1551.1794  1551.1671

350.7  35    1556.1494  1541.5468  349.9  35  1556.1275  1541.5382  1551.2402  1551.2289

350.6  40    1556.2047  1541.5464  349.9  40  1556.1874  1541.5384  1551.2960  1551.2885

350.4  45    1556.2599  1541.5443  350.0  45  1556.2482  1541.5396  1551.3538  1551.3478

350.1  50    1556.3181  1541.5407  350.1  50  1556.3066  1541.5400  1551.4164  1551.4057

350.0  55    1556.3746  1541.5395  350.1  55  1556.3685  1541.5410  1551.4744  1551.4664

349.8  60    1556.4301  1541.5370  350.2  60  1556.4283  1541.5415  1551.5329  1551.5256

349.6  65    1556.4849  1541.5344  350.3  65  1556.4887  1541.5426  1551.5909  1551.5846

349.4  70    1556.5415  1541.5321  350.3  70  1556.5517  1541.5422  1551.6503  1551.6481

349.1  75    1556.5979  1541.5290  350.3  75  1556.6117  1541.5428  1551.7105  1551.7074

348.9  80    1556.6571  1541.5272  350.4  80  1556.6709  1541.5434  1551.7720  1551.7659

348.8  85    1556.7132  1541.5255  350.4  85  1556.7319  1541.5435  1551.8301  1551.8267

348.7  90    1556.7714  1541.5246  350.4  90  1556.7926  1541.5439  1551.8895  1551.8870

348.6  95    1556.8274  1541.5239  350.4  95  1556.8529  1541.5435  1551.9463  1551.9477

348.6  100   1556.8861  1541.5229  350.6  100 1556.9133  1541.5458  1552.0062  1552.0053

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的反射波长随压力变化线性可逆，加压：λ＝0.0119P+1550.8221，线性拟合度：R²＝1.000减压：λ＝0.0120P+1550.8095，线性拟合度：R²＝1.000，压力响应灵敏度为0.012nm/MPa。

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。

3.用本发明检验温度补偿实验

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 ${\mathrm{\λ}}_p={\mathrm{\λ}}_{\mathrm{PT}}-\frac{k_{T1}}{k_{T2}}({\mathrm{\λ}}_T-{\mathrm{\λ}}_{T0})$ 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：λ_P压力栅检测压力表征的波长，λ_PT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，k_T1为压力传感光纤光栅7对温度响应灵敏度，k_T2为温度传感光纤光栅8对温度响应灵敏度，λ_T为温度传感光纤光栅8检测温度表征的波长。λ_T0为温度栅在0℃的波长。

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。

Claims (6)

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。 

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