CN101655404A - 一种光学液压检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光学液压检测装置及方法，该装置包括：测量腔体、激光器、第一光接收电路、光栅温度传感器和数据处理模块；所述测量腔体顶部设有入光口和出光口，入光口处设有光纤阔束镜，出光口处设有光接收器，测量腔体底部安装有活动板，所述活动板上至少设有一面反射镜；光接收器通过传输光纤与第一光接收电路相连，第一光接收电路与数据处理模块相连；光栅温度传感器的输入端与光纤阔束镜相连，输出端与数据处理模块相连。本装置采用全光学系统，相对于传统的检测装置而言，耐腐蚀性更强，更适合于在油田等恶劣的环境当中长期使用。
Description
技术领域
本发明涉及液体压力的检测技术，尤其涉及一种采用全光学系统的液体压力检测装置及方法。
背景技术
压力是液压系统的重要参数之一，与系统的运行状态密切相关。在石油、煤炭等矿产资源开采过程中需要对矿井下的液体压力、温度等参数进行实时监测，了解井下油层的物理状态，从而优化开采方案，提高产量和采收率，并且保障矿井开采的生产安全。
传统的电类压力传感器，由于电信号远距离传输不方便，需要在井下增加许多二次仪表、中继器和电源等设备，传输成本高，且可靠性较低。随着开采深度的不断增加，井下的温度、压力的升高，传统的电子式压力传感器无法在井下，高温、高压、腐蚀、地磁和电干扰等恶劣环境下长期可靠的工作，难以满足工程测量和生产的实际需要。光纤传感器具有抗干扰能力强、可靠性好、耐腐蚀、本质安全防爆等优点，非常适合在油田测井等恶劣环境下使用。
鉴于此，为解决上述技术问题，本发明提供了一种在恶劣环境下采用全光学系统的液体压力检测装置及方法。
发明内容
本发明主要解决的技术问题在于提供一种光学液压检测装置及方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种光学液压检测装置，包括：测量腔体、激光器、第一光接收电路、光栅温度传感器和数据处理模块；
所述测量腔体顶部设有入光口和出光口，所述入光口处设有光纤阔束镜，所述出光口处设有光接收器，测量腔体底部安装有活动板，所述活动板上至少设有一面反射镜；
所述激光器通过第一传输光纤与所述光纤阔束镜相连，将所述激光器发出的激光发送至光纤阔束镜，光纤阔束镜使激光阔束后发射至活动板的反射镜上，反射镜再将激光反射至位于出光口处的光接收器上；
所述光接收器通过第二传输光纤与第一光接收电路相连，所述第一光接收电路与所述数据处理模块相连，用以将所述光接收器接收到的光信号转换为电信号，并发送至数据处理模块；
所述光栅温度传感器的输入端与所述光纤阔束镜相连，所述光栅温度传感器的输出端与所述数据处理模块相连，用于检测测量腔体反射回来的激光，并将检测到的带有温度信息的电信号发送至数据处理模块；
所述数据处理模块用于处理接收到的信号。
作为本发明的优选方案之一，所述光栅温度传感器包括：依次相连的FBG光栅、M-Z干涉仪和第二光接收电路。
进一步地，所述光学液压检测装置还设有环路器，所述激光器发出的激光经经由环路器发送至第一传输光纤；所述FBG光栅设置于第一传输光纤与光纤阔束镜连接之处，测量腔体反射回来的激光经由FBG光栅反射后通过第一传输光纤传输至环路器，再由环路器发送至M-Z干涉仪。
作为本发明的优选方案，所述测量腔体底部的活动板上依次设有第一反射镜和第二反射镜，所述测量腔体顶部的入光口和出光口之间设有第三反射镜，激光由入光口发射至活动板的第一反射镜上，第一反射镜将激光反射至测量腔体顶部的第三反射镜上，第三反射镜将激光反射回活动板的第二反射镜上，由第二反射镜再将激光发射至出光口。
进一步地，所述光纤阔束镜使激光发射至反射镜的入射角为20°-70°。
进一步地，所述激光器为1550nm激光器。
进一步地，所述数据处理模块为微型计算机。
一种采用上述装置的光学液压检测方法，包括如下步骤：
步骤一，使激光器发出激光，并将激光发送至光纤阔束镜使激光阔束后进入测量腔体，激光由测量腔体的入光口发射至活动板的反射镜上，激光在测量腔体内来回反射，最后再由活动板上的反射镜将激光反射至出光口，出光口处的光接收器接收激光，并由第一光接收电路将该激光信号转换成电信号发送至数据处理模块；
步骤二，光栅温度传感器探测由测量腔体入光口处反射回来的激光，并将得到的电信号发送至数据处理模块；
步骤三，将测量腔体放入液体中检测，测量腔体的活动板与所测液体接触，活动板受到液体压力，位置发生变化，其上的反射镜与入光口、出光口的相对位置也发生变化，使出光口处光接收器接收到的激光光强发生变化；数据处理模块通过记录光接收器接收到的激光强度的变化量则可得到活动板位置的变化量，从而得到测量腔体体积的变化量ΔV；
步骤四，将测量腔体放入液体后，光栅温度传感器探测由测量腔体入光口处反射回来的激光，并将得到的电信号发送至数据处理模块；数据处理模块通过记录光栅温度传感器检测到的光强变化量，根据该光栅温度传感器的传感机理可得到测量腔体内的温度变化量ΔT；此处，光栅温度传感器测量温度的传感机理为本领域的公知技术。
步骤五，数据处理模块根据公式PV/T＝A，测量腔体体积的变化量ΔV和测量腔体内的温度变化量ΔT，计算出所测液体压强的变化量ΔP，其中A为常量，P为压强，V为体积，T为温度。
本发明的光学液压检测装置及方法相比较于现有技术，其有益效果在于：本装置采用全光学系统，相对于传统的检测装置而言，耐腐蚀性更强，并且还具有抗干扰能力强、可靠性好、体积小、重量轻、结构紧凑、灵敏度高等优点，更适合于在油田等恶劣的环境当中长期使用。
附图说明
图1为本发明光学液压检测装置的结构示意图；
图2为实施例一光学液压检测装置的结构示意图；
图3为实施例二测量腔体内通过光学系统检测液压的示意图；
图4为实施例三测量腔体内通过光学系统检测液压的示意图；
其中，当外界压力发生变化时，活动板从位置A移动到位置B，腔体内的光线也随之改变。
图中标记说明：
1测量腔体 101光纤阔束镜 102光接收器
103活动板 1031反射镜 1032反射镜
1033反射镜 2激光器 3第一光接收电路
4光栅温度传感器 401FBG光栅 402M-Z干涉仪
4021，4022 2×2耦合器 4023延时光纤 403第二光接收电路
5数据处理模块
具体实施方式
下面结合附图进一步详细说明本发明的具体实施例：
请参看图1，一种光学液压检测装置，包括：测量腔体1、激光器2、第一光接收电路3、光栅温度传感器4和数据处理模块5；
所述测量腔体1顶部设有入光口和出光口，所述入光口处设有光纤阔束镜101，所述出光口处设有光接收器102，测量腔体1底部安装有活动板103，所述活动板103上至少设有一面反射镜1031；
所述激光器2通过第一传输光纤与所述光纤阔束镜101相连，将所述激光器2发出的激光发送至光纤阔束镜101，光纤阔束镜101使激光阔束后发射至活动板103的反射镜1031上，反射镜1031再将激光反射至位于出光口处的光接收器102上；
所述光接收器102通过第二传输光纤与第一光接收电路3相连，所述第一光接收电路3与所述数据处理模块5相连，用以将所述光接收器102接收到的光信号转换为电信号，并发送至数据处理模块5；
所述光栅温度传感器4的输入端与所述光纤阔束镜101相连，所述光栅温度传感器4的输出端与所述数据处理模块5相连，用于检测测量腔体1反射回来的激光，并将检测到的信号发送至数据处理模块5；
所述数据处理模块5用于处理接收到的信号。
进一步地，所述激光器2为1550nm激光器。
进一步地，所述数据处理模块5为微型计算机。
实施例一
光纤光栅温度传感器4可有多种结构，参看图2，作为本发明的优选方案之一，所述的光栅温度传感器4包括：依次相连的FBG光栅401、M-Z干涉仪402和第二光接收电路403。
FBG光栅，即光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)是一种光纤无源器件。由于它能将被感测信息转化为其反射波长的偏移，即具有波长编码的特性，因而不受光源功率波动和系统损耗的影响。M-Z干涉仪，即马赫-泽德(Mach-Zehnder，M-Z)干涉仪，因其具有干涉现象，及体积小，重量轻，结构紧凑，灵敏度高等特点。
进一步地，所述光学液压检测装置还设有环路器404，所述激光器2发出的激光经由环路器404发送至第一传输光纤；所述FBG光栅401设置于第一传输光纤与光纤阔束镜101连接之处，测量腔体1反射回来的激光经由FBG光栅401反射后通过第一传输光纤传输至环路器404，再由环路器404发送至M-Z干涉仪402。
M-Z干涉仪的结构是本领域公知的，本实施例中，所述M-Z干涉仪402包括两个2×2耦合器4021，4022，M-Z干涉仪的两臂其中一臂为延时光纤4023。
实施例二
参看图3，作为本发明的优选方案之一，所述测量腔体1底部的活动板103上依次设有第一反射镜1031和第二反射镜1032，所述测量腔体1顶部的入光口和出光口之间设有第三反射镜1033，激光由入光口发射至活动板103的第一反射镜1031上，第一反射镜1031将激光反射至测量腔体1顶部的第三反射镜1033上，第三反射镜1033将激光反射回活动板103的第二反射镜1032上，由第二反射镜1032再将激光发射至出光口。
进一步地，所述光纤阔束镜101使激光发射至反射镜1031的入射角为20°-70°。
实施例三
参看图4，作为本发明的另一方案，所述测量腔体1底部的活动板103上仅设有第一反射镜1031，激光由入光口发射至活动板的第一反射镜1031上，第一反射镜1031将激光反射至出光口。所述光纤阔束镜101使激光发射至反射镜1031的入射角为20°-70°。
采用上述装置的光学液压检测方法，包括如下步骤：
步骤一，使激光器发出激光，并将激光发送至光纤阔束镜使激光阔束后进入测量腔体，激光由测量腔体的入光口发射至活动板的反射镜上，激光在测量腔体内来回反射，最后再由活动板上的反射镜将激光反射至出光口，出光口处的光接收器接收激光，并由第一光接收电路将该激光信号转换成电信号发送至数据处理模块；
步骤二，光栅温度传感器探测由测量腔体入光口处反射回来的激光，并将得到的电信号发送至数据处理模块；
步骤三，参看图3、图4，将测量腔体放入液体中检测，测量腔体的活动板与所测液体接触，外界压力发生变化时，活动板受到液体压力，位置发生变化，其上的反射镜与入光口、出光口的相对位置也发生变化。图中，当外界压力发生变化时，活动板从位置A移动到位置B，腔体内的光线也随之改变，由实线方向变为虚线方向，出光口处光接收器接收到的激光光强也发生变化。数据处理模块通过记录光接收器接收到的激光强度的变化量则可得到活动板位置的变化量，从而得到测量腔体体积的变化量ΔV；
步骤四，将测量腔体放入液体后，光栅温度传感器探测由测量腔体入光口处反射回来的激光，并将得到的电信号发送至数据处理模块；数据处理模块通过记录光栅温度传感器检测到的光强变化量，根据该光栅温度传感器的传感机理可得到测量腔体内的温度变化量ΔT；此处，光栅温度传感器测量温度的传感机理为本领域的公知技术。
步骤五，数据处理模块根据公式PV/T＝A，测量腔体体积的变化量ΔV和测量腔体内的温度变化量ΔT，计算出所测液体压强的变化量ΔP。其中A为常量，P为压强，V为体积，T为温度。
本系统使用FBG作温度补偿，在传输光纤接进阔束镜的位置设置一个FBG光栅通过检测由光栅反射回来的光波长变化来测量光强变化。其中，光栅温度传感器采用锗硅光纤布拉格光栅和M-Z干涉仪，可知锗硅光纤布拉格光栅温度传感规律为：
Δλ/λ＝6.67×10-6ΔT (1)
系统通过干涉的形式来测量光栅总波长的变化量Δλ：将由光栅回传回来的光输入M-Z干涉仪当中，M-Z干涉仪的两臂存在一个延时光纤L，则两臂的相位差为：
Δφ＝L/λ (2)
则可检测到的光强E可以表示为：
其中E0为M-Z干涉仪两臂内的光强。
系统通过检测光强E的变化量，根据公式(3)可得到M-Z干涉仪两臂的相位差Δφ的变化量，根据相位差的公式(2)得到光栅总波长的变化量Δλ，再根据锗硅光纤布拉格光栅的温度传感规律公式(1)可得到温度变化量ΔT。
本发明的光学液压检测装置结合光纤布拉格光栅和M-Z干涉仪，采用了全光学系统，相对于传统的检测装置而言，耐腐蚀性更强，并且还具有抗干扰能力强、可靠性好、体积小、重量轻、结构紧凑、灵敏度高等优点，更适合于在油田等恶劣的环境当中长期使用。
本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其他形式来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其他变形和改变。
Claims (8)
1.一种光学液压检测装置，其特征在于，该结构包括：测量腔体(1)、激光器(2)、第一光接收电路(3)、光栅温度传感器(4)和数据处理模块(5)；
所述测量腔体(1)顶部设有入光口和出光口，所述入光口处设有光纤阔束镜(101)，所述出光口处设有光接收器(102)，测量腔体(1)底部安装有活动板(103)，所述活动板(103)上至少设有一面反射镜(1031)；
所述激光器(2)通过第一传输光纤与所述光纤阔束镜(101)相连，将所述激光器(2)发出的激光发送至光纤阔束镜(101)，光纤阔束镜(101)使激光阔束后发射至反射镜(1031)上，反射镜(1031)再将激光反射至位于出光口处的光接收器(102)上；
所述光接收器(102)通过第二传输光纤与第一光接收电路(3)相连，所述第一光接收电路(3)与所述数据处理模块(5)相连，用以将所述光接收器(102)接收到的光信号转换为电信号，并发送至数据处理模块(5)；
所述光栅温度传感器(4)的输入端与所述光纤阔束镜(101)相连，所述光栅温度传感器(4)的输出端与所述数据处理模块(5)相连，用于检测测量腔体(1)反射回来的激光，并将检测到的信号发送至数据处理模块(5)，所述数据处理模块(5)用于处理接收到的信号。
2.根据权利要求1所述的一种光学液压检测装置，其特征在于：所述光栅温度传感器(4)包括依次相连的FBG光栅(401)、M-Z干涉仪(402)和第二光接收电路(403)。
3.根据权利要求2所述的一种光学液压检测装置，其特征在于：所述光学液压检测装置还设有环路器(404)，所述激光器(2)发出的激光经由环路器(404)发送至第一传输光纤；所述FBG光栅(401)设置于第一传输光纤与光纤阔束镜(101)连接之处，测量腔体(1)反射回来的激光经由FBG光栅(401)反射后通过第一传输光纤传输至环路器(404)，再由环路器(404)发送至M-Z干涉仪(402)。
4.根据权利要求1所述的一种光学液压检测装置，其特征在于：所述测量腔体(1)底部的活动板(103)上依次设有第一反射镜(1031)和第二反射镜(1032)，所述测量腔体(1)顶部的入光口和出光口之间设有第三反射镜(1033)，激光由入光口发射至第一反射镜(1031)上，第一反射镜(1031)将激光反射至第三反射镜(1033)上，第三反射镜(1033)将激光反射回第二反射镜(1032)上，由第二反射镜(1032)再将激光发射至出光口。
5.根据权利要求4所述的一种光学液压检测装置，其特征在于：所述光纤阔束镜(101)使激光发射至反射镜(1031)的入射角为20°-70°。
6.根据权利要求1所述的一种光学液压检测装置，其特征在于：所述激光器(2)为1550nm激光器。
7.根据权利要求1所述的一种光学液压检测装置，其特征在于：所述数据处理模块(5)为微型计算机。
8.一种采用如权利要求1-7任一项所述装置的光学液压检测方法，包括如下步骤：
步骤一，使激光器发出激光，并将激光发送至光纤阔束镜使激光阔束后进入测量腔体，激光由测量腔体的入光口发射至活动板的反射镜上，激光在测量腔体内来回反射，最后再由活动板上的反射镜将激光反射至出光口，出光口处的光接收器接收激光，并由第一光接收电路将该激光信号转换成电信号发送至数据处理模块；
步骤二，光栅温度传感器探测由测量腔体入光口处反射回来的激光，并将得到的电信号发送至数据处理模块；
步骤三，将测量腔体放入液体中进行检测，测量腔体的活动板与所测液体接触，活动板受到液体压力，位置发生变化，其上的反射镜与入光口、出光口的相对位置也发生变化，使出光口处光接收器接收到的激光光强发生变化；数据处理模块通过记录光接收器接收到的激光强度的变化量则可得到活动板位置的变化量，从而得到测量腔体体积的变化量ΔV；
步骤四，将测量腔体放入液体后，数据处理模块通过记录光栅温度传感器检测到的光强变化量，根据该光栅温度传感器的传感机理可得到测量腔体内的温度变化量ΔT；
步骤五，数据处理模块根据公式PV/T＝A、测量腔体体积的变化量ΔV和测量腔体内的温度变化量ΔT，计算出所测液体压强的变化量ΔP，其中A为常量，P为压强，V为体积，T为温度。
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| CN101655404B (zh) | 2012-11-07 |
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Application publication date: 20100224 Assignee: SHANGHAI TENSUN TRANSMART CO.,LTD. Assignor: SHANGHAI BOOM FIBER SENSING TECHNOLOGY Co.,Ltd. Contract record no.: 2013310000049 Denomination of invention: Optical hydraulic detection device and method Granted publication date: 20121107 License type: Exclusive License Record date: 20130528 |
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Owner name: ANSHAN POWER SUPPLY COMPANY, STATE GRID LIAONING E Effective date: 20131127 |
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Inventor after: Chen Yufei Inventor after: Liu Jun Inventor after: Zhou Zhiyu Inventor after: Gao Wei Inventor after: Xi Gang Inventor after: Tong Fangxuan Inventor after: Zhou Zhengxian Inventor after: Zhang Chaolong Inventor after: Hu Shaogang Inventor after: Zhang Hongyu Inventor after: Cong Peixian Inventor before: Chen Yufei Inventor before: Gao Wei Inventor before: Xi Gang Inventor before: Tong Fangxuan Inventor before: Zhou Zhengxian |
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