CN101709638B - 一种光纤温度压力传感器 - Google Patents

Abstract

一种新型光纤温度压力传感器，它包括弹性膜片，光纤布拉格光栅和与之连接的解调仪，所述弹性膜片的凸起柱上套装短连接管，在所述短连接管的另一端固定设置空心棒，所述空心棒及其中央的第一光纤的端面抛光形成第一反射面，在所述第一反射面上镀反射膜；所述外保护筒的另一端插入带有第二陶瓷插芯组件的长连接管，在第二光纤弯曲部分设置光纤布拉格光栅，在第二陶瓷棒及其中央的第二光纤的端面上抛光形成第二反射面。所述空心棒的第一反射面和第二陶瓷插芯组件的第二反射面对中并保持间距形成珐-珀腔。本发明用于制作光纤传感器。

Description

一种光纤温度压力传感器

技术领域

本发明涉及到一种温度、压力同时测量的新型传感器，特别是适用于高温高压的油井下进行温度压力监测的传感器，它对油田的开采具有非常重要的意义。 

背景技术

对井下压力、温度等参数的实时监测，了解井下油层的物理状态，是优化采油技术方案，提高油气采收率和产量的重要措施之一。在稠油田的生产过程中，为了提高石油产量，需要对油井注入高温蒸汽，井下温度高达350℃，压强达到30MPa，传统的电子式压力传感器无法在如此高温高压的环境中正常工作。Pruett公司在上世纪80年代初期推出了毛细管测压装置，该系统是将井下测压点处的压力作用在传压筒内的气柱上，由气体传递压力至井口，由压力变送器测得地面一端内毛细管的氮气压力后，将信号传递到地面数据采集器，数据采集器将压力数据显示并存储。记录井下的实测压力数据由计算机回放后处理，根据测压深度和井筒温度完成由井口压力向井下压力的计算，最终得到测压点的压力和温度值。该系统井下没有复杂的电子设备，因此具有较高的稳定性。但是，它只能测压力，无法排除温度对毛细管内的压力的影响，因此引入了测量误差。光纤传感器具有耐高温、抗电磁干扰、远距离传输等优点，可将传感器和光缆至于井下，而测试仪器放在地面上，实现对井下压力和温度的检测。系统在井下无电子设备，能耐高温，在测井方面有非常大的应用潜力。近年来，光纤传感器技术在测井方面的应用有了大量的研究。挪威Optoplan A.S.公司、美国Virginia理工大学、Cidra公司、Sabeus公司、Weatherford公司等都开展了此方面的研究，而在国内，西安石油学院、大连理工大学、清华大学、天津大学、南开大学等单位也都开展了此方面的研究。 

专利“光纤压力、温度双参数传感器”(专利申请号：200610069658.3)介绍了一种基于珐-珀腔和光纤光栅的压力温度同时测量的传感器，其结构简单，采用珐-珀腔原理，圆筒式膜片的结构设计，在光纤端面和弹性膜片间组成一个珐-珀腔。当有外压时，圆筒会发生弹性变形，底部平膜片中心产生微位移，光纤端面与平膜片中心之间的距离变化，即珐-珀腔的腔长变化，从而反映出外界压力的变化。而温度的响应是通过在同一根光纤上刻写的布拉格光栅受温度变化时其反射波长移动来反映的。但由于珐-珀腔的组成简单，一个反射面为传感器的膜片，另一个反射面是裸光纤的端面。在高温下，膜片易氧化，使反射率降低，而在高压下膜片变形又会使反射端面变形而不平，使珐-珀腔的信号变弱或消失。而裸光纤的端面很难加工平整并抛光，传感器制作难度大。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足并在此基础上进行改进设计，将膜片和珐-珀腔的反射面分开，用陶瓷插芯连接光纤，使珐-珀腔的反射端面都为光纤，并且在一个反射端面镀反射膜，大大增强了传感器珐-珀腔的信号，为准确解调奠定了基础。并且设计了调节管来调节珐-珀腔的腔长，使传感器制作更容易。 

本方案是通过如下技术措施来实现的：一种光纤温度压力传感器，它包括弹性膜片，光纤布拉格光栅和与之连接的解调仪，其特征是所述弹性膜片的中央设置凸起柱，所述弹性膜片边缘密封地接合于外保护筒前端的喇叭口处，且凸起柱上固定套装短连接管，在所述短连接管的另一端固定设置空心棒，所述空心棒中央设置第一光纤，所述空心棒及其中央的第一光纤的端面抛光形成第一反射面，在所述第一反射面上镀反射膜；所述短连接管连同空心棒一并插入到外保护筒中并与外保护筒之间保持有间隙； 

所述外保护筒的另一端插入带有第二陶瓷插芯组件的长连接管，所述长连接管的后端设置有一级凸起台阶面与外保护筒后部内壁的对应设置的凹陷台阶面相适配，在外保护筒后端筒口设置内螺纹，与空心的定位螺柱相适配，定位螺柱顶持所述长连接管后端使其前端悬置于外保护筒中；第二光纤穿过第二陶瓷插芯组件中第二陶瓷棒上的中央孔道，长连接管和定位螺柱与解调仪连接，第二光纤通过耐高温胶固定设置在第二陶瓷插芯组件和定位螺柱上并在长连接管中保持预弯曲，在第二光纤弯曲部分设置光纤布拉格光栅，在第二陶瓷棒及其中央的第二光纤的端面上抛光形成第二反射面。所述空心棒的第一反射面和第二陶瓷插芯组件的第二反射面对中并保持间距形成珐-珀腔。 

本方案的具体特点还有，所述空心棒为第一陶瓷插芯组件，所述第一陶瓷插芯组件包括筒状第一金属连接头和带有中央孔道的第一陶瓷棒，第一金属连接头一端插入到短连接管中并与之固定连接，第一金属连接头的另一端固定设置第一陶瓷棒，在所述第一金属连接头和第一陶瓷棒中通过耐高温胶固定第一光纤。 

所述空心棒为带有中央孔道的金属棒。 

所述第二陶瓷插芯组件包括筒状第二金属连接头和带有中央孔道的第二陶瓷棒，第二金属连接头一端插入到长连接管中并与之固定连接，第二金属连 接头的另一端固定设置第二陶瓷棒，在所述第二金属连接头和第二陶瓷棒中通过耐高温胶固定第二光纤。 

在长连接管的外面套装有调节管。采用不同长度的调节管，可以控制传感器的珐-珀腔的腔长，方便了传感器的封装。 

本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，它是利用光纤布拉格光栅来检测温度，珐-珀腔来检测压力，并且光纤布拉格光栅能够补偿珐-珀腔的温度效应。当外界压力作用到传感器弹性膜片上时，弹性膜片发生弹性变形，通过短连接管、空心棒及其中央光纤的传递，改变传感器中珐-珀腔腔长的大小。所以，当弹性膜片变形时，珐-珀腔的反射面并不变形，不影响光信号的反射，保证传感器信号的稳定。而且反射面的材料都是光纤，即石英材料，耐高温、不氧化，在第一反射面镀反射膜之后，提高了反射信号的强度，有利于传感器的精确解调。当有一宽带光从光纤一端入射时，光纤光栅反射一窄带光，其余透射光传递到珐-珀腔上，在第一反射面和第二反射面上多次反射产生干涉后反射回一束与腔长d有关的光，检测反射光信号，便可得到光纤光栅的波长及珐-珀腔的腔长。本发明是利用陶瓷插芯组件作为珐-珀腔的反射端面，高温高压下端面不变性、不氧化，保证传感器的信号的稳定，为准确解调提供保证。传感器的光纤不受拉应力，消除了高温下的由于胶的性能改变引起的传感器蠕变，大大提高了传感器的使用温度。传感器的温度测试范围可达350℃，压力范围可达40MPa，非常适用于高温高压的油井内的压力温度监测。因此本发明与现有技术相比，实现了技术目的。 

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详细地描述。 

图1为本发明整体结构示意图； 

图2为第一陶瓷插芯组件和第二陶瓷插芯组件结构示意图； 

图3为本发明实测油井压力和温度时的典型连接方式； 

图4为解调仪检测到的光谱图； 

图5为标定结果； 

图中，1、弹性膜片，2、短连接管，3、外保护筒，4、长连接管，5、调节管，6、通孔，7、定位螺柱，8、第一陶瓷插芯组件，9、第二陶瓷插芯组件，10、光纤布拉格光栅，11、第二光纤引出端，12、第一反射面，13、第二反射面，14、珐-珀腔，15、耐高温胶，16、第一光纤，17、第一金属连接头，18、第一陶瓷棒，19、第二陶瓷棒，20、第二金属连接头，21、耐高温胶，22、第二光纤，23、内螺纹，24、光纤温度压力传感器，25、焊接处，26、连接座，27、焊接处，28、光缆，29、解调仪。 

具体实施方式

图3为本发明实测油井压力和温度时的典型连接方式；光纤温度压力传感器24固定焊接在连接座26的左边并置于井下，连接座26右边连接光缆28，光缆28与解调仪29连接。 

图1为光纤温度压力传感器的整体结构示意图，它包括弹性膜片1，光纤布拉格光栅10和与之连接的解调仪29，所述弹性膜片1的中央设置凸起柱，所述弹性膜片1边缘密封地接合于外保护筒3前端的喇叭口处，且凸起柱上固定套装短连接管2，在所述短连接管2的另一端固定设置空心棒，所述空心棒的端面抛光形成第一反射面12，在所述第一反射面12上镀反射膜；所述空心棒中设置第一光纤16，所述短连接管2连同空心棒一并插入到外保护筒3中并与外保护筒3之间保持有间隙；即短连接管2连同空心棒可以随弹性膜片1的振动在外保护筒3中轴向移动。 

所述外保护筒3的另一端插入带有第二陶瓷插芯组件9的长连接管4，所述长连接管4的后端设置有一级凸起台阶面与外保护筒3后部内壁的对应设置的凹陷台阶面相适配，在外保护筒3后端筒口设置内螺纹23，与空心的定位螺柱7相适配，定位螺柱7顶持所述长连接管4后端使其前端悬置于外保护筒3中；第二光纤22穿过第二陶瓷插芯组件9中第二陶瓷棒19上的中央孔道，长连接管4和定位螺柱7与解调仪29连接，第二光纤22通过耐高温胶固定设置在第二陶瓷插芯组件9和空心定位螺柱7上并在长连接管4中保持预弯曲，在第二光纤22弯曲部分设置光纤布拉格光栅10，在第二陶瓷棒19的端面上抛光形成第二反射面13。所述空心棒和第二陶瓷插芯组件两端面间对中并保持间距形成珐-珀腔，即第一反射面12和第二反射面13之间形成珐-珀腔14。 

所述空心棒为第一陶瓷插芯组件8，所述第一陶瓷插芯组件8包括筒状第一金属连接头17和带有中央孔道的第一陶瓷棒18，第一金属连接头17一端插入到短连接管2中并与之固定连接，第一金属连接头17的另一端固定设置第一陶瓷棒18，在所述第一金属连接头17和第一陶瓷棒18中通过耐高温胶固定第一光纤16。所述空心棒为带有中央孔道的金属棒。 

所述第二陶瓷插芯组件9包括筒状第二金属连接头20和带有中央孔道的第二陶瓷棒19，第二金属连接头20一端插入到长连接管4中并与之固定连接，第二金属连接头20的另一端固定设置第二陶瓷棒19，在所述第二金属连接头20和第二陶瓷棒19中通过耐高温胶固定第二光纤22。 

在长连接管4的外面套装有调节管5。珐-珀腔14用来检测压力，光纤布拉格光栅10用来检测温度，并对珐-珀腔14进行温度补偿。珐-珀腔14由第一陶瓷插芯组件8和第二陶瓷插芯组件9组成。 

如图2所示，用耐高温胶15将第一光纤16粘接于第一陶瓷棒18和第一金属连接头17内，便组成第一陶瓷插芯组件8；用耐高温胶21将带有光纤光栅10的第二光纤22粘接于第二陶瓷棒19和第二金属连接头20内，便组成第二陶瓷插芯组件9；将第一反射面12和第二反射面13用砂纸磨平，然后用光纤研磨机(如HIGHTOP公司的HTP-12B)抛光，并在第一反射面12上镀上反射膜。将第一陶瓷插芯组件8的第一金属连接头17和短连接管2焊接(或用胶粘接)在一起，短连接管2另一端与弹性膜片1焊接(或用胶粘接)在一起；弹性膜片1的材料为不锈钢，厚度为2mm，直径为20mm；而弹性膜片1又与不锈钢外保护筒3通过焊接连接，并要求焊接处24能够密封并能在350℃下耐75Mpa的压力。所以，第一陶瓷插芯组件8和短连接管2悬空在外保护筒3内，能够随弹性膜片1在外保护筒3内自由移动。将第二陶瓷插芯组件9的第二金属连接头20和长连接管4焊接(或用胶粘接)在一起，而长连接管4另一端直径较大，安装在调节管5与空心的定位螺杆7之间，通过拧紧定位螺杆7，使长连接管4固定在外保护筒3内，所以第二陶瓷插芯组件9和长连接管4只是通过定位螺杆7在一端固定，另一端悬空在外保护筒3内。并且可以通过使用不同长度的调节管5，如做一系列长度的管，它们的长度以0.05mm逐个递增，来调节珐-珀腔14的腔长d，调节管5长度增加，第二陶瓷插芯组件9和长连接管4相对外保护筒3向右移，则腔长d也就增加。光纤布拉格光栅10通过耐高温胶6和21粘接在第二陶瓷插芯组件9和定位螺杆7的通孔6之间，并使光纤布拉格光栅10保持一定的弯曲，确保在传感器的使用上限温度下光纤布拉格光栅10仍然处于弯曲状态。传感器的第二光纤引出端11通过光缆28连接解调仪29，而外保护筒3的一端通过焊接方式与其它部件连接，保证传感器的密封。当传感器受到外界压力P时，弹性膜片1弯曲使得第一陶瓷插芯组件8产生微小的位移，从而使腔长d变化。通过检测d的变化就可以检测出压力P。 

图4为传感器测油井压力/温度的典型连接方式。图中光缆28的外层为不锈钢管，连接座26的作用是连接光缆28和光纤温度压力传感器24，都采用密封焊接的连接方式。光缆28可达几公里长，它的另一端连接解调仪29。这样可以将光纤温度压力传感器24安装到油井下，而解调仪29放在地面上，通过光缆28将他们连接。解调仪29内包括宽带光源、环行器、微型光谱仪及工控机等，微型光谱仪能够进行光谱检测分析，得到光纤光栅的波长及一段波长范围(1525nm-1565nm)内的功率分布，以波长为横坐标，功率为纵坐标，绘图如5。由此可找出波峰处的波长，根据两相邻波峰处的波长(假定为λ₁和λ₂，λ₁＜λ₂)可计算出珐-珀腔的腔长d，计算方法如下式： 

$d=\frac{{\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\λ}}_2}{2({\mathrm{\λ}}_2-{\mathrm{\λ}}_1)}$

由于传感器结构的热胀冷缩，腔长d还受温度影响，所以使用光纤光栅对珐-珀腔进行温度补偿，补偿方法是：同时标定对光纤光栅和珐-珀腔进行温度标定，得到相同温度下光纤光栅波长和珐-珀腔腔长的对应值；测试时根据测出的光纤光栅的波长，得该温度下对应珐-珀腔腔长，此腔长与当前测试所得腔长之差即是由压力引起的腔长的变化。在本发明的应用实例中，膜片的直径为20mm，厚度2mm。光纤光栅的波长约1528.5nm，珐-珀腔腔长d约0.275mm。 

图5为解调仪检测到的传感器光谱图，左边最高的波峰为光纤光栅反射峰，而周期性的光强变化是珐-珀腔反射的结果。标定时用标准的活塞式压力计对传感器加不同的压力，检测珐-珀腔对应的腔长变化，得到图6所示标定结果，对其进行直线拟合得传感器的压力系数为-0.0023mm/MPa，压力测量范围可达40MPa。 

在本发明中，在使用高温胶粘接的零件之间都没有外力作用，消除了胶粘接的蠕变，大大提高了传感器的使用温度。传感器及光缆都采用聚酰亚胺光纤，传感器的使用温度可达到350℃。传感器所有外部零件都采用不锈钢，并焊接密封，而且传输光缆也采用不锈钢，耐高温高压，耐腐蚀。将传感器安装到油井下，通过光缆与地面解调仪传输信号，实现对油井压力温度的检测，对提高油气的采收率和产量有非常重要的意义。 

Claims (5)

1.一种光纤温度压力传感器，它包括弹性膜片，光纤布拉格光栅和与之连接的解调仪，其特征是所述弹性膜片的中央设置凸起柱，所述弹性膜片边缘密封地接合于外保护筒前端的喇叭口处，且凸起柱上固定套装短连接管，在所述短连接管的另一端固定设置空心棒，所述空心棒中央设置第一光纤，所述空心棒及其中央的第一光纤的端面抛光形成第一反射面，在所述第一反射面上镀反射膜；所述短连接管连同空心棒一并插入到外保护筒中并与外保护筒之间保持有间隙；

所述外保护筒的另一端插入带有第二陶瓷插芯组件的长连接管，所述长连接管的后端设置有一级凸起台阶面与外保护筒后部内壁的对应设置的凹陷台阶面相适配，在外保护筒后端筒口设置内螺纹，与空心的定位螺柱相适配，定位螺柱顶持所述长连接管后端使其前端悬置于外保护筒中；第二光纤穿过第二陶瓷插芯组件中第二陶瓷棒上的中央孔道，长连接管和定位螺柱与解调仪连接，第二光纤通过耐高温胶固定设置在第二陶瓷插芯组件和定位螺柱上并在长连接管中保持预弯曲，在第二光纤弯曲部分设置光纤布拉格光栅，在第二陶瓷棒及其中央的第二光纤的端面上抛光形成第二反射面；所述空心棒的第一反射面和第二陶瓷插芯组件的第二反射面对中并保持间距形成珐-珀腔。

2.根据权利要求1所述的一种光纤温度压力传感器，其特征是所述空心棒为第一陶瓷插芯组件，所述第一陶瓷插芯组件包括筒状第一金属连接头和带有中央孔道的第一陶瓷棒，第一金属连接头一端插入到短连接管中并与之固定连接，第一金属连接头的另一端固定设置第一陶瓷棒，在所述第一金属连接头和第一陶瓷棒中通过耐高温胶固定第一光纤。

3.根据权利要求1所述的一种光纤温度压力传感器，其特征是所述空心棒为带有中央孔道的金属棒。

4.根据权利要求1所述的一种光纤温度压力传感器，其特征是所述第二陶瓷插芯组件包括筒状第二金属连接头和带有中央孔道的第二陶瓷棒，第二金属连接头一端插入到长连接管中并与之固定连接，第二金属连接头的另一端固定设置第二陶瓷棒，在所述第二金属连接头和第二陶瓷棒中通过耐高温胶固定第二光纤。

5.根据权利要求1所述的一种光纤温度压力传感器，其特征是在长连接管的外面套装有调节管。

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