CN102645245A - 基于光纤布里渊散射的分布式流体压力和温度同时测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

基于光纤布里渊散射的分布式流体压力和温度同时测量装置及测量方法，涉及一种流体压力和温度同时测量装置及测量方法。它是为了实现高压流体多点分布式压力和温度的同时测量。它的压力传感光纤松弛地位于非密封压力传感器腔体中，温度传感器松弛地位于密封温度传感器腔体中；温度传感光纤、压力传感光纤以及传输光纤均位于同一连续光路上；本发明利用光纤布里渊频移与光纤所受流体压力和温度的对应关系，通过检测光纤布里渊频移，得到对应点光纤传感器所受流体压力和温度信息。本发明结构简单，并可实现任意多点连续布置传感器，适用于对高压流体进行压力和温度同时测量。

Description

基于光纤布里渊散射的分布式流体压力和温度同时测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种流体压力和温度同时测量装置及测量方法。

背景技术

光纤传感检测与测量技术通常是基于光纤中传播的光的某些特性随着外界物理量的改变而改变。这些物理量包括温度、压力、磁场、电场和其他机械运动，而所传播光的特性改变包括光强度、相位、偏振态以及频率等。

光纤测量和传感技术以其防爆、抗电磁干扰和易于实现分布式布置等独特优点而越来越被广泛应用。目前实际应用的光纤传感器主要包括光纤光栅传感器、布里渊传感器、拉曼传感器等。光纤光栅在单点传感领域已被广为采用，而在分布式多点检测领域，尤其是测试点较多的情况下，还是难于应付。而拉曼传感器目前只能进行温度检测，对压力和其他物理量不敏感。

光纤布里渊传感器不仅对温度敏感，而且对光纤的变形也较为敏感，能同时测量温度和应变；而且能实现光纤沿线的分布式测量，通过发射光脉冲，测量点位置可以根据光速和时间的乘积求出。相应产生了如下一系列研究和应用：电力变压器绕组内部温度和应力的监测系统(专利申请号：201020520522.1)；分布式光纤传感系统及利用其的检测方法(专利申请号：200810133324.7)；分布式光纤大变形测量传感器(专利申请号：200910032860.2)；分布式光纤应力温度传感装置及其传感方法(专利申请号：200910054966.2)；基于光纤布里渊传感的职能钢绞线及其制备与全尺度监测方法(专利申请号：200810209688.9)；隧道围岩变形分布式光纤超前监测方法(专利申请号：201010595164.5)；预制桩损伤分布式光纤检测方法和系统(专利申请号：200610086082.1)，等等。然而，关于光纤变形对布里渊频移的影响，之前这些研究基本围绕光纤长度的改变或者说是轴向应变对布里渊频移的影响，而流体压力作用下光纤的整体变形对布里渊频移的影响的研究，还未见公开。

发明内容

本发明是为了实现高压流体多点分布式压力和温度的同时测量，从而提供一种基于光纤布里渊散射的分布式流体压力和温度同时测量装置及测量方法。

基于光纤布里渊散射的分布式流体压力和温度同时测量装置，它包括布里渊光时域检测与分析模块、N个一体两腔结构、传输光纤、N个压力传感光纤和N个温度传感光纤；

每个一体两腔结构均由一个压力传感器腔体和一个温度传感器腔体组成，所述压力传感器腔体的腔体与外部空间之间设置有通孔，压力传感器腔体和温度传感器腔体上均开有过线孔；

N个压力传感光纤分别设置在N个压力传感器腔体中，N个温度传感光纤分别设置在N个温度传感器腔体中；

N个压力传感光纤和N个温度传感光纤通过传输光纤串联连接后通过传输光纤与布里渊光时域检测与分析模块的光信号输入端连接；N个压力传感器腔体的过线孔和N个温度传感器腔体上的过线孔用于穿传输光纤，并且每个过线孔处均做密封处理；N为正整数。

基于上述测量装置的基于光纤布里渊散射的分布式流体压力和温度同时测量方法，它由以下步骤实现；

步骤一、将N个一体两腔结构分布放置在高压流体中，作为N个测量点；

步骤二、布里渊光时域检测与分析模块在每个测量点上测量压力传感光纤的布里渊频移变化量Δv_BP和温度传感光纤的布里渊频移变化量Δv_BT；

步骤三、布里渊光时域检测与分析模块在每个测量点上根据步骤二测得的压力传感光纤的布里渊频移变化量Δv_BP和温度传感光纤的布里渊频移变化量Δv_BT通过公式：

$\mathrm{\ΔP}=\frac{{\mathrm{\Δv}}_{\mathrm{BP}}-{\mathrm{\Δv}}_{\mathrm{BT}}}{k_P}$

计算该测量点上的压力变化量ΔP；

同时，通过公式：

$\mathrm{\ΔT}=\frac{\mathrm{\Δ}{v}_{\mathrm{BT}}}{k_T}$

计算该测量点上的温度变化量ΔT；

式中：k_T、k_P分别是光纤布里渊频移的温度系数和压力系数；

步骤四、将步骤三获得的该测量点上压力变化量ΔP与初始压力P₀相加，获得该测量点上的流体压力值；

将步骤三获得的该测量点上温度变化量ΔT与初始温度T₀相加，获得该测量点上的流体温度值；实现对流体的每个测量点的压力和温度的同时测量。

基于光纤布里渊散射的分布式流体压力和温度同时测量装置，它包括布里渊光时域检测与分析模块、N个一体两腔结构、传输光纤、N个压力传感光纤和N个温度传感光纤；

每个一体两腔结构均由一个压力传感器腔体和一个温度传感器腔体组成，所述压力传感器腔体的腔体与外部空间之间设置有通孔，压力传感器腔体和温度传感器腔体上均开有过线孔；

N个压力传感光纤分别设置在N个压力传感器腔体中，N个温度传感光纤分别设置在N个温度传感器腔体中；

N个压力传感光纤和N个温度传感光纤通过传输光纤串联连接后通过传输光纤并联在布里渊光时域检测与分析模块的光信号输出端和输入端之间；N个压力传感器腔体的过线孔和N个温度传感器腔体上的过线孔用于穿传输光纤，并且每个过线孔处均做密封处理；N为正整数。

本发明实现高压流体多点分布式压力和温度的同时测量，并且测量实时性强、准确率高。

附图说明

图1是本发明的具体实施方式一所述的测量装置的结构示意图；图2是本发明具体实施方式七所述的测量装置的结构示意图；图3是本发明具体实施方式四所述的测量装置中的局部结构示意图；图4是本发明中传输光纤的截面示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本具体实施方式，基于光纤布里渊散射的分布式流体压力和温度同时测量装置，它包括布里渊光时域检测与分析模块1、N个一体两腔结构2、传输光纤3、N个压力传感光纤211和N个温度传感光纤221；

每个一体两腔结构2均由一个压力传感器腔体21和一个温度传感器腔体22组成，所述压力传感器腔体21的腔体与外部空间之间设置有通孔，压力传感器腔体21和温度传感器腔体22上均开有过线孔；

N个压力传感光纤211分别设置在N个压力传感器腔体21中，N个温度传感光纤221分别设置在N个温度传感器腔体22中；

N个压力传感光纤211和N个温度传感光纤221通过传输光纤3串联连接后通过传输光纤3与布里渊光时域检测与分析模块1的光信号输入端连接；N个压力传感器腔体21的过线孔和N个温度传感器腔体22上的过线孔用于穿传输光纤3，并且每个过线孔处均做密封处理；N为正整数。

本实施方式中，温度传感光纤221可以松弛地位于温度传感器腔体22内，两者构成温度传感器；压力传感光纤211可以松弛地位于压力传感器腔体21内，两者构成压力传感器。

温度传感光纤221、压力传感光纤211和传输光纤3可以是同一根光纤，也可以由不同光纤段熔接而成。温度传感器腔体22为密封腔体，保证温度传感光纤221的布里渊频移只受温度影响。

具体实施方式二、本具体实施方式是具体实施方式一所述的基于光纤布里渊散射的分布式流体压力和温度同时测量装置的进一步限定，布里渊光时域检测与分析模块1采用布里渊光时域反射计(BOTDR)实现。

具体实施方式三、本具体实施方式是具体实施方式一或二所述的基于光纤布里渊散射的分布式流体压力和温度同时测量装置的进一步限定，每个压力传感光纤211和每个温度传感光纤221均是线圈式光纤。

具体实施方式四、本具体实施方式是具体实施方式三所述的基于光纤布里渊散射的分布式流体压力和温度同时测量装置的进一步限定，传输光纤3为多段光纤或光缆熔接形成，所述传输光纤3由线芯31外部套装保护套32形成。

保护套32可以为多层结构，还可以为金属铠装结构，还可以为塑料结构。

本实施方式中，传感光纤链为同一条连续的光缆，其中温度传感光纤221和压力传感光纤211被剥离成裸光纤或者带有薄涂层光纤，可以各取20米长(只要大于布里渊光时域检测和分析模块的分辨率)。

具体实施方式五、本具体实施方式是具体实施方式一、二或四所述的基于光纤布里渊散射的分布式流体压力和温度同时测量装置的进一步限定，N个压力传感光纤211和N个温度传感光纤221均为裸光线或带有薄涂层的光线。

具体实施方式六、基于具体实施方式一所述的装置的基于光纤布里渊散射的分布式流体压力和温度同时测量方法，它由以下步骤实现；

步骤一、将N个一体两腔结构2分布放置在高压流体中，作为N个测量点；

步骤二、布里渊光时域检测与分析模块1在每个测量点上测量压力传感光纤211的布里渊频移变化量Δv_BP和温度传感光纤221的布里渊频移变化量Δv_BT；

步骤三、布里渊光时域检测与分析模块1在每个测量点上根据步骤二测得的压力传感光纤211的布里渊频移变化量Δv_BP和温度传感光纤221的布里渊频移变化量Δv_BT通过公式：

$\mathrm{\ΔP}=\frac{{\mathrm{\Δv}}_{\mathrm{BP}}-{\mathrm{\Δv}}_{\mathrm{BT}}}{k_P}$

计算该测量点上的压力变化量ΔP；

同时，通过公式：

$\mathrm{\ΔT}=\frac{\mathrm{\Δ}{v}_{\mathrm{BT}}}{k_T}$

计算该测量点上的温度变化量ΔT；

式中：k_T、k_P分别是光纤布里渊频移的温度系数和压力系数；

步骤四、将步骤三获得的该测量点上压力变化量ΔP与初始压力P₀相加，获得该测量点上的流体压力值；

将步骤三获得的该测量点上温度变化量ΔT与初始温度T₀相加，获得该测量点上的流体温度值；实现对流体的每个测量点的压力和温度的同时测量。

本实施方式在经历长期实验后，发现光纤布里渊频移随着光纤所受流体压力的变化而线性变化，得到了布里渊频移(v_B)和压力(P)的对应关系方程式，即：v_B＝k·P，这里，k为比例系数，一般为负值，具体大小根据不同光纤而不同，单模裸光纤一般为-0.7MHz/MPa。

具体实施方式七、基于光纤布里渊散射的分布式流体压力和温度同时测量装置，它包括布里渊光时域检测与分析模块1、N个一体两腔结构2、传输光纤3、N个压力传感光纤211和N个温度传感光纤221；

每个一体两腔结构2均由一个压力传感器腔体21和一个温度传感器腔体22组成，所述压力传感器腔体21的腔体与外部空间之间设置有通孔，压力传感器腔体21和温度传感器腔体22上均开有过线孔；

N个压力传感光纤21分别设置在N个压力传感器腔体21中，N个温度传感光纤22分别设置在N个温度传感器腔体22中；

N个压力传感光纤211和N个温度传感光纤221通过传输光纤3串联连接后通过传输光纤3并联在布里渊光时域检测与分析模块1的光信号输出端和输入端之间；N个压力传感器腔体21的过线孔和N个温度传感器腔体22上的过线孔用于穿传输光纤3，并且每个过线孔处均做密封处理；N为正整数。

具体实施方式八、本具体实施方式是具体实施方式七所述的基于光纤布里渊散射的分布式流体压力和温度同时测量装置的进一步限定，布里渊光时域检测与分析模块1是布里渊光时域分析计(BOTDA)。

具体实施方式九、本具体实施方式是具体实施方式七或八所述的基于光纤布里渊散射的分布式流体压力和温度同时测量装置的进一步限定，传输光纤3、N个压力传感光纤211和N个温度传感光纤221均为单模光纤。

具体实施方式十、本具体实施方式是具体实施方式九所述的基于光纤布里渊散射的分布式流体压力和温度同时测量装置的进一步限定，传输光纤3与N个压力传感器腔体21的过线孔和N个温度传感器腔体22上的过线孔之间采用环氧树脂胶密封。

Claims (10)

1.基于光纤布里渊散射的分布式流体压力和温度同时测量装置，其特征是：它包括布里渊光时域检测与分析模块(1)、N个一体两腔结构(2)、传输光纤(3)、N个压力传感光纤(211)和N个温度传感光纤(221)；

每个一体两腔结构(2)均由一个压力传感器腔体(21)和一个温度传感器腔体(22)组成，所述压力传感器腔体(21)的腔体与外部空间之间设置有通孔，压力传感器腔体(21)和温度传感器腔体(22)上均开有过线孔；

N个压力传感光纤(211)分别设置在N个压力传感器腔体(21)中，N个温度传感光纤(221)分别设置在N个温度传感器腔体(22)中；

N个压力传感光纤(211)和N个温度传感光纤(221)通过传输光纤(3)串联连接后通过传输光纤(3)与布里渊光时域检测与分析模块(1)的光信号输入端连接；N个压力传感器腔体(21)的过线孔和N个温度传感器腔体(22)上的过线孔用于穿传输光纤(3)，并且每个过线孔处均做密封处理；N为正整数。

2.根据权利要求1所述的基于光纤布里渊散射的分布式流体压力和温度同时测量装置，其特征在于布里渊光时域检测与分析模块(1)采用布里渊光时域反射计实现。

3.根据权利要求1或2所述的基于光纤布里渊散射的分布式流体压力和温度同时测量装置，其特征在于每个压力传感光纤(211)和每个温度传感光纤(221)均是线圈式光纤。

4.根据权利要求3所述的基于光纤布里渊散射的分布式流体压力和温度同时测量装置，其特征在于传输光纤(3)为多段光纤或光缆熔接形成，所述传输光纤(3)由线芯(31)外部套装保护套(32)形成。

5.根据权利要求1、2或4所述的基于光纤布里渊散射的分布式流体压力和温度同时测量装置，其特征在于N个压力传感光纤(211)和N个温度传感光纤(221)均为裸光纤或带有薄涂层的光纤。

6.基于权利要求1所述的测量装置的基于光纤布里渊散射的分布式流体压力和温度同时测量方法，其特征是：它由以下步骤实现；

步骤一、将N个一体两腔结构(2)分布放置在高压流体中，作为N个测量点；

步骤二、布里渊光时域检测与分析模块(1)在每个测量点上测量压力传感光纤(211)的布里渊频移变化量Δv_BP和温度传感光纤(221)的布里渊频移变化量Δv_BT；

步骤三、布里渊光时域检测与分析模块(1)在每个测量点上根据步骤二测得的压力传感光纤(211)的布里渊频移变化量Δv_BP和温度传感光纤(221)的布里渊频移变化量Δv_BT通过公式：

$\mathrm{\ΔP}=\frac{{\mathrm{\Δv}}_{\mathrm{BP}}-{\mathrm{\Δv}}_{\mathrm{BT}}}{k_P}$

计算该测量点上的压力变化量ΔP；

同时，通过公式：

$\mathrm{\ΔT}=\frac{\mathrm{\Δ}{v}_{\mathrm{BT}}}{k_T}$

计算该测量点上的温度变化量ΔT；

式中：k_T、k_P分别是光纤布里渊频移的温度系数和压力系数；

步骤四、将步骤三获得的该测量点上压力变化量ΔP与初始压力P₀相加，获得该测量点上的流体压力值；

将步骤三获得的该测量点上温度变化量ΔT与初始温度T₀相加，获得该测量点上的流体温度值；实现对流体的每个测量点的压力和温度的同时测量。

7.基于光纤布里渊散射的分布式流体压力和温度同时测量装置，其特征是：它包括布里渊光时域检测与分析模块(1)、N个一体两腔结构(2)、传输光纤(3)、N个压力传感光纤(211)和N个温度传感光纤(221)；

每个一体两腔结构(2)均由一个压力传感器腔体(21)和一个温度传感器腔体(22)组成，所述压力传感器腔体(21)的腔体与外部空间之间设置有通孔，压力传感器腔体(21)和温度传感器腔体(22)上均开有过线孔；

N个压力传感光纤(21)分别设置在N个压力传感器腔体(21)中，N个温度传感光纤(22)分别设置在N个温度传感器腔体(22)中；

N个压力传感光纤(211)和N个温度传感光纤(221)通过传输光纤(3)串联连接后通过传输光纤(3)并联在布里渊光时域检测与分析模块(1)的光信号输出端和输入端之间；N个压力传感器腔体(21)的过线孔和N个温度传感器腔体(22)上的过线孔用于穿传输光纤(3)，并且每个过线孔处均做密封处理；N为正整数。

8.根据权利要求7所述的基于光纤布里渊散射的分布式流体压力和温度同时测量装置，其特征在于布里渊光时域检测与分析模块(1)采用布里渊光时域分析计实现。

9.根据权利要求7或8所述的基于光纤布里渊散射的分布式流体压力和温度同时测量装置，其特征在于传输光纤(3)、N个压力传感光纤(211)和N个温度传感光纤(221)均为单模光纤。

10.根据权利要求9所述的基于光纤布里渊散射的分布式流体压力和温度同时测量装置，其特征在于传输光纤(3)与N个压力传感器腔体(21)的过线孔和N个温度传感器腔体(22)上的过线孔之间采用环氧树脂胶密封。

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