CN105659059A - 应变隔离式光纤布拉格光栅传感器 - Google Patents

应变隔离式光纤布拉格光栅传感器 Download PDF

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Abstract

一种用于测量物理特性的感测装置。该感测装置可以包括被布置在管子中的光纤。光纤可以具有包含光纤布拉格光栅(FBG)传感器的区段。支撑构件可以被耦接至该区段的端部，使得该区段包括比支撑构件的被布置在该区段的端部之间的部分的长度更大的长度。支撑构件被配置成在光纤中使FBG传感器与应变隔离。

Description

应变隔离式光纤布拉格光栅传感器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2013年10月24日提交的美国临时专利申请序列号61/895,093以及于2014年9月26日提交的美国专利申请序列号14/497,573的优先权权益。通过引用将这些申请中的每个申请整体地合并到本文中。
发明背景
技术领域
本发明的各实施方式总体上涉及具有一个或更多个应变隔离式光纤布拉格光栅传感器的光纤。
相关领域的描述
光纤通常被布置在管子内以防止损坏。在一些情况下，通过借助于气体或液体将光纤推入到管子中来插入光纤。例如，如美国专利第7,024,081号中所描述的，当制造金属管内光纤(FIMT)时可以将光纤推入到金属管中，通过引用将美国专利第7,024,081号整体地合并到本文中。
金属管内的光纤中的多个光纤布拉格光栅(FBG)传感器形成了有用的光学传感器构造，诸如用于测量温度。为了提供准确的温度测量，FBG传感器通常必须与光纤上的应变隔离。因此，希望金属管中有一定量的过量纤维长度(也称为过度装填)，以减小FBG传感器上的应变。然而，很难实现特定量的过量纤维长度，并且通常需要使用非常耗时和昂贵的受控操作将光纤放置在金属管内。
因此，存在用于在光纤上使应变与FBG传感器隔离的技术的需要。
发明内容
感测装置包括管子，以及被布置在管子中的光纤。该光纤可以具有包含光纤布拉格光栅(FBG)传感器的区段。支撑构件可以被耦接至该区段的端部，使得该区段包括比支撑构件的被布置在该区段的端部之间的部分的长度更大的长度。支撑构件可以被配置成在光纤中使FBG传感器与应变隔离。
一种形成感测装置的方法，该方法包括将支撑构件耦接至第一光纤的一个区段的端部，第一光纤的该区段包含光纤布拉格光栅(FBG)传感器，其中该区段包括比支撑构件的被布置在该区段的端部之间的部分的长度更大的长度。
附图说明
为了能够详细地理解本发明的上述特征的方式，参考实施方式可以获得在上面简要概述的本发明的更具体的描述，在附图中图示出了这些实施方式中的一些实施方式。然而，要注意到，附图仅图示出了本发明的典型实施方式，因此其不被认为是对本发明的范围的限制，因为本发明可以允许其他等同有效的实施方式。
图1图示出了根据一个实施方式的布置在管子内的光纤。
图2图示出了在根据一个实施方式的光纤上的应变隔离式FBG传感器。
图3图示出了在根据一个实施方式的光纤上的应变隔离式FBG传感器。
图4图示出了在根据一个实施方式的两个光纤上的应变隔离式FBG传感器。
具体实施方式
本发明的实施方式涉及在光纤中使应变(张力和压力)与光纤布拉格光栅(FBG)传感器隔离。本发明的实施方式为连续光纤串中的温度感测布拉格光栅提供应变消除。本发明的实施方式包括应变消除技术，该应变消除技术可以用于组装具有FBG传感器的光纤，以及用于将光纤安装到管子中以用于恶劣环境中的感测应用。
公知的是，光纤布拉格光栅(FBG)是一种反射器，可以在光纤的一个区段中构造该该反射器以反射特定波长的光同时传播所有其他波长的光。还公知的是，光纤是包括能够在光纤的两端之间传播光的压型玻璃(例如，硅石)或塑料的柔性透明纤维。虽然在本文中关于光纤中的FBG传感器进行了描述，但是本发明的实施方式也可以用于隔离其他类型的传感器和/或传输线中的应变。
图1图示出了布置在管子20中的具有一个或更多个FBG传感器15的光纤10。可以使用本领域中已知的任何技术将光纤10插入到管子20中。例如，可以使用机械插入装置将光纤10推入到管子20中，或者可以使用诸如气体或液体的加压流的流体使光纤10漂流到管子中。管子20可以由诸如金属和玻璃的本领域中已知的任何材料形成。管子20可以包括诸如通过焊接、钎焊以及本领域中已知的其它连接方法耦接在一起的一个或更多个区段。例如，可以在光纤10的周围或者当同时地将光纤10插入到管子20中时将管子20的一个或更多个区段焊接在一起。
如图1中所图示的，光纤10可以以具有一定量的过量纤维长度(也称为过度装填)的方式被插入到管子20中。换言之，当变直时的光纤10的长度大于管子20的长度。过量纤维长度允许光纤10轻微弯曲和卷曲成松弛状态，以在使用期间使光纤10和FBG传感器15上的应变最小化。在一个实施方式中，该一定量的过量纤维长度可以在管子20的总长度的约0.3-0.4％之间。
使用时，管子20和光纤10可能经受温度波动，这可以引起管子20延伸或收缩。如果存在太小的过量纤维长度或者不存在过量纤维长度，则热变化引起的管子20的任何膨胀可以引起光纤10的过度张力。如果存在太多的过量纤维长度，则热变化引起的管子20的任何收缩可以引起光纤10的过度压力。光纤10上的该过度应变，特别是FBG传感器15上的该过度应变，可以影响FBG传感器15的诸如测量准确度的性能。
图2图示出了在根据一个实施方式的光纤10中的应变隔离式FBG传感器15。特别地，刚性支撑30被耦接在光纤10的包含FBG传感器15的区段13的相对端部11、12处。可以使光纤10的区段13上弯(curve)或下弯(bow)，使得当被伸直时的区段13长度大于刚性支撑30的被布置在区段13的端部11、12之间的部分的长度。换言之，刚性支撑30的被布置在区段13的端部11、12之间的部分在长度上比区段13的长度更短。
刚性支撑30在第一端部11处被耦接至光纤10，并且在第二端部12处被耦接至光纤10，使得FBG传感器15沿区段13的长度被隔离。刚性支撑30可以在超出区段13的端部11、12处被耦接至光纤10。以这种方式，光纤10中的诸如张力和压力的任何应变可以被施加至刚性支撑30而不被施加至FBG传感器15。可以使用本领域中已知的任何技术将具有刚性支撑30隔离的FBG传感器15的光纤10以具有过量的纤维长度的方式插入到管子20中。
可以使用本领域中已知的任何技术，诸如通过与环氧树脂粘结，将刚性支撑30耦接至光纤10。刚性支撑30可以由本领域中已知的任何材料形成，诸如玻璃或具有与玻璃类似的热膨胀的任何材料。刚性支撑30可以包括本领域中已知的任何形状或尺寸。刚性支撑30可以帮助居中管子20中的光纤10。刚性支撑30可以包括被配置成隔离极端温度下的操作引起的FBG传感器15的应变的任何类型的支撑结构。
图3图示出了在根据一个实施方式的光纤10中的应变隔离式FBG传感器15。特别地，柔性支撑40被耦接在光纤10的包含FBG传感器15的区段13的相对端部11、12处。可以使光纤10的区段13上弯或下弯，使得当变直时的区段13的长度大于柔性支撑40的被布置在区段13的端部11、12之间的部分的长度。换言之，柔性支撑40的被布置在区段13的端部11、12之间的部分在长度上比区段13的长度更短。
柔性支撑40在第一端部11处被耦接至光纤10，并且在第二端部12处被耦接至光纤10，使得FBG传感器15沿区段13的长度被隔离。柔性支撑40可以在超出区段13的端部11、12处被耦接至光纤10。以这种方式，光纤10中的诸如张力和压力的任何应变可以被施加至柔性支撑40而不被施加至FBG传感器15。可以使用本领域中已知的任何技术将具有柔性支撑40隔离的FBG传感器15的光纤10以具有过量的纤维长度的方式插入到管子20中。
可以使用本领域中已知的任何技术，诸如通过与环氧树脂粘结，将柔性支撑40耦接至光纤10。柔性支撑40可以由本领域中已知的任何材料形成，诸如另一光纤或者具有与光纤10类似的热膨胀的任何材料。柔性支撑40可以包括本领域中已知的任何形状或尺寸。柔性支撑40可以包括被配置成隔离极端温度下的操作引起的FBG传感器15的应变的任何类型的支撑结构。
虽然光纤10和柔性支撑40两者可以弯曲，但是接近区段13的任何张力将被施加至柔性支撑40，而使得区段13和FBG传感器15没有应变。在一个实施方式中，除了具有FBG传感器15的区段13处以外，可以沿光纤10的基本上整个长度附接柔性支撑40，其中，在具有FBG传感器15的区段13处，柔性支撑40在长度上比区段13更短。
图4图示出了在根据一个实施方式的光纤10A、10B中的应变隔离式FBG传感器15A、15B。特别地，两个光纤10A、10B可以被耦接在一起，使得一个光纤的支撑区段50(诸如光纤10A的支撑区段50A)充当用于具有另一个光纤的FBG传感器15的区段13(诸如光纤10B的具有FBG传感器15B的区段13B)的支撑。支撑区段50A、50B通过在光纤10A、10B中将FBG传感器15A、15B与应变隔离而起到与刚性支撑30和柔性支撑40类似的作用。
支撑区段50A、50B被耦接在光纤10A、10B的包含FBG传感器15A、15B的区段13A、13B的相对端部11A、12A以及11B、12B处。可以使区段13A、13B上弯或下弯，使得当被伸直时的区段13A、13B的长度大于支撑区段50A、50B的被布置在端部11A、12A以及11B、12B之间的长度。换言之，区段13A、13B的被布置在端部11A、11B以及12A、12B之间的支撑区段50A、50B在长度上比区段13A、13B的长度更短。
在一个实施方式中，可以沿光纤10A、10B的长度交替地形成具有FBG传感器15A、15B的区段13A、13B。在一个实施方式中，可以沿光纤10A、10B的在具有FBG传感器15的仅一个区段13B之间的那个长度形成具有FBG传感器15A的多个区段13A。在一个实施方式中，光纤10A、10B的长度的一部分可以仅包括具有FBG传感器15A的区段13A，而光纤10A、10B的长度的分立部分可以仅包括具有FBG传感器15B的区段13B。
以这种方式，光纤10中的诸如张力或压力的任何应变可以被施加至支撑区段50A、50B，但不被施加至FBG传感器15A、15B。可以使用本领域中已知的任何技术以过量的纤维长度的方式将具有隔离式FBG传感器15A、15B的光纤10A、10B插入到管子20中。可以使用本领域中已知的任何技术，诸如通过与环氧树脂粘结，来将光纤10A、10B和/或支撑区段50A、50B耦接在一起。支撑区段50A、50B可以由与光纤10A、10B相同的材料形成，或者可以由本领域中已知的不同的材料形成。支撑区段50A、50B可以具有与光纤10A、10B的剩余部分相同的直径，或者可以具有相对于光纤10A、10B的剩余部分不同的直径。
本发明的各实施方式包括关于图2、3和4在上面描述的实施方式的一个或更多个组合。本文所述的光纤10可以包括本领域中已知的任何长度、形状、直径或类型。本文所述的光纤10可以包括诸如聚酰亚胺涂层的任何类型的涂层。本文所述的光纤10可以包括单模光纤和/或多模光纤。
在一个实施方式中，光纤10、刚性支撑30、柔性支撑40和/或支撑区段50可以由金属化纤维形成并且可以被焊接和/或钎焊在一起。在一个实施方式中，光纤10、FBG传感器15、管子20、刚性支撑30、柔性支撑40和/或支撑区段50可以被配置成测量温度、压力、应变和/或诸如在井底、钻井应用中的在任何类型的环境的在本领域中已知的任何其它物理特性。在一个实施方式中，可以仅使用一个刚性支撑30、柔性支撑40和/或支撑区段50来使具有FBG传感器15的多个光纤10与应变隔离。诸如刚性支撑30、柔性支撑40和/或支撑区段50的单个支撑构件可以用于隔离多个光纤10的包含一个或更多个FBG传感器15的区段13。
虽然前述内容涉及本发明的各实施方式，但是在不偏离本发明的基本范围的情况下可以设计出本发明的其它和进一步的实施方式，并且本发明的范围由所附权利要求来确定。

Claims (15)

1.一种感测装置，包括：
管子；
被布置在所述管子中的第一光纤，所述第一光纤具有包含光纤布拉格光栅(FBG)传感器的区段；以及
被耦接至所述区段的端部的支撑构件，其中所述区段包括比所述支撑构件的被布置在所述区段的端部之间的部分的长度更大的长度。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述支撑构件包括刚性支撑。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述刚性支撑包括玻璃。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述支撑构件包括柔性支撑。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述柔性支撑包括纤维。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述支撑构件是布置在所述管子中的第二光纤的部分，所述第二光纤包含FBG传感器。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述第一光纤的支撑区段将所述第二光纤的所述FBG传感器与应变隔离。
8.根据权利要求6所述的装置，其中，所述第二光纤的包含所述FBG传感器的区段被耦接至所述第一光纤的支撑区段，所述第一光纤的所述支撑区段具有比所述第二光纤的包含所述FBG传感器的所述区段的长度更短的长度。
9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述管子由金属形成。
10.一种形成感测装置的方法，包括：
将支撑构件耦接至第一光纤的区段的端部，所述第一光纤的所述区段包含光纤布拉格光栅(FBG)传感器，其中，所述区段包括比所述支撑构件的被布置在所述区段的端部之间的部分的长度更大的长度。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述支撑构件包括刚性支撑。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述支撑构件包括柔性支撑。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，所述支撑构件是第二光纤的部分。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述第二光纤的包含FBG传感器的区段被耦接至所述第一光纤的支撑区段，所述第一光纤的所述支撑区段具有比所述第二光纤的包含所述FBG传感器的所述区段的长度更短的长度。
15.根据权利要求10所述的方法，还包括将所述第一光纤插入到管子中。
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