CN105841878A - 耐高温光纤光栅压力传感器 - Google Patents

Abstract

一种耐高温光纤光栅压力传感器，包括光纤光栅、薄壁圆筒、保护套筒、连接卡套和进油卡头，薄壁圆筒位于保护套筒内，光纤光栅粘贴在薄壁圆筒外表面，进油卡头与保护套筒密封连接，述进油卡头与薄壁圆筒连接，薄壁圆筒左端部分设计为空心结构，薄壁圆筒右端部分设计为实心结构，连接卡套与保护套筒右端连接。本发明的优点是，能够在高温、高压恶劣环境下进行温度与压力双参量测量，实现稠油热采特殊应用环境下温度与压力实时在线监测目的，同时满足测量的高精度、高灵敏度及大范围要求。

Description

耐高温光纤光栅压力传感器

技术领域：

本发明属于光纤光栅传感器技术领域，具体讲是一种耐高温光纤光栅压力传感器。

背景技术：

光纤光栅是近年来发展极为迅速的一种新型光纤无源器件。随着光纤光栅制造技术的不断完善，应用成果的日益增长，光纤光栅已成为目前最具发展前途的光纤无源器件之一。光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，使光纤内部产生纵向永久性周期性或非周期性折射率变化而制成的。由于光纤光栅是在光纤内部形成的，具有全光纤化、插入损耗低、成本低的优点，并且通过对光栅结构的设计可以得到满足特定需要的各种光谱特性，因而在民用建筑、桥梁大坝、以及航空航天等领域都有着广阔的应用前景。

光纤光栅的应用促成了光纤传感系统的全光纤化、微型化、集成化以及网络化，因此光栅传感技术一经提出，便很快受到青睐，并作为一门新兴的技术迅速崛起，成为目前光纤传感中增长最快的领域之一。然而，到目前为止，国内对光纤光栅传感器的研究相对落后，研究内容也大多集中在温度及应变传感方面。相对而言，对光纤光栅压力传感器、双参量传感器的研究还属于探索阶段，急需对耐高温光纤光栅压力传感器进行研究，以满足稠油热采特殊应用环境的温度和压力的实时监测的需求。

鉴于耐高温光纤光栅压力传感器的传统测量方法大部分只是针对温度、压力等单参量进行测量，对温度、压力双参量的测量技术研究的相对较少，因此，传感器测量的范围、精度以及灵敏度不能同时满足现实的测量环境要求，而且存在的误差较大。

另外，耐高温光纤光栅压力传感器的传统加工制作工艺较为复杂，且传感器的结构、外观、加工工艺等的设计都需要进一步的优化；同时，传感器封装工艺设计方面也存在着不合理之处，导致测量的精度、灵敏度降低。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是，提供一种能够在高温、高压恶劣环境下进行温度与压力双参量测量，实现稠油热采特殊应用环境下温度与压力实时在线监测目的，同时满足测量的高精度、高灵敏度及大范围要求的耐高温光纤光栅压力传感器。

本发明的技术解决方案是，提供一种具有以下结构的耐高温光纤光栅压力传感器，它包括光纤光栅，其中，压力传感器还包括薄壁圆筒、保护套筒和进油卡头，薄壁圆筒位于保护套筒内，光纤光栅粘贴在薄壁圆筒外表面，进油卡头与保护套筒密封连接，进油卡头与薄壁圆筒连接，薄壁圆筒左端部分设计为空心结构，薄壁圆筒右端部分设计为实心结构。

采用以上结构后，与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明耐高温光纤光栅压力传感器基于分布式光纤测温技术和光纤光栅传感技术，通过将光纤光栅粘贴在薄壁圆筒的轴向方向上，从而实现稠油热采特殊应用环境下温度与压力实时在线监测的目的。

2、在传感探头温度补偿技术方面，本发明耐高温光纤光栅压力传感器将光纤光栅粘贴在薄壁圆筒外表面，且薄壁圆筒左端部分设计为空心结构以便测量压力，右端部分设计为实心结构以便测量温度，由于光纤光栅材料一致，对温度的响应度一致，故在同一环境里，光纤光栅压力传感器和光纤光栅温度传感器对温度的响应是一样的，不受压力的光纤光栅温度传感器给感压的光纤光栅压力传感器提供温度补偿，即可消除温度对压力传感器的影响，从而使本发明能够在高温、高压恶劣环境下进行温度与压力双参量测量。

3、本发明耐高温光纤光栅压力传感器中设计的薄壁圆筒结构，一方面不但满足了测量的可行性，同时也满足了测量的高精度和大范围的要求；另一方面结构中保护套筒对光纤光栅起到了保护作用，避免了外部环境对其产生的破坏。

4、本发明耐高温光纤光栅压力传感器在关键部位，即进油卡头与保护套筒连接处，采用密闭封装的设计，大幅度提高了光纤光栅压力传感器测量的压力范围和测量的精度，具有重要的实用价值和经济价值。

优选地，本发明所述的耐高温光纤光栅压力传感器，其中，薄壁圆筒左端空心部分的轴向长度与薄壁圆筒右端实心部分的轴向长度可相等。轴向长度相等的好处是保证空心部分的应变达到较大的变形量，从而实现稠油环境的压力测量范围。

优选地，本发明所述的耐高温光纤光栅压力传感器，其中，薄壁圆筒右端实心部分的尾部可设计有圆形凸台，圆形凸台上可设置有至少一个与保护套筒筒腔相通的通孔。设计圆形凸台的作用是防止稠油进入薄壁圆筒后产生环向振动，而设置通孔的好处是方便光纤的穿入。

优选地，本发明所述的耐高温光纤光栅压力传感器，其中，薄壁圆筒选用的材料可为LY16硬铝合金。LY硬铝合金有较强的防腐蚀性能，并且弹性模量满足稠油环境压力测量的需要。

优选地，本发明所述的耐高温光纤光栅压力传感器，其中，进油卡头与保护套筒密封连接可采用以下具体结构：进油卡头与保护套筒之间为螺纹连接，且在螺纹连接处涂覆高温胶。这种密封结构可以进一步提高本发明测量的压力范围和测量的精度。

优选地，本发明所述的耐高温光纤光栅压力传感器，其中，保护套筒和进油卡头选用的材料均可为304不锈钢。

优选地，本发明所述的耐高温光纤光栅压力传感器，其中，压力传感器还可包括一个连接卡套，连接卡套与保护套筒右端连接。连接卡套式为了能够实现多点分布式测量而进行的设计，从而可以实现远距离的问题与压力的测量。

优选地，本发明所述的耐高温光纤光栅压力传感器，其中，连接卡套选用的材料为304不锈钢。304不锈钢的有较强的抗拉强度和屈服强度，并且防腐蚀性能良好。

附图说明：

图1为本发明耐高温光纤光栅压力传感器的结构示意图；

图2为本发明耐高温光纤光栅压力传感器中薄壁圆筒的结构示意图；

图3为本发明耐高温光纤光栅压力传感器中保护套筒的结构示意图；

图4为本发明耐高温光纤光栅压力传感器中进油卡头的结构示意图；

图5为本发明耐高温光纤光栅压力传感器中连接卡套的结构示意图；

图6为图2中“A”部位的放大结构示意图；

图7为本发明耐高温光纤光栅压力传感器设计步骤流程示意图；

图8为光纤光栅传感原理示意图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式对本发明耐高温光纤光栅压力传感器作进一步详细说明：

如图1、图2、图3、图4和图5所示，本发明耐高温光纤光栅压力传感器包括光纤光栅7、薄壁圆筒1、保护套筒2、进油卡头3以及连接卡套4。薄壁圆筒1是测量温度和压力的增敏元件，本发明使用高温胶将光纤光栅7封装固定在在薄壁圆筒1外表面，在封装过程中需要给光纤光栅施加一定量的预应力，从而使传感器量程满足使用要求。外表面粘贴有光纤光栅7的薄壁圆筒1位于保护套筒2内。薄壁圆筒1左端部分设计为空心结构以便测量压力，薄壁圆筒1右端部分设计为实心结构以便测量温度，薄壁圆筒1左右两端分别设计空心结构和实心结构的作用是可消除温度对压力传感器的影响，达到温度补偿的目的。进油卡头3与保护套筒2之间为螺纹连接，且在螺纹连接处涂覆高温胶，进油卡头3与薄壁圆筒1之间为过盈配合。进油卡头3的作用是保证稠油能够平稳地进入到薄壁圆筒1内。连接卡套4与保护套筒2右端螺纹连接，保护套筒2一方面是为了保护内部的薄壁圆筒1，防止外界环境对其造成污染和破坏，另一方面是为了保护薄壁圆筒1表面上的光纤光栅7，以免遭到破坏而发生断裂等现象，连接卡套4是为了能够实现多点分布式测量而进行的设计，最终实现远距离的温度与压力的测量。本发明耐高温光纤光栅压力传感器中薄壁圆筒1选用的材料为LY16硬铝合金，保护套筒2、进油卡头3和连接卡套4选用的材料均为304不锈钢。

如图2所示，本发明耐高温光纤光栅压力传感器中薄壁圆筒1选用的材料为LY16硬铝合金，整体长度为120mm，其中左端空心部分的轴向长度为60mm，右端实心部分的轴向长度也为60mm。另外，薄壁圆筒1右端实心部分的尾部设计有圆形凸台6，圆形凸台6上设置有三个沿环向分布，且与保护套筒2筒腔相通的通孔5。

如图6所示，本发明耐高温光纤光栅压力传感器在设计过程中，首先依据稠油热采特殊应用环境的实际需求，进行传感器的初步设计，其次对初步设计好的结构利用ANSYS仿真软件进行静力学分析，依据仿真分析出的应力、应变，接着对传感探头的初步结构进行完善，然后对传感器进行压力试验，并且由试验的结果反馈到前端，最终完善了传感器的整体结构。

具体设计步骤如下：

1、结构设计

首先是对传感器进行初步的结构设计，主要是为了开发高温高压环境下温度与压力双参量测量的光纤传感器，实现恶劣环境下温度与压力实时在线监测。温度部分的技术性能指标：监测距离为0～6000m，测量的温度范围为0～350℃，测量的精度为±2℃，定位精度为1.5m，测量时间为≦30s；压力部分的技术性能指标：测量的量程为0～250MPa，分辨率为1％FS，响应时间为≦10s，工作温度为0～250℃。由上述指标要求，本发明设计的传感探头是薄壁圆筒结构，选用的材料为硬铝合金，外部由保护套筒对其进行保护，一端与进油卡头连接，另一端与连接卡套连接。

2、结构仿真分析

本发明中的薄壁圆筒主要是利用ANSYS仿真软件对其进行力学分析，其中薄壁圆筒工作温度为0～350℃，其内表面承受的压力量程为0～25MPa，对薄壁圆筒进行约束和参数设置，选取的温度为350℃，压力为25MPa，得到薄壁圆筒的应变变形图。由ANSYS仿真分析的结果可知：薄壁圆筒在高温、高压下的达到的最大微应变为709με，可以为后期的压力试验提供参考依据。

3、压力试验

耐高温光纤光栅压力传感器结构设计和仿真分析完毕后，在薄壁圆筒表面粘贴光纤光栅，粘贴过程中要保证光纤光栅的直线度，而且留有一定的预紧力；进油卡头与保护套筒螺纹连接的部位用高温胶密封，然后对其将对其进行压力试验。在做压力试验的过程中，每隔2MPa记录光纤光栅对应的波长，由于试验条件的限值，压力试验在常温条件下进行测量，并且测量的最大压力为25MPa。

本发明耐高温光纤光栅压力传感器原理为：当光栅常数发生变化时，光栅的谐振波长就会发生变化。作用在光纤光栅的外界条件如温度、压力改变就会引起光栅周期和折射率的变化，从而导致光纤光栅波长的变化，通过检测光纤光栅波长的变化，可获得温度、压力等信息。FBG波长随纤芯的有效折射率和光栅条纹周期改变，因此，当外界温度发生改变时，由于光纤光栅的热膨胀效应、热光效应以及光纤光栅内部热应力引起的弹光效应，将引起光纤光栅波长的变化；FBG波长取决于光栅条纹周期和反向耦合模的有效折射率。在引起FBG波长漂移检测的外界因素中，最直接的为应力、应变参量。对光栅进行拉伸或者挤压，都引起光栅条纹周期的变化，并且光栅本身所具有的弹光效应使有效折射率也随外界应力状态的变化而变化。

具体地说，根据光纤光栅的耦合模理论，当一束宽带光入射到光纤光栅中时，折射率的周期性结构使得某特定波长的窄带光被反射，反射光的波长满足Bragg散射条件。光纤光栅又称为光纤Bragg光栅，其反射光的中心波长λ_B与光纤光栅的有效折射率n_eff和光栅周期Λ满足如下的关系：

λ_B＝2n_effΛ (1)

由上式可知，光纤光栅反射光的中心波长主要取决于光栅周期Λ和有效折射率n_eff。当光纤光栅感受到外界环境温度或压力发生变化时，会引起光栅的周期和有效折射率的变化，从而引起反射光波长的偏移。因此，通过检测光纤光栅反射光波长的变化即可获知外界温度或压力信息，具体见图7所示。光纤纤芯中入射的的宽带光谱经过光纤光栅反射后，得到含有特定波长的窄带光的反射光谱，其它波长的光都透过光纤光栅形成了透射光谱。当外界温度、压力等参量发生变化，Bragg波长的漂移可表示为：

λ_B＝2ΛΔn_eff+2n_effΔΛ (2)

因此，仅当外界温度发生改变时，由热膨胀效应引起的光栅周期变化为：

ΔΛ＝α·Λ·ΔT (3)

式中α为光纤的热膨胀系数。热光系数引起有效折射率变化为：

Δn_e＝ξ·n_e·ΔT (4)

式中ξ为光纤的热光系数，表示折射率随温度的变化率。因此光纤Bragg光栅的温度灵敏度系数为：

$K_T=\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B}{\mathrm{\Δ}T}/{\mathrm{\λ}}_B=\mathrm{\α}+\mathrm{\ξ}---\left(5\right)$

压力影响Bragg波长也是由于光栅周期的收缩和弹光效应引起的，假设温度场和横向压力保持恒定，光纤处于一个均匀压力场P中，由于没有剪切应力，故光纤所受的应力状态可以用一个三维应力矢量来标示：

$\mathrm{\δ}=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\δ}}_x\\ {\mathrm{\δ}}_y\\ {\mathrm{\δ}}_z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}-P\\ -P\\ -P\end{array}\right]---\left(6\right)$

相应的应变状态也可以用一个应力矢量来标示：

$\mathrm{\ϵ}=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\δ}}_x\\ {\mathrm{\δ}}_y\\ {\mathrm{\δ}}_z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}-P(1-2v)/E\\ -P(1-2v)/E\\ -P(1-2v)/E\end{array}\right]---\left(7\right)$

式中v为光纤材料的泊松比，E是光纤材料的杨氏模量。同时，轴向应变会引起光栅栅距的改变：

ΔΛ＝Λ·ε_z＝-Λ·P(1-2v)/E (8)

由以上分析可知，光纤光栅对温度和压力同时敏感，当测量其中某一参量时，不可避免会受到另一参量的影响，使得测量误差非常大甚至造成光纤光栅传感器无法应用。因此，在实际应用中必须采取措施将这些参量在测量时区分开。

由于被测物周围环境温度通常是变化的，要实现光纤光栅对应变或应力的精确测量则需对测量结果进行温度补偿。该关键技术采用的是参考光纤光栅温度补偿方法，在应变测量光纤光栅附近放置一个自由的光纤光栅，它不受应力的影响，只感测温度的变化。用参考光纤光栅测得的温度变化量来修正温度对测量应变光纤光栅的波长变化影响，从而达到温度补偿的作用，实现精确测量。

以上所述的实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种耐高温光纤光栅压力传感器，包括光纤光栅(7)，其特征在于：压力传感器还包括薄壁圆筒(1)、保护套筒(2)和进油卡头(3)，所述薄壁圆筒(1)位于保护套筒(2)内，所述光纤光栅(7)粘贴在薄壁圆筒(1)外表面，所述进油卡头(3)与保护套筒(2)密封连接，所述进油卡头(3)与薄壁圆筒(1)连接，所述薄壁圆筒(1)左端部分设计为空心结构，所述薄壁圆筒(1)右端部分设计为实心结构。

2.根据权利要求1所述的耐高温光纤光栅压力传感器，其特征在于：所述薄壁圆筒(1)左端空心部分的轴向长度与薄壁圆筒(1)右端实心部分的轴向长度相等。

3.根据权利要求1所述的耐高温光纤光栅压力传感器，其特征在于：所述薄壁圆筒(1)右端实心部分的尾部设计有圆形凸台(6)，所述圆形凸台(6)上设置有至少一个与保护套筒(2)筒腔相通的通孔(5)。

4.根据权利要求1所述的耐高温光纤光栅压力传感器，其特征在于：所述薄壁圆筒(1)选用的材料为LY16硬铝合金。

5.根据权利要求1所述的耐高温光纤光栅压力传感器，其特征在于：所述进油卡头(3)与保护套筒(2)密封连接是指，所述进油卡头(3)与保护套筒(2)之间为螺纹连接，且在螺纹连接处涂覆高温胶。

6.根据权利要求1所述的耐高温光纤光栅压力传感器，其特征在于：所述保护套筒(2)和进油卡头(3)选用的材料均为304不锈钢。

7.根据权利要求1所述的耐高温光纤光栅压力传感器，其特征在于：压力传感器还包括一个连接卡套(4)，所述连接卡套(4)与保护套筒(2)右端连接。

8.根据权利要求7所述的耐高温光纤光栅压力传感器，其特征在于：所述连接卡套(4)选用的材料为304不锈钢。