CN110161281A - 一种光纤流速传感器 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种光纤流速传感器，包括：外壳、弹性组件、光纤检测组件、浮动元件及固定密封接头，弹性组件包括互相对称且贴合设置的第一、二弹性件，第一、二弹性件的贴合面上设有相对应的安置槽；弹性组件的两端分别固定于固定密封接头和浮动元件；光纤检测组件设置于安置槽中，且光纤检测组件的两端通过玻璃焊料焊接于安置槽中；弹性组件嵌装于外壳中，外壳一端固定于固定密封接头。本申请中，将光纤检测组件密封于弹性组件内部，避免光纤检测组件直接接触外界流体，进而避免光纤检测组件受到腐蚀、氢损等破坏，同时，光纤检测组件通过玻璃焊料焊接于弹性组件，避免胶粘的高温蠕变以及热失配，能够适应高温、高腐蚀等恶劣环境，使用寿命长。

Description

一种光纤流速传感器
技术领域
本申请涉及光纤监测传感器技术领域，尤其涉及一种光纤流速传感器。
背景技术
光纤传感器是一种将被测对象的状态转变为可测的光信号的传感器，能够应用于液位、压力、形变、温度及流速等监测领域。其中，光纤流速传感器以其灵敏度高、抗电磁干扰以及易于波分复用等优势在海洋、油田等工程领域得到了越来越广泛的应用。
光纤流速传感器通过光纤检测元件借助于相应的金属结构，实现流速的监测。在光纤流速传感器中，需要对光纤检测元件进行敏化与封装，通常，是借助于胶粘的方式将光纤检测元件粘接于金属梁等衬底材料的表面。
由于将光纤检测元件粘在金属梁上，两者的膨胀系数相差较大，所以在温度的影响下，会产生热失配现象，并且在高温影响下，胶粘极不稳定，存在蠕变现象，进而导致最终测量结果不准确，甚至光纤流速传感器失效的问题。另外，由于通过光纤流速传感器需进行接触式测量，光纤检测元件作为核心测量元件，易受氢损、受腐蚀，因此光纤流速传感器无法在油井恶劣环境以及海水中长期监测使用。
发明内容
本申请提供了一种光纤流速传感器，以解决现有技术中光纤流速传感器无法适应高温、高腐蚀等恶劣环境的技术问题。
为了解决上述技术问题，本申请实施例公开了如下技术方案：
本申请实施例公开了一种光纤流速传感器，所述光纤流速传感器包括：外壳、弹性组件、光纤检测组件、浮动元件以及固定密封接头，其中：
所述弹性组件包括互相对称且贴合设置的第一弹性件和第二弹性件，所述第一弹性件和所述第二弹性件的贴合面上均设有安置槽，两个所述安置槽相对应；
所述弹性组件的一端固定于所述固定密封接头，另一端固定于所述浮动元件；
所述光纤检测组件设置于所述安置槽中，且所述光纤检测组件的两端通过玻璃焊料焊接于所述安置槽中；
所述弹性组件嵌装于所述外壳中，所述外壳一端通过螺纹固定于所述固定密封接头。
可选地，在上述光纤流速传感器中，所述安置槽包括第一安置部和第二安置部，所述安置槽的中间为所述第二安置部，所述安置槽的两端均为所述第一安置部；
所述第一安置部用于焊接所述光纤检测组件两端的光纤，所述第二安置部用于悬空放置所述光纤检测组件中的敏感元件；
所述第一安置部的尺寸与所述光纤的直径相匹配，所述第二安置部的尺寸大于所述敏感元件的尺寸。
可选地，在上述光纤流速传感器中，所述第一弹性件焊接于所述第二弹性件。
可选地，在上述光纤流速传感器中，所述弹性组件包括片状弹性组件和柱状弹性组件。
可选地，在上述光纤流速传感器中，所述片状弹性组件的两端均设有第一固定孔，与所述片状弹性组件连接的所述固定密封接头的一端设有第二固定孔，与所述片状弹性组件连接的所述浮动元件的一端设有第三固定孔，所述第二固定孔和所述第三固定孔分别与所述片状弹性组件两端的所述第一固定孔相对应，且分别通过螺丝固定连接。
可选地，在上述光纤流速传感器中，所述柱状弹性组件的两端均设有外螺纹，与所述柱状弹性组件连接的所述固定密封接头的一端，以及，与所述柱状弹性组件连接的所述浮动元件的一端均设有内螺纹，所述内螺纹均与所述外螺纹相匹配。
可选地，在上述光纤流速传感器中，所述光纤检测组件的表面进行金属化镀膜。
可选地，在上述光纤流速传感器中，所述玻璃焊料通过高频感应加热熔化。
可选地，在上述光纤流速传感器中，所述外壳与所述固定密封接头的螺纹连接处设有密封圈。
可选地，在上述光纤流速传感器中，所述敏感元件包括多芯光纤光栅、F-P腔和激光器。
与现有技术相比，本申请的有益效果为：
本申请提供了一种光纤流速传感器，所述光纤流速传感器包括：外壳、弹性组件、光纤检测组件、浮动元件以及固定密封接头。所述弹性组件包括互相对称且贴合设置的第一弹性件和第二弹性件，并且所述第一弹性件和所述第二弹性件互相接触的贴合面上均设有安置槽，两个所述安置槽相对应。当第一弹性件和第二弹性件合并，且弹性组件的两端分别固定于所述固定密封接头和所述浮动元件之后，两个弹性件上的安置槽形成密闭空间。本申请中的光纤检测组件能够设置于所述安置槽组成的密闭空间中，通过弹性组件包裹光纤检测组件，从而避免光纤检测组件直接接触水、油或者油水混合物等外界流体，进而避免光纤检测组件受到腐蚀、氢损等破坏。同时，光纤检测组件的两端通过玻璃焊料焊接于所述安置槽中，通过膨胀系数与光纤接近的玻璃焊料进行熔融焊接，避免了胶粘的高温蠕变以及热失配引起的监测结果不准确，甚至是光纤流速传感器失效。另外，所述弹性组件嵌装于所述外壳中，所述外壳一端通过螺纹固定于所述固定密封接头，所述外壳进一步起到保护弹性组件，保护光纤检测组件的作用。相对于现有技术来说，本申请中光纤流速传感器能够适应高温、高腐蚀等恶劣环境，使用寿命长。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种光纤流速传感器的左视图；
图2为本发明实施例提供的一种光纤流速传感器的正视图；
图3为本发明实施例提供的弹性组件的正视图；
图4为本发明实施例提供的弹性组件的基本结构示意图；
图5为本发明实施例提供的另一弹性组件的基本结构示意图；
附图标记说明：1、外壳；11、密封圈；2、弹性组件；21、第一弹性件；22、第二弹性件；23、安置槽；231、第一安置部；232、第二安置部；24、第一固定孔；25、外螺纹；3、光纤检测组件；31、光纤；32、敏感元件；4、浮动元件；41、第三固定孔；5、固定密封接头；51、第二固定孔；6、玻璃焊料。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
光纤流速传感器以其灵敏度高、抗电磁干扰、易于波分复用等优势在海洋、油田等工程领域得到了越来越广泛的应用，因此，确保光纤流速传感器能够在油井恶劣环境以及海水中长期监测使用，具有重要意义。
参见图1和图2，图1为本发明实施例提供的一种光纤流速传感器的左视图，图2为本发明实施例提供的一种光纤流速传感器的正视图。结合图1和图2，本申请中的光纤流速传感器包括：外壳1、弹性组件2、光纤检测组件3、浮动元件4以及固定密封接头5。
具体地，所述弹性组件2包括互相对称且贴合设置的第一弹性件21和第二弹性件22，两个弹性件上均设有安置槽23，且设有安置槽23的一面互相贴合密封，两个所述安置槽23相对应。所述弹性组件2的一端固定于所述固定密封接头5，另一端固定于所述浮动元件4。当所述第一弹性件21和所述第二弹性件22件合并，且弹性组件2的两端分别固定于所述固定密封接头5和所述浮动元件4之后，两个弹性件上的安置槽23形成密闭空间。进一步，为了两个弹性件贴合的牢固性，本申请中将所述第一弹性件21焊接于所述第二弹性件22，焊接后的两个弹性件22将光纤检测组件3密封在内部。
本申请中的光纤检测组件3能够设置于弹性组件2中的所述安置槽23组成的密闭空间里，通过弹性组件2包裹光纤检测组件3，从而避免光纤检测组件3直接接触水、油或者油水混合物等外界流体，避免光纤检测组件受到腐蚀、氢损等破坏，进而增长光纤硫酸传感器的使用寿命。
同时，所述光纤检测组件3设置于所述安置槽23中之后，其两端均通过玻璃焊料6焊接于所述安置槽23中。本申请通过膨胀系数与光纤接近的玻璃焊料6进行熔融焊接，避免了胶粘的高温蠕变以及热失配引起的监测结果不准确，甚至是光纤流速传感器失效。其中，所述玻璃焊料6通过高频感应加热熔化，高频感应加热的方式使得玻璃焊料温度受热均匀，加热迅速，工作效率高。
另外，所述弹性组件2嵌装于所述外壳1中，所述外壳1一端通过螺纹固定于所述固定密封接头5。所述外壳1进一步起到保护弹性组件2，保护光纤检测组件3的作用。为了进一步保证连接的密封性，本申请中所述外壳1与所述固定密封接头5的螺纹连接处设有密封圈11。
相对于现有技术来说，本申请中的光纤流速传感器避免光纤检测组件直接接触外界流体，进而避免光纤检测组件受到腐蚀、氢损等破坏，同时，光纤检测组件避免了胶粘的高温蠕变以及热失配，能够适应高温、高腐蚀等恶劣环境，使用寿命长，能够用于永久式长期监测。
为了进一步优化上述技术方案，本申请中所述安置槽23包括第一安置部231和第二安置部232。参见图4和图5，图4为本发明实施例提供的弹性组件的基本结构示意图，图5为本发明实施例提供的另一弹性组件的基本结构示意图。由图4和图5所示，分别示出了本发明实施例提供的片状弹性组件和柱状弹性组件，本申请中所述安置槽23的中间为所述第二安置部232，所述安置槽23的两端均为所述第一安置部231。
进一步，所述第一安置部231的尺寸与所述光纤检测组件3两端的光纤31的直径相匹配，且用于焊接所述光纤检测组件3两端的光纤31，经过玻璃焊料6焊接后的光纤31与第一安置部231紧密贴合，进一步保证敏感元件32的密封封装。所述第二安置部232的尺寸大于所述光纤检测组件3中的敏感元件32的尺寸，且用于放置所述光纤检测组件3中的敏感元件32。需要说明的是，此处需确保敏感元件32在第二安置部232内是悬空封装的，这样即可避免出现啁啾等现象，引起最终检测误差。
本申请中，所述敏感元件32包括多芯光纤光栅、F-P腔和激光器等，由于所述敏感元件32的宽度要大于光纤31的直径，所以第二安置部232的尺寸要大于第一安置部231的尺寸。例如，通过芯多芯光纤光栅作为敏感元件，用来检测弹性片受力变形的应变大小，能够同时检测到第一、二弹性件的不同点的应变值，通过插值或取平均可以消除由于敏感元件位置的不同引起的检测误差。
本申请中弹性组件2和光纤检测组件3在进行组装时，以多芯光纤光栅中的两芯光纤光栅为例，可以先将其中一芯光纤光栅置于第一弹性件21的安置槽中，调整光纤光栅的位置，将光纤光栅中的栅区置于第二安置部232中，然后将其一端的光纤置于安置槽23中的第一安置部231里，将该光纤穿过玻璃焊料6，通过高频感应加热，熔化玻璃焊料6，将光纤焊接于第一安置部231中。同样的，光纤光栅另一端的光纤也穿过玻璃焊料6，并置于安置槽23中的另一第一安置部231里，用光纤夹具夹住光纤光栅的尾纤，尾纤通过固定密封接头5的通孔中穿出，并连接于解调仪器，通过调节光纤夹具给两芯光纤光栅施加预应力，通过高频感应加热熔化玻璃焊料6，将光纤焊接于第一安置部231中。同样的方法将另一芯光纤光栅焊接于第二弹性件22的安置槽中。当两个弹性元件上的光纤光栅都焊接完毕之后，两个弹性元件上设有安置槽的一面，贴合在一起，并进行焊接。其中，第一弹性件21中的光纤光栅用于测量拉伸变化量，第二弹性件22中的光纤光栅用于测量压缩变化量，第一弹性件21的安置槽和第二弹性件22的安置槽相互对应，即可检测同一部位的拉伸/压缩的变化量，使得最终监测结果更加精确。在弹性组件2内置两个光纤光栅，这样在检测应变的时候可以消除温度的影响。
参见图3，为本发明实施例提供的弹性组件的正视图。结合图3和图4，本申请中，对于片状弹性组件来说，其两端均设有第一固定孔24，通过两端的第一固定孔24分别与浮动元件4和固定密封接头5连接。与其相应的，在与片状弹性组件连接的所述固定密封接头5的一端设有第二固定孔51，在连接时，将片状弹性组件伸入固定密封接头5，并将第一固定孔24和第二固定孔51对准，通过相匹配的螺丝进行固定。同样的，在与片状弹性组件连接的所述浮动元件4的一端设有第三固定孔41，连接时，将片状弹性组件伸入浮动元件4，并将所述第一固定孔24与所述第三固定孔41对准，再通过螺丝固定连接。
结合图5，本申请中所述柱状弹性组件的两端均设有外螺纹25，与所述柱状弹性组件连接的所述固定密封接头5的一端设有内螺纹，与所述柱状弹性组件连接的所述浮动元件4的一端也设有内螺纹，柱状弹性组件的两端与浮动元件4和固定密封接头5直接通过相匹配的内外螺纹进行连接固定。
进一步，由于上述浮动元件4与弹性组件2之间通过机械连接，其拆卸、组装都较为方便，因此，根据测试人员所需，可以选择合适形状的浮动元件，如柱形浮动元件和翼型浮动元件等。举例来说，翼型浮动元件可以降低流体阻力，避免引起流速突然改变的状况导致测量误差，测试人员可根据所需，将翼型浮动元件通过螺丝固定于弹性组件2上。
另外，本申请中，所述光纤检测组件3的表面设有金属化镀膜。通过光纤检测组件3表面镀薄层金属膜使其金属化，光纤检测组件3与弹性组件2具有相近的膨胀系数，在温度影响下，能够与第一弹性件21和第二弹性件22保持一致的放大或缩小倍数，避免了热失配现象，进而避免了监测结果的不准确或者光纤流速传感器失效的现象。
由于以上实施方式均是在其他方式之上引用结合进行说明，不同实施例之间均具有相同的部分，本说明书中各个实施例之间相同、相似的部分互相参见即可。在此不再详细阐述。
需要说明的是，在本说明书中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的电路结构、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种电路结构、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，有语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的电路结构、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的公开后，将容易想到本申请的其他实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由权利要求的内容指出。
以上所述的本申请实施方式并不构成对本申请保护范围的限定。

Claims (10)

1.一种光纤流速传感器，其特征在于，所述光纤流速传感器包括：外壳(1)、弹性组件(2)、光纤检测组件(3)、浮动元件(4)以及固定密封接头(5)，其中：
所述弹性组件(2)包括互相对称且贴合设置的第一弹性件(21)和第二弹性件(22)，所述第一弹性件(21)和所述第二弹性件(22)的贴合面上均设有安置槽(23)，两个所述安置槽(23)相对应；
所述弹性组件(2)的一端固定于所述固定密封接头(5)，另一端固定于所述浮动元件(4)；
所述光纤检测组件(3)设置于所述安置槽(23)中，且所述光纤检测组件(3)的两端通过玻璃焊料(6)焊接于所述安置槽(23)中；
所述弹性组件(2)嵌装于所述外壳(1)中，所述外壳(1)一端通过螺纹固定于所述固定密封接头(5)。
2.根据权利要求1所述的光纤流速传感器，其特征在于，所述安置槽(23)包括第一安置部(231)和第二安置部(232)，所述安置槽(23)的中间为所述第二安置部(232)，所述安置槽(23)的两端均为所述第一安置部(231)；
所述第一安置部(231)用于焊接所述光纤检测组件(3)两端的光纤(31)，所述第二安置部(232)用于悬空放置所述光纤检测组件(3)中的敏感元件(32)；
所述第一安置部(231)的尺寸与所述光纤(31)的直径相匹配，所述第二安置部(232)的尺寸大于所述敏感元件(32)的尺寸。
3.根据权利要求1所述的光纤流速传感器，其特征在于，所述第一弹性件(21)焊接于所述第二弹性件(22)。
4.根据权利要求1所述的光纤流速传感器，其特征在于，所述弹性组件(2)包括片状弹性组件和柱状弹性组件。
5.根据权利要求4所述的光纤流速传感器，其特征在于，所述片状弹性组件的两端均设有第一固定孔(24)，与所述片状弹性组件连接的所述固定密封接头(5)的一端设有第二固定孔(51)，与所述片状弹性组件连接的所述浮动元件(4)的一端设有第三固定孔(41)，所述第二固定孔(51)和所述第三固定孔(41)分别与所述片状弹性组件两端的所述第一固定孔(24)相对应，且分别通过螺丝固定连接。
6.根据权利要求4所述的光纤流速传感器，其特征在于，所述柱状弹性组件的两端均设有外螺纹(25)，与所述柱状弹性组件连接的所述固定密封接头(5)的一端，以及，与所述柱状弹性组件连接的所述浮动元件(4)的一端均设有内螺纹，所述内螺纹均与所述外螺纹(25)相匹配。
7.根据权利要求1所述的光纤流速传感器，其特征在于，所述光纤检测组件(3)的表面进行金属化镀膜。
8.根据权利要求1所述的光纤流速传感器，其特征在于，所述玻璃焊料(6)通过高频感应加热熔化。
9.根据权利要求1所述的光纤流速传感器，其特征在于，所述外壳(1)与所述固定密封接头(5)的螺纹连接处设有密封圈(11)。
10.根据权利要求2所述的光纤流速传感器，其特征在于，所述敏感元件(32)包括多芯光纤光栅、F-P腔和激光器。
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