CN113465799A - 一种用于测量高温高压的膜片式、小尺寸光纤光栅传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于测量高温高压的膜片式、小尺寸光纤光栅传感器，涉及光纤传感领域，包括圆筒骨架、盖板、端盖、温度光栅、压力光栅。圆筒骨架与盖板以及端盖以激光焊接进行密封，在传感器内部形成密闭空气腔。压力栅用粘接剂固定在骨架上，与之串联的温度敏感栅与骨架直接接触且呈自由状态。本发明温度栅和压力栅均与骨架直接接触，温度和压力的波长响应时间快；温度栅可精确实时消除压力栅中温度影响，提高压力精度；温度栅具备环境绝对温度准确测量能力，解决了一般光纤光栅压力传感器无法实现在快速变温环境中温压同时测量的难题；传感器具备小尺寸、大量程优点，可长期监测油井高温高压环境的温度压力，实现准分布式压力测量。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感的领域，具体涉及一种用于测量高温高压的膜片式、小尺寸光纤光栅传感器。
背景技术
相比于传统的电磁式压力传感器，光纤光栅压力传感器具有抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、传输距离远、易于复用等优点，具备温度压力同时测量的大量程、小尺寸的光纤光栅传感器在大深度油井温压剖面的长期监测等石油化工领域具有非常广泛的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种用于测量高温高压的膜片式、小尺寸光纤光栅传感器，具有结构简单、尺寸小、稳定性好的优势。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的：这种用于测量高温高压的膜片式、小尺寸光纤光栅传感器，包括圆筒骨架、盖板、端盖、温度栅、压力栅，所述圆筒骨架的一侧开口用于配合安装盖板，形成一端封闭另一端敞口的筒状结构，该筒状结构的敞口端密封安装有端盖，圆筒骨架、盖板、端盖三者密封配合组成传感器外壳，传感器外壳的内腔形成密闭空气腔；圆筒骨架的内壁上设有一个矩形平台，该矩形平台向安装盖板的一侧凸起，圆筒骨架的内壁上还间隔设置有二个凸台，凸台也朝向安装盖板的一侧凸起；压力栅的两端分别固定在二个凸台上，圆筒骨架的外壁上铺设一层弹性膜片；温度栅的一侧与矩形平台的表面接触贴合，温度栅的另一侧为自由伸展状态并通过光纤与压力栅的一端串联，压力栅的另一端通过光纤穿出端盖连接外部设备，实现测量数据输出。
作为进一步的技术方案，所述圆筒骨架、盖板、端盖三者通过激光焊接实现密封，三者均采用钛合金材料制成。
作为进一步的技术方案，所述盖板、端盖的厚度均远大于圆筒骨架的壁厚。
作为进一步的技术方案，所述温度栅、压力栅二者的波长间隔大于等于2nm。
作为进一步的技术方案，所述压力栅用粘接剂固定在二个凸台上，粘接剂为环氧胶或玻璃焊料；在压力栅的粘接封装过程中施加预拉力使其产生的波长漂移在0.5nm～1nm。
作为进一步的技术方案，所述圆筒骨架的外壁上靠近二个凸台的位置处开设有凹槽。
本发明的有益效果为：压力栅与圆筒骨架内部的凸台直接粘接，不存在力的机械传递结构，压力响应时间快；且压力栅波长与压力线性良好，稳定性高，确保了较高的压力测量精度；温度栅尾端呈自由状态，不仅能实现环境温度实时测量，还具备消除压力栅中温度变化的影响，解决了一般光纤光栅压力传感器无法实现在快速变温环境中测压的难题；传感器采用波长解调方法，结合光路设计可实现多个传感器复用，具备准分布式温度压力测量能力；有效解决光纤光栅温度和压力交叉敏感问题；传感器具备小尺寸特点，尺寸约为12mm*57mm，方便井下安装及与其他监测系统的集成。
附图说明
图1为本发明的结构剖视图。
图2为圆筒骨架的结构俯视图。
图3为本发明在60MPa压力条件下的仿真结果示意图。
附图标记说明：圆筒骨架1、盖板2、端盖3、温度栅4、压力栅5、矩形平台6、凸台7、凹槽8。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细的介绍：
实施例：如附图1、2所示，这种用于测量高温高压的膜片式、小尺寸光纤光栅传感器，包括圆筒骨架1、盖板2、端盖3、温度栅4、压力栅5，圆筒骨架1与盖板2以及端盖3以激光焊接的方式进行密封，在传感器内部形成密闭空气腔。压力栅5用粘接剂固定在圆筒骨架1内部的两个圆柱形凸台7上，如附图2所示，两个凸台2外侧是作为压力腔室的薄弹性膜片，膜片的厚度决定压力栅的压力灵敏度，进而决定了压力栅5的压力测量范围。压力栅5直接粘接的方式消除了力的中间传递，在实现传感器压力快速响应的同时又确保了压力的高精度测量。圆筒骨架1内部有一个凸起的矩形平台6，如附图2所示，其高度与温度栅4保持一致，在与温度栅4贴合的同时保持其处于自由状态，使温度栅4只对外界温度敏感，同时也确保了温度栅4对外界温度变化的快速响应。粘接压力栅5的可为耐高温环氧胶或玻璃焊料。圆筒骨架1的外壁上靠近二个凸台7的位置处开设有凹槽8。
温度栅4、压力栅5是一个串联的光纤光栅串，两者除波长大小不同外，其余参数均相同，两者的波长间隔不小于2nm，并且压力栅5以两端点式固定的方式粘贴于圆筒骨架1的两个凸台7上，可防止光纤光栅的反射峰产生毛刺或展宽现象。温度栅4与圆筒骨架1的内表面贴合，并且处于自由状态，可保持良好的波长-温度线性度，确保温度测量精度。压力栅5在粘接封装过程中均施加一定大小的预拉力使其保持良好的波长-压力/温度线性度，因预拉力产生的波长漂移在0.5nm左右为宜，不得超过1nm，防止在大量程压力和温度环境下压力栅总漂移量太大引起光栅断裂。在压力测量过程中，将温度栅4、压力栅5的波长变化量作差，即可消除温度变化对压力测量的影响，实现温度不敏感测量。
本发明工作原理：当传感器置于油井中时，油井内压力作用在圆筒骨架1的外壁上，圆筒骨架1外壁上的薄压力膜片发生形变，如图3所示，膜片的形变引起固定在其背面的压力栅5的栅距发生改变，使其产生与压力呈线性关系的的波长漂移，即对应压力栅5的压力系数。仿真结果显示在60MPa的压力下，由于膜片形变引起的应变值换算为压力栅5的波长漂移为2.776nm，压力系数达46pm/MPa，具备较高的压力测量灵敏度。温度栅4由于与圆筒骨架1内部的矩形平台6贴合且尾部呈自由状态，因此不受压力的影响。油井内部的温度也会导致温度栅4和压力栅5的波长产生漂移，温度通过矩形平台6和圆柱形凸台7分别传递给温度栅4和压力栅5，温度栅4根据温度系数直接解算出温度值，实现温度测量功能；压力栅5根据温度值，结合温度系数、压力系数解算出压力值，实现环境压力测量。两者对环境温度变化的同步响应，有效解决了光纤光栅温度和压力交叉敏感问题，可实现传感器在温度变化的环境中工作。在150℃，60MPa的环境下，压力栅的总波长漂移量约5nm左右，光纤光栅在此波长漂移范围内性能长期稳定。
可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (5)
1.一种用于测量高温高压的膜片式、小尺寸光纤光栅传感器，其特征在于：包括圆筒骨架(1)、盖板(2)、端盖(3)、温度栅(4)、压力栅(5)，所述圆筒骨架(1)的一侧开口用于配合安装盖板(2)，形成一端封闭另一端敞口的筒状结构，该筒状结构的敞口端密封安装有端盖(3)，圆筒骨架(1)、盖板(2)、端盖(3)三者密封配合组成传感器外壳，传感器外壳的内腔形成密闭空气腔；圆筒骨架(1)的内壁上设有一个矩形平台(6)，该矩形平台(6)向安装盖板(2)的一侧凸起，圆筒骨架(1)的内壁上还间隔设置有二个凸台(7)，凸台(7)也朝向安装盖板(2)的一侧凸起；压力栅(5)的两端分别固定在二个凸台(7)上，圆筒骨架(1)的外壁上铺设一层弹性膜片；温度栅(4)的一侧与矩形平台(6)的表面接触贴合，温度栅(4)的另一侧为自由伸展状态并通过光纤与压力栅(5)的一端串联，压力栅(5)的另一端通过光纤穿出端盖(3)连接外部设备，实现测量数据输出。
2.根据权利要求1所述的用于测量高温高压的膜片式、小尺寸光纤光栅传感器，其特征在于：所述圆筒骨架(1)、盖板(2)、端盖(3)三者通过激光焊接实现密封，三者均采用钛合金材料制成。
3.根据权利要求1所述的用于测量高温高压的膜片式、小尺寸光纤光栅传感器，其特征在于：所述温度栅(4)、压力栅(5)二者的波长间隔大于等于2nm。
4.根据权利要求1所述的用于测量高温高压的膜片式、小尺寸光纤光栅传感器，其特征在于：所述压力栅(5)用粘接剂固定在二个凸台(7)上，粘接剂为环氧胶或玻璃焊料；在压力栅(5)的粘接封装过程中施加预拉力使其产生的波长漂移在0.5nm～1nm。
5.根据权利要求1所述的用于测量高温高压的膜片式、小尺寸光纤光栅传感器，其特征在于：所述圆筒骨架(1)的外壁上靠近二个凸台(7)的位置处开设有凹槽(8)。
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|---|---|---|---|---|
| CN114518140A (zh) * | 2022-01-04 | 2022-05-20 | 中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所 | 一种温度补偿式光纤智能垫片 |
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