CN1384341A - 一种压力与温度同时检测的光纤光栅传感器 - Google Patents

Abstract

一种压力与温度同时检测的光纤光栅传感器,主要由自由弹性圆筒型压力换能器、置于自由弹性圆筒型压力换能器内的悬臂梁机构、光纤光栅、密封部件、端部元件、预紧弹簧、外部保护壳体以及传输光纤组成。其技术方案是在悬臂梁的上下表面的对应位置上分别固结两只光纤光栅,两只光纤光栅通过一个光纤耦合器与传输光纤相连。通过等厚的等腰三角形悬臂梁结构将外界压力作用下的圆筒径向形变转化为悬臂梁的挠度,从而引起悬臂梁上光纤光栅的布喇格反射波长随外界温度和压力而产生变化;利用差动测量技术解决了光纤光栅交叉敏感问题,可以通过同一套装置实现温度与压力同时共点的高灵敏度分离检测,可用于石油勘探、测井、军事潜艇等高压及环境恶劣的测量领域。

Description

一种压力与温度同时检测的光纤光栅传感器

技术领域

本发明涉及一种光纤光栅传感器，尤其涉及一种压力与温度同时检测的光纤光栅传感器，属于精密测量技术领域。

技术背景

对于油井及海下等压力与温度的参数的测量，经常采用的是传统的电测量方法，通过采用不同的传感器(温度一般用铂电阻温度计、压力一般用应变计或电容等传感器)对温度和压力分别进行检测，然后通过电缆将信号传输至海面的勘探船或底面上的测井装置，再由分析仪器对信号进行处理。这种方法的最大弊端是电信号容易受到井下恶劣环境的影响，由于其带有电信号，因此存在不安全因素，另外远距离的信号传输会引起信号很大的损耗。

目前，国内外对压力检测的研究有很多方法，但能适合井下较高压力(最高可达140MPa)和温度(最高到175℃)的实用方法，尤其是通过同一个传感器同时检测压力与温度的方法还没有见到过报导。

在以光纤传感器技术为基础的较高压力检测技术方面，(W.J.Bock，T.Eftimov，G.F.Molinar，and R.Wisniewski.Free Active Element Bulk-Modulus High-PressureTransducer Based on Fiber-Optic Displacement Sensor.IEEE TRANSACTIONS ONINSTRUMENTATION AND MEASUREMENT，47(1)，1998)曾提出“弹性圆筒+强度调制型光纤位移传感器”，基于压力的变化引起弹性圆筒径向和轴向扩张或伸缩(这里是利用圆筒在外部压力的作用下收缩产生的径向变形)，利用光纤位移传感器来检测这一径向的尺寸变化，从而获得外界压力信息，实现了最高可达140MPa的测量范围，测量精度估计可达1.5％。这种方法的不足之处是：基于强度调制型的光纤位移传感器对压力产生的悬臂梁的挠度进行检测时，容易受到光源光强度的波动、光纤连接器及耦合器等的不稳定性、光纤传输损耗以及环境光干扰等因素给测量带来的影响，这也是强度调制型光纤传感器所存在的共性问题，从而制约了这种传感器的实用化和商品化。而且这种传感器只能实现压力的单参数检测，而在一些工程实际中，压力较大的场合往往都会有较高的温度同时存在，而温度又会在一定范围内变化或波动(如在海洋油井中，压力和温度都会随着井深而增加)，这就必定会给测量系统带来影响。所以有必要在压力检测的同时，实现对温度的分离检测，以便于实时补偿修正或进行双参数同时监测。

发明内容

本发明的目的是提供一种压力与温度同时检测的光纤光栅传感器，以克服已有技术的不足，既可实现复杂和恶劣环境下的压力的检测问题，还可以通过同一套装置实现温度与压力同时共点的高灵敏度分离检测。

本发明的技术方案如下：

一种压力与温度同时检测的光纤光栅传感器，主要包括一个自由弹性圆筒型压力换能器，置于自由弹性圆筒型压力换能器内的悬臂梁机构，传输光纤，密封部件，预紧弹簧、带有静压孔的外部保护壳以及起定位作用的端部元件，其特征在于：在悬臂梁的上下表面的对应位置上分别固结两只光纤光栅，两只光纤光栅通过一个光纤耦合器与传输光纤相连。

本发明所述的悬臂梁机构采用等厚的等腰三角形结构。

本发明的特征还在于所述的密封部件对称的设置在自由弹性圆筒型压力换能器两端，并与自由弹性圆筒分别以端面的密封垫和柱面的环形密封圈进行双重密封连接。

本发明具有以下特点及有益效果：

(1)由于采用了双光纤光栅传感器结构，可同时共点的实现压力与温度双参数测量；

(2)传感器中没有电子器件及电信号传输，使传感器不受电磁场的干扰、电绝缘、安全性好；

(3)由于采用了差动测量技术，解决了光栅传感器测量信号交叉敏感问题，并提高了测量灵敏度，其压力测量的灵敏度为23pm/MPa，温度测量的灵敏度为28pm/℃；

(4)由于采用了等厚的等腰三角形悬臂梁结构，避免了光栅信号的啁啾现象，提高了测量的分辨率，选用分辨率为1pm的光栅信号解调系统，传感器系统压力检测的分辨率可达0.05MPa，温度检测分辨率可达0.04℃。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为本发明实施例中自由圆筒在外界压力作用下内径变化示意图。

图3为本发明实施例的悬臂梁结构示意图。

图4为图3的俯视图。

图5为本发明实施例自由圆筒压力换能器内径尺寸变化与被测压力的关系曲线。

图6为本发明实施例压力检测特性曲线。

图7为本发明实施例温度检测特性曲线。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的测量原理、具体结构及最佳实施方式。

图1为本发明所述传感器的结构示意图。该传感器主要包括一个自由弹性圆筒型压力换能器10，置于自由弹性圆筒型压力换能器内的悬臂梁机构11，传输光纤20，密封机构15、16，预紧弹簧18，带有进压孔21的外部保护壳体19以及起定位作用的端部元件17。悬臂梁机构11采用等厚的等腰三角形结构(如图3、4所示)，在悬臂梁11的上下表面的对应位置上分别固结两只光纤光栅12和13，这两只光纤光栅具有相同的参数和性能，并通过一个光纤耦合器与传输光纤20相连。

由直接感受外界压力的自由弹性圆筒10通过两个相同结构的密封部件15和16以及预紧弹簧18和端部元件17“活性地”固定在外部保护壳体19的内部，密封部件对称的设置在自由弹性圆筒型压力换能器两端，并与自由弹性圆筒分别以端面的密封垫22和柱面的环形密封圈23进行双重密封连接；密封部件与外部壳体之间亦采用环形密封圈密封。在悬臂梁11的自由端上设有承压柱14，该承压柱与自由弹性圆筒型压力换能器10保持永久的“活性”接触。

当有外界压力P从进压口21引入，作用在自由弹性圆筒的外表面时，将产生轴向和径向的应变，这里是利用其径向应变ε_c导致圆筒内径D的变化ΔD(如图2所示)，再将这一变化传递给悬臂梁，此时，悬臂梁等效为在外力F的作用下，在自由端A点处产生挠度变化ω(α)(如图3所示)，最终引起粘贴在悬臂梁上的光纤光栅的轴向应变ε_x的变化。

根据自由圆筒型换能器的简单理论可知被测压力与圆筒径向应变的函数关系为： ${\mathrm{\ϵ}}_c=-\frac{P}{E}\frac{K^2}{K^2-1}(2-v)---\left(1\right)$

其中，P为被测压力，E为材料的杨氏弹性模量，K为圆筒外径与内径之比，v为材料的泊松比。从(1)式可以得出圆筒内径的变化与外界压力的变化关系： $\frac{\mathrm{\ΔD}}{D}=\frac{\mathrm{\ΔP}}{E}\frac{K^2}{K^2-1}(2-v)---\left(2\right)$

其中，D为圆筒内径。由材料力学可知，对于一个等厚的悬臂梁，其沿轴向产生的应变ε_x与自由端的挠度ω的关系为 ${\mathrm{\ϵ}}_x=\frac{6\·(L-x)}{L^3}\·h\·\mathrm{\ω}---\left(3\right)$

其中，L为悬臂梁全长，h为悬臂梁厚度，而自由端的挠度又可以表示为

其中J_y为悬臂梁截面的惯性矩，对于三角形等厚矩形截面悬臂梁，表示为 $J_y=\frac{b\·h^3}{12}=\frac{b_0(L-x)\·h^3}{12\·L}---\left(4\right)$

其中，b为悬臂梁任意截面处的宽度，b₀为悬臂梁固定端的宽度。将(4)式带入(3)式，有 ${\mathrm{\ϵ}}_x=\frac{6\·(L-x)}{L^3}\·h\·\frac{12F\·L^{3}L}{3E{b}_0(L-x)h^3}=\frac{24\mathrm{FL}}{E{b}_0{h}^2}---\left(5\right)$

式中，F为外界压力作用在圆筒后在A点作用在悬臂梁上的等效作用力。可见，悬臂梁上沿轴线方向应变的大小不随位置的不同和变化，而只与外界的压力成正比，这样有利于避免光栅信号的啁啾现象，提高信号的分辨率。

在圆筒与悬臂梁的接触点A处，由外界被测压力产生的圆筒的径向应变引起内径的变化就相当于由F在悬臂梁A点处产生的挠度值，即有ω(α)＝ΔD，如图3。结合(2)，(3)，(4)，(5)式，可得出 ${\mathrm{\ϵ}}_x=\frac{6\·(L-a)}{L^3}\·h\·\mathrm{\ω}=\frac{6\·(L-a)}{L^3}\·h\·\mathrm{\ΔD}=\mathrm{\ΔP}\frac{6\mathrm{hD}{K}^2(L-a)(2-v)}{E\·L^3\·(K^2-1)}---\left(6\right)$

至此，得到了悬臂梁上光纤光栅的轴向应变与外界被测压力的线形关系式。

假设由于应变和温度所引起的光纤光栅中心的变化是相互独立的，当应变和温度同时发生变化时，光栅反射波长为 $\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}={(1-P_e)\mathrm{\ϵ}}_x+(\mathrm{\α}+\mathrm{\ξ})\·\mathrm{\ΔT}---\left(7\right)$

式中，λ_B为光栅布拉格反射中心波长，Δλ_B在外界影响下反射波长的变化，P_e为光纤的有效弹光系数，α为光纤的热膨胀系数，ξ为光纤的热光系数，ΔT为温度变化量。

由于两只光纤光栅处于同一个环境温度场中，因此由于温度变化引起两只光栅的波长变化应该是相等的，而由于在悬臂梁上部的光栅感受到的是正应变ε_x，在下部是负应变-ε_x，两者绝对值大小相等，根据差动式的结构设计，在应变作用下，两光纤光栅的布拉格反射波长分别向相反移动，即出现了两个反射峰，两者之差由下式给出： $\frac{{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{\λB}12}}{{\mathrm{\λ}}_B}=\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_{B1}-{\mathrm{\Δ\λ}}_{B2}}{{\mathrm{\λ}}_B}=2(1-P_e){\mathrm{\ϵ}}_x=12\·\mathrm{\ΔP}\·(1-P_e)\frac{\mathrm{hD}{K}^2(L-a)(2-v)}{E\·L^3\·(K^2-1)}---\left(8\right)$

而由温度引起的光纤光栅的布拉格反射波长的变化由下式给出： $\frac{{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{\λB}12}}{{\mathrm{\λ}}_B}=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{B1}+{\mathrm{\Δ\λ}}_{B2}}{{\mathrm{\λ}}_B}=2(\mathrm{\α}+\mathrm{\ξ})\·\mathrm{\ΔT}---\left(9\right)$

由(8)，(9)两式可见，不仅实现了应变(压力)与温度的分离检测，而且使信号增强了一倍，即提高了测量的灵敏度。

图5为传感器自由圆筒压力换能器内径尺寸变化与被测压力的关系曲线，由图可见，在100MPa的外界压力作用下，自由圆筒将产生210μm大小的径向形变。图6和图7分别为传感器压力和温度检测特性曲线，从图6可以看出，本发明提出的双光栅差动测量(DM)方法在压力测量时，在任意外界温度(RT)的条件下输出只随压力线性变化，压力测量的灵敏度为23pm/MPa，而单光栅测量(SM)方法的输出受温度的影响，在不同的温度下，输出曲线不同，而且灵敏度低；同理，对于温度测量时，差动法不受外界压力的影响，灵敏度为28pm/℃，而单光栅方法测温时受压力的影响，而且，灵敏度较低，如果光栅信号的解调系统的分辨率能达到1pm，则传感器系统压力检测的分辨率可达0.05MPa，温度检测分辨率可达0.04℃。

Claims (3)

1.一种压力与温度同时检测的光纤光栅传感器，主要包括一个自由弹性圆筒型压力换能器，置于自由弹性圆筒型压力换能器内的悬臂梁机构，传输光纤，密封部件，预紧弹簧，带有进压孔的外部保护壳体以及起定位作用的端部元件，其特征在于：在悬臂梁的上下表面的对应位置上分别固结两只光纤光栅，两只光纤光栅通过一个光纤耦合器与传输光纤相连。

2.按照权利要求1所述的光纤光栅传感器，其特征在于：所述的悬臂梁机构采用等厚的等腰三角形结构。

3.按照权利要求1或2所述的光纤光栅传感器，其特征在于：所述的密封机构对称的设置在自由弹性圆筒型压力换能器两端，并与自由弹性圆筒分别以端面的密封垫和柱面的环形密封圈进行双重密封连接。

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