CN218934403U - 一种光纤温度-压力二参量测井传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉具体涉及一种光纤温度‑压力二参量测井传感器，解决现有光纤传感器由于尺寸偏大、精度不高以及最高工作温度偏低，难以满足智能井系统应用的技术问题。该光纤温度‑压力二参量测井传感器，包括端盖、温度传感头、第一石英管、本体、膜片、尾柄、碟形弹簧以及光纤；端盖连接在本体的后端，膜片设置在本体的前端；光纤的前端端面与膜片的内端面之间形成第一F‑P腔；温度传感头的一端穿过端盖设置于本体内；第一石英管设置于本体内部，第一石英管的尾部通过尾柄与碟形弹簧连接；碟形弹簧通过固定件设置于本体的后端；光纤的一端从后端向前端依次穿过端盖、碟形弹簧、尾柄、第一石英管至本体前端与第一F‑P腔连接。
Description
技术领域
本实用新型具体涉及一种光纤温度-压力二参量测井传感器。
背景技术
光纤传感器是以光信号作为被测对象的信号载体，以光纤光路作为信号传输的传输单元。光纤传感器的基本工作原理是利用外界的被测参数，如压力、温度、声波、液位、应力应变、折射率等与光纤传感器中的光纤或连接到光纤上的调制器相互作用转变为可以进行测量的光信号，通过测量光纤中传输光信号的光学性质的变化，如光强度、波长、频率、相位、偏振态等，从而得到被测参数的信息。在石油化工领域中，由于光纤传感器本身具有不带电，体积小，抗电磁干扰和辐射能力强等特点，在油气勘探、油井流量测量、天然气温度及压强测量中发挥着重要作用。
在整个光纤传感器家族中，存在着最具有代表性的三种以干涉仪为传感部件和基本工作原理的干涉光纤传感器，分别为：迈克尔逊(Michelson)干涉仪、法布里-珀罗干涉仪(Fabry-PerotInterferometer,FPI)和马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪，其中法布里-珀罗干涉仪以其灵敏度高，结构简单，加工工艺成本较低等优点被广泛研究与应用。而光纤干涉仪的工作原理是外界物理场的变化使得光纤内部传输的光波的光程发生变化，引起干涉光谱相位信息的变化，通过对这种相位变化信息的采集和分析来实现传感。
目前，智能井单点压力和温度光纤传感器的结构主要是基于一种以光纤光栅和光纤F-P干涉腔相隔一定距离依次串联在同一根光纤上的级联结构。其中，光纤光栅用于测量环境温度，光纤F-P干涉腔用于测量环境压力。由于F-P干涉腔具有较大的温度串扰，因此需要用光纤光栅测量出的环境温度来补偿光纤F-P干涉腔的压力测量结果，从而得到正确的环境压力值。这种结构存在两个主要问题：1.由于智能井光纤传感器采用的都是高相干性、长相干距离的激光光源，因此如果光纤光栅与光纤F-P干涉腔的间距过小，则光纤光栅的反射光与光纤F-P干涉腔的反射光在同一根光纤中将发生干涉，极大地影响温度测量精度，进而影响压力环温补偿的精度，从而影响压力值的精度。为了避免两个光纤传感器之间的干涉，必须使得两个光纤传感器之间的间距大于激光光源的相干距离，其典型值为600mm。但是当两个光纤传感器相隔一定距离，则无法保证两个光纤传感器感知到的环境温度为同一值。因此，对光纤传感器的环温补偿会出现偏差，从而影响压力值的精度。2.光纤F-P干涉腔是基于石英玻璃及金属材料制作而成，因此可以长期工作在较高温度，如300℃。光纤光栅的工作原理是基于紫外线固化在光纤中的一种折射率周期性调制的结构，而这种折射率的结构在长期高温工况下会弱化甚至消失，大大降低了光纤传感器的信噪比，从而影响测温测压精度。因此光纤光栅长期工作的最高温度一般不超过150℃。
综上所述，以上两个问题使得同类光纤传感器的尺寸偏大、精度不高以及最高工作温度偏低。从目前油田的发展趋势来看，有限的井下空间要容纳越来越多的控制管道和仪器线缆，因此对光纤传感器的尺寸要求会逐渐苛刻。随着油井的深度逐渐增加，作业温度将越来越高，高于150℃的油井数量在逐步增加；而基于光纤光栅的光纤传感器因为性能的影响，直接限制了其在智能井系统中的应用。
实用新型内容
本实用新型的目的是解决现有光纤传感器由于尺寸偏大、精度不高以及最高工作温度偏低，难以满足智能井系统应用的技术问题，而提供一种光纤温度-压力二参量测井传感器。
为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案为：
一种光纤温度-压力二参量测井传感器，其特殊之处在于：包括端盖、温度传感头、第一石英管、本体、膜片、尾柄、碟形弹簧以及光纤；
所述端盖连接在本体的后端，膜片设置在本体的前端；
所述光纤的前端端面与膜片的内端面之间形成第一F-P腔；
所述温度传感头的一端穿过端盖设置于所述本体内；
所述第一石英管设置于本体内部，第一石英管的尾部通过尾柄与碟形弹簧连接；
所述碟形弹簧通过固定件设置于本体的后端；
所述光纤的一端从后端向前端依次穿过端盖、碟形弹簧、尾柄、第一石英管至本体前端与第一F-P腔连接；
所述光纤的另一端连接外部设备；
所述温度传感头的另一端连接外部设备。
进一步地，所述温度传感头包括入射光纤、反射光纤和第二石英管；
所示第二石英管的一端穿过端盖设置于本体内；
所述入射光纤的一端和反射光纤均设置于第二石英管内部，且入射光纤和反射光纤之间形成第二F-P腔；
所述入射光纤的另一端连接外部设备。
进一步地，所述第一F-P腔的轴向长度大于等于5μm。
进一步地，所述第二F-P腔的轴向长度大于等于5μm。
进一步地，所述入射光纤和反射光线与第二石英管均采用激光熔融固定。
进一步地，所述入射光纤和反射光纤的两端端部均镀膜。
进一步地，所述温度传感头采用毛细管结构的非本征型型式；
所述端盖、本体、膜片、尾柄、碟形弹簧与固定件的材料均为Invar36。
进一步地，还包括密封件；所述密封件设置于本体的外部。
与现有技术相比，本实用新型技术方案的有益效果是：
1、本实用新型光纤温度-压力二参量测井传感器，温度传感头与碟形弹簧采用相互独立的组合型式，可以解决温度和压力的串扰问题。
2、本实用新型光纤温度-压力二参量测井传感器，温度传感头采用热熔焊接的激光微加工技术，将入射光纤、反射光纤与准直的第二石英管环形焊接固定，有别于现有技术的环氧树脂粘接固定方式，避免了环氧树脂受温度等因素的影响，改善了EFPI光纤传感器的温度稳定性和时间稳定性。
3、本实用新型光纤温度-压力二参量测井传感器，温度传感头采用毛细管结构的非本征型(EFPI，ExtrinsicFabry-PerotInterferometer)型式，有别于现有技术的气泡型光纤F-P腔结构型式，避免了气泡型F-P腔因电弧放电的不稳定性，使得相关参数难以精确控制，且玻璃气泡极为脆弱、容易损坏的问题，而毛细管结构的非本征型型式结构简单，制作成本更低。
4、本实用新型光纤温度-压力二参量测井传感器，碟形弹簧主要采用Invar36材料，兼顾良好的热稳定性、高强度及良好的导热性。
5、本实用新型光纤温度-压力二参量测井传感器，采用碟形弹簧结构为光学组件提供机械保护，减小外界冲击/应力。
6、本实用新型光纤温度-压力二参量测井传感器，温度传感头采用EFPI可在300℃高温环境长期稳定工作，非常适合在油气井下苛刻环境中应用。
7、本实用新型光纤温度-压力二参量测井传感器，灵敏度高，结构简单，加工工艺成本较低、测量精度稳定、可靠。
8、本实用新型光纤温度-压力二参量测井传感器，可应用在航空航天、道路桥梁、医用器械等领域。
附图说明
图1为本实用新型光纤温度-压力二参量测井传感器的爆炸图；
图2为本实用新型光纤温度-压力二参量测井传感器实施例中光纤、第一石英管和膜片形成第一F-P腔的结构示意图；
图3为本实用新型光纤温度-压力二参量测井传感器实施例中温度传感头的内部结构示意图；
图4为本实用新型光纤温度-压力二参量测井传感器实施例的内部结构示意图；
图5为本实用新型光纤温度-压力二参量测井传感器实施例的结构示意图。
图中附图标记为：
1-端盖，2-温度传感头，21-入射光纤，22-反射光纤，23-第二石英管，24-第二F-P腔，3-第一石英管，31-第一F-P腔，4-本体，41-安装孔，5-膜片，6-密封件，7-尾柄，8-碟形弹簧，9-固定件，10-光纤。
具体实施方式
如图1、图4、图5所示，一种光纤10温度-压力二参量测井传感器，包括端盖1、温度传感头2、第一石英管3、本体4、膜片5、尾柄7、碟形弹簧8以及光纤10；
端盖1连接在与本体4的后端，膜片5设置在本体4的前端；如图2所示，光纤10的前端端面与膜片5内端面之间形成第一F-P腔31；本体4的尾端设置有与温度传感头2匹配的安装孔41；温度传感头2的一端穿过端盖1设置于安装孔41内；第一石英管3设置于本体4内部，第一石英管3的尾部通过尾柄7与碟形弹簧8连接；碟形弹簧8通过固定件9设置于本体4的后端；光纤10的一端从后端向前端依次穿过端盖1、碟形弹簧8、尾柄7、与第一石英管3至本体4前端与第一F-P腔31连接；光纤10的另一端连接外部设备；温度传感头2的另一端连接外部设备。
如图3所示，温度传感头2包括入射光纤21、反射光纤22和第二石英管23；第二石英管23的一端穿过端盖1设置于本体4内；入射光纤21的一端和反射光纤22均设置于第二石英管23内部，且入射光纤21和反射光纤22之间形成第二F-P腔24；入射光纤21的另一端连接外部设备。
本实施例中，优选地第一F-P腔31的轴向长度5μm。第二F-P腔24的轴向长度大于等于5μm。入射光纤21和反射光纤22与第二石英管23均采用激光熔融固定。入射光纤21和反射光纤22的两端端部均镀膜；温度传感头2采用毛细管结构的非本征型型式；端盖1、本体4、膜片5、尾柄7、碟形弹簧8与固定件9的材料均为Invar36。端盖1、膜片5分别与本体4采用焊接方式固连。光纤10与第一石英管3激光熔接固定。本体4的外部还设置有密封件6。
根据应力应变与温度的关系，对于直角笛卡尔坐标(x,y,z)由被测物体的温度变化引起的应变分量为
Xxx＝Xyy＝Xzz＝kT
Xxy＝Xyz＝Xzx＝0
式中，k为物体的热膨胀系数；Xij(i,j＝x,y,z)表示被测物体在i，j方向上的应变分量；T表示被测环境温度；若只考虑本发明传感器的轴向应变Xzz＝ΔL/L，则有
ΔL/L＝kL
其中，L表示第一F-P腔的长度；ΔL表示第一F-P腔的长度变化量。
将两根端面镀膜的光纤(即入射光纤21和反射光纤22)插入到第二石英管23中，形成第二F-P腔24。首先将入射光纤21激光熔融固定于第二石英管23中，调节反射光纤22直到合适的第二F-P腔24长度值后，将反射光纤22激光熔融固定于第二石英管23中。从入射光纤21进入的光经过端面M2后一部分透射形成透射光，另一部分反射形成反射光；透射光经第二F-P腔24后，射到反射光纤22的端面M1上，被M1发射。光再经M2返回到入射光纤21，与反射光形成干涉光。由于第二F-P腔24的长度与温度载荷有一定关系，当温度发生变化时，第二石英管23在长度方向上的变化引起第二F-P腔24长度发生变化，从而改变输出光的强度，利用光电探测器即可实现对光信号的解调，从而实现对温度的传感。
当外界压力改变时，由于第一F-P腔31内外压力差的存在，导致膜片5发生弹性变形，从而使得第一F-P腔31的腔长变化。碟形弹簧8与本体4组成的结构既为高温工况下第一石英管3的热膨胀提供了变形空间，又为其提供机械保护，减小外界冲击/应力。
Claims (8)
1.一种光纤温度-压力二参量测井传感器，其特征在于：包括端盖(1)、温度传感头(2)、第一石英管(3)、本体(4)、膜片(5)、尾柄(7)、碟形弹簧(8)以及光纤(10)；
所述端盖(1)连接在本体(4)的后端，膜片(5)设置在本体(4)的前端；
所述光纤(10)的前端端面与膜片(5)的内端面之间形成第一F-P腔(31)；
所述温度传感头(2)的一端穿过端盖(1)设置于所述本体(4)内；
所述第一石英管(3)设置于本体(4)内部，第一石英管(3)的尾部通过尾柄(7)与碟形弹簧(8)连接；
所述碟形弹簧(8)通过固定件(9)设置于本体(4)的后端；
所述光纤(10)的一端从后端向前端依次穿过端盖(1)、碟形弹簧(8)、尾柄(7)、第一石英管(3)至本体(4)前端与第一F-P腔(31)连接；
所述光纤(10)的另一端连接外部设备；
所述温度传感头(2)的另一端连接外部设备。
2.根据权利要求1所述的一种光纤温度-压力二参量测井传感器，其特征在于：
所述温度传感头(2)包括入射光纤(21)、反射光纤(22)和第二石英管(23)；
所示第二石英管(23)的一端穿过端盖(1)设置于本体(4)内；
所述入射光纤(21)的一端和反射光纤(22)均设置于第二石英管(23)内部，且入射光纤(21)和反射光纤(22)之间形成第二F-P腔(24)；
所述入射光纤(21)的另一端连接外部设备。
3.根据权利要求2所述的一种光纤温度-压力二参量测井传感器，其特征在于：
所述第一F-P腔(31)的轴向长度大于等于5μm。
4.根据权利要求3所述的一种光纤温度-压力二参量测井传感器，其特征在于：
所述第二F-P腔(24)的轴向长度大于等于5μm。
5.根据权利要求4所述的一种光纤温度-压力二参量测井传感器，其特征在于：
所述入射光纤(21)和反射光纤(22)与第二石英管(23)均采用激光熔融固定。
6.根据权利要求5所述的一种光纤温度-压力二参量测井传感器，其特征在于：
所述入射光纤(21)和反射光纤(22)的两端端部均镀膜。
7.根据权利要求1-6任一所述的一种光纤温度-压力二参量测井传感器，其特征在于：
所述温度传感头(2)采用毛细管结构的非本征型型式；
所述端盖(1)、本体(4)、膜片(5)、尾柄(7)、碟形弹簧(8)与固定件(9)的材料均为Invar36。
8.根据权利要求7所述的一种光纤温度-压力二参量测井传感器，其特征在于：
还包括密封件(6)；所述密封件(6)设置于本体(4)的外部。
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| CN202223548094.5U CN218934403U (zh) | 2022-12-29 | 2022-12-29 | 一种光纤温度-压力二参量测井传感器 |
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| CN218934403U true CN218934403U (zh) | 2023-04-28 |
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| CN202223548094.5U Active CN218934403U (zh) | 2022-12-29 | 2022-12-29 | 一种光纤温度-压力二参量测井传感器 |
Country Status (1)
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