CN2775629Y - 一种光纤光栅传感应力测试装置 - Google Patents

Abstract

光纤光栅传感应力测试装置包括光纤光栅传感器阵列、光纤光栅解调器、光纤、计算机。传感器阵列由串接在光纤中并固定在各应力测试点表面的光纤光栅传感器构成，光纤光栅解调器由发光管、Y型分路器、可调波长选择器、探测器及接口电路集成一体，传感器阵列、计算机分别与光纤光栅解调器连接。发光管发出的宽带光谱经Y型分路器后到达光纤光栅传感器阵列，各传感器反射回来的反射光经Y型分路器的另一端口耦合进入可调波长选择器，经可调波长选择器后被探测器接收、探测、采样，通过接口电路将采样数据送到计算机分析计算，得出应力测量结果。本实用新型不受外界环境因素的影响，测试数据真实可靠，可实现多点应力动态在线监测和实时评估。

Description

一种光纤光栅传感应力测试装置

【技术领域】

本实用新型属于应力检测技术领域，涉及一种利用光纤光栅传感技术进行应力检测的测试装置，特别涉及一种利用光纤光栅传感技术对石油机械设备结构件如石油钻机的井架、钻台进行应力多点分布测试装置。

【背景技术】

石油机械设备结构件，如石油钻机、修井机的井架、钻台，工作环境复杂，既承受交变管柱载荷，又承受风雨侵蚀，经常拆装及转运，结构件的工作能力，在不同年限、不同工况会有所不同，因此对其进行调试及工作过程中关键受力部位应力检测及监测对保证其可靠性及安全性尤为重要。已知技术中，采用电阻应变片传感器对此类结构件进行定期检测。检测时，将电阻应变片粘贴在结构件关键部位裸露的表面上，然后通过屏蔽导线连接到数据采集器，通过配套采集与分析软件，测出相应部位应变值，再把应变值人为换算成应力值。由于这种检测方法采用的是电类传感器，其测量精度受湿度、温度、井场磁场、线路损耗的影响很大，尤其是对于电动钻机或电动修井机，磁场影响有可能导致数据完全不真实，且下雨天根本无法测试，因而应用电阻应变片传感器的应力测试装置对长期工作在野外的设备适应性差，应用范围窄，同时也无法实现实时监测。

【发明内容】

本实用新型的目的是提供一种不受外界环境因素的影响，数据真实可靠，可实现多点应力动态在线监测和实时评估的光纤光栅传感应力测试装置。

本实用新型是这样实现的：包括光纤光栅传感器阵列、光纤光栅解调器、光纤、计算机，光纤光栅传感器阵列由串接在一根光纤中并1固定在结构件各应力测试点表面的光纤光栅传感器FBG构成，所述的光纤光栅解调器由发光管、Y型分路器、可调波长选择器、探测器及接口电路集成一体，发光管同Y型分路器通过光纤连接，探测器、可调波长选择器、Y型分路器依次通过光纤连接，Y型分路器另一端口是光纤光栅解调器的光栅输入端口，串接各光纤光栅传感器FBG的光纤与光纤光栅解调器的光栅输入端口连接，所述的接口电路与可调波长选择器、探测器连接，接口电路设置有接口，计算机通过接口与光纤光栅解调器连接。

上述的串接各光纤光栅传感器FBG的光纤的外部还套装保护管路，保护管路由保护盒、塑胶管、硬管、硬胶管、快卸接头组成，保护盒罩装在光纤光栅传感器FBG上，保护管路非拆卸部位采用硬管，需拆卸部位采用硬塑管与快卸接头连接，光纤光栅传感器引出端与硬管之间用塑胶管连接。

上述的计算机还可与声光报警装置连接，当应力值超过设定值时，进行声光报警。

上述串接在光纤上的光纤光栅传感器FBG与光纤的连接可采用熔融焊接，光纤与光纤光栅解调器的光栅输入端口的连接采用标准的PC/APC插头插座连接。

工作原理：

光纤光栅传感器应用于应力测试的机理是：应变是光纤光栅能够直接敏感的一个物理量，当被测物体应变发生变化时，固定在物体上的光纤光栅传感器探头受到拉伸或压缩而导致光纤光栅周期、有效折射率变化，从而引起光纤光栅中心波长改变，由于光纤光栅中心波长随应变变化关系是线性的，因此通过监测光纤光栅反射光的波长，可得到光纤光栅所在处的应变结果。

光纤光栅解调器的发光管发出的宽带光谱经Y型分路器后到达光纤光栅传感器阵列，每个光纤光栅传感器FBG反射回来的反射光经Y型分路器的另一端口耦合进入可调波长选择器，各反射光的波长信号经过可调波长选择器后被探测器接收、探测、采样，通过接口电路将采样数据送到计算机，计算机通过分析软件进行计算分析，得出应力测量结果，通过系统软件，还可对数据进行实时显示、存储、绘制实时曲线及实物模型。当被测应力达到或超过结构件的设定应力值时，计算机给声光报警装置发出报警信号，声光报警器报警，指导设备使用及维护。

本实用新型将光纤光栅传感技术应用于石油机械设备结构件应力测试，其光纤光栅传感特性决定了它具有以下优点：

1、由于光纤光栅传感器检测量是波长信息，属于数字量，因此传感信息不受光源起伏、光纤弯曲损耗、接头连接损耗和探测器老化等因素影响，使得测试数据长期真实可靠。

2、由于光纤光栅的本质防爆、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温与低温特性，使其适应于井场恶劣环境应用，解决了传统的电阻应变片传感器受温度、湿度、磁场影响测试失真或无法完成测试的问题，特别适用于电驱动钻机、电驱动修井机。

3、能方便使用波分复用技术，在一根光纤中串接多个光纤光栅传感器进行多点分布式检测，提高了光纤的传输容量，而不象电阻应变片传感器需要大量的导线。

4、多个光纤光栅传感器串接在一根光纤中进行多点分布式检测，传感信号可以传输到监控室进行数据实时显示、存储，还可绘制实时曲线及实物模型、声光报警，实现了实时监测，提高了石油设备的安全性和可靠性。

【附图说明】

图1是本实用新型传感测试装置示意图

图2是本实用新型的光纤保护管路结构示意图

【具体实施方式】

如图1所示，本实用新型由光纤光栅传感器阵列1、光纤光栅解调器2、光纤8、计算机9、10、声光报警装置11组成，光纤光栅传感器阵列1由串接在一根光纤8上并粘接在石油钻机井架、钻台等关键受力部位表面的光纤光栅传感器FBG₁、FBG₂、FBG₃……FBG_n组成，光纤光栅传感器FBG与光纤8采用熔融焊接，光纤光栅解调器2由发光管3、Y型分路器4、可调波长选择器5、探测器6、接口电路7集成一体，发光管3同Y型分路器4通过光纤连接，探测器6、可调波长选择器5、Y型分路器4依次通过光纤连接，Y型分路器4另一端口是光纤光栅解调器2的光栅输入端口，光纤8与光纤光栅解调器2的光栅输入端口采用标准的PC/APC插头插座连接，接口电路7与可调波长选择器5、探测器6连接，接口电路7设置有接口，安装在司钻房的计算机9和安装在监理室的计算机10分别通过接口与光纤光栅解调器2连接，计算机9与声光报警装置11连接。

如图2所示，光纤8的外部套装保护管路，保护管路由保护盒12、塑胶管13、硬管14、硬胶管15、快卸接头16组成，保护盒12罩装在光纤光栅传感器FBG上，保护管路非拆卸部位采用硬管14连接，需拆卸部位采用硬胶管15与快卸接头16连接，光纤光栅传感器FBG引出端与硬管14之间用塑胶管13连接。光纤8外部套装保护管路，是为了适应油田设备野外恶劣作业环境，保证测试装置的长期使用。

Claims (4)

1、一种光纤光栅传感应力测试装置，包括光纤光栅传感器阵列(1)、光纤光栅解调器(2)、光纤(8)、计算机(9)、(10)，其特征在于：所述的光纤光栅传感器阵列(1)由串接在光纤(8)中并固定在应力测试点表面的光纤光栅传感器FBG构成，所述的光纤光栅解调器(2)由发光管(3)、Y型分路器(4)、可调波长选择器(5)、探测器(6)及接口电路(7)集成一体，发光管(3)同Y型分路器(4)通过光纤连接，探测器(6)、可调波长选择器(5)、Y型分路器(4)依次通过光纤连接，Y型分路器(4)另一端口是光纤光栅解调器(2)的光栅输入端口，串接各光纤光栅传感器FBG的光纤(8)与光纤光栅解调器(2)的光栅输入端口连接，所述的接口电路(7)与可调波长选择器(5)、探测器(6)连接，接口电路(7)设置有接口，计算机(9)、(10)通过接口与光纤光栅解调器(2)连接。

2、如权利要求1所述的光纤光栅传感应力测试装置，其特征在于：所述的串接各光纤光栅传感器FBG的光纤(8)的外部套装保护管路，保护管路由保护盒(12)、塑胶管(13)、硬管(14)、硬胶管(15)、快卸接头(16)组成，保护盒(12)罩装在光纤光栅传感器FBG上，保护管路非拆卸部位采用硬管(14)连接，需拆卸部位采用硬胶管(15)与快卸接头(16)连接，光纤光栅传感器FBG引出端与硬管(14)之间用塑胶管(13)连接。

3、如权利要求1所述的光纤光栅传感应力测试装置，其特征在于：所述的计算机(9)还与声光报警装置(11)连接。

4、如权利要求1所述的光纤光栅传感应力测试装置，其特征在于：所述的串接在光纤(8)上的光纤光栅传感器FBG与光纤(8)的连接采用熔融焊接，所述的串接各光纤光栅传感器FBG的光纤(8)与光纤光栅解调器(2)的光栅输入端口的连接采用标准的PC/APC插头插座连接。

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