本實(shí)用新型屬于光纖光柵傳感器
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體講是一種耐高溫光纖光柵壓力傳感器。
背景技術(shù)：
：：光纖光柵是近年來(lái)發(fā)展極為迅速的一種新型光纖無(wú)源器件。隨著光纖光柵制造技術(shù)的不斷完善，應(yīng)用成果的日益增長(zhǎng)，光纖光柵已成為目前最具發(fā)展前途的光纖無(wú)源器件之一。光纖光柵是利用光纖材料的光敏性，使光纖內(nèi)部產(chǎn)生縱向永久性周期性或非周期性折射率變化而制成的。由于光纖光柵是在光纖內(nèi)部形成的，具有全光纖化、插入損耗低、成本低的優(yōu)點(diǎn)，并且通過(guò)對(duì)光柵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以得到滿(mǎn)足特定需要的各種光譜特性，因而在民用建筑、橋梁大壩、以及航空航天等領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景。光纖光柵的應(yīng)用促成了光纖傳感系統(tǒng)的全光纖化、微型化、集成化以及網(wǎng)絡(luò)化，因此光柵傳感技術(shù)一經(jīng)提出，便很快受到青睞，并作為一門(mén)新興的技術(shù)迅速崛起，成為目前光纖傳感中增長(zhǎng)最快的領(lǐng)域之一。然而，到目前為止，國(guó)內(nèi)對(duì)光纖光柵傳感器的研究相對(duì)落后，研究?jī)?nèi)容也大多集中在溫度及應(yīng)變傳感方面。相對(duì)而言，對(duì)光纖光柵壓力傳感器、雙參量傳感器的研究還屬于探索階段，急需對(duì)耐高溫光纖光柵壓力傳感器進(jìn)行研究，以滿(mǎn)足稠油熱采特殊應(yīng)用環(huán)境的溫度和壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需求。鑒于耐高溫光纖光柵壓力傳感器的傳統(tǒng)測(cè)量方法大部分只是針對(duì)溫度、壓力等單參量進(jìn)行測(cè)量，對(duì)溫度、壓力雙參量的測(cè)量技術(shù)研究的相對(duì)較少，因此，傳感器測(cè)量的范圍、精度以及靈敏度不能同時(shí)滿(mǎn)足現(xiàn)實(shí)的測(cè)量環(huán)境要求，而且存在的誤差較大。另外，耐高溫光纖光柵壓力傳感器的傳統(tǒng)加工制作工藝較為復(fù)雜，且傳感器的結(jié)構(gòu)、外觀、加工工藝等的設(shè)計(jì)都需要進(jìn)一步的優(yōu)化；同時(shí)，傳感器封裝工藝設(shè)計(jì)方面也存在著不合理之處，導(dǎo)致測(cè)量的精度、靈敏度降低。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：：本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種能夠在高溫、高壓惡劣環(huán)境下進(jìn)行溫度與壓力雙參量測(cè)量，實(shí)現(xiàn)稠油熱采特殊應(yīng)用環(huán)境下溫度與壓力實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)目的，同時(shí)滿(mǎn)足測(cè)量的高精度、高靈敏度及大范圍要求的耐高溫光纖光柵壓力傳感器。本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是，提供一種具有以下結(jié)構(gòu)的耐高溫光纖光柵壓力傳感器，它包括光纖光柵，其中，壓力傳感器還包括薄壁圓筒、保護(hù)套筒和進(jìn)油卡頭，薄壁圓筒位于保護(hù)套筒內(nèi)，光纖光柵粘貼在薄壁圓筒外表面，進(jìn)油卡頭與保護(hù)套筒密封連接，進(jìn)油卡頭與薄壁圓筒連接，薄壁圓筒左端部分設(shè)計(jì)為空心結(jié)構(gòu)，薄壁圓筒右端部分設(shè)計(jì)為實(shí)心結(jié)構(gòu)。采用以上結(jié)構(gòu)后，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、本實(shí)用新型耐高溫光纖光柵壓力傳感器基于分布式光纖測(cè)溫技術(shù)和光纖光柵傳感技術(shù)，通過(guò)將光纖光柵粘貼在薄壁圓筒的軸向方向上，從而實(shí)現(xiàn)稠油熱采特殊應(yīng)用環(huán)境下溫度與壓力實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的目的。2、在傳感探頭溫度補(bǔ)償技術(shù)方面，本實(shí)用新型耐高溫光纖光柵壓力傳感器將光纖光柵粘貼在薄壁圓筒外表面，且薄壁圓筒左端部分設(shè)計(jì)為空心結(jié)構(gòu)以便測(cè)量壓力，右端部分設(shè)計(jì)為實(shí)心結(jié)構(gòu)以便測(cè)量溫度，由于光纖光柵材料一致，對(duì)溫度的響應(yīng)度一致，故在同一環(huán)境里，光纖光柵壓力傳感器和光纖光柵溫度傳感器對(duì)溫度的響應(yīng)是一樣的，不受壓力的光纖光柵溫度傳感器給感壓的光纖光柵壓力傳感器提供溫度補(bǔ)償，即可消除溫度對(duì)壓力傳感器的影響，從而使本實(shí)用新型能夠在高溫、高壓惡劣環(huán)境下進(jìn)行溫度與壓力雙參量測(cè)量。3、本實(shí)用新型耐高溫光纖光柵壓力傳感器中設(shè)計(jì)的薄壁圓筒結(jié)構(gòu)，一方面不但滿(mǎn)足了測(cè)量的可行性，同時(shí)也滿(mǎn)足了測(cè)量的高精度和大范圍的要求；另一方面結(jié)構(gòu)中保護(hù)套筒對(duì)光纖光柵起到了保護(hù)作用，避免了外部環(huán)境對(duì)其產(chǎn)生的破壞。4、本實(shí)用新型耐高溫光纖光柵壓力傳感器在關(guān)鍵部位，即進(jìn)油卡頭與保護(hù)套筒連接處，采用密閉封裝的設(shè)計(jì)，大幅度提高了光纖光柵壓力傳感器測(cè)量的壓力范圍和測(cè)量的精度，具有重要的實(shí)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。優(yōu)選地，本實(shí)用新型所述的耐高溫光纖光柵壓力傳感器，其中，薄壁圓筒左端空心部分的軸向長(zhǎng)度與薄壁圓筒右端實(shí)心部分的軸向長(zhǎng)度可相等。軸向長(zhǎng)度相等的好處是保證空心部分的應(yīng)變達(dá)到較大的變形量，從而實(shí)現(xiàn)稠油環(huán)境的壓力測(cè)量范圍。優(yōu)選地，本實(shí)用新型所述的耐高溫光纖光柵壓力傳感器，其中，薄壁圓筒右端實(shí)心部分的尾部可設(shè)計(jì)有圓形凸臺(tái)，圓形凸臺(tái)上可設(shè)置有至少一個(gè)與保護(hù)套筒筒腔相通的通孔。設(shè)計(jì)圓形凸臺(tái)的作用是防止稠油進(jìn)入薄壁圓筒后產(chǎn)生環(huán)向振動(dòng)，而設(shè)置通孔的好處是方便光纖的穿入。優(yōu)選地，本實(shí)用新型所述的耐高溫光纖光柵壓力傳感器，其中，薄壁圓筒選用的材料可為L(zhǎng)Y16硬鋁合金。LY硬鋁合金有較強(qiáng)的防腐蝕性能，并且彈性模量滿(mǎn)足稠油環(huán)境壓力測(cè)量的需要。優(yōu)選地，本實(shí)用新型所述的耐高溫光纖光柵壓力傳感器，其中，進(jìn)油卡頭與保護(hù)套筒密封連接可采用以下具體結(jié)構(gòu)：進(jìn)油卡頭與保護(hù)套筒之間為螺紋連接，且在螺紋連接處涂覆高溫膠。這種密封結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步提高本實(shí)用新型測(cè)量的壓力范圍和測(cè)量的精度。優(yōu)選地，本實(shí)用新型所述的耐高溫光纖光柵壓力傳感器，其中，保護(hù)套筒和進(jìn)油卡頭選用的材料均可為304不銹鋼。優(yōu)選地，本實(shí)用新型所述的耐高溫光纖光柵壓力傳感器，其中，壓力傳感器還可包括一個(gè)連接卡套，連接卡套與保護(hù)套筒右端連接。連接卡套式為了能夠?qū)崿F(xiàn)多點(diǎn)分布式測(cè)量而進(jìn)行的設(shè)計(jì)，從而可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的問(wèn)題與壓力的測(cè)量。優(yōu)選地，本實(shí)用新型所述的耐高溫光纖光柵壓力傳感器，其中，連接卡套選用的材料為304不銹鋼。304不銹鋼的有較強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，并且防腐蝕性能良好。附圖說(shuō)明：圖1為本實(shí)用新型耐高溫光纖光柵壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實(shí)用新型耐高溫光纖光柵壓力傳感器中薄壁圓筒的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本實(shí)用新型耐高溫光纖光柵壓力傳感器中保護(hù)套筒的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本實(shí)用新型耐高溫光纖光柵壓力傳感器中進(jìn)油卡頭的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本實(shí)用新型耐高溫光纖光柵壓力傳感器中連接卡套的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為圖2中“A”部位的放大結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本實(shí)用新型耐高溫光纖光柵壓力傳感器設(shè)計(jì)步驟流程示意圖；圖8為光纖光柵傳感原理示意圖。具體實(shí)施方式：下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型耐高溫光纖光柵壓力傳感器作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明：如圖1、圖2、圖3、圖4和圖5所示，本實(shí)用新型耐高溫光纖光柵壓力傳感器包括光纖光柵7、薄壁圓筒1、保護(hù)套筒2、進(jìn)油卡頭3以及連接卡套4。薄壁圓筒1是測(cè)量溫度和壓力的增敏元件，本實(shí)用新型使用高溫膠將光纖光柵7封裝固定在在薄壁圓筒1外表面，在封裝過(guò)程中需要給光纖光柵施加一定量的預(yù)應(yīng)力，從而使傳感器量程滿(mǎn)足使用要求。外表面粘貼有光纖光柵7的薄壁圓筒1位于保護(hù)套筒2內(nèi)。薄壁圓筒1左端部分設(shè)計(jì)為空心結(jié)構(gòu)以便測(cè)量壓力，薄壁圓筒1右端部分設(shè)計(jì)為實(shí)心結(jié)構(gòu)以便測(cè)量溫度，薄壁圓筒1左右兩端分別設(shè)計(jì)空心結(jié)構(gòu)和實(shí)心結(jié)構(gòu)的作用是可消除溫度對(duì)壓力傳感器的影響，達(dá)到溫度補(bǔ)償?shù)哪康?。進(jìn)油卡頭3與保護(hù)套筒2之間為螺紋連接，且在螺紋連接處涂覆高溫膠，進(jìn)油卡頭3與薄壁圓筒1之間為過(guò)盈配合。進(jìn)油卡頭3的作用是保證稠油能夠平穩(wěn)地進(jìn)入到薄壁圓筒1內(nèi)。連接卡套4與保護(hù)套筒2右端螺紋連接，保護(hù)套筒2一方面是為了保護(hù)內(nèi)部的薄壁圓筒1，防止外界環(huán)境對(duì)其造成污染和破壞，另一方面是為了保護(hù)薄壁圓筒1表面上的光纖光柵7，以免遭到破壞而發(fā)生斷裂等現(xiàn)象，連接卡套4是為了能夠?qū)崿F(xiàn)多點(diǎn)分布式測(cè)量而進(jìn)行的設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的溫度與壓力的測(cè)量。本實(shí)用新型耐高溫光纖光柵壓力傳感器中薄壁圓筒1選用的材料為L(zhǎng)Y16硬鋁合金，保護(hù)套筒2、進(jìn)油卡頭3和連接卡套4選用的材料均為304不銹鋼。如圖2所示，本實(shí)用新型耐高溫光纖光柵壓力傳感器中薄壁圓筒1選用的材料為L(zhǎng)Y16硬鋁合金，整體長(zhǎng)度為120mm，其中左端空心部分的軸向長(zhǎng)度為60mm，右端實(shí)心部分的軸向長(zhǎng)度也為60mm。另外，薄壁圓筒1右端實(shí)心部分的尾部設(shè)計(jì)有圓形凸臺(tái)6，圓形凸臺(tái)6上設(shè)置有三個(gè)沿環(huán)向分布，且與保護(hù)套筒2筒腔相通的通孔5。如圖6所示，本實(shí)用新型耐高溫光纖光柵壓力傳感器在設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先依據(jù)稠油熱采特殊應(yīng)用環(huán)境的實(shí)際需求，進(jìn)行傳感器的初步設(shè)計(jì)，其次對(duì)初步設(shè)計(jì)好的結(jié)構(gòu)利用ANSYS仿真軟件進(jìn)行靜力學(xué)分析，依據(jù)仿真分析出的應(yīng)力、應(yīng)變，接著對(duì)傳感探頭的初步結(jié)構(gòu)進(jìn)行完善，然后對(duì)傳感器進(jìn)行壓力試驗(yàn)，并且由試驗(yàn)的結(jié)果反饋到前端，最終完善了傳感器的整體結(jié)構(gòu)。具體設(shè)計(jì)步驟如下：1、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先是對(duì)傳感器進(jìn)行初步的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要是為了開(kāi)發(fā)高溫高壓環(huán)境下溫度與壓力雙參量測(cè)量的光纖傳感器，實(shí)現(xiàn)惡劣環(huán)境下溫度與壓力實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。溫度部分的技術(shù)性能指標(biāo)：監(jiān)測(cè)距離為0～6000m，測(cè)量的溫度范圍為0～350℃，測(cè)量的精度為±2℃，定位精度為1.5m，測(cè)量時(shí)間為≦30s；壓力部分的技術(shù)性能指標(biāo)：測(cè)量的量程為0～250MPa，分辨率為1％FS，響應(yīng)時(shí)間為≦10s，工作溫度為0～250℃。由上述指標(biāo)要求，本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的傳感探頭是薄壁圓筒結(jié)構(gòu)，選用的材料為硬鋁合金，外部由保護(hù)套筒對(duì)其進(jìn)行保護(hù)，一端與進(jìn)油卡頭連接，另一端與連接卡套連接。2、結(jié)構(gòu)仿真分析本實(shí)用新型中的薄壁圓筒主要是利用ANSYS仿真軟件對(duì)其進(jìn)行力學(xué)分析，其中薄壁圓筒工作溫度為0～350℃，其內(nèi)表面承受的壓力量程為0～25MPa，對(duì)薄壁圓筒進(jìn)行約束和參數(shù)設(shè)置，選取的溫度為350℃，壓力為25MPa，得到薄壁圓筒的應(yīng)變變形圖。由ANSYS仿真分析的結(jié)果可知：薄壁圓筒在高溫、高壓下的達(dá)到的最大微應(yīng)變?yōu)?09με，可以為后期的壓力試驗(yàn)提供參考依據(jù)。3、壓力試驗(yàn)?zāi)透邷毓饫w光柵壓力傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真分析完畢后，在薄壁圓筒表面粘貼光纖光柵，粘貼過(guò)程中要保證光纖光柵的直線(xiàn)度，而且留有一定的預(yù)緊力；進(jìn)油卡頭與保護(hù)套筒螺紋連接的部位用高溫膠密封，然后對(duì)其將對(duì)其進(jìn)行壓力試驗(yàn)。在做壓力試驗(yàn)的過(guò)程中，每隔2MPa記錄光纖光柵對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，由于試驗(yàn)條件的限值，壓力試驗(yàn)在常溫條件下進(jìn)行測(cè)量，并且測(cè)量的最大壓力為25MPa。本實(shí)用新型耐高溫光纖光柵壓力傳感器原理為：當(dāng)光柵常數(shù)發(fā)生變化時(shí)，光柵的諧振波長(zhǎng)就會(huì)發(fā)生變化。作用在光纖光柵的外界條件如溫度、壓力改變就會(huì)引起光柵周期和折射率的變化，從而導(dǎo)致光纖光柵波長(zhǎng)的變化，通過(guò)檢測(cè)光纖光柵波長(zhǎng)的變化，可獲得溫度、壓力等信息。FBG波長(zhǎng)隨纖芯的有效折射率和光柵條紋周期改變，因此，當(dāng)外界溫度發(fā)生改變時(shí)，由于光纖光柵的熱膨脹效應(yīng)、熱光效應(yīng)以及光纖光柵內(nèi)部熱應(yīng)力引起的彈光效應(yīng)，將引起光纖光柵波長(zhǎng)的變化；FBG波長(zhǎng)取決于光柵條紋周期和反向耦合模的有效折射率。在引起FBG波長(zhǎng)漂移檢測(cè)的外界因素中，最直接的為應(yīng)力、應(yīng)變參量。對(duì)光柵進(jìn)行拉伸或者擠壓，都引起光柵條紋周期的變化，并且光柵本身所具有的彈光效應(yīng)使有效折射率也隨外界應(yīng)力狀態(tài)的變化而變化。具體地說(shuō)，根據(jù)光纖光柵的耦合模理論，當(dāng)一束寬帶光入射到光纖光柵中時(shí)，折射率的周期性結(jié)構(gòu)使得某特定波長(zhǎng)的窄帶光被反射，反射光的波長(zhǎng)滿(mǎn)足Bragg散射條件。光纖光柵又稱(chēng)為光纖Bragg光柵，其反射光的中心波長(zhǎng)λB與光纖光柵的有效折射率neff和光柵周期Λ滿(mǎn)足如下的關(guān)系：λB＝2neffΛ(1)由上式可知，光纖光柵反射光的中心波長(zhǎng)主要取決于光柵周期Λ和有效折射率neff。當(dāng)光纖光柵感受到外界環(huán)境溫度或壓力發(fā)生變化時(shí)，會(huì)引起光柵的周期和有效折射率的變化，從而引起反射光波長(zhǎng)的偏移。因此，通過(guò)檢測(cè)光纖光柵反射光波長(zhǎng)的變化即可獲知外界溫度或壓力信息，具體見(jiàn)圖7所示。光纖纖芯中入射的的寬帶光譜經(jīng)過(guò)光纖光柵反射后，得到含有特定波長(zhǎng)的窄帶光的反射光譜，其它波長(zhǎng)的光都透過(guò)光纖光柵形成了透射光譜。當(dāng)外界溫度、壓力等參量發(fā)生變化，Bragg波長(zhǎng)的漂移可表示為：λB＝2ΛΔneff+2neffΔΛ(2)因此，僅當(dāng)外界溫度發(fā)生改變時(shí)，由熱膨脹效應(yīng)引起的光柵周期變化為：ΔΛ＝α·Λ·ΔT(3)式中α為光纖的熱膨脹系數(shù)。熱光系數(shù)引起有效折射率變化為：Δne＝ξ·ne·ΔT(4)式中ξ為光纖的熱光系數(shù)，表示折射率隨溫度的變化率。因此光纖Bragg光柵的溫度靈敏度系數(shù)為：KT=ΔλBΔT/λB=α+ξ---(5)]]>壓力影響B(tài)ragg波長(zhǎng)也是由于光柵周期的收縮和彈光效應(yīng)引起的，假設(shè)溫度場(chǎng)和橫向壓力保持恒定，光纖處于一個(gè)均勻壓力場(chǎng)P中，由于沒(méi)有剪切應(yīng)力，故光纖所受的應(yīng)力狀態(tài)可以用一個(gè)三維應(yīng)力矢量來(lái)標(biāo)示：δ=δxδyδz=-P-P-P---(6)]]>相應(yīng)的應(yīng)變狀態(tài)也可以用一個(gè)應(yīng)力矢量來(lái)標(biāo)示：ϵ=δxδyδz=-P(1-2v)/E-P(1-2v)/E-P(1-2v)/E---(7)]]>式中v為光纖材料的泊松比，E是光纖材料的楊氏模量。同時(shí)，軸向應(yīng)變會(huì)引起光柵柵距的改變：ΔΛ＝Λ·εz＝-Λ·P(1-2v)/E(8)由以上分析可知，光纖光柵對(duì)溫度和壓力同時(shí)敏感，當(dāng)測(cè)量其中某一參量時(shí)，不可避免會(huì)受到另一參量的影響，使得測(cè)量誤差非常大甚至造成光纖光柵傳感器無(wú)法應(yīng)用。因此，在實(shí)際應(yīng)用中必須采取措施將這些參量在測(cè)量時(shí)區(qū)分開(kāi)。由于被測(cè)物周?chē)h(huán)境溫度通常是變化的，要實(shí)現(xiàn)光纖光柵對(duì)應(yīng)變或應(yīng)力的精確測(cè)量則需對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行溫度補(bǔ)償。該關(guān)鍵技術(shù)采用的是參考光纖光柵溫度補(bǔ)償方法，在應(yīng)變測(cè)量光纖光柵附近放置一個(gè)自由的光纖光柵，它不受應(yīng)力的影響，只感測(cè)溫度的變化。用參考光纖光柵測(cè)得的溫度變化量來(lái)修正溫度對(duì)測(cè)量應(yīng)變光纖光柵的波長(zhǎng)變化影響，從而達(dá)到溫度補(bǔ)償?shù)淖饔茫瑢?shí)現(xiàn)精確測(cè)量。以上所述的實(shí)施方式僅僅是對(duì)本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非對(duì)本實(shí)用新型的范圍進(jìn)行限定，在不脫離本實(shí)用新型設(shè)計(jì)精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案做出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)落入本實(shí)用新型權(quán)利要求書(shū)確定的保護(hù)范圍內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3