[發明專利]光纖光柵壓力傳感器

無效

• 申請號: 200810010926.3
• 申請日: 2008-04-03
• 公開（公告）號: CN101251009A
• 公開（公告）日: 2008-08-27
• 發明（設計）人: 關柏鷗;陳達
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: E21B47/06
• 分類號: E21B47/06
• 代理公司: 大連理工大學專利中心
• 代理人: 侯明遠

技術領域

本發明屬于光纖傳感技術領域，更具體地說，本發明涉及一種光纖光柵壓力傳感器的結構。

背景技術

在油田開采過程中需要對井下壓力、溫度等參數進行實時監測，了解井下油層的物理狀態，從而優化采油方案，提高油氣產量和采收率。隨著油田開采深度的不斷增加，井下的溫度、壓力升高，傳統的電子式壓力、溫度傳感器無法在井下高溫、高壓、腐蝕、地磁和電干擾等惡劣環境下長期可靠的工作，難以滿足工程測量和生產的實際需要。光纖傳感器具有抗干擾能力強、可靠性好、耐腐蝕、本質安全防爆、體積小、重量輕等突出優點，非常適合在油田測井等惡劣環境下使用。

近年來，光纖光柵傳感器越來越為人們所重視。這種新型傳感器的工作原理是，把被測參數的變化轉換為光纖光柵工作波長的變化，通過檢測光纖光柵的工作波長變化獲知被測參數的大小。光纖光柵傳感器除了具有其它類型光纖傳感器所共有的上述優點之外，還具有編碼方式可靠、易于復用和組網等獨特優點。

最早采用光纖光柵測壓力的例子是M.G.Xu等人在“Optical?in-fibregrating?high?pressure?sensor”一文(Electronics?Letters，vol.29，no.4，pp.398-399，1993)中描述的光纖光柵壓力傳感器。該先有技術直接采用刻寫在普通單模光纖上的光纖光柵感測壓力，所得壓力靈敏度較低，不能滿足實際測量需要。為了提高感測靈敏度，M.G.Xu等人在“Fibre?grating?pressuresensor?with?enhanced?sensitivity?using?a?glass-bubble?housing”一文(Electronics?Letters，vol.32，no.2，pp.128-129，1996)中提出用UV水泥將光纖受拉固定在一個玻璃泡上。盡管靈敏度得到了提高，但是由于采用UV水泥來固定光纖，當在高溫條件下長期使用時，帶來滯后和漂移等現象，其長期可靠性存在問題。另一個例子是，Y.Q.Liu等人在“Simultaneous?pressure?andtemperature?measurement?with?polymer-coated?fibre?Bragg?grating”一文(Electronics?Letters，Vol.36，No.6，pp.564-566，2000)中采用低彈性模量聚合物對光纖光柵進行封裝，據此來提高壓力感測靈敏度。由于聚合物材料存在滯后和蠕變現象，其可靠性和穩定性同樣存在問題。

發明內容

本發明的目的是為了克服現有光纖光柵壓力傳感器或是靈敏度低、或是長期可靠性不好的問題，提供一種靈敏度高、可靠性好的光纖光柵壓力傳感器，并提供能夠同時測量溫度的光纖光柵壓力傳感器。

本發明的技術方案是：

本發明的光纖光柵壓力傳感器，感壓光柵刻寫在含空氣孔光纖上，空氣孔在纖芯周圍沿軸向排列，所述含空氣孔光纖的兩端與不含空氣孔光纖熔接。

本發明的光纖光柵壓力傳感器，還包括參考光柵，參考光柵與感壓光柵的工作波長不同，二者串接，參考光柵刻寫在不含空氣孔光纖上，參考光柵所在光纖與感壓光柵所在光纖是由具有同等雜質濃度的相同材料構成的。感壓光柵所在光纖的纖芯周圍沿軸向對稱排列著4個或6個或8個大空氣孔。構成光纖的材料為石英玻璃，在纖芯中摻有鍺或同時摻有硼和鍺。光纖直徑為125微米，光纖表面覆有金屬膜或碳膜或聚合物膜或碳/聚合物復合膜。

光纖光柵壓力傳感器的工作原理是，在外界壓力作用下光纖被“壓縮”，引起光纖光柵的工作波長發生變化，通過檢測光纖光柵工作波長變化可獲知外界壓力大小。由于含空氣孔光纖比普通光纖更容易被“壓縮”，因此本發明具有較高的靈敏度。由于本發明不需要任何粘結劑或聚合物材料等，其壓力響應僅依賴于光纖材料本身，因此本發明具有長期穩定和可靠性好的優點。

與其它類型傳感器一樣，光纖光柵傳感器也存在著溫度串擾問題，即溫度變化引起光纖光柵工作波長變化，帶來測量誤差。本發明還針對該問題提供了解決方案。具體做法是設置一個參考光柵，參考光柵刻寫在不含空氣孔光纖上。由于參考光柵所在光纖與感壓光柵所在光纖是由具有同等雜質濃度的相同材料構成的，當溫度發生變化時，二者發生相同的波長移動。當外界壓力變化時，感壓光柵發生較大波長移動，而參考光柵發生較小波長移動，二者波長之差僅與外界壓力有關，而與溫度無關，這樣便可實現溫度無關的壓力測量。知道了壓力后，從參考光柵“讀數”中扣除壓力影響，便可知道溫度信息。因此，本發明能夠同時測量壓力和溫度。