高灵敏度偏振无关的边孔光纤光栅温度压力传感检测系统.pdf

本发明公开一种高灵敏度偏振无关的边孔光纤光栅温度压力传感检测系统，包括有光源、两个光耦合器、显示器，还设置有边孔光纤光栅温度压力传感器、边孔光纤光栅解调仪，其中，光源通过传输光纤分别与两个光耦合器的输入端相连，两个光耦合器各自的一个输出端对应与边孔光纤光栅温度压力传感器一端的两根单模传输光纤相连接，两个光耦合器各自的另一个输出端又分别通过单模传输光纤与边孔光纤光栅解调仪的输入端相连，边孔光纤光栅解调仪的输出端与显示器相连。本发明的光纤光栅传感器具有可靠、稳定、高精度和长寿的特点，可在高温下，从低于一个大气压到几百个大气压下的压力变化范围内，准确地测量温度和压力。本发明可用于高温和大压力变化范围的采油井在线检测。

1.  一种高灵敏度偏振无关的边孔光纤光栅温度压力传感检测系统，包括有光源(34)、两个光耦合器(32、33)、显示器(35)，其特征在于，还设置有边孔光纤光栅温度压力传感器(36)、边孔光纤光栅解调仪(37)，其中，光源(34)通过传输光纤分别与两个光耦合器(32、33)的输入端相连，两个光耦合器(32、33)各自的一个输出端对应与边孔光纤光栅温度压力传感器(36)一端的两根单模传输光纤(9、10)相连接，两个光耦合器(32、33)各自的另一个输出端又分别通过单模传输光纤(9、10)与边孔光纤光栅解调仪(37)的输入端相连，边孔光纤光栅解调仪(37)的输出端与显示器(35)相连。

2.  根据权利要求1所述的高灵敏度偏振无关的边孔光纤光栅温度压力传感检测系统，其特征在于，所述的边孔光纤光栅温度压力传感器(36)包括有：两个平行设置的边孔光纤光栅(1、2)；分别与两个边孔光纤光栅(1、2)两侧相切的增敏隔板(3、4)；分别堵在两个边孔光纤光栅(1、2)一端的单模光纤(11、12)和分别堵在两个边孔光纤光栅(1、2)另一端的两根单偏振单模光纤(7、8)；两根单偏振单模光纤(7、8)的另一端分别连接单模传输光纤(9、10)；其中，连接在一起的两个平行设置的边孔光纤光栅(1、2)、增敏隔板(3、4)、单模光纤(11、12)和单偏振单模光纤(7、8)设置在一多孔金属保护罩(5)内，其中的两根单偏振单模光纤(7、8)的端头露在多孔金属保护罩(5)一端的外侧与单模传输光纤(9、10)连接。

3.  根据权利要求2所述的高灵敏度偏振无关的边孔光纤光栅温度压力传感检测系统，其特征在于，所述的内部设置有边孔光纤光栅(1、2)、增敏隔板(3、4)、单模光纤(11、12)和单偏振单模光纤(7、8)的金属保护罩(5)的外侧还设置有不锈钢管封装(6)，不锈钢管封装(6)的底端口封有金属网罩(17)并通过锁紧螺母(15)、O型圈(16)固定；不锈钢管封装(6)的上端口为只穿过单模传输光纤(9、10)的封闭端口，且在单模传输光纤(9、10)的穿出处设置有与单模传输光纤(9、10)连接的上冒(13)。

4.  根据权利要求2所述的高灵敏度偏振无关的边孔光纤光栅温度压力传感检测系统，其特征在于所述的边孔光纤光栅(1、2)采用超窄带相移光纤光栅或普通边孔光纤光栅。

5.  根据权利要求2所述的高灵敏度偏振无关的边孔光纤光栅温度压力传感检测系统，其特征在于，所述的增敏隔板(3、4)采用热膨胀系数与边孔光纤相同的材料。

6.  根据权利要求2所述的高灵敏度偏振无关的边孔光纤光栅温度压力传感检测系统，其特征在于，所述的边孔光纤光栅(1、2)的纤芯上、下形成有一对对称的空气孔(38)，两空气孔(38)中心连线的延长线的两端与两个增敏隔板(3、4)相切。

7.  根据权利要求1所述的高灵敏度偏振无关的边孔光纤光栅温度压力传感检测系统，其特征在于，所述的边孔光纤光栅解调仪(37)包括有分别与两根单模传输光纤(9、10)相连接的两路由可调滤波器(21/22)、光电二极管(27/28)、放大器(29/30)串接构成的信号传送路径，以及与两路信号传送路径终端的放大器(29、30)的输出端相连的PC计算机(31)。

高灵敏度偏振无关的边孔光纤光栅温度压力传感检测系统
技术领域
本发明涉及一种光纤光栅温度压力传感检测装置。特别是涉及一种可靠、稳定、具有高精度和长寿命，并可用在大压力范围的温度压力检测，适用于高温高压的采油井的温度压力在线检测的高灵敏度偏振无关的边孔光纤光栅温度压力传感检测系统。
背景技术
光栅传感器是近几年正在研发的新型传感器，光纤光栅传感器可集信息的传感与传输于一体，与传统的传感器相比它具有很多优势：如防爆，抗电磁干扰，抗腐蚀，抗震动，耐高温，体积小，重量轻，灵活方便。特别能在恶劣环境下使用。在油田的开发和生产中，人们需要知道在有关地层中，流体(油，气和水)的分布和流动参数(温度，压力，流量等)，以便进行控制从而获得最佳的运行状态。为获得这些参数，需要在多个产油井，注水井和测量井中设置相应的传感器，对地层中(往往涉及多个地层)的油气水流动参数进行连续监控。其测量的准确性和可靠性是非常重要的。
由于油井内测量条件恶劣：温度高，压力大，有腐蚀性物质和电磁干扰等。在这里，因为电子类传感器固有的弱点(体积、重量大，易受电磁干扰，可靠性、安全性隐患多，运行维护费用高，寿命短)，因而这类传感器难以使用。相反，光纤光栅传感器由于其体积小、重量轻、抗腐蚀、抗电磁干扰、耐高温和高压，在油气环境中不会引燃引爆，是一种“本质安全”的传感器，从而，它是一种对油井，地热井中的温度、压力进行测量的理想传感器。
为了更好地对地层的储油层和油层开发的动态进行评价，确定油田开发部署，给工程地质科技人员为精细描述油藏动态提供科学依据，油藏的实时在线监测显得尤其重要。由于技术条件的限制，在过去长期使用的检测方法是进行抽油机起泵测压，既影响生产，又增加成本。环空测试由于外界影响的因素太多，成功率很低，对水平井，稠油井的测试方法不太成熟，油井和水井的分层压力动态无法长期在线检测，油井地层的资料的准确获得成为油田监测工作的一大难题。
采油井的压力变化从一个大气压到数百个大气压，温度高达400度，采用一般的光纤光栅传感器封装工艺十分困难，长期可靠性无法保证，普通的布拉格光纤光栅传感器温度和压力的变化是交错在一起，无法绝对分开，因此对于高精度测量压力困难大。
目前有同时测量温度和压力的光纤光栅传感器，应用的压力范围都小。如：
中国专利CN02156479.公开了一种把一根光纤光栅分成两段，用两种不同的化学聚合物分别对光纤光栅进行封装，在这种封装下的光纤光栅将出现两个不同波长的反射峰，它可以同时测量温度和压力。由于这种封装是化学聚合物，无法承受数百个大气压；虽然它有两个反射峰，但每一个反射峰都是温度和压力的函数，精度、可靠性和寿命都得不到保证。
中国专利CN02148911.4用保偏光敏光纤制作双折射光纤光栅，其性能是用于通讯中的色散补偿。而且用保偏光敏光纤制作双折射光纤光栅传感器的对外界压力的灵敏度小于边孔光敏光纤。
中国专利CN02121327.5公开了一种可以同时测量温度压力的光纤光栅温度-压力传感器，它的基本原理是基于悬臂梁技术；光纤光栅粘接在悬臂梁上，悬臂梁受外力作用伸长或压缩，带动光纤光栅反射波长的变化，由于长期的机械运动，又要承受大范围的压力变化，目前封装工艺无法保证波长稳定不漂移，在低压范围内工作寿命也有限，这种机构不能应用于大的压力变化范围。用普通的布拉格边孔光纤光栅解决了温度和压力交叉敏感的问题，但是普通布拉格光纤光栅的3dB带宽一般为200pm左右，在两个偏振光的峰尖分离距离小于60pm时，两个偏振光的峰尖分离距离很难检测。
习知的技术存在的问题：一是普通光纤光栅传感器存在严重的温度和压力敏感交叉问题，光纤光栅的温度变化极大地影响压力测量的精度：二是使用普通光纤光栅温度压力传感器的封装方法无法保证测量的可靠性和寿命。三是利用悬臂梁等其他具有机械运动的方法不能长期承受大的压力变化。四是用普通布拉格边孔光纤光栅在小的压力下检测困难。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有可靠、稳定、高精度和长寿命，由可以在高温下，从低于一个大气压到几百个大气压下的压力变化范围内，准确地测量温度和压力的封装简单、无机械运动的长寿命光纤光栅温度、压力传感器，以及高精度边孔光纤光栅解调仪构成的，可用于高温高压采油井的温度压力在线检测的高灵敏度偏振无关的边孔光纤光栅温度压力传感检测系统。
本发明所采用的技术方案是：一种高灵敏度偏振无关的边孔光纤光栅温度压力传感检测系统，包括有光源、两个光耦合器、显示器，还设置有边孔光纤光栅温度压力传感器、边孔光纤光栅解调仪，其中，光源通过传输光纤分别与两个光耦合器的输入端相连，两个光耦合器各自的一个输出端对应与边孔光纤光栅温度压力传感器一端的两根单模传输光纤相连接，两个光耦合器各自的另一个输出端又分别通过单模传输光纤与边孔光纤光栅解调仪的输入端相连，边孔光纤光栅解调仪的输出端与显示器相连。
所述的边孔光纤光栅温度压力传感器包括有：两个平行设置的边孔光纤光栅；分别与两个边孔光纤光栅两侧相切的增敏隔板；分别堵在两个边孔光纤光栅一端的单模光纤和分别堵在两个边孔光纤光栅另一端的两根单偏振单模光纤；两根单偏振单模光纤的另一端分别连接单模传输光纤；其中，连接在一起的两个平行设置的边孔光纤光栅、增敏隔板、单模光纤和单偏振单模光纤设置在一多孔金属保护罩内，其中的两根单偏振单模光纤的端头露在多孔金属保护罩一端的外侧与单模传输光纤连接。
所述的内部设置有边孔光纤光栅、增敏隔板、单模光纤和单偏振单模光纤的金属保护罩的外侧还设置有不锈钢管封装，不锈钢管封装的底端口封有金属网罩并通过锁紧螺母、O型圈固定；不锈钢管封装的上端口为只穿过单模传输光纤的封闭端口，且在单模传输光纤的穿出处设置有与单模传输光纤连接的上冒。
所述的边孔光纤光栅采用超窄带相移光纤光栅和普通边孔光纤光栅中的一种。
所述的增敏隔板采用热膨胀系数与边孔光纤相同的材料。
所述的边孔光纤光栅的纤芯上、下形成有一对对称的空气孔，两空气孔中心连线的延长线的两端与两个增敏隔板相切。
所述的边孔光纤光栅解调仪包括有分别与两根单模传输光纤相连接的两路由可调滤波器、光电二极管、放大器串接构成的信号传送路径，以及与两路信号传送路径终端的放大器的输出端相连的PC计算机。
所述的两路中的可调滤波器均是由一个温度控制器与一个超窄带相移光纤光栅相并联的连接而构成。
本发明的高灵敏度偏振无关的边孔光纤光栅温度压力传感检测系统，所涉及的光纤光栅传感器，不需要严密封闭的腔室，不存在很大压差的空间，大大放宽了传感器各部件制作的容差，传感头中，边孔光纤光栅上除了有被测静压力以外没有其它应力，是处于自由状态，而且传感头不含有任何的机械传动机构。从而使得光纤光栅传感器具有可靠、稳定、高精度和长寿的特点，可在高温下，从低于一个大气压到几百个大气压下的压力变化范围内，准确地测量温度和压力。本发明可用于高温和大压力变化范围的采油井在线检测。
本发明解决了现有技术中所存在的如下问题：
1、解决了普通的布拉格光纤光栅的在低压时两个偏振方向的峰是无法分开的问题。因普通的布拉格光纤光栅的3dB带宽大约是200pm，当两个偏振方向的峰的分离值小于40pm时，也就是在外界压力低于5Mpa时，就很难用一般的方法去测量两个偏振方向的峰的分离值，如图b所示这两个峰叠加后只能看到一个峰值。本发明中的高精度边孔光纤光栅温度压力传感器采用超窄带相移光纤光栅，它的3dB带宽大约是2-5pm。这样就解决了低压下的峰间分离值测量问题。
2、解决了两个偏振方向的信号光在传输过程中互相干扰的问题。由于传输光纤的不均匀性和振动，每一个偏振光的偏振态会发生变化，因此无法测量两个偏振方向的峰的分离值的准确值。为此本发明采用了把两个偏振信号光分开传输的方法。用了两个相同的传感器，每一个传感器与一条单偏振单模光纤相接。单偏振单模光纤具有非常好的消光作用。当传感器与单偏振单模光纤相接后，传感器的两个偏振光的其中一个会消除，只有一个偏振光会保留传输，它们分别传输到解调系统解调，解决了信号不稳定问题。
3、解决了从一个大气压到40Mpa，两个偏振方向的峰的分离值的变化大约为270pm，这样小的变化量对测量精度高的情况很难的问题。本发明采用了增敏，即用两片石英玻璃(可以用与光纤相近的其他材料，如Kovar，Invar等)与传感器的两侧相切，把面接触变成线接触，把压力集中在传感器的两侧与石英玻璃相切的一条线上，增大了对传感器的压强，增大了传感的灵敏度。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明边孔光纤断面结构示意图；
图3是本发明的边孔光纤光栅传感头与增敏隔板组合示意图；
图4是本发明光纤光栅温度压力传感器组装结构示意图；
图5是本发明的边孔光纤光栅解调仪的结构示意图；
图6是传统边孔光纤光栅在低压下的反射谱，其中a图是用传统的解调系统显示的图，b图是用偏振扫描得到的图。
其中：
1、2：边孔光纤光栅                  3、4：增敏隔板
5：多孔金属保护罩                   6：不锈钢管封装
7、8：单偏振单模光纤                9、10：单模传输光纤
11、12：单模光纤                    13：上冒
15：锁紧螺母                        160型圈
17：金属网罩                        21、22可调滤波器
23、24：温度控制器                  26、25超窄带相移光纤光栅
27、28：光电二极管                  29、30放大器
31：PC计算机1                       32、33：光耦合器
34：光源                            35：显示器
36：边孔光纤光栅温度压力传感器      37：边孔光纤光栅解调仪
38：空气孔
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的高灵敏度偏振无关的边孔光纤光栅温度压力传感检测系统做出详细说明。
如图1所示，本发明的高灵敏度偏振无关的边孔光纤光栅温度压力传感检测系统，包括有光源34、两个光耦合器32、33、显示器35，还设置有边孔光纤光栅温度压力传感器36、边孔光纤光栅解调仪37，其中，光源34通过传输光纤分别与两个光耦合器32、33的输入端相连，两个光耦合器32、33各自的一个输出端对应与边孔光纤光栅温度压力传感器36一端的两根单模传输光纤9、10相连接，两个光耦合器32、33各自的另一个输出端又分别通过单模传输光纤9、10与边孔光纤光栅解调仪37的输入端相连，边孔光纤光栅解调仪37的输出端与显示器35相连。
如图3、图4所示，所述的边孔光纤光栅温度压力传感器36包括有：两个平行设置的边孔光纤光栅1、2；分别设置在两个平行的边孔光纤光栅1、2的上、下两侧，即与两个边孔光纤光栅1、2的上、下两侧边相切的增敏隔板3、4，增敏隔板3、4采用具有与边孔光纤光栅1、2相同的热膨胀系数系数的材料，它的功能是增加边孔光纤光栅1、2的压力敏感性。如采用石英玻璃板，也可以采用其它类似的材料例如Kovar，Invar等材料和其它增敏方法提高边孔光纤光栅的压力敏感性；还设有分别堵在两个边孔光纤光栅1、2一端的单模光纤11、12，其单模光纤11、12是只有几毫米长的普通单模光纤，普通单模光纤的功能是密封边孔光纤光栅的纤芯上的两个对称的边孔，以保证外部液体不进入边孔光纤光栅的纤芯上的两个对称的边孔内；还有分别堵在两个边孔光纤光栅1、2另一端的两根单偏振单模光纤7、8，单偏振单模光纤7、8只有一米长左右，它的功能是分离两个偏振反射信号；两根单偏振单模光纤7、8的另一端分别连接单模传输光纤9、10；上述连接在一起的两个平行设置的边孔光纤光栅1、2、增敏隔板3、4、单模光纤11、12和单偏振单模光纤7、8设置在一多孔金属保护罩5内，其中的两根单偏振单模光纤7、8的端头露在多孔金属保护罩5一端的外侧与单模传输光纤9、10连接。
所述的内部设置有边孔光纤光栅1、2、增敏隔板3、4、单模光纤11、12和单偏振单模光纤7、8的金属保护罩5的外侧还设置有不锈钢管封装6，不锈钢管封装6的底端口封有金属网罩17并通过锁紧螺母15、0型圈16固定，金属网罩17的功能是防止沙石等异物进入不锈钢管内伤害边孔光纤光栅温度压力传感单元；不锈钢管封装6的上端口为只穿过单模传输光纤9、10的封闭端口，且在单模传输光纤9、10的穿出处设置有与单模传输光纤9、10连接的上冒13。
上述的结构保证了边孔光纤光栅温度压力传感器的可靠性，使它既具有获得传感信号的功能，同时又可以防止外界的可能对边孔光纤光栅温度压力传感器的损坏。边孔光纤光栅温度压力传感器在外力作用下，通过边孔光纤光栅反射回来的布拉格波长有两个不同偏振方向的波长峰值。
边孔光纤光栅温度压力传感器的两个反射波长具有相同的温度性能。两个反射波长峰值之间的距离与外界压力有很高的敏感性，与温度变化很小，小于0.05pm/℃，是普通光纤温度系数的1/200。因此在测量精度范围内可以不考虑温度的影响。
边孔光纤光栅温度压力传感器的其中一个反射波长与外界压力不敏感，它的反射波长改变值是温度的函数，由此可以获得被测环境的温度。
如图2、图3所示，所述的边孔光纤光栅1、2的纤芯上、下形成的一对对称的空气孔38，使边孔光纤光栅具有双折射性能。两空气孔38中心连线的延长线的两端与两个增敏隔板3、4相切。其中的边孔光纤光栅1、2可以采用超窄带相移光纤光栅还可以采用普通边孔光纤光栅。在本实例中边孔光纤光栅传感器中的边孔光纤光栅1、2采用边孔单模光敏光纤制作的超窄带相移光纤光栅，它的3dB带宽在2-3pm。
如图5所示，所述的边孔光纤光栅解调仪37包括有分别与两根单模传输光纤9、10相连接的两路由可调滤波器21/22、光电二极管27/28、放大器29/30串接构成的信号传送路径，以及与两路信号传送路径终端的放大器29、30的输出端相连的PC计算机31。
所述的两路中的可调滤波器21、22根据测量精度的需要，可以采用目前市场上出售的各种光可调滤波器类型中的任何一种；如图5所示，本实施例采用高精度温度控制的窄带滤波器，即是由一个温度控制器23/24与一个超窄带相移光纤光栅26/25相并联的连接而构成。
可调滤波器检出的传感信号由光电二极管转化为电信号进行放大进入计算机软件等处理；整个系统具有预警，报警，显示，存储，网络传输进行远程控制和打印等功能。
以上所述仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改，等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。