[发明专利]一种压力与温度同时检测的光纤光栅传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种光纤光栅传感器，尤其涉及一种压力与温度同时检测的光纤光栅传感器，属于精密测量技术领域。

技术背景

对于油井及海下等压力与温度的参数的测量，经常采用的是传统的电测量方法，通过采用不同的传感器(温度一般用铂电阻温度计、压力一般用应变计或电容等传感器)对温度和压力分别进行检测，然后通过电缆将信号传输至海面的勘探船或底面上的测井装置，再由分析仪器对信号进行处理。这种方法的最大弊端是电信号容易受到井下恶劣环境的影响，由于其带有电信号，因此存在不安全因素，另外远距离的信号传输会引起信号很大的损耗。

目前，国内外对压力检测的研究有很多方法，但能适合井下较高压力(最高可达140MPa)和温度(最高到175℃)的实用方法，尤其是通过同一个传感器同时检测压力与温度的方法还没有见到过报导。

在以光纤传感器技术为基础的较高压力检测技术方面，(W.J.Bock，T.Eftimov，G.F.Molinar，and R.Wisniewski.Free Active Element Bulk-Modulus High-PressureTransducer Based on Fiber-Optic Displacement Sensor.IEEE TRANSACTIONS ONINSTRUMENTATION AND MEASUREMENT，47(1)，1998)曾提出“弹性圆筒+强度调制型光纤位移传感器”，基于压力的变化引起弹性圆筒径向和轴向扩张或伸缩(这里是利用圆筒在外部压力的作用下收缩产生的径向变形)，利用光纤位移传感器来检测这一径向的尺寸变化，从而获得外界压力信息，实现了最高可达140MPa的测量范围，测量精度估计可达1.5％。这种方法的不足之处是：基于强度调制型的光纤位移传感器对压力产生的悬臂梁的挠度进行检测时，容易受到光源光强度的波动、光纤连接器及耦合器等的不稳定性、光纤传输损耗以及环境光干扰等因素给测量带来的影响，这也是强度调制型光纤传感器所存在的共性问题，从而制约了这种传感器的实用化和商品化。而且这种传感器只能实现压力的单参数检测，而在一些工程实际中，压力较大的场合往往都会有较高的温度同时存在，而温度又会在一定范围内变化或波动(如在海洋油井中，压力和温度都会随着井深而增加)，这就必定会给测量系统带来影响。所以有必要在压力检测的同时，实现对温度的分离检测，以便于实时补偿修正或进行双参数同时监测。

发明内容

本发明的目的是提供一种压力与温度同时检测的光纤光栅传感器，以克服已有技术的不足，既可实现复杂和恶劣环境下的压力的检测问题，还可以通过同一套装置实现温度与压力同时共点的高灵敏度分离检测。

本发明的技术方案如下：

一种压力与温度同时检测的光纤光栅传感器，主要包括一个自由弹性圆筒型压力换能器，置于自由弹性圆筒型压力换能器内的悬臂梁机构，传输光纤，密封部件，预紧弹簧、带有静压孔的外部保护壳以及起定位作用的端部元件，其特征在于：在悬臂梁的上下表面的对应位置上分别固结两只光纤光栅，两只光纤光栅通过一个光纤耦合器与传输光纤相连。

本发明所述的悬臂梁机构采用等厚的等腰三角形结构。

本发明的特征还在于所述的密封部件对称的设置在自由弹性圆筒型压力换能器两端，并与自由弹性圆筒分别以端面的密封垫和柱面的环形密封圈进行双重密封连接。

本发明具有以下特点及有益效果：

(1)由于采用了双光纤光栅传感器结构，可同时共点的实现压力与温度双参数测量；

(2)传感器中没有电子器件及电信号传输，使传感器不受电磁场的干扰、电绝缘、安全性好；

(3)由于采用了差动测量技术，解决了光栅传感器测量信号交叉敏感问题，并提高了测量灵敏度，其压力测量的灵敏度为23pm/MPa，温度测量的灵敏度为28pm/℃；

(4)由于采用了等厚的等腰三角形悬臂梁结构，避免了光栅信号的啁啾现象，提高了测量的分辨率，选用分辨率为1pm的光栅信号解调系统，传感器系统压力检测的分辨率可达0.05MPa，温度检测分辨率可达0.04℃。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为本发明实施例中自由圆筒在外界压力作用下内径变化示意图。

图3为本发明实施例的悬臂梁结构示意图。

图4为图3的俯视图。

图5为本发明实施例自由圆筒压力换能器内径尺寸变化与被测压力的关系曲线。

图6为本发明实施例压力检测特性曲线。

图7为本发明实施例温度检测特性曲线。

具体实施方式