[发明专利]利用适用于高温的光纤的传感系统

说明书

相关申请

本发明涉及2004年2月11日提出、公布号WO 2004/073172、发明名称为“为远程测量生成和发送高能光脉冲的方法和装置(Method and Apparatus for Generation and Transmission of HighEnergy Optical Pulses for Long Range Measurements)”(参考SENS006)、2005年3月22日提出、公布号WO 2005/106396、发明名称为“分布式光传感系统中布里渊频率的直接测量(Direct Measurementof Brillouin Frequency in Distributed Optical Sensing System)”(参考SENS 007)、和2005年7月7日提出、PCT公布号PCT/GB2005/050107、发明名称为“干涉棒(Intervention Rod)”(参考SENS 008)的先前提出案例，特此全文引用，以供参考。

技术领域

本发明涉及传感系统、传感方法、和适用于高温环境的传感光纤。

背景技术

在工业上需要长距离测量像应变或温度那样的条件和所有点上的其它条件。典型使用是监视油气井、长缆线和管道。可以显示或分析测量结果和将它们用于推断结构的条件。分布式温度传感器(DTS)常常将光纤中散射光的拉曼(Raman)或布里渊(Brillouin)成分用作确定温度的手段。这里，向光纤发射来自光源的光线，并且分析散射回到光源的少量光线。通过使用脉冲光和测量随时间而变的返回信号，可以将背散射光与沿着光纤的距离相关联。这种背散射光包含弹性散射的成分(瑞利(Rayleigh)光)、和频率相对于源光向上和向下移动的成分(分别是拉曼和布里渊反斯托克斯(anti-Stokes)和斯托克斯(Stokes)光，也称为非弹性散射光)。返回拉曼成分的功率是温度相关的，因此，分析这些成分可以得出温度。返回布里渊成分的功率和频率是应变和温度相关的，因此，分析这两种成分可以独立得出温度和应变。这样的系统已经存在许多年了。

典型的光纤由一层包层内的芯线和此后的一个或多个缓冲层组成。芯线为光线提供通路。包层将光线限制在芯线内。缓冲层为芯线和包层两者提供机械和环境保护。典型单模光纤(SMF)由含有直径为125±2微米(μm)的包层和在包层的中心上含有直径为8±1μm的芯线的精密压制玻璃组成。缓冲层通常由涂覆在包层外表面上的柔性聚合物组成。大多数商用光纤由聚合物涂层的缓冲层制成。对于像聚酰亚胺那样的特殊聚合物材料，这种类型的光纤在正常大气压下在高达300℃的温度下可以提供良好的性能。但是，在300℃以上和在多水或大含量氢环境下，由于涂层的恶化和/或氢的进入，光纤的性能显著变差。众所周知，对于较高工作温度和较高抗氢进入性，在光纤上使用金属涂层。在这种情况下，让光纤穿过熔点低于光纤的一罐(pot)熔融金属。随着金属凝固，在光纤周围形成厚金属涂层。但是，由于金属和光纤材料的膨胀系数不同，金属涂层将附加应力施加在光纤上，通常导致更大的光损。另一个问题是，由于在光纤中金属涂层引起脆弱点的几率较高、和常用涂覆设备的能力的局限性，使生产连续长光纤的能力下降。

此外，众所周知，纤维光缆在像在向下打眼(down-hole)光纤传感应用中遇到的那些那样的恶劣环境下可以恶化。正如在美国专利第6,404,961号中所讨论的那样，向下打眼环境条件可以包括超过130℃的温度、超过1000巴的流体静压、振动、腐蚀性化学性质、和氢的高分压的存在性。长期以来，人们已经证明了氢对光纤的光学性能的有害影响，尤其在远程通信工业的海底设施中。为了防止光纤受氢影响，像碳涂层等那样的密封涂层和屏障已经用于使氢的影响最小化。但是，这样的水下环境是寒冷的。在在恶劣向下打眼环境下经历的升高温度下，这样的涂层丧失了它们的抗氢渗透性。另外，在这样的高温下，氢对光纤的影响可能加速和加强。

美国专利第6,404,961号建议使用包括含有包含在其中的一条或多条光纤的内不透钢管的芯线，周围保护层包括外不透钢管和位于外管和内管之间的像聚四氟乙烯那样的一层缓冲材料，缓冲材料维持一般处在外管内的中心上的内管和提供内管和外管之间的机械连接以防止它们之间的相对运动。可以给内钢管涂上像碳那样的低氢渗透性材料，使氢的进入达到最小。可以给碳涂上聚合物的保护层，以防止像碳擦破那样的伤害。