[发明专利]一种光纤温度压力传感器及其探头

说明书

技术领域

本发明涉及到一种光纤温度压力传感器及其探头。

背景技术

目前我国在稠油井井下温度压力监测中，主要使用电子类传感器。但是稠油井井下环境非常恶劣，井下的高温、高压以及液气腐蚀容易导致井下传感器的失效，电子类传感器往往采用存储式测量，这种测量方式需要将传感器放入保温瓶内，然后放入井下，在一定时间段内测量，超过这个时间段则必须将传感器从井下取出，否则就会失效，而且无法实现实时在线监测。目前国外有一些电子类传感器可以作到实时在线监测，但是使用这种传感器测量时，也需要将传感器放入保温瓶中，同时也有测量的时间限制，无法作到长期实时在线监测。

光纤传感器，因其采用石英玻璃光纤作为传感器核心元件，故而对于高温高压以及液气腐蚀的耐受能力远远高于电子类传感器。目前应用于油井测量的光纤传感器分为两种：光纤光栅传感器和光纤法布里帕罗腔传感器。光纤光栅传感器是通过对光纤光栅的特殊封装使其对待测参量敏感，并通过光纤光栅波长的变化来测量待测参量的大小及方向，例如温度、应变、应力、位移、速度和加速度等。光纤光栅的封装方式决定了光纤光栅传感器的性能，如测量精度、量程、稳定性、工作环境影响、使用寿命等等。目前光纤光栅的封装方式一般有两种：胶封装以及金属化封装。胶封装就是使用胶将光栅两端固定的方式，金属化封装就是利用化学镀将光栅两端镀上金属层，然后利用金属层进行焊接固定的方式。然而经过胶封装和金属化封装的光纤光栅传感器在高温环境下都会发生明显的蠕变现象，即封装固定点移动，这就造成了零点漂移，对传感器的精度和稳定性有很大的影响，不适用于油井井下环境的测量。相对来说，目前用于油井测量的光纤法布里帕罗腔传感器核心元件是由高纯石英玻璃制成，传统结构一般是将两根单模石英光纤通过胶封装或者焊接封装的方式固定在一根石英玻璃管内。这种传感器具有耐高温、量程大、精度高、稳定性和重复性好、使用寿命长等优点。但是，光纤法布里帕罗腔与金属外壳的封装方式一直以来都是通过胶粘或者金属化封装的方式实现密封固定，在油田的长期应用中发现，这两种联接方式在油井中并不稳定，非常容易在封装的位置造成泄露，因为胶会与油井中的液气成分在高温下发生化学反应，即液气成分会对胶造成腐蚀，油井中的液气就会沿腐蚀部位流入传感器内部，从而造成光纤法布里帕罗腔传感器的损坏以及信号传输的中断；而金属化封装的传感器探头在金属化封装部位易受井下液气腐蚀，也很容易泄露。鉴于玻璃焊接采用的玻璃焊料具有耐高温、耐腐蚀、密封性能好等特点，光纤法布里帕罗腔传感器封装的最佳方案，是采用玻璃焊接的方式将光纤法布里帕罗腔与传感器金属部件密封固定在一起。但是光纤法布里帕罗腔的材质主要是石英玻璃，其热膨胀系数与金属差异很大，在进行玻璃焊接的时候，焊接部位的高温与急速降温现象很容易造成光纤法布里帕罗腔的损坏，致使其失效或者无法耐受高温高压。

另一方面，传统的光纤法布里帕罗腔传感器的这种封装方式决定了传感器核心元件与金属外壳联接之后不可拆卸，必须将传感器整体封装完毕之后才能进行测试以及标定，若在测试及标定过程中发生传感器失效或者损坏的情况，则必须将整只传感器报废，大大降低了成品率，延长了产品生产周期。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种油井下实用的光纤温度压力传感器探头，采用玻璃焊接及机械卡紧密封的封装工艺，具有径向尺寸小、密封性好、测量精度高、使用寿命长、长期监测稳定性好等特点，并可适用于所有流体压强及温度的实时在线测量。传感器探头的核心元件为独立元件，可以独立进行测试及标定，与金属外壳封装联接后，可以用于油井的测量。

本发明所采用的技术方案是：一种光纤温度压力传感器探头，它包括主体保护套筒以及固定设置于主体保护套筒一端的主体套筒，其特征是在主体套筒两端分别固定设置有光纤法布里帕罗腔保护套筒和光纤光栅保护件，光纤法布里帕罗腔保护套筒插入到主体保护套筒中；

在光纤法布里帕罗腔保护套筒上与主体套筒相对的一端固定设置有石英玻璃进压管；

在主体套筒中固定设置插芯，在插芯中设置有由石英玻璃毛细管以及自石英玻璃毛细管两端插入并固定的第一光纤段和第二光纤段，在石英玻璃毛细管中保持间隔的第一光纤段和第二光纤段组成光纤法布里帕罗腔；所述插芯与石英玻璃毛细管之间的配合方式为间隙配合且使用玻璃焊料焊接的方式密封固定；

在第一光纤段上设置有光栅，光栅两端用高温密封胶粘接在光纤光栅保护件上且使所述光栅保持一定弧度的弯曲，并处于不受力自由状态，作为光纤温度传感器。