CN112798159A - 一种碳纤维管封装的光纤光栅压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳纤维管封装的光纤光栅压力传感器，属于光纤传感领域，包括碳纤维管、封装体及光导纤维；光导纤维上设有温度补偿光栅和压力敏感光栅；温度补偿光栅通过柱形封装体被封装在空心钢管中；压力敏感光栅通过耐高温环氧树脂胶和碳纤维管相连，碳纤维管的两端通过耐高温环氧树脂胶和T型封装体相连；T型封装体通过耐高温环氧树脂胶和U型封装体相连。本发明利用碳纤维管封装的压力传感器，其制备工艺简单，制备成本低，可实现分布式传感，在实际中具有广泛的应用前景。该压力传感器进行压力测试时，可以在0‑80MPa甚至更高的压力范围达到较大的压力灵敏度，同时可以在高温环境下工作，带有温度补偿光栅，可在高温高压恶劣环境下稳定工作。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种碳纤维管封装的光纤光栅压力传感器。
背景技术
在石油天然气开采过程中，压力是其重要的参数之一，它对于确定油层分布确保开采过程中的安全极为重要。但油气井下环境恶劣，高温高压和一些腐蚀性气体使传统的电子传感器很难稳定长久的测量，这对传感器的设计和封装提出了巨大的挑战。光纤传感器凭借其体积小、质量轻、耐高温、耐腐蚀、抗电磁干扰强、可实现分布式传感等一系列优点，得到人们的广泛关注，并被应用于航空航天、油气井下等恶劣环境下。
目前光纤压力传感器应用的方案主要有光纤布拉格光栅型，法布里-珀罗干涉仪型和光子晶体光纤型。基于法布里-珀罗干涉仪和光子晶体光纤的压力传感器都需要复杂的加工方式和结构，也很难在高压范围内实现高的灵敏度。基于光纤光栅封装的压力传感器，通过弹性体比如聚合物或者设计一些结构进行封装，但这种方式很难兼顾传感量程和灵敏度之间的关系，要么是低量程高灵敏度，要么是高量程低灵敏度，而且难以在高温高压环境下稳定工作。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明要解决的问题是：提供一种碳纤维管封装的光纤光栅压力传感器。该传感器解决了普通光纤传感器灵敏度和量程之间的关系，能够在大的测量范围内实现高灵敏的测量，其制备工艺简单、成本低，且传感器带有温度补偿光栅，能够满足在高温高压环境下对压力的实时监控。
本发明通过以下技术方案实现:
一种碳纤维管封装的光纤光栅压力传感器，包括碳纤维管7、封装体及光导纤维10；所述光导纤维10上设有温度补偿光栅1和压力敏感光栅8；所述温度补偿光栅1通过柱形封装体2被封装在空心钢管3中；所述压力敏感光栅8通过耐高温环氧树脂胶和碳纤维管7相连，所述碳纤维管7的两端通过耐高温环氧树脂胶和T型封装体5相连；所述T型封装体5通过耐高温环氧树脂胶和U型封装体4相连；所述U型封装体4一侧有一截螺杆。
优选地，所述碳纤维管7是采用编织的工艺制成，所述编织工艺为三维四向编织法，材料为碳纤维丝。
优选地，所述T型封装体5、U型封装体4、柱形封装体2的材料均为不锈钢材料。
优选地，所述T型封装体5和碳纤维管7的部分连接处、U型封装体4和碳纤维管7的部分连接处均设置有螺纹6。
优选地，所述压力敏感光栅8沿碳纤维管7的轴向位置粘贴在碳纤维管7表面的正中心处，外面覆盖一层碳纤维片9。
优选地，所述温度补偿光栅1和压力敏感光栅8为飞秒激光逐点法刻写的光纤布拉格光栅。
优选地，所述光导纤维10是带有聚酰亚胺涂覆层的单模光纤。
与现有的压力传感器的制备方法相比，本发明具有以下优点：
(1)利用碳纤维管封装的压力传感器，其制备工艺简单，制备成本低，可实现分布式传感，在实际中具有广泛的应用前景。
(2)该压力传感器进行压力测试时，可以在0-80MPa甚至更高的压力范围达到较大的压力灵敏度，同时可以在高温(理论可达300℃)环境下工作，另外该压力传感器带有温度补偿光栅，可以很好地在高温高压恶劣环境下稳定工作。
附图说明
图1是本发明的一种碳纤维管封装的光纤光栅压力传感器的结构示意图；
图中，1-温度补偿光栅，2-柱形封装体，3-空心钢管，4-U型封装体，5-T型封装体，6-螺纹，7-碳纤维管，8-压力敏感光栅，9-碳纤维片，10-光导纤维。
图2是本发明的一种碳纤维管封装的光纤光栅压力传感器的压力敏感光栅的温度响应曲线；
图3是本发明的一种碳纤维管封装的光纤光栅压力传感器的压力敏感光栅在常温下的压力响应曲线；
图4是本发明的一种碳纤维管封装的光纤光栅压力传感器的压力敏感光栅在不同温度下的压力响应曲线；
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
实施例1
本发明公开了一种碳纤维管封装的光纤光栅压力传感器，包括碳纤维管，封装体，光导纤维，其结构示意图如图1所示。该光纤光栅传感器包括温度补偿光栅1、柱形封装体2、空心钢管3、U型封装体4、T型封装体5、螺纹6、碳纤维管7、压力敏感光栅8、碳纤维片9及光导纤维10；在本实施例中，温度补偿光栅1通过柱形封装体2被封装在空心钢管3中，U型封装体4、T型封装体5和碳纤维管7通过耐高温环氧树脂胶进行封装，形成基底弹性体。
优选地，本实施例中的碳纤维管7采用三维四向的编织工艺进行编织，材料为碳纤维丝。编织后的碳纤维管长8-16cm，外径1.8-2.2cm，内径0.8-1.2cm，具有高强度的重量比和刚度重量比，纵向弹性模量大于100Gpa,横向弹性模量大于8Gpa，其耐疲劳，热膨胀系数小，为(10-20)×10-6/K。U型封装体4总长度3-6cm，一侧有一截螺杆，便于将传感器固定；T型封装体5总长度1.5-2.5cm；U型、T型封装体宽度和碳纤维管的规格大小相匹配，材料为不锈钢，且和碳纤维管7部分连接处套有螺纹，螺纹和连接处都涂有耐高温环氧树脂胶。封装体和碳纤维管形成的密闭空腔，可以增大压力敏感光栅8的压力灵敏度。
优选地，本实施例涉及的光纤光栅压力传感器，采用光导纤维10，光导纤维10是带有聚酰亚胺涂覆层的单模光纤，可以在350℃的环境下安全工作；利用飞秒激光逐点法在上面刻写两个距离临近的光纤布拉格光栅，光纤布拉格光栅分为压力敏感光栅8和温度补偿光栅1。温度补偿光栅1封装在空心钢管3中，封装后的空心钢管3可以隔绝压力的传输，使其只对温度变化敏感，对压力变化不敏感。压力敏感光栅8沿碳纤维管7轴向位置粘贴在碳纤维管表面的正中心处，外面覆盖一层碳纤维片9，可以保护光纤光栅，同时光纤光栅对压力和温度敏感。
为了避免温度压力传感模块在波长解调时相互干扰的问题，选取光栅的初始波长为：所述压力敏感光栅8的初始波长大于所述温度补偿光栅1的初始波长。
该光纤光栅压力传感器通过封装后的密闭碳纤维管7感知外界压强变化，压强使碳纤维管发生应变，这个应变作用于压力光栅上，使得光纤布拉格光栅的反射峰发生变化。温度补偿光栅不受压力影响，通过以下公式可以剔除温度效应引起的波长变化：
其中PT为油井下待测压力，λ1为压力敏感光栅8的反射波长，λ10为压力敏感光栅8的初始波长，λ2为温度补偿光栅1的反射波长，λ20为温度补偿光栅1的初始波长，K1为压力敏感光栅8的温度灵敏度，K2为温度补偿光栅1的温度灵敏度，KT为温度T下压力敏感光栅8的压力灵敏度系数。
实施例2
本实施例提供了一种碳纤维管封装的光纤光栅压力传感器的温度响应测试方法，包括以下步骤：
(1)将封装好的压力传感器的一端和光纤耦合器相连，光纤耦合器另外两端连接宽带光源(丹麦NKTPhotonics公司，Superk Compact)和光谱分析仪(日本Yokogawa公司，AQ6370B)。其中宽带光源输出超连续光，光谱分析仪用于监测反射光谱，并设置其波长分辨率为20pm，波长扫描范围为1500-1600nm。
(2)将封装好的压力传感器放在恒温油槽(HTS-30B)中进行加热，恒温油槽温度分辨率为±0.01℃。温度特性在室温至150℃之间以20℃的温度间隔进行了演示，在每个步骤中油槽的温度保持恒定30分钟，以保证温度的准确性。
图2是本发明的一种碳纤维管封装的光纤光栅压力传感器的压力敏感光栅的温度响应曲线，压力敏感光栅的中心波长随温度升高而发生红移，温度灵敏度为29.16pm/℃，波长漂移和温度变化具有良好的线性关系。
一种碳纤维管封装的光纤光栅压力传感器常温下的压力响应测试，包括以下步骤：
(1)将封装好的压力传感器放在密封的高压罐中，高压罐连接压力控制器和精密压力测量仪(FLUKE,RPM4)，压力控制器可以向高压罐提供压力，精密压力测量仪可以对施加到传感器的压力进行实时监控。
(2)将高压罐中压力传感器引出的光纤和宽带光源、光谱分析仪相连，设置光谱分析仪波长扫描范围为1500-1600nm。
(3)用压力控制器向高压罐提供压力，压力以不相等的间隔从0MPa增加到80MPa，数据记录时压力波动<±0.05MPa。
图3是本发明的一种碳纤维管封装的光纤光栅压力传感器的压力敏感光栅在常温下的压力响应曲线，压力敏感光栅的中心波长随压力升高而发生蓝移，压力灵敏度为-28.18pm/MPa，压力敏感光栅波长漂移和温度变化具有良好的线性关系。
实施例3
一种碳纤维管封装的光纤光栅压力传感器高温下的压力响应测试，包括以下步骤：
(1)(2)同常温下压力响应测试。
(3)将高压罐放在恒温油槽(HTS-30B)中，分别在50℃、100℃、150℃的温度下，压力以不相等的间隔从0MPa增加到80MPa，数据记录时压力波动<±0.05MPa。
图4是本发明的一种碳纤维管封装的光纤光栅压力传感器的压力敏感光栅在不同温度下的压力响应曲线，研究了压力传感器分别在50℃、100℃、150℃环境下的压力响应特性，在50℃、100℃、150℃环境下的灵敏度分别为-29.55pm/MPa、-30.91pm/MPa、-50.02pm/MPa，压力响应和压力敏感光栅波长变化表现出良好的线性变化。常温下压力灵敏度较裸光栅提高了10倍，高温下压力灵敏度较裸光栅提高了16倍，比现有技术提供的压力传感器灵敏度提高了1.3-1.5倍多，测量量程也提高了一倍。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (7)
1.一种碳纤维管封装的光纤光栅压力传感器，其特征在于，包括碳纤维管(7)、封装体及光导纤维(10)；所述光导纤维(10)上设有温度补偿光栅(1)和压力敏感光栅(8)；所述温度补偿光栅(1)通过柱形封装体(2)被封装在空心钢管(3)中；所述压力敏感光栅(8)通过耐高温环氧树脂胶和碳纤维管(7)相连，所述碳纤维管(7)的两端通过耐高温环氧树脂胶和T型封装体(5)相连；所述T型封装体(5)通过耐高温环氧树脂胶和U型封装体(4)相连；所述U型封装体(4)一侧有一截螺杆。
2.如权利要求1所述的一种碳纤维管封装的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述碳纤维管(7)是采用编织的工艺制成，所述编织工艺为三维四向编织法，材料为碳纤维丝。
3.如权利要求1所述的一种碳纤维管封装的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述T型封装体(5)、U型封装体(4)、柱形封装体(2)的材料均为不锈钢材料。
4.如权利要求1所述的一种碳纤维管封装的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述T型封装体(5)和碳纤维管(7)的部分连接处、U型封装体(4)和碳纤维管(7)的部分连接处均设置有螺纹(6)。
5.如权利要求1所述的一种碳纤维管封装的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述压力敏感光栅(8)沿碳纤维管(7)的轴向位置粘贴在碳纤维管(7)表面的正中心处，外面覆盖一层碳纤维片(9)。
6.如权利要求1所述的一种碳纤维管封装的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述温度补偿光栅(1)和压力敏感光栅(8)为飞秒激光逐点法刻写的光纤布拉格光栅。
7.如权利要求1所述的一种碳纤维管封装的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述光导纤维(10)是带有聚酰亚胺涂覆层的单模光纤。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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