專利名稱：光纖光柵壓力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，本發(fā)明涉及一種光纖光柵壓 力傳感器的結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
在油田開采過程中需要對(duì)井下壓力、溫度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，了解井下 油層的物理狀態(tài)，從而優(yōu)化采油方案，提高油氣產(chǎn)量和采收率。隨著油田開采 深度的不斷增加，井下的溫度、壓力升高，傳統(tǒng)的電子式壓力、溫度傳感器無(wú) 法在井下高溫、高壓、腐蝕、地磁和電干擾等惡劣環(huán)境下長(zhǎng)期可靠的工作，難 以滿足工程測(cè)量和生產(chǎn)的實(shí)際需要。光纖傳感器具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性好、 耐腐蝕、本質(zhì)安全防爆、體積小、重量輕等突出優(yōu)點(diǎn)，非常適合在油田測(cè)井等 惡劣環(huán)境下使用。
近年來，光纖光柵傳感器越來越為人們所重視。這種新型傳感器的工作原 理是，把被測(cè)參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為光纖光柵工作波長(zhǎng)的變化，通過檢測(cè)光纖光柵 的工作波長(zhǎng)變化獲知被測(cè)參數(shù)的大小。光纖光柵傳感器除了具有其它類型光纖 傳感器所共有的上述優(yōu)點(diǎn)之外，還具有編碼方式可靠、易于復(fù)用和組網(wǎng)等獨(dú)特 優(yōu)點(diǎn)。
最早采用光纖光柵測(cè)壓力的例子是M.G.Xu等人在"Optical in-fibre grating high pressure sensor，， 一文(Electronics Letters, vol. 29， no. 4，pp.398-399， 1993)中描述的光纖光柵壓力傳感器。該先有技術(shù)直接采用刻寫 在普通單模光纖上的光纖光柵感測(cè)壓力，所得壓力靈敏度較低，不能滿足實(shí)際 測(cè)量需要。為了提高感測(cè)靈敏度，M.G.Xu等人在"Fibre grating pressure sensor.with enhanced sensitivity using a glass-bubble housing" ^^文(Electronics Letters, vol. 32， no. 2， pp. 128-129， 1996)中提出用UV水 泥將光纖受拉固定在一個(gè)玻璃泡上。盡管靈敏度得到了提高，但是由于采用UV 水泥來固定光纖，當(dāng)在高溫條件下長(zhǎng)期使用時(shí)，帶來滯后和漂移等現(xiàn)象，其長(zhǎng) 期可靠性存在問題。另一個(gè)例子是，Y. Q. Liu等人在"Simultaneous pressure and temperature measurement with polymer-coated fibre Bragg grating，， 一文(Electronics Letters, Vol. 36， No. 6， pp. 564-566， 2000)中采用低彈性模 量聚合物對(duì)光纖光柵進(jìn)行封裝，據(jù)此來提高壓力感測(cè)靈敏度。由于聚合物材料 存在滯后和蠕變現(xiàn)象，其可靠性和穩(wěn)定性同樣存在問題。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有光纖光柵壓力傳感器或是靈敏度低、或是長(zhǎng) 期可靠性不好的問題，提供一種靈敏度高、可靠性好的光纖光柵壓力傳感器， 并提供能夠同時(shí)測(cè)量溫度的光纖光柵壓力傳感器。本發(fā)明的技術(shù)方案是本發(fā)明的光纖光柵壓力傳感器，感壓光柵刻寫在含空氣孔光纖上，空氣孔 在纖芯周圍沿軸向排列，所述含空氣孔光纖的兩端與不含空氣孔光纖熔接。本發(fā)明的光纖光柵壓力傳感器，還包括參考光柵，參考光柵與感壓光柵的 工作波長(zhǎng)不同，二者串接，參考光柵刻寫在不含空氣孔光纖上，參考光柵所在 光纖與感壓光柵所在光纖是由具有同等雜質(zhì)濃度的相同材料構(gòu)成的。感壓光柵所在光纖的纖芯周圍沿軸向?qū)ΨQ排列著4個(gè)或6個(gè)或8個(gè)大空氣孔。構(gòu)成光纖的材料為石英玻璃，在纖芯中摻有鍺或同時(shí)摻有硼和鍺。光纖直徑為125微米， 光纖表面覆有金屬膜或碳膜或聚合物膜或碳/聚合物復(fù)合膜。光纖光柵壓力傳感器的工作原理是，在外界壓力作用下光纖被"壓縮"，引 起光纖光柵的工作波長(zhǎng)發(fā)生變化，通過檢測(cè)光纖光柵工作波長(zhǎng)變化可獲知外界 壓力大小。由于含空氣孔光纖比普通光纖更容易被"壓縮"，因此本發(fā)明具有較 高的靈敏度。由于本發(fā)明不需要任何粘結(jié)劑或聚合物材料等，其壓力響應(yīng)僅依 賴于光纖材料本身，因此本發(fā)明具有長(zhǎng)期穩(wěn)定和可靠性好的優(yōu)點(diǎn)。與其它類型傳感器一樣，光纖光柵傳感器也存在著溫度串?dāng)_問題，即溫度 變化引起光纖光柵工作波長(zhǎng)變化，帶來測(cè)量誤差。本發(fā)明還針對(duì)該問題提供了 解決方案。具體做法是設(shè)置一個(gè)參考光柵，參考光柵刻寫在不含空氣孔光纖上。 由于參考光柵所在光纖與感壓光柵所在光纖是由具有同等雜質(zhì)濃度的相同材料 構(gòu)成的，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，二者發(fā)生相同的波長(zhǎng)移動(dòng)。當(dāng)外界壓力變化時(shí)， 感壓光柵發(fā)生較大波長(zhǎng)移動(dòng)，而參考光柵發(fā)生較小波長(zhǎng)移動(dòng)，二者波長(zhǎng)之差僅 與外界壓力有關(guān)，而與溫度無(wú)關(guān)，這樣便可實(shí)現(xiàn)溫度無(wú)關(guān)的壓力測(cè)量。知道了 壓力后，從參考光柵"讀數(shù)"中扣除壓力影響，便可知道溫度信息。因此，本 發(fā)明能夠同時(shí)測(cè)量壓力和溫度。本發(fā)明的效果和益處是，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有靈敏度高和長(zhǎng)期可 靠性好的優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明還克服了溫度串?dāng)_問題，能夠同時(shí)測(cè)量壓力和溫度。
圖1是本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是實(shí)施例1中含空氣孔光纖的截面示意圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。 實(shí)施例1圖1示出了本發(fā)明的實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖，所述的光纖光柵壓力傳感器，包括感壓光柵l，感壓光柵1刻寫在含空氣孔光纖2上，空氣孔在纖芯周圍沿著 軸向排列，所述含空氣孔光纖的兩端與不含空氣孔光纖3熔接，使得空氣孔密 閉。圖2為本發(fā)明實(shí)施例中含空氣孔光纖的截面示意圖，本實(shí)施例中光纖含有6 個(gè)空氣孔。需要指出的是，具體實(shí)施中對(duì)空氣孔的數(shù)目沒有限制，4個(gè)或6個(gè)或 8個(gè)或其它數(shù)目都可以。實(shí)際測(cè)試表明，本實(shí)施例的壓力靈敏度為-13pm/MPa， 是普通光纖光柵的3倍。 實(shí)施例2圖3是本發(fā)明實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖，所述的光纖光柵壓力傳感器還包括 參考光柵4，參考光柵4與感壓光柵1的工作波長(zhǎng)不同，二者串接，參考光柵4 刻寫在不含空氣孔光纖上，參考光柵4所在光纖與感壓光柵1所在光纖是由具 有同等雜質(zhì)濃度的相同材料構(gòu)成的，區(qū)別僅在于參考光柵4所在光纖不含有空 氣孔。'在以上兩個(gè)實(shí)施例中，光纖為石英玻璃制作而成，為了在光纖中方便地刻 寫光柵，在光纖纖芯中摻有鍺。在光纖纖芯中同時(shí)摻入硼和鍺，也可以達(dá)到同 樣效果。在以上兩個(gè)實(shí)施例中，光纖的直徑為125微米。為了防止水分子滲透進(jìn)入 光纖中造成有害影響，可在光纖表面涂覆金屬膜、或者是碳膜、或者是聚合物 膜、或者是碳/聚合物復(fù)合膜。
權(quán)利要求
1. 一種光纖光柵壓力傳感器，其特征在于，感壓光柵(1)刻寫在含空氣孔光纖(2)上，空氣孔在纖芯周圍沿軸向排列，所述含空氣孔光纖(2)的兩端與不含空氣孔光纖(3)熔接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖光柵壓力傳感器，其特征在于還包括 參考光柵(4)，參考光柵(4)與感壓光柵(1)的工作波長(zhǎng)不同，二者串接， 參考光柵(4)刻寫在不含空氣孔光纖上，參考光柵(4)所在光纖與感壓光柵(1)所在光纖是由具有同等雜質(zhì)濃度的相同材料構(gòu)成的。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖光柵壓力傳感器，其特征在于感壓光 柵(1)所在光纖的纖芯周圍沿軸向排列著4個(gè)或6個(gè)或8個(gè)大空氣孔。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種光纖光柵壓力傳感器，其特征在于構(gòu)成光纖的材料為石英玻璃，在纖芯中摻有鍺或同時(shí)摻有硼/鍺。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種光纖光柵壓力傳感器，其特征在于光 纖直徑為125微米，光纖表面覆有金屬膜或碳膜或聚合物膜或碳/聚合物復(fù)合膜。
全文摘要
一種光纖光柵壓力傳感器，屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。其特征是，感壓光柵刻寫在含空氣孔光纖上，空氣孔在纖芯周圍沿軸向排列，所述含空氣孔光纖的兩端與不含空氣孔光纖熔接。還包括參考光柵，參考光柵與感壓光柵的工作波長(zhǎng)不同，二者串接，參考光柵刻寫在不含空氣孔光纖上，參考光柵所在光纖與感壓光柵所在光纖是由具有同等雜質(zhì)濃度的相同材料構(gòu)成的。本發(fā)明的效果和益處是光纖光柵壓力傳感器靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，長(zhǎng)期可靠性好，能夠同時(shí)測(cè)量溫度和壓力。
文檔編號(hào)E21B47/06GK101251009SQ20081001092
公開日2008年8月27日 申請(qǐng)日期2008年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月3日
發(fā)明者關(guān)柏鷗, 達(dá) 陳 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)