专利名称：一种准分布式光纤光栅温度传感器的封装结构及方法
技术领域：
本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种准分布式光纤光栅温度传感器的封装技 术，尤其涉及一种适合油气井下测温的准分布式光纤光栅温度传感器的封装结构和方法。
背景技术：
在油藏工业中，对产油井温度的实时、动态、在线、分布式监测，了解井下油层的物 理状态，是优化采油技术方案，提高油气产量和采收率的重要措施之一。在某些油田的生产 过程中，为了提高石油产量，需要对油井注入高温蒸汽或者火烧加热，井下温度高达300°C 以上。由于传统的电子式温度测量仪器在高温高压环境中可靠性差、抗干扰能力弱和寿命 短，不能满足井下测量的需要。光纤光栅(FBG)传感技术是近年来在工业界被证实的一种高精度、高可靠性、抗 干扰和适用恶劣工作环境的新型传感技术，基于FBG的光纤传感器具有能够大规模复用的 特点，即可以在一根信号传输光纤上级联多支传感器，实现多传感器或多参数测量。将多支 FBG温度传感器级联用于油井下重要区段的多点温度测量，相对电子温度测量方法，具有耐 高温(可达300°C )、测量温度点多，以及可做永久性温度测量的优点；相对基于拉曼散射的 光纤连续温度测量方法(DTS)，具有测量精度高，耐高温，长期稳定性好的特点，特别适合应 用于有针对性的高温井下重点区段的永久性监测。但是由于光纤光栅本身脆弱，容易折断，在实际应用中，未做任何防护的光纤光栅 温度传感器容易受到外力的挤压和剪力而被破坏；光纤光栅还存在一定的温度-应变交叉 敏感性，在进行精确温度测量时必须屏蔽掉外界应力或者光纤受拉伸引起的光栅布拉格波 长的变化；另外，在石油生产井中，光纤光栅温度传感器要工作在高温、高压、酸、碱、水汽等 恶劣环境中。因此，必须寻找一种有效的封装方式来解决上述问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种结构简单、耐久性好、能消 除应力影响、能适应恶劣环境中测温需要的准分布式光纤光栅温度传感器的封装结构和方 法。特别是适应石油生产井中高温、高压、强腐蚀等恶劣环境的准分布式光纤光栅温度传感 器的封装结构和方法。为实现上述目的，本发明的准分布式光纤光栅温度传感器的封装结构由多个光纤 光栅温度传感器串联而成，每个光纤光栅温度传感器的光纤光栅和光纤光栅温度传感器的 连接端容置于石英玻璃毛细管中并密封固定。进一步，所述光纤光栅温度传感器之间焊接连接。进一步，所述封装结构设置一个或多个石英毛细管。进一步，所述封装结构设置多个石英毛细管，每一石英毛细管中容置一所述光纤 光栅温度传感器的光纤光栅和光纤光栅温度传感器的连接端。进一步，所述石英毛细管中能够容置多个光纤光栅温度传感器的光纤光栅和光纤光栅温度传感器的连接端。进一步，所述石英玻璃毛细管的长度为50mm-100mm，内径130_170um，壁厚 100-300um。进一步，所述封装结构的外侧包覆一不锈钢管，该不锈钢管外侧包覆铝层，铝层外 侧再包覆一不锈钢管。本发明的准分布式光纤光栅温度传感器的封装方法，具体为1)剪切石英玻璃毛 细管备用；2)将光纤光栅栅区一侧的尾纤剪短，去涂覆；将石英玻璃毛细管由光纤光栅剪 短的短尾纤侧套至长尾纤侧；3)将光栅的短尾纤侧与下一个光纤光栅的长尾纤侧熔接，熔 接过程中保证光栅栅区及其两侧的裸纤区的总长度小于石英毛细管长度；4)将石英毛细 管套回至光栅短尾纤侧；5)将石英毛细管的两端与光纤固定密封。进一步，所述石英玻璃毛细管的长度为50mm-100mm，内径130_170um，壁厚 100-300um。进一步，步骤3)熔接过程采用光纤熔接机熔接。进一步，步骤5)采用C02激光束热熔或者用耐高温高强度胶将石英毛细管的两端 与光纤固定密封。进一步，对封装好的多个光纤光栅串联而成的准分布式测温结构进一步封装，采 用壁厚0. 2-0. 3mm的不锈钢管进行一次包覆；然后，进行与一次包覆不锈钢管紧密结合的 铝层包覆；再采用穿套方法，将经过两次包覆的传感器穿套入厚壁耐压不锈钢管中。本发明的效果和益处是，采用石英玻璃毛细管封装的单个光纤光栅温度传感 器，具有重复性好、耐高温、体积小、灵敏度和量程范围适合高温测井要求，测量精度高的 优点；对由多光纤光栅串联而成的准分布式测温结构采用的三次金属包覆封装结构，克 服了光纤、光栅易断，易受外界应变影响等缺点，具有结构简单，造价低廉，能有效防止水 浸、氢浸对光纤性质的改变等特点，能适应恶劣环境，尤其是油气井下高温(300°C )、高压 (lOOMPa)、酸、碱等恶劣环境中测温时对光纤光栅温度传感器封装的特殊要求。
图1是石英玻璃毛细管封装结构示意图；图中1是光纤光栅长尾纤侧(带涂敷)；2是石英玻璃毛细管；3是光纤光栅；4是 光纤光栅短尾纤侧(已去涂敷)；5是光纤连接焊点；6是另一光纤光栅的长尾纤侧；7是耐 高温胶或者用C02激光束热熔而成的固定密封点。图2是用C02激光束进行石英毛细管与光纤热熔固定装置示意图；图中8是用于控制C02激光器的微型计算机；9是高频脉冲C02激光器；10是五 维可调的石英毛细管夹持器；11是封装着光纤光栅的石英毛细管；12是C02激光束分束、 反射系统；13是光纤；14是C02激光束。图3是对准分布式测温结构采用的三次金属包覆封装结构示意图。图中15是石英毛细管封装的光栅串联而成的准分布式光纤光栅温度传感器系 统；16是不锈钢管；17是铝管；18是厚壁不锈钢管。
具体实施例方式以下结合技术方案和附图详细说明本发明的最佳实施例。单个光纤光栅温度传感器封装(见图1)的具体做法是⑴切割一段长为 50-100mm,内径130_150um，壁厚100_300um的石英玻璃毛细管2 ；⑵将光纤光栅3 —侧尾 纤从距栅区大于15mm处剪断，形成短尾纤侧4 ； (3)去除短尾纤段涂覆层，用纯净水/酒精 擦拭干净；(5)将石英毛细管2穿套至光栅长尾纤侧1带涂覆层段；(6)用光纤切刀在短尾 纤侧4切割光纤，之后将其放到光纤熔接机上；(7)将下一个光栅的长尾纤侧6去涂覆，切 平整端面，与(6)中处理好的端面用光纤熔接机焊接，形成焊点5 ； (8)将石英毛细管2套回 至光栅短尾纤侧4，确保石英毛细管2覆盖住光栅3及焊点5 ； (9)采用耐高温高强度胶7或 者用C02激光束热熔技术将石英毛细管的两端与光纤固定密封。其中采用C02激光束热熔 固定技术(见图2)的具体做法为首先，采用分振幅的方法将一束高频(20k-24kHz)C02脉 冲激光束14用部分反射镜分成三束强度均等的三束脉冲激光，并通过反射镜组12反射形 成相交于一点的且在同一平面中互成120度角的三束高频C02脉冲激光；然后将石英毛细 管11及光纤13夹持在五维可调的石英毛细管夹持器10上，调节石英毛细管夹持器10，使 石英毛细管11 一端处于三束高频C02脉冲激光的交点上；通过微型计算机8设定C02激光 器9的工作参数，比如工作频率、占空比和激光脉冲等，进行石英毛细管与光纤间的加热固 定；最后通过同样的操作将石英毛细管的另一端与光纤进行热熔固定。按照上述对单个光纤光栅封装的方法进行封装的同时，多个光纤光栅已经串联而 成了准分布式温度测量结构。对由此而形成的准分布式测温结构，采用三次金属包覆结构 进行封装(见图3)，其具体做法是首先采用壁厚0. 2-0. 3mm的不锈钢管16对准分布式光 纤光栅温度传感器系统15进行一次包覆；然后采用铝管17进行与一次不锈钢管16外径紧 密结合的包覆；两次包覆都是采用成熟光缆加工工艺完成。最后采用穿套方法，将经过两次 包覆的传感器穿套入厚壁耐压不锈钢管18中。本实施例中采用的石英玻璃毛细管可以为一根很长的毛细管将多个光纤光栅容 置于一根毛细管中，也可以对应每一段光纤光栅设置一根毛细管，无论如何变形均不脱离 本发明的权利要求的保护范围。需要指出的是根据本发明的具体实施方式
所做出的任何变形，均不脱离本发明的 精神以及权利要求记载的范围。
权利要求
一种准分布式光纤光栅温度传感器的封装结构，其特征在于，由多个光纤光栅温度传感器串联而成，每个光纤光栅温度传感器的光纤光栅和光纤光栅温度传感器的连接端容置于石英玻璃毛细管中并密封固定。
2.如权利要求1所述的准分布式光纤光栅温度传感器的封装结构，其特征在于，所述 光纤光栅温度传感器之间焊接连接。
3.如权利要求1所述的准分布式光纤光栅温度传感器的封装结构，其特征在于，所述 封装结构设置一个或多个石英毛细管。
4.如权利要求3所述的准分布式光纤光栅温度传感器的封装结构，其特征在于，所述 封装结构设置多个石英毛细管，每一石英毛细管中容置一所述光纤光栅温度传感器的光纤 光栅和光纤光栅温度传感器的连接端。
5.如权利要求1所述的准分布式光纤光栅温度传感器的封装结构，其特征在于，所述 封装结构的外侧包覆一不锈钢管，该不锈钢管外侧包覆铝层，铝层外侧再包覆一不锈钢管。
6.如权利要求1-4任一的准分布式光纤光栅温度传感器的封装结构的封装方法，具体 为1)剪切石英玻璃毛细管备用；2)将光纤光栅栅区一侧的尾纤剪短，去涂覆；将石英玻璃 毛细管由光纤光栅剪短的短尾纤侧套至长尾纤侧；3)将光栅的短尾纤侧与下一个光纤光 栅的长尾纤侧熔接，熔接过程中保证光栅栅区及其两侧的裸纤区的总长度小于石英毛细管 长度；4)将石英毛细管套回至光栅短尾纤侧；5)将石英毛细管的两端与光纤固定密封。
7.如权利要求6所述准分布式光纤光栅温度传感器的封装方法，其特征在于，所述石 英玻璃毛细管的长度为50mm-100mm，内径130_170um，壁厚100_300um。
8.如权利要求6所述准分布式光纤光栅温度传感器的封装方法，其特征在于，步骤3) 熔接过程采用光纤熔接机熔接。
9.如权利要求6所述准分布式光纤光栅温度传感器的封装方法，其特征在于，步骤5) 采用C02激光束热熔或者用耐高温高强度胶将石英毛细管的两端与光纤固定密封。
10.如权利要求6所述准分布式光纤光栅温度传感器的封装方法，其特征在于，对封装 好的多个光纤光栅串联而成的准分布式测温结构进一步封装，采用壁厚0. 2-0. 3mm的不锈 钢管进行一次包覆；然后，进行与一次包覆不锈钢管紧密结合的铝层包覆；再采用穿套方 法，将经过两次包覆的传感器穿套入厚壁耐压不锈钢管中。
全文摘要
本发明公开了一种准分布式光纤光栅温度传感器的封装结构和方法，它包括采用石英玻璃毛细管对单个光纤光栅温度传感器的封装结构及采用三次金属包覆技术对准分布式光纤光栅温度传感器的封装结构。对单个光纤光栅温度传感器采用的石英玻璃毛细管封装结构具有温度灵敏度和量程范围适合高温油井测量要求，重复性好、耐高温、体积小、测量精度高等优点。对由多个光纤光栅串联而成的准分布式光纤光栅温度传感器采用的三次金属包覆封装结构包括一次不锈钢管包覆，二次铝合金管包覆及三次厚壁不锈钢管包覆，这种封装结构简单，对应力和外界压力变化不敏感，能适应恶劣环境，尤其是油气井下高温(300℃)、高压(100MPa)、酸、碱等恶劣环境中对光纤光栅温度传感器封装的特殊要求。
文档编号G02B6/36GK101865735SQ20101018598
公开日2010年10月20日 申请日期2010年5月28日 优先权日2010年5月28日
发明者于清旭, 周新磊 申请人:北京康华盛鸿能源科技发展有限公司