具有加强的冲击吸收的光学传感器装置的制作方法

本发明涉及具有加强的冲击吸收特性的光学传感器装置。具体地，本发明涉及基于光学应变的传感器，其包括压力响应或热响应的冲击吸收机构。

背景技术：

基于施加至光纤的应变的传感器的各种配置和类型根据现有技术是公知的。在这些类型的传感器中，测量的最普遍的物理性能是温度、压力和加速度，并且最常见类型的基于应变的传感器是基于fbg(光纤布拉格光栅)的传感器。

考虑到光学传感技术对电信号的非依赖性以及在单个纤维中包括多种类型的传感器的可能性，光学传感技术成为越来越多地使用的技术。另外，对于诸如油井的恶劣环境，光纤提供了高温度和高压力操作范围、低电磁干扰拾取、高信噪比特性和大量传感器与最小尺寸和数量的电缆通信的优点。

在基于应变的光纤感测的情况下，在设计传感器时必须考虑的条件之一是应变限于几微米(μm)的事实，并且一旦超过那几微米，则相对容易地使光纤断裂，这意味着必须更换和重新安装整个光纤。这在加速度计(或运动检测器)中是尤其具有挑战性的，由此对高精度的需要常常导致相对大的运动部分，这些运动部分的微小运动被传递以形成光纤的敏感区域的力拉伸。在这样的传感器中，冲击和大的加速度将在传输机构中的接头上、(纤维)连接点上和纤维本身上潜在地引起破坏力。

因此，在现有技术中，已经设计了若干机构来避免纤维的这种过应变，这类机构中的一个包含止动器的使用以防止纤维过度拉伸，然而，该止动器需要低至几微米甚至亚微米水平的非常精确的定位，这在部件制造和组装中难以实现，导致相对昂贵的系统。此外，此类止动器的制造间隙和公差即使在非常高的压力值下将必须保持稳定，这需要非常刚性的壳体设计。

根据现有技术已知的另一解决方案是通过使用更硬的材料来用于传感器壳体的构造或增加传感器壳体的质量，以增加传感器的壳体的硬度。然而，由于这个解决方案将增加传感器的总质量，使得传感器在某些环境中更难使用，因而该解决方案是不理想的。该解决方案还具仅解决壳体损坏的问题，而不能解决传感器的内部部分的损坏的问题的缺点。

在一些环境条件下，例如在石油和天然气工业中的井下作业中，需要传感器在其安装时(即，在它们的操作开始之前)能够承受具有来自100-1500g力*质量(14715*m[n]，m是以千克表示的传感器的质量)的非常高幅值的冲击。另外，这种传感器在操作期间必须承受约100-2100bar(10-210mpa)的压力和高达约300摄氏度的温度。

对于止动器的使用所需的亚微米加工精度几乎不可实现，并且在1500g力*质量的力下，可能不足以维持传感器内的其它运动部分的完整性。另外，增加传感器的硬度和质量以承受这样的条件将导致传感器太大而不能使用。因此，可以得出现有技术的传感器不能满足井下操作的挑战性条件的要求的结论。

然而，在大多数情况下，由于高冲击导致的系统故障方面的主要问题通常是在处理、运输、现场准备和设备安装期间产生。在这段时间内，通常的情况是设备保持在远低于其操作温度的温度。因此，本质上来说，在相对低的温度下冲击保护处于其最好状态，而在升高的操作温度下传感器的运动部件以最小的阻力自由运行。

技术实现要素：

本发明通过使用压力响应或温度响应冲击吸收机构克服现有技术的装置的问题。这种机构将通过当传感器处以较低温度环境时基本阻碍纤维的应变并且在较高温度环境中允许纤维的应变来允许传感器具有高程度的保护。

具体地，本发明公开了光学传感器装置，其包括：

光学纤维；

换能器；以及

嵌入在光学纤维中的内置光纤传感器；

其中，换能器布置成接收输入动作并将输入动作转换为内置光纤传感器上的比例应变，至少换能器和内置光纤传感器由壳体包围。在本发明中，壳体填充有热响应物质或压力响应物质，该装置的特征在于，物质是当从环境条件变化至工作条件后黏度降低至少70％的物质。

通过环境条件和工作条件，应当理解的是，本发明的光学传感器意在安装在工作设施中，其中在操作中，例如当传感器被安装或运输时，传感器暴露于其中的物理条件不同于传感器经受的环境条件中的那些物理条件。

在优选实施方式中，工作条件包括高于200摄氏度(℃)的温度和/或高于10mpa的压力。在环境条件下，考虑标准环境温度和压力(satp)，即298.15k(25℃，77℉)的温度和100kpa(1巴，14.5psi，0.9869大气压)的压力，然而，在具体实施方式中，环境温度和压力条件可以被修改成温度或压力的具体窗口，因此，应当理解的是，环境条件是不将装置配置成起作用的第一组条件(例如，在安装或运输期间)，以及工作条件是将装置配置成执行测量的条件。

在优选实施方式中，物质的黏度在环境条件下为10000cp，在工作条件下低于1000cp。

在实施方式中，物质具有材料相性转变，使得物质的黏度在100摄氏度至300摄氏度的温度范围内降低至少70％。替代地，可以预先选择该温度窗，并通过修改物质的组成使其适合不同的窗温度，这通过实验来实现。

在特别优选的实施方式中，物质的熔点在60-100摄氏度之间。这是特别有利的，由于在环境温度下，物质保持固态，从而保持纤维和壳体内的所有移动部分(例如换能器)相对地固定，并且当设备处于工作条件中(在该特定情况下，超过60-100摄氏度)，物质熔化并允许传感器的内部部分移动，从而实现测量。

物质的示例可以是包括蜡状物、石蜡、油、凝胶、甘油、硅树脂或它们中的两种或更多种之间的组合物的物质。

如前所述，可以通过修改物质的组分来为每种具体情况制造物质。具体地，物质是所制备的材料的混合物，使得该物质在预先选择的温度和/或压力窗中具有至少70％的黏度变化，其中该温度和/或压力窗可以适于每种具体情况。

考虑到加速度计是最容易由于由冲击引起的过度张力(特别是在其安装期间)而使纤维断裂的传感器，本发明在传感器是加速度计的情况下是尤其有利的。尽管如此，本发明在压力传感器、温度传感器和/或流量传感器的情况下也是有用的。

此外，本发明可包含在用于地震测量的传感器电缆系统中，特别是通过使用如本文所公开的光学传感器装置的井下地震传感器。

附图说明

为了补充所做出的说明书并且为了帮助更好地理解本发明的特征，根据本发明的实际实施方式的优选示例，附上具有说明性和非限制性特征的一组附图作为该说明书的组成部分，在附图中示出以下内容：

图1示出了根据本发明的光学传感器的示例性实施方式；

图2示出了示例性物质的、表示其在各个温度下的黏度变化的四个曲线图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的光学传感器的示例。在该附图中，其示出了光学传感器1，光学传感器1包括光纤2，光纤2具有附接至壳体6的第一光纤部分3和第二光纤部分4。这种光纤2包括应变灵敏部分5，应变灵敏部分5可以是例如fbg。

壳体6在纤维2的第一光纤部分3上和纤维2的第二光纤部分4上附接(例如通过夹持和/或胶粘)至纤维2，使得该实施方式能够感测物理参数。在这个具体实施方式中，壳体6充当传感体，并且因此，壳体6的大小响应于待测量的物理性质。例如，为了测量压力，壳体可以由随着增加或减小压力而收缩和膨胀的材料制成。因此，壳体6的长度变化将被转换为纤维2的长度变化，具体地，在纤维2的应变灵敏部分5上。

光学传感器1的该示例性实施方式的主要缺点之一将会是，例如由于传感器在其安装期间的冲击而引起的压力的增加可能导致纤维过度应变并随后断裂。因此，本发明设想在壳体上使用填充物质7，具有这样的填充物质确定了在环境条件下的性能和在工作条件下的另一性能。这种性能可以是例如在环境条件下增加的黏度和在工作条件下降低的黏度。

在最清楚的示例中，填充物质7在环境条件下是固体，例如，填充物质7可以是石蜡或蜡状物。在环境条件下物质7为固体，考虑到纤维的应变灵敏部分5将由填充物质7保护，因而更不可能易于受到某些冲击的影响。当一个光学传感器1被安装并处于工作条件下时，物质7降低其黏度，或者在物质7为石蜡或蜡状物的情况下，物质7将熔化并允许纤维的应变灵敏部分应变并因此执行测量。

传感器的另一示例将是在壳体的内部部分中包含换能器的类型，其壳体是刚性壳体，并且换能器被设置成根据确定的诸如压力、加速度、温度、流量等的物理性质而改变应变灵敏部分5上的应变。在这种情况下，不仅纤维2的应变灵敏部分5可能被损坏，而且诸如换能器、传输臂或其他内部部件也可能被损坏。因此，填充物质保护换能元件和纤维2两者。

图2示出了已经组合的不同物质，以实现用于具体应用的确定黏度。由于可通过实验容易地改变这些物质的浓度和/或组成，以在确定的温度窗达到确定的黏度，因此应当将这些物质理解为仅是示例性的。

具体地，图2示出了油与不同浓度的石蜡的组合。这些曲线图对应于在巴西石油和天然气日报v.3n.4,p.149-157,2009,issn1982-0593中公开的实验。在该文献中研究了具有不同黏度的物质，但不是出于本发明的具体目的。

在物质的第一示例中，图2(a)公开了具有1％、5％和10％的石蜡浓度的松节油的使用。在这种情况下，显而易见的是，具有1％的石蜡浓度的物质在15℃处达到约1.3cp的黏度，当石蜡浓度增加至5％时，该黏度增加至超过1.6cp。当在约15℃至20℃需要升高的黏度并且在超过30℃需要较低黏度时，这两个选择都是良好的选择，其中，这些物质在约0.7cp处具有大致线性的性能。当石蜡浓度修改至10％时，物质的性能被修改为在15℃处具有约10cp的黏度和当温度超过31℃时具有1cp的线性性能。因此，显然，考虑到在20℃以下该物质会限制运动部分的运动和可能的纤维过度应变，以及在工作条件(即在超过30℃的温度上)下物质会引起这种运动的较少限制，在传感器处于约15℃至20℃的安装或环境条件以及超过30℃的工作条件的情况下，使用这种物质作为传感器的壳体的填充物是有利的。

在第二示例中，图2(b)设想具有1％、5％和10％浓度的石蜡的柴油的使用。在这种情况下，观察到与图2(a)中的性能相似的性能，特别是在环境条件和工作条件下均达到较高的黏度。在这种情况下，对于5％和10％浓度的环境条件可以是低于25℃的温度并且工作条件温度高于30℃，然而对于1％浓度，当温度为约20℃时，黏度从15℃时的13cp下降至5cp，因此，该浓度的工作条件应为约20℃。

在物质的第三示例中，图2(c)设想具有1％、5％和10％浓度的石蜡的正链烷烃的使用。具体地，该示例示出了1％浓度的石蜡在不同温度下的黏度大致不改变，因此将1％浓度的石蜡作为填充本发明的壳体的物质是无益的。一旦浓度增加至5％和10％，在环境温度下追求的具有较高黏度的效果实现，这两个浓度在这种情况下的效果是非常相似的，但考虑到5％石蜡浓度在环境温度与工作温度之间具有较小的过渡窗，5％石蜡浓度具有略微好的性能。

最后，在物质的第四示例中，图2(d)示出了具有1％、5％和10％浓度的石蜡的石脑油的使用。显而易见的是，由于黏度从温度为约19℃处开始显著降低，因而通过使用石脑油，需要较低的环境温度，同时，对于1％和5％的浓度，可以观察到在温度超过23℃上时性能变化，并且该性能变化不同于10％浓度的情况下的线性情形。因此，显而易见的是，在所有可能的工作温度处表示物质的性能并且包括位于根据本发明的光学传感器附近的温度传感器可以是有益的，使得可以在所有可能的情况下间接地确定黏度，以及可以根据每个温度校正测量。

应当理解的是，这些物质仅仅是示例，以便示出不同的物质可以实现不同的性能，这些性能可以适于将环境温度/压力修改为确定的窗口，并且将工作条件修改为不同的窗口。本发明应当以其最广泛的含义理解，其中所使用的物质是在确定的压力和/或温度窗口(环境条件)下具有较高黏度和在确定的压力和/或温度条件(工作条件)下具有较低黏度的物质。在优选的实施方式中，物质的黏度已经被预先表征，使得至少在工作条件和环境条件下的黏度是已知的，并且包括温度传感器，使得可以根据由温度传感器测量的温度校正测量值。