用于油气井下的光纤光栅温度压力传感器及其制作方法

1.本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及到一种用于油气井下的光纤光栅温度压力传感器。


背景技术：

2.在油田勘探、生产过程中对井下温度、压力、流量等参数的监测，是提高油气田最终采收率，科学、经济、合理地开发油气田的重要手段。随着油气勘探开发的持续开展，油气井的深度越来越深，温度和压力也越来越高，井下作业环境也越来越复杂。特别当井下温度超过175℃以上的环境下，传统的井下电子仪器无法实现长期监测。光纤光栅(fbg)具有抗电磁干扰；数据传输容量大、速度快；长期稳定性和耐高温性能好等优点，是解决高温环境下传统电类传感器无法工作问题的替代方案之一。
3.目前报道的光纤光栅压力传感器主要利用光纤光栅的应变传感原理，将光纤光栅粘贴在薄壁圆筒、波纹管、悬臂梁和弹性膜片等弹性承压元件上，通过承压元件将压力转换成元件应变作用于光纤光栅上，从而实现压力的测量。其中基于弹性膜片的大部分光纤光栅压力传感器工作原理为将一个施加了预拉伸的光纤光栅与一弹性膜片相连，当环境压力发生变化的时候，引起弹性膜片中心挠度的变化，进而传导至光纤光栅上，使光纤光栅收缩，释放预拉力，引起光纤光栅中心波长的漂移，以此来监测环境压力。例如中国专利专利号zl202010740090.3、名称《基于横向载荷增敏的膜片式光纤光栅压力传感器》和中国专利专利号zl202011384965.7、名称《一种膜片式级联结构的光纤光栅压力传感器及其制作方法》都是基于上述膜片式压力传感工作原理。上述结构的压力传感器存在封装时对压力光纤光栅所施加的预拉力大小决定了压力传感器量程和灵敏度的问题，封装时对预拉力大小的控制和封装工艺要求很高，不利于传感器批量化生产。另外中国专利专利号zl202010740090.3、名称《基于横向载荷增敏的膜片式光纤光栅压力传感器》设计的传感器光纤光栅只有一个尾纤用于反射传输压力和温度的检测信号，无法使多个光纤光栅传感器串联实现准分布式布置，不能满足油气井下分层多点监测的需求。专利zl202011384965.7、名称《一种膜片式级联结构的光纤光栅压力传感器及其制作方法》将测压光纤光栅和测温光纤光栅尾纤贯穿膜片中心与其它传感器实现了串联，但这种串联封装工艺要求更高，另外由于测温光栅浸泡于待测液体中，光栅易受冲击而断裂，也无法应用于油气井等腐蚀环境下传感器的长期工作。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术在于克服现有技术的缺点，提供一种封装简单、灵敏度高、实现温度压力双参量监测、多点串联监测的用于油气井下的光纤光栅温度压力传感器。
5.解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种用于油气井下的光纤光栅温度压力传感器，传感器保护套两端设置有用于串联的接头、中部径向贯穿加工有传感作业孔，传感作业孔内安装有传感单元和密封盖，传感器保护套轴向中心位置加工有光纤安装孔，光纤
安装孔内设置有光纤，所述传感单元为圆柱形的压力敏感件一端中心位置加工有轴向的液压孔b，液压孔b的底为承压膜片，压力敏感件另一端面上设置有菱形铰链和支架，支架上设置有调节螺栓，菱形铰链的一顶端固定在承压膜片上，同一对角线的另一顶端抵靠在调节螺栓的端部，菱形铰链另外两顶端上分别水平设置有长梁和短梁；所述光纤用胶粘贴在长梁和短梁上使光纤悬空在光纤安装孔内，长梁和短梁之间的光纤上设置有第一光栅，长梁上胶覆盖区域内的光纤上设置有第二光栅，第二光栅与第一光栅的中心波长不相等。
6.作为一种优选的技术方案，所述压力敏感件的液压孔b上安装有压力缓冲盖，所述压力缓冲盖端面上加工有取压孔a。
7.作为一种优选的技术方案，所述菱形铰链为四个相同的链杆首尾相接连为一体，链杆的长为5～20mm、宽为1～3mm、厚度为0.5～1.5mm，链杆宽度方向加工有开口相背的凹槽。
8.作为一种优选的技术方案，所述承压膜片的厚度为0.5～3.5mm、直径为8～20mm，材料为316不锈钢或304不锈钢。
9.作为一种优选的技术方案，所述长梁和短梁之间的距离为2～10mm，所述第二光栅与第一光栅之间的距离为2～6mm。
10.本发明还提供一种用于油气井下的光纤光栅温度压力传感器的制作方法，包括以下步骤：
11.s1.将传感单元放入传感器保护套的传感作业孔内，并通过螺纹将传感单元的压力敏感件固定在传感器保护套上，使得长梁和短梁的上表面与传感器保护套轴线共面；
12.s2.将刻有第一光栅和第二光栅的光纤从传感器保护套一端穿入，从传感器保护套另一端穿出，将光纤放置在长梁和短梁上，调整光纤位置，使第一光栅悬空于长梁和短梁之间，第二光栅栅区位于长梁上；
13.s3.用高温固化剂涂覆在长梁和短梁表面并覆盖在光纤上，第二光栅栅区完全被高温固化剂覆盖，利用高温加热装置按照高温固化剂固化工艺进行固化，使得光纤固定在长梁和短梁上；
14.s4.高温固化后回到室温，旋转调节螺栓使菱形铰链发生形变，使第一光栅的中心波长大于用高温固化剂固定前的初始波长，即保证封装后的第一光栅处于紧绷状态；
15.s5.先将传感器放入温度箱进行传感器温度响应标定，再将压力敏感件的液压孔b与通用压力表校验装置连接，进行传感器压力响应标定；
16.s6.完成传感器的温度、压力响应标定后，将密封盖螺纹涂上密封胶，安装于传感器保护套的传感作业孔上通过螺纹进行密封安装，将压力缓冲盖安装于压力敏感件的液压孔b上，制作完成。
17.本发明的有益效果如下：
18.1、本发明通过菱形铰链将承压膜片因受到压力而产生膜片中心轴向位移转换成设置在菱形铰链上的长梁和短梁的横向位移，使得第一光栅波长漂移进行压力检测，现有技术光纤光栅沿膜片中心轴向方式固定，传感器量程由对光纤光栅施加预应力大小决定，而且光纤光栅粘贴工艺难度高，成品率低，本发明的光纤光栅平行于膜片平面的方式固定，具有封装工艺简单、成品率高且传感器压力量程和灵敏度可通过调整承压膜片的厚度和承压面积来决定，通过更换具有不同尺寸的承压膜片的压力敏感件，实现不同油气井下压力
监测量程和灵敏度要求。
19.2、本发明的压力灵敏度还可以通过调整菱形铰链的链杆结构尺寸、长梁和短梁间距，可进一步提高传感器的压力灵敏度，解决承压膜片厚度尺寸对传感器测量量程和灵敏度相互制约的难题。
20.3、本发明的光纤两端从传感器保护套两端引出，可以实现多个传感器串联，解决了膜片式光纤光栅压力传感器难以多点串联的难题。
21.4、本发明的调节螺栓用于对第一光栅4波长进行调节，可降低光纤光栅与金属粘贴梁高温固化粘贴时对光纤2两端施加预应力精确控制技术难题，提高传感器封装成品率和波长一致性，避免了现有技术压力传感光纤光栅与金属粘贴梁在高温下固化粘贴时，若施加于光纤光栅两端的预应力控制不当，由于金属热膨胀系数大于光纤光栅热膨胀系数，回到室温时会导致两点粘贴的压力传感光纤光栅弯曲，无法正确响应压力变化，导致传感器封装失败的现象。
22.5、本发明是一种完全浸入待测液体环境中工作的传感器，与同类光纤光栅压力传感相比，本发明通过压力敏感件的液压孔b开口端设置的内螺纹与通用压力校验装置连接即可实现对压力传感器的标定，无需将传感器放入定制的专用测试设备进行标定，降低了传感器测试条件和难度。
23.6、本发明具有传感器封装工艺简单，温度压力双参量监测、多传感器易串联的优点，易实现油气井下分层多点监测的需求。
附图说明
24.图1是本发明的结构示意图。
25.图2是本发明传感单元6的剖面结构示意图。
26.图3是本发明传感单元6的立体结构示意图。
27.图4是本发明温度响应标定曲线图。
28.图5是本发明压力响应标定曲线图。
29.其中：传感器保护套1；光纤2；密封盖3；第一光栅4；第二光栅5；传感单元6；压力缓冲盖7；压力敏感件6-1；菱形铰链6-2；支架6-3；调节螺栓6-4；长梁6-6；短梁6-5；承压膜片6-7。
具体实施方式
30.下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于下述的实施方式。
31.实施例1
32.在图1～3中，本实施例的一种用于油气井下的光纤光栅温度压力传感器由传感器保护套1、传感单元6、密封盖3、压力缓冲盖7、光纤2连接构成，传感器保护套1的两端外侧壁上均加工有密封圈安装槽和外螺纹作为串联用接头，中部径向贯穿加工有传感作业孔，传感作业孔内安装有传感单元6，密封盖3通过螺纹固定安装在传感作业孔的端口上，传感器保护套1轴向中心位置加工有光纤2安装孔，光纤2安装孔内设置有光纤2，光纤2的两端尾纤伸出传感器保护套1外，一端尾纤用于与地面解调设备连接，另一端尾纤悬空或与其他光纤
传感器，如流量传感器、振动传感器串接，实现同一层面温度、压力、流量、振动等多参量测量，也可以在不同油气层面安装本传感器，利用本传感器两端尾纤进行串接，实现多点分层温度、压力监测需求。传感单元6为圆柱形的压力敏感件6-1一端中心位置加工有轴向的液压孔b，液压孔b的底为承压膜片6-7，承压膜片6-7的厚度为2.5mm、直径为10mm，压力敏感件6-1的材料为316不锈钢，压力敏感件6-1另一端面上固定安装有菱形铰链6-2和支架6-3，支架6-3上通过螺纹安装有调节螺栓6-4，菱形铰链6-2的一顶端固定安装在承压膜片6-7上、同一对角线的另一顶端抵靠在调节螺栓6-4的端部，菱形铰链6-2另外两顶端上分别水平固定有长梁6-6和短梁6-5，长梁6-6和短梁6-5之间的距离为4mm，光纤2用胶粘贴在长梁6-6和短梁6-5上使光纤2悬空在光纤2安装孔内，长梁6-6和短梁6-5之间的光纤2上刻写有第一光栅4，为压力传感光栅，第一光栅4呈悬空状态，长梁6-6上胶覆盖区域内的光纤2上刻写有第二光栅5，为温度传感光栅，第二光栅5与第一光栅4之间的距离为4mm，第二光栅5与第一光栅4的栅区长度均为3mm，第二光栅5与第一光栅4的中心波长不相等，第一光栅4的中心波长为1550.427nm，第二光栅5的中心波长为1540.851nm，菱形铰链6-2将承压膜片6-7因受到压力而产生膜片中心轴向位移转换成设置在菱形铰链上的长梁6-6和短梁6-5的横向位移，使得第一光栅4波长漂移进行压力检测，压力敏感件6-1的液压孔b上通过螺纹固定安装有压力缓冲盖7，压力缓冲盖7端面上加工有取压孔a，压力缓冲盖7用于防止井下压力发生突变时缓冲对膜片的冲击和井下异物填充液压孔b引起膜片受压不均，从而实现对用于压力传感的第一光栅4的保护。
33.本实施例的菱形铰链6-2为四个相同的链杆首尾相接连为一体，链杆的长为5.5mm、宽为2mm、厚度为1mm，链杆宽度方向加工有开口相背的凹槽，用于提高灵敏度。
34.本发明的工作原理如下：
35.当本发明用于进行油气井下温度压力检测时，利用传感器保护套1两端的螺纹与井下其他测井设备连接，通过传感器保护套1两端设置的密封圈和光纤2尾纤密封螺纹，实现传感作业孔内部与井下油气隔离。具有一定压力的井下油气通过压力缓冲盖7上的取压孔a进入压力敏感件6-1的液压孔b内，作用在承压膜片6-7上，承压膜片6-7在压力的作用下中心产生轴向形变，菱形铰链6-2将承压膜片6-7轴向形变转换成其横向形变，从而使粘贴有第二光栅5的长梁6-6和短梁6-5之间的距离增大，这样使得两端粘贴在长梁6-6和短梁6-5之间的第一光栅4受到沿光纤2轴向的拉伸，引起其中心波长向长波方向漂移，通过检测波长的漂移量可得到井下油气压力的变化；而全涂覆粘贴于长梁6-6上的第二光栅5的中心波长不受压力变化的影响。
36.井下温度的变化将同时引起第一光栅4和第二光栅5中心波长的变化，通过检测第二光栅5中心波长的信息获得井下温度，同时可以修正第一光栅4检测压力时温度引起的波长漂移。
37.一种用于油气井下的光纤光栅温度压力传感器的制作方法，包括以下步骤：
38.s1.将传感单元6放入传感器保护套1的传感作业孔内，并通过螺纹将传感单元6的压力敏感件6-1固定在传感器保护套1上，使得长梁6-6和短梁6-5的上表面与传感器保护套1轴线共面；
39.s2.将刻有第一光栅4和第二光栅5的光纤2从传感器保护套1一端穿入，从传感器保护套1另一端穿出，将光纤2放置在长梁6-6和短梁6-5上，调整光纤2位置，使第一光栅4栅
区悬空于长梁6-6和短梁6-5之间，第二光栅5栅区位于长梁6-6上；
40.s3.用高温固化剂涂覆在长梁6-6和短梁6-5表面并覆盖在光纤2上，第二光栅5栅区完全被高温固化剂覆盖，利用高温加热装置按照高温固化剂固化工艺进行固化，使得光纤2固定在长梁6-6和短梁6-5上；
41.s4.高温固化后回到室温，旋转调节螺栓6-4使菱形铰链6-2发生形变，使第一光栅4的中心波长大于初始波长1550.427nm，即保证封装后的第一光栅4处于紧绷状态；
42.s5.先将传感器放入温度箱进行传感器温度响应标定，再将压力敏感件6-1的液压孔b通过开设的螺纹与通用压力表校验装置连接，进行传感器压力响应标定；
43.s6.完成传感器的温度、压力响应标定后，将密封盖3螺纹涂上密封胶，安装于传感器保护套1的传感作业孔上通过螺纹进行密封安装，将压力缓冲盖7安装于压力敏感件6-1的液压孔b上，制作完成。
44.实施例2
45.在本实施例中，传感单元6为圆柱形的压力敏感件6-1一端中心位置加工有轴向的液压孔b，液压孔b的底为承压膜片6-7，承压膜片6-7的厚度为0.5mm、直径为8mm，压力敏感件6-1的材料为304不锈钢，压力敏感件6-1另一端面上固定安装有菱形铰链6-2和支架6-3，支架6-3上通过螺纹安装有调节螺栓6-4，菱形铰链6-2的一顶端固定安装在承压膜片6-7上、同一对角线的另一顶端抵靠在调节螺栓6-4的端部，菱形铰链6-2另外两顶端上分别水平固定有长梁6-6和短梁6-5，长梁6-6和短梁6-5之间的距离为2mm，光纤2用胶粘贴在长梁6-6和短梁6-5上使光纤2悬空在光纤2安装孔内，长梁6-6和短梁6-5之间的光纤2上刻写有第一光栅4，为压力传感光栅，第一光栅4呈悬空状态，长梁6-6上胶覆盖区域内的光纤2上刻写有第二光栅5，为温度传感光栅，第二光栅5与第一光栅4之间的距离为6mm，第二光栅5与第一光栅4的栅区长度均为1mm，第二光栅5与第一光栅4的中心波长不相等，第一光栅4的中心波长为1540.356nm，第二光栅5的中心波长为1530.843nm，菱形铰链6-2为四个相同的链杆首尾相接连为一体，链杆的长为5mm、宽为1mm、厚度为0.5mm，链杆宽度方向加工有开口相背的凹槽，用于提高灵敏度。其他零部件及零部件的连接关系与实施例1相同,传感器的制作方法与实施例1相同。
46.实施例3
47.在本实施例中，传感单元6为圆柱形的压力敏感件6-1一端中心位置加工有轴向的液压孔b，液压孔b的底为承压膜片6-7，承压膜片6-7的厚度为3.5mm、直径为20mm，压力敏感件6-1的材料为304不锈钢，压力敏感件6-1另一端面上固定安装有菱形铰链6-2和支架6-3，支架6-3上通过螺纹安装有调节螺栓6-4，菱形铰链6-2的一顶端固定安装在承压膜片6-7上、同一对角线的另一顶端抵靠在调节螺栓6-4的端部，菱形铰链6-2另外两顶端上分别水平固定有长梁6-6和短梁6-5，长梁6-6和短梁6-5之间的距离为10mm，光纤2用胶粘贴在长梁6-6和短梁6-5上使光纤2悬空在光纤2安装孔内，长梁6-6和短梁6-5之间的光纤2上刻写有第一光栅4，为压力传感光栅，第一光栅4呈悬空状态，长梁6-6上胶覆盖区域内的光纤2上刻写有第二光栅5，为温度传感光栅，第二光栅5与第一光栅4之间的距离为2mm，第二光栅5与第一光栅4的栅区长度均为8mm，第二光栅5与第一光栅4的中心波长不相等，第一光栅4的中心波长为1570.267nm，第二光栅5的中心波长为1560.691nm，菱形铰链6-2为四个相同的链杆首尾相接连为一体，链杆的长为20mm、宽为3mm、厚度为1.5mm，链杆宽度方向加工有开口
相背的凹槽，用于提高灵敏度。其他零部件及零部件的连接关系与实施例1相同，传感器的制作方法与实施例1相同。
48.为了检验本发明的有益效果，对实施例1的用于油气井下的光纤光栅温度压力传感器进行了温度和压力标定测试，传感器温度响应标定曲线如图4所示，测试结果表明温度传感光栅(第二光栅5)和压力传感光栅(第一光栅4)具有相同的温度灵敏度和良好的线性度，通过温度传感光栅可实现井下温度的实时检测和检测井下压力时温度引起压力传感光栅波长漂移的修正。传感器压力响应标定曲线如图5所示，测试结果表明温度传感光栅(第二光栅5)波长对井下压力变化没有响应，压力传感光栅(第一光栅4)波长随着压力的增大向长波方向漂移，并对压力具有良好的线性响应关系。