[发明专利]高性能光纤压力传感器

摘要

本发明公开了一种适于油井状态监测的高性能光纤压力传感器，其特征是从宽带光源发出的光经单模光纤耦和器传输到光纤压力传感器探头，从探头反射的光进入光谱仪探测，通过光谱分析把珐－珀腔的长度变化测出来。传感器探头采用不锈钢圆筒式设计，圆筒形的膜片镶嵌于外壳一端的中部，感受压力的光纤从外壳另一端的中部的孔中插入。为了保证在高压下不产生塑性变形，膜片中心的最大位移不能大于膜厚的1/2～1/3。另外，还可引入一个感受温度的光纤光栅，实现压力测量的温度补偿。本发明的高性能光纤压力传感器，探头采用不锈钢圆筒式设计密封性好，并具有耐腐蚀、抛光性能好、易加工等优点，可附加温度补偿系统。对于6MPa范围内的压力测量，其结果基本上是线性的。该光纤传感器在石油化工等领域均有广泛的应用前景。

主权项

1、一种适于油井状态监测的光纤压力传感器，其特征在于：从宽带光源发出的光经单模光纤耦合器传输到光纤压力传感器探头，从探头反射的光进入光谱仪探测，通过光谱分析把珐-珀腔的长度变化测出来；传感器探头采用不锈钢圆筒式设计，圆筒形的膜片1镶嵌于外壳2一端的中部，感受压力的光纤3从外壳2另一端的中部的孔中插入，膜片1底部中心的最大位移不能大于膜厚的1/2～1/3，可将圆筒底部膜片看作周边固支的平膜片，在均布压力P作用下，其挠度Ymax 为：$Y_{\max }=\frac{3{\mathrm{Pa}}^4(1-{\mu }^2)}{16{\mathrm{Eh}}^3}$ ①式中E、α、r、μ、h分别为弹性模量、平膜片的有效半径及任一点的半径、泊松比、厚度；在一定的压力作用下，圆筒底部中心的位移可以分为三部分进行计算：(1)底部的圆板的中心挠度由式①得出；(2)圆筒壁的拉伸变形产生的形变Δl；(3)圆筒的法兰部分受压时产生的挠度ω2；第二部分圆筒壁的轴向应变所产生的形变如②所示，其中pa-内压；pb-外压：$\mathrm{\Delta l}=\frac{l}{E(b^2-a^2)}[p_a{a}^2-2\mu (p_a{a}^2-p_b{b}^2)]$ ②另外，圆筒的法兰部分的最大挠度ω2可近似为${\omega }_2={\alpha }_{12}\frac{{\mathrm{Pa}}^2}{{\mathrm{Eh}}^3}$ ③α12-挠度系数(与b/R有关)，且当b/R≥0.8时，α12＝0圆筒底部中心的总位移应为①、②、③三式之和，其对应的压力就是所要测得的压力。