一種光學液壓檢測裝置及方法
2023-09-16 22:02:00
專利名稱：一種光學液壓檢測裝置及方法
技術領域：
本發明涉及液體壓力的檢測技術，尤其涉及一種採用全光學系統的液體壓力檢測裝置及方法。
背景技術：
壓力是液壓系統的重要參數之一，與系統的運行狀態密切相關。在石油、煤炭等礦產資源開採過程中需要對礦井下的液體壓力、溫度等參數進行實時監測，了解井下油層的物理狀態，從而優化開釆方案，提高產量和採收率，並且保障礦井開釆的生產安全。
傳統的電類壓力傳感器，由於電信號遠距離傳輸不方便，需要在井下增加許多二次儀表、中繼器和電源等設備，傳輸成本高，且可靠性較低。隨著開採深度的不斷增加，井下的溫度、壓力的升高，傳統的電子式壓力傳感器無法在井下，高溫、高壓、腐蝕、地/磁和電幹擾等惡劣環境下長期可靠的工作，難以滿足工程測量和生產的實際需要。光纖傳感器具有抗幹擾能力強、可靠性好、耐腐蝕、本質安全防爆等優點，非常適合在油田測井等惡劣環境下使用。
鑑於此，為解決上述技術問題，本發明提供了一種在惡劣環境下採用全光學系統的液體壓力檢測裝置及方法。
發明內容
本發明主要解決的技術問題在於提供一種光學液壓檢測裝置及方法。
為了解決上述技術問題，本發明採用如下技術方案
一種光學液壓檢測裝置，包括測量腔體、雷射器、第一光接收電路、光柵溫度傳感器和數據處理模塊；
所述測量腔體頂部設有入光口和出光口，所述入光口處設有光纖闊束鏡，所述出光口處設有光接收器，測量腔體底部安裝有活動板，所述活動板上至少設有一面反射4竟；
所述雷射器通過第一傳輸光纖與所述光纖闊束鏡相連，將所述雷射器發出的雷射發送至光纖闊束鏡，光纖闊束鏡使雷射闊束後發射至活動板的反射鏡上，反射鏡再將雷射^Jt至位於出光口處的光接收器上；
所述光接收器通過第二傳輸光纖與第一光接收電路相連，所述第一光接收電路與所述數據處理模塊相連，用以將所述光接收器接收到的光信號轉換為電信號，並發送至數據處理模塊；
所述光柵溫度傳感器的輸入端與所述光纖闊束鏡相連，所述光柵溫度傳感器的輸出端與所述數據處理模塊相連，用於檢測測量腔體反射回來的雷射，並將檢測到的帶有溫度信息的電信號發送至數據處理模塊；
所述數據處理模塊用於處理接收到的信號。
作為本發明的優選方案之一，所述光柵溫度傳感器包括依次相連的FBG光柵、M-Z幹涉儀和第二光接收電路。
進一步地，所述光學液壓檢測裝置還設有環路器，所述雷射器發出的雷射經經由環路器發送至第一傳輸光纖；所述FBG光柵設置於第一傳輸光纖與光纖闊束鏡連接之處，測量腔體反射回來的雷射經由FBG光柵反射後通過第一傳輸光纖傳輸至環路器，再由環路器發送至M-Z幹涉儀。
作為本發明的優選方案，所述測量腔體底部的活動板上依次設有第一反射鏡和第二反射鏡，所述測量腔體頂部的入光口和出光口之間設有第三反射鏡，雷射由入光口發射至活動板的第一反射鏡上，第一反射鏡將雷射反射至測量腔體頂部的第三反射鏡上，第三反射鏡將雷射反射回活動板的第二反射鏡上，由第二反射鏡再將雷射發射至出光口。
進一步地，所述光纖闊束鏡使雷射發射至反射鏡的入射角為20° -70° 。
進一步地，所述雷射器為1550mn雷射器。
進一步地，所述數據處理模塊為微型計算機。
一種採用上述裝置的光學液壓檢測方法，包括如下步驟
步驟一，使雷射器發出雷射，並將雷射發送至光纖闊束鏡使雷射闊束後進入測量腔體，雷射由測量腔體的入光口發射至活動板的反射鏡上，雷射在測量腔體內來回反射，最後再由活動板上的反射鏡將雷射反射至出光口，出光口處的光接 收器接收雷射，並由第一光接收電路將該雷射信號轉換成電信號發送至數據處理
模塊；
步驟二，光柵溫度傳感器探測由測量腔體入光口處反射回來的雷射，並將得 到的電信號發送至數據處理模塊；
步驟三，將測量腔體放入液體中檢測，測量腔體的活動板與所測液體接觸， 活動板受到液體壓力，位置發生變化，其上的反射鏡與入光口、出光口的相對位 置也發生變化，使出光口處光接收器接收到的雷射光強發生變化；數據處理模塊 通過記錄光接收器接收到的雷射強度的變化量則可得到活動板位置的變化量，從 而得到測量腔體體積的變化量△ V;
步驟四，將測量腔體放入液體後，光柵溫度傳感器探測由測量腔體入光口處 反射回來的雷射，並將得到的電信號發送至數據處理模塊；數據處理模塊通過記 錄光柵溫度傳感器檢測到的光強變化量，根據該光柵溫度傳感器的傳感機理可得 到測量腔體內的溫度變化量AT;此處，光柵溫度傳感器測量溫度的傳感機理為 本領域的公知技術。
步驟五，數據處理模塊根據公式pr/r-厶測量腔體體積的變化量AV和測
量腔體內的溫度變化量AT,計算出所測液體壓強的變化量AP,其中A為常量， P為壓強，V為體積，T為溫度。
本發明的光學液壓檢測裝置及方法相比較於現有技術，其有益效果在於本 裝置採用全光學系統，相對於傳統的檢測裝置而言，耐腐蝕性更強，並且還具有 抗幹擾能力強、可靠性好、體積小、重量輕、結構緊湊、靈敏度高等優點，更適 合於在油田等惡劣的環境當中長期使用。
圖1為本發明光學液壓4企測裝置的結構示意圖2為實施例一光學液壓檢測裝置的結構示意圖3為實施例二測量腔體內通過光學系統檢測液壓的示意圖；圖4為實施例三測量腔體內通過光學系統卩險測液壓的示意圖； 其中，當外界壓力發生變化時，活動板從位置A移動到位置B，腔體內的光 線也隨之改變。
圖中標記i兌明 1測量腔體 103活動板 1033反射鏡 4光柵溫度傳感器 4021, 4022 2 x 2耦合器
101光纖闊束鏡 1031反射鏡 2雷射器 401 FBG光柵 4023延時光纖
102光接收器 1032反射鏡 3第一光接收電路 402 M-Z千涉儀 403第二光接收電路
5數據處理才莫塊
具體實施例方式
下面結合附圖進一步詳細說明本發明的具體實施例
請參看圖1， 一種光學液壓檢測裝置，包括測量腔體1、雷射器2、第一 光接收電路3、光柵溫度傳感器4和數據處理模塊5;
所述測量腔體1頂部設有入光口和出光口，所述入光口處設有光纖闊束鏡 101,所述出光口處設有光接收器102，測量腔體1底部安裝有活動板103，所述 活動板103上至少設有一面反射鏡1031;
所述雷射器2通過第一傳輸光纖與所述光纖闊束鏡101相連，將所述雷射器 2發出的雷射發送至光纖闊束鏡101，光纖闊束鏡101使雷射闊束後發射至活動 板103的反射鏡1031上，反射鏡1031再將雷射反射至位於出光口處的光接收器 102上；
所述光接收器102通過第二傳輸光纖與第一光接收電路3相連，所述第一光 接收電路3與所述數據處理模塊5相連，用以將所述光接收器102接收到的光信 號轉換為電信號，並發送至數據處理模塊5;所述光柵溫度傳感器4的輸入端與所述光纖闊束鏡101相連，所述光柵溫度 傳感器4的輸出端與所述數據處理模塊5相連，用於檢測測量腔體1反射回來的 雷射，並將檢測到的信號發送至數據處理模塊5;
所述數據處理模塊5用於處理接收到的信號。
進一步地，所述雷射器2為1550咖雷射器。
進一步地，所述數據處理模塊5為微型計算機。
實施例一
光纖光柵溫度傳感器4可有多種結構，參看圖2，作為本發明的優選方案之 一，所述的光柵溫度傳感器4包括依次相連的FBG光柵401、 M-Z千涉儀402 和第二光接收電路403。
FBG光柵，即光纖布拉才各光4冊(Fiber Bragg Grating, FBG)是一種光纖無源 器件。由於它能將#:感測信息轉化為其反射波長的偏移，即具有波長編碼的特性，
因而不受光源功率波動和系統損耗的影響。M-Z幹涉儀，即馬赫-澤德 (Mach-Zehnder， M-Z )幹涉儀，因其具有幹涉現象，及體積小，重量輕，結構緊湊， 靈敏度高等特點。
進一步地，所述光學液壓檢測裝置還設有環路器404,所述雷射器2發出的 雷射經由環路器4(M發送至第一傳輸光纖；所述FBG光柵401設置於第一傳輸光 纖與光纖闊束鏡101連接之處，測量腔體1反射回來的雷射經由FBG光柵401 反射後通過第一傳輸光纖傳輸至環路器404，再由環路器404發送至M-Z幹涉儀 術。
M-Z幹涉儀的結構是本領域公知的，本實施例中，所述M-Z幹涉儀402包括 兩個2x2耦合器4021， 4022， M-Z幹涉儀的兩臂其中一臂為延時光纖4023。
實施例二
參看圖3，作為本發明的優選方案之一，所述測量腔體1底部的活動板103 上依次設有第一反射鏡1031和第二反射鏡1032,所述測量腔體1頂部的入光口 和出光口之間設有第三反射鏡1033，雷射由入光口發射至活動板103的第一反射鏡1031上，第一反射鏡1031將雷射反射至測量腔體1頂部的第三反射鏡1033 上，第三反射鏡1033將雷射反射回活動板103的第二反射鏡1032上，由第二反 射鏡1032再將雷射發射至出光口 。
進一步地，所述光纖闊束鏡101使雷射發射至反射鏡1031的入射角為20° -70° 。
實施例三
參看圖4，作為本發明的另一方案，所述測量腔體1底部的活動板103上僅 設有第一反射鏡1031，雷射由入光口發射至活動板的第一反射鏡1031上，第一 反射鏡1031將雷射反射至出光口。所述光纖闊束鏡101使雷射發射至反射鏡 1031的入射角為20。 -70° 。
採用上述裝置的光學液壓檢測方法，包括如下步驟
步驟一，使雷射器發出雷射，並將雷射發送至光纖闊束鏡使雷射闊束後進入 測量腔體，雷射由測量腔體的入光口發射至活動板的反射鏡上，雷射在測量腔體 內來回反射，最後再由活動板上的反射鏡將雷射反射至出光口，出光口處的光接 收器接收雷射，並由第一光接收電路將該雷射信號轉換成電信號發送至數據處理 模塊；
步驟二，光柵溫度傳感器探測由測量腔體入光口處反射回來的雷射，並將得 到的電信號發送至數據處理模塊；
步驟三，參看圖3、圖4,將測量腔體放入液體中檢測，測量腔體的活動板 與所測液體接觸，外界壓力發生變化時，活動板受到液體壓力，位置發生變化， 其上的反射鏡與入光口、出光口的相對位置也發生變化。圖中，當外界壓力發生 變化時，活動板從位置A移動到位置B，腔體內的光線也隨之改變，由實線方向 變為虛線方向，出光口處光接收器接收到的雷射光強也發生變化。數據處理模塊 通過記錄光接收器接收到的雷射強度的變化量則可得到活動板位置的變化量，從 而得到測量腔體體積的變化量△ V;
步驟四，將測量腔體放入液體後，光柵溫度傳感器探測由測量腔體入光口處反射回來的雷射，並將得到的電信號發送至數據處理模塊；數據處理模塊通過記 錄光柵溫度傳感器檢測到的光強變化量，根據該光柵溫度傳感器的傳感機理可得 到測量腔體內的溫度變化量AT;此處，光柵溫度傳感器測量溫度的傳感機理為 本領域的公知才支術。
步驟五，數據處理模塊根據公式戶r/r-丄測量腔體體積的變化量AV和測 量腔體內的溫度變化量AT,計算出所測液體壓強的變化量AP。其中A為常量， P為壓強，V為體積，T為溫度。
本系統使用FBG作溫度補償，在傳輸光纖接進闊束鏡的位置設置一個FBG 光柵通過檢測由光柵反射回來的光波長變化來測量光強變化。其中，光柵溫度傳 感器採用鍺矽光纖布拉格光柵和M-Z幹涉儀，可知鍺矽光纖布拉格光柵溫度傳感 規律為
△;i/;i = 6.67xi(r6Ar (1)
系統通過幹涉的形式來測量光柵總波長的變化量A義將由光柵回傳回來的 光輸入M-Z幹涉儀當中，M-Z幹涉儀的兩臂存在一個延時光纖L，則兩臂的相位 差為
A^ = Z//>1 (2) 則可4企測到的光強E可以表示為
2 2 r (3) 其中￡。為M-Z幹涉儀兩臂內的光強。
系統通過檢測光強E的變化量，根據公式(3 )可得到M-Z幹涉儀兩臂的相 位差△ (J)的變化量，根椐相位差的公式(2 )得到光柵總波長的變化量AA ，再根 據鍺矽光纖布拉格光柵的溫度傳感規律公式(1)可得到溫度變化量AT。
本發明的光學液壓檢測裝置結合光纖布拉格光柵和M-Z千涉儀，採用了全光 學系統，相對於傳統的檢測裝置而言，耐腐蝕性更強，並且還具有抗幹擾能力強、 可靠性好、體積小、重量輕、結構緊湊、靈敏度高等優點，更適合於在油田等惡 劣的環境當中長期4吏用。
本發明的描述和應用是說明性的，並非想將本發明的範圍限制在上述實施例中。這裡所披露的實施例的變形和改變是可能的，對於那些本領域的普通技術人 員來說實施例的替換和等效的各種部件是公知的。本領域技術人員應該清楚的 是，在不脫離本發明的精神或本質特徵的情況下，本發明可以以其他形式來實現。 在不脫離本發明範圍和精神的情況下，可以對這裡所披露的實施例進行其他變形 和改變。
權利要求
1.一種光學液壓檢測裝置，其特徵在於，該結構包括測量腔體(1)、雷射器(2)、第一光接收電路(3)、光柵溫度傳感器(4)和數據處理模塊(5)；所述測量腔體(1)頂部設有入光口和出光口，所述入光口處設有光纖闊束鏡(101)，所述出光口處設有光接收器(102)，測量腔體(1)底部安裝有活動板(103)，所述活動板(103)上至少設有一面反射鏡(1031)；所述雷射器(2)通過第一傳輸光纖與所述光纖闊束鏡(101)相連，將所述雷射器(2)發出的雷射發送至光纖闊束鏡(101)，光纖闊束鏡(101)使雷射闊束後發射至反射鏡(1031)上，反射鏡(1031)再將雷射反射至位於出光口處的光接收器(102)上；所述光接收器(102)通過第二傳輸光纖與第一光接收電路(3)相連，所述第一光接收電路(3)與所述數據處理模塊(5)相連，用以將所述光接收器(102)接收到的光信號轉換為電信號，並發送至數據處理模塊(5)；所述光柵溫度傳感器(4)的輸入端與所述光纖闊束鏡(101)相連，所述光柵溫度傳感器(4)的輸出端與所述數據處理模塊(5)相連，用於檢測測量腔體(1)反射回來的雷射，並將檢測到的信號發送至數據處理模塊(5)，所述數據處理模塊(5)用於處理接收到的信號。
2. 根據權利要求1所述的一種光學液壓檢測裝置，其特徵在於所述光柵溫度傳感器(4 )包括依次相連的FBG光柵(401) 、 M-Z幹涉儀(402 )和第二光接收電路(403 )。
3. 根據權利要求2所述的一種光學液壓檢測裝置，其特徵在於所述光學液壓檢測裝置還設有環路器(404 )，所述雷射器(2 )發出的雷射經由環路器(404 )發送至第一傳輸光纖；所述FBG光柵(401)設置於第一傳輸光纖與光纖闊束鏡(101)連接之處，測量腔體(1)反射回來的雷射經由FBG光柵(401)反射後通過第一傳輸光纖傳輸至環路器(404 ),再由環路器(404 )發送至M-Z幹涉儀(402 )。
4. 根據權利要求1所述的一種光學液壓檢測裝置，其特徵在於所述測量腔體(1) 底部的活動板(103 )上依次設有第一反射鏡(1031 )和第二反射鏡(1032 )，所述測量腔體(1)頂部的入光口和出光口之間設有第三反射鏡(1033 )，雷射由入光口發射至第一反射鏡(1031)上，第一反射鏡(1031)將雷射反射至第三反射鏡(1033 )上，第三反射鏡(1033 )將雷射反射回第二反射鏡(1032 )上，由第二反射鏡(1032 )再將雷射發射至出光口。
5. 根據權利要求4所述的一種光學液壓檢測裝置，其特徵在於所述光纖闊束鏡(101)使雷射發射至反射鏡(1031)的入射角為20° -70° 。
6. 根據權利要求1所述的一種光學液壓才企測裝置，其特徵在於所述雷射器(2) 為1550nm雷射器。
7. 根據權利要求1所述的一種光學液壓檢測裝置，其特徵在於所述數據處理模塊(5)為微型計算機。
8. —種採用如權利要求1-7任一項所述裝置的光學液壓檢測方法，包括如下步驟步驟一，使雷射器發出雷射，並將雷射發送至光纖闊束鏡使雷射闊束後進入測量腔體，雷射由測量腔體的入光口發射至活動板的反射鏡上，雷射在測量腔體內來回反射，最後再由活動板上的反射鏡將雷射反射至出光口，出光口處的光接收器接收雷射，並由第一光接收電路將該雷射信號轉換成電信號發送至數據處理模塊；步驟二，光柵溫度傳感器探測由測量腔體入光口處反射回來的雷射，並將得到的電信號發送至數據處理模塊；步驟三，將測量腔體放入液體中進行檢測，測量腔體的活動板與所測液體接觸，活動板受到液體壓力，位置發生變化，其上的反射鏡與入光口、出光口的相對位置也發生變化，使出光口處光接收器接收到的雷射光強發生變化；數據處理模塊通過記錄光接收器接收到的雷射強度的變化量則可得到活動板位置的變化量，^v而得到測量腔體體積的變化量△ V;步驟四，將測量腔體放入液體後，數據處理模塊通過記錄光柵溫度傳感器檢測到的光強變化量，根據該光柵溫度傳感器的傳感機理可得到測量腔體內的溫度變化量AT;步驟五，數據處理模塊根據公式屍F/7^」、測量腔體體積的變化量AV和測量腔體內的溫度變化量AT，計算出所測液體壓強的變化量AP，其中A為常量，P為壓強，V為體積，T為溫度。
全文摘要
本發明公開了一種光學液壓檢測裝置及方法，該裝置包括測量腔體、雷射器、第一光接收電路、光柵溫度傳感器和數據處理模塊；所述測量腔體頂部設有入光口和出光口，入光口處設有光纖闊束鏡，出光口處設有光接收器，測量腔體底部安裝有活動板，所述活動板上至少設有一面反射鏡；光接收器通過傳輸光纖與第一光接收電路相連，第一光接收電路與數據處理模塊相連；光柵溫度傳感器的輸入端與光纖闊束鏡相連，輸出端與數據處理模塊相連。本裝置採用全光學系統，相對於傳統的檢測裝置而言，耐腐蝕性更強，更適合於在油田等惡劣的環境當中長期使用。
文檔編號G01L11/00GK101655404SQ200910195848
公開日2010年2月24日 申請日期2009年9月17日 優先權日2009年9月17日
發明者仝芳軒, 周正仙, 剛 席, 魏 皋, 陳宇飛 申請人:上海華魏光纖傳感技術有限公司