用于检测流体介质中压力波的具有静态压力补偿的传感器制造技术

一种压力传感器装置包括：一填充有压力传递介质(3)的腔室(2)，腔室具有至少一个可以转移流体中至少部分的压力波的窗口(4)；一光纤(10)，所述光纤(10)纵向穿过所述腔室(2)，所述光纤(10)包括一FBG(18)，以及设于FBG(18)的相对两侧的两个安装点(11、12)；一框架(50)，所述框架(50)具有第一框架端(51)和纵向相对的第二框架端(52)；一并联连接到所述两个安装点(11、12)之间的光纤段(13)的压力响应组件(70)，所述压力响应组件包括由一压力响应机构(28)和一运动阻尼器(30)组成的串联结构；一串联到所述光纤段和所述框架(50)的弹性构件(40)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于检测流体介质中，尤其是液体介质中压力波的传感器。
技术介绍
在反射地震学的领域内，声脉冲是在海或者海洋的上部区域产生的，然后反射的声信号被测量和分析。这项技术是很有用的，例如，用于绘制海洋底部地图，以及用于探测石油和天然气，在该情况下需要映射地表面以下的结构。声波在水中的传播和压力波一样，可以使用压力传感器检测。在实际的安装中，多个传感器沿着数公里长的缆线的长度方向排列，多个传感器的相互间距大约为几米。该缆线，表示为“拖缆”，其在水中被拖曳在船舶的后面。传感器发出的测量信号通过拖缆传输到处理装置，处理装置通常是设于船上。在实践中，船牵引着多个相互平行的拖缆，多个拖缆相互之间距离大约为50米。总而言之，成千上万个压力传感器组成的测量阵列将处于运行。置在海底的传感器也用于声波的探测，不论是单点传感器(海底节点)还是布设于缆线中的一连串传感器。此外，声波的探测不仅限于勘探方面的使用，还更广泛地应用于地震检测，也就是，震波的检测，包括由地震引起的波。在一典型的现有技术示例中，压力传感器作为一个压电元件实现，压电元件包含了压电晶体。压力变化引起压电晶体收缩或者膨胀，而压电晶体的收缩和膨胀会使得压电晶体产生电信号。在这种情况下，为了传输这些电信号，拖缆需要包括导线，导线通常是由铜制成的，也可以由铝制成的替代。为了保持低的信号损失，导线必须比较厚。可替代地，或者附加地，这些拖缆应包含用于结合、复用和数字化这些传感器信号的数据接收单元。这同样适用于其他类型的拖缆，其中压力传感器产生电信号。已经有人提议采用光信号替换电信号，这将使得铜信号线被光纤所替代。也有人提出被动传感器，以替代自身产生光信号的主动传感器。本文所说的“被动”这个表达，是指一项传感器的光学特性随着一个环境参数的改变而发生改变，而这项传感器的光学特性可以通过利用光去探询传感器来测量。号称为光纤布拉格光栅(FBG)反射器的一个被动的光学元件已经在这个方面证明了自身。FBG反射器由在其中某些位置纵向布设有材料改性的光纤组成。通常，光纤的光学特性，包括折射率，沿着光纤的长度方向是固定值。然而，材料改性具有稍微不同的折射率。多个相邻间距相等的材料改性，作为光栅，可以反射一小波段。如果产生了一个光脉冲进入到光纤中，基本上所有的波长都会通过这个光栅位置，但是之前说的小波段会被反射。在光纤的输入端会接收到一个反射的光脉冲，这个光脉冲的波长可以指示连续的材料改性之间的相互距离。这类FBG反射器传感器对(局部)应力很敏感。应力的改变会引起光纤的长度改变，包括形成光栅的连续的材料改性之间的距离改变。这些距离改变，然后转化为反射光的波长的改变。FBG反射器其本身及其在拖缆中的用途都已受到人们关注。在这方面，本文参考了一些参考文献，如美国专利申请2011/0096624和2012/0069703，这两个专利均并入本文中用于所有目的。因为本专利技术中描述的例子并非直接提供一种改进的光线或者一个改进的FBG，而且因为使用包含与目前使用的相同型号的光线光栅反射器的光纤即可实施本专利技术，此处就省略对包含FBG反射器的光纤的设计和制造更详细的解释。在被感测的声波是海水中的压力波的情况下，因为FBG反射器主要是对纵向的应力变化敏感，一个包含FBG反射器的压力传感器，作为敏感元件，需要具有将压力变化转化为光纤应力变化的机构。根据本专利技术的至少几个包含了FBG元件的压力传感器装置的实施例是可行的，FBG元件作为传感元件，适用于拖缆中，用于在海洋测量和勘探中测量水的压力波。但应该指出的是这些压力传感器装置也可适用于其他应用领域。在一些实施例中，(例如，在拖缆或者其他型号的缆线中应用)，这种压力传感器装置应该具有一个尽可能小的横截面，最好是小于几个厘米。为了一个好的测量结果，压力传感器装置应该尽可能的对声压信号敏感，即，对0.5Hz至几十kHz的频率范围内的压力变化敏感，应当指出的是，关注的频率变化范围取决于实际的应用。另一方面，拖缆可以靠近海面使用也可以在海面下40米至更深的位置使用。传感器的一些其他应用需要传感器在相当大深度下的可用性，可达海底使用，一般在3000米。因此，压力传感器装置应当对叠加在一个静态背景压力下的极小的压力变化很敏感，可能是在0－300bar(g)范围内变化的极小压力变化。进一步地，根据实际应用，压力传感器装置应该最好对如水流等产生的干扰具有低敏感度。如果压力传感器装置是稳健的，将是有利的。在一些实施例中，传感器可能设置在一些在很多个月内无需维护和维修仍然要正常运行的设备上，和/或设置在一些更常“处理”的设备上。进一步，理想地，从生产厂家到最终目的地，压力传感器装置应当能够经受住从－60℃至+70℃的温度变化。进一步，压力传感器装置应该是小尺寸的。应用于缆线，如拖缆，意味着仅有有限的空间可供给压力传感器，尤其是横截面。美国专利申请2004/0184352，专利号68822595，作为参考文献并入本文中用于所有目的，其公开了光纤紧缠绕在空心心轴上的设计，在这种情况下，压力变化会引起心轴直径变化，继而引起光纤长度变化，但是这样的设计有一些缺点。一个缺点是缠绕光纤明显需要弯折光纤。然而，这个弯曲的曲率半径不应小于一个最小值，这使得心轴的直径具有一个最小值，后者又转化为一个相对较大直径的缆线。然而作为拖缆，是希望能尽可能地减小其直径，因为更小的直径可以使得材料更少、重量更小、阻力更小、运营成本更低。同时，如果缆线是缠绕的，较大的直径也是个缺点。进一步，所述美国专利2004/0184352中的设计，运行依赖于FBG传感元件之间的光纤长度因声波的激发而发生的改变。但是光纤长度也同样因机械引起的激发和缆线的应力变化而发生改变。根据应用情况，尤其是在拖缆中，缆线的应力因“急拉(jerk)”压力和膨胀波(swell wave)而改变。这会产生背景噪音。优选使用对FBG传感元件之间的光纤长度变化是不太敏感的传感器，理想的不敏感的传感器。进一步，所述美国专利2004/0184352的设计中，运行依赖于一个事实，当空心芯轴受到的外部压力增加时，其内部的容积与压力的增加成比例的降低。如果心轴的轴向长度不改变则可实现最佳响应，但是即使如此，与光纤的长度变化成比例的圆周变化的响应，仅与压力变化的平方根成正比。例如所述美国专利2004/0184352中公开的，在将光纤紧缠绕在空心心轴上的设计中，这将意味着，FBG传感元件将位于光纤的缠绕在心轴上的部分，其是一个弯曲光纤部分。因为FBG传感元件仅受到轴向张力才能达到最佳的精度，所以是不希望将FBG传感元件设置于弯曲光纤部分的。流体中的压力波可以被认为是一个静态压力背景下的动态压力信号。如将在下面说明的，理想的是，压力波传感器对静态背景压力的变化是不敏感的。图1A是一个FBG的波长响应谱示意图。值得注意的是，定性地说，一光纤激光器的波长频谱会看起来相似。横轴表示波长，纵轴表示信号幅度(任意单位)。如上面已经提到的，FBG通常可以反射以基本响应波长λR为中心的一个小波段。为了清楚起见，该波段的宽度在图中放大了。如图1A所示，基本响应波长λR适用于大气环境压力的情况。就基于FBG的传统压力传感器而言，压力变化将转化为长本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压力传感器装置(1001；1002；1003；1004；1005)，包括：－两个基准点(11、12)，在其之间限定了沿着连接所述基准点的虚拟直线的操作方向；－至少一个弹性张力构件(40)，用于向所述基准点(11、12)中的至少一个施加张力，所述张力的方向平行于所述操作方向；－至少一个压力响应组件(70)，所述压力响应组件(70)与所述弹性构件(13)并联，且与所述基准点(11、12)连接，所述或每一个压力响应组件(70)包括由至少一个压力响应机构(28)和至少一个高通传力构件(30)组成的串联结构；其中，压力响应机构(28)具有一平行于所述操作方向的操作长度，所述操作长度响应于压力，所述操作长度设置为用于施加平行于所述操作方向的拉或推的操作力；且，其中，高通传力构件(30)设置为使频率高于阈值频率的所述操作力大幅通过，并大幅减弱或阻挡频率低于阈值频率的所述操作力；－光学测量机构，用于测量代表待检测的压力的所述基准点之间的实际距离。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.11.19 NL 10405051.一种压力传感器装置(1001；1002；1003；1004；1005)，包括：－两个基准点(11、12)，在其之间限定了沿着连接所述基准点的虚拟直线的操作方向；－至少一个弹性张力构件(40)，用于向所述基准点(11、12)中的至少一个施加张力，所述张力的方向平行于所述操作方向；－至少一个压力响应组件(70)，所述压力响应组件(70)与所述弹性构件(13)并联，且与所述基准点(11、12)连接，所述或每一个压力响应组件(70)包括由至少一个压力响应机构(28)和至少一个高通传力构件(30)组成的串联结构；其中，压力响应机构(28)具有一平行于所述操作方向的操作长度，所述操作长度响应于压力，所述操作长度设置为用于施加平行于所述操作方向的拉或推的操作力；且，其中，高通传力构件(30)设置为使频率高于阈值频率的所述操作力大幅通过，并大幅减弱或阻挡频率低于阈值频率的所述操作力；－光学测量机构，用于测量代表待检测的压力的所述基准点之间的实际距离。2.根据权利要求1所述的压力传感器装置，还包括：－填充有压力传递介质(3)的腔室(2)，所述腔室(2)适于浸没在流体中，并具有至少一个窗口(4)，窗口(4)转移至少部分的在所述流体中的压力波；－其中，所述压力响应机构(28)设于所述腔室(2)内，并且响应于所述压力传递介质(3)的压力。3.根据权利要求2所述的压力传感器装置，其中，所述压力传递介质包括一种液体。4.根据权利要求1所述的压力传感器装置，还包括至少一个连接所述基准点(11、12)的弹性构件(13)，其中所述弹性构件(13)包括张紧于所述基准点(11、12)之间的光纤部分(13)。5.根据上述权利要求中任一项所述的压力传感器装置，其中，所述测量装置包括张紧于所述基准点(11、12)之间的光纤部分(13)。6.根据权利要求5所述的压力传感器装置，其中，所述光纤部分(13)包括光学感测部(18)。7.根据权利要求6所述的压力传感器装置，其中，所述光学感测部(18)包括至少一个光纤布拉格光栅(18)。8.根据权利要求7所述的压力传感器装置，其中，所述光纤布拉格光栅包括用于反射外部探询光束的一波段的反射器。9.根据权利要求6所述的压力传感器装置，其中，所述光学感测部(18)包括一光纤激光器的一部分。10.根据权利要求1所述的压力传感器设备，还包括：－一框架(50)，具有第一框架端(51)和一纵向相对的第二框架端(52)；－其中，所述张力构件(40)连接于所述两个基准点(11、12)之一和所述两个框架端之一的之间。11.根据权利要求4或5所述的压力传感器装置，还包括：－一框架(50)，具有第一框架端(51)和一纵向相对的第二框架端(52)；－其中，所述张力构件(40)与由所述压力响应组件(70)和所述光纤部分(13)组成的并联结构串联。12.根据权利要求1所述的压力传感器装置，其中，所述压力响应机构(28)包括具有压力响应构件(20)，压力响应构件(20)具有渐进反作用力发生器机构(27)。13.根据权利要求1所述的压力传感器装置，其中，所述压力响应构件(20)包括设于缸(25)内的活塞(24)。14.根据权利要求1所述的压力传感器装置，其中，所述压力响应构件(20)包括波纹管(26)。15.根据权利要求1所述的压力传感器装置，其中，所述压力响应构件(20)包括一布尔登管。16.根据上述权利要求1－5中任一项所述的压力传感器装置，其中，所述张力构件(40)连接于所述两个基准点之一(11)和第一框架端(51)之间，且其中所述两个基准点中的另一个(12)相对于相对的第二框架端(52)固定。17.根据上述权利要求1－15任一项所述的压力传感器装置，其中，第一张力构件(40)连接于所述两个基准点之一(11)和第一框架端(51)之间，且其中第二张力构件(340)连接于所述两个基准点中的另一个(12)和相对的第二框架端(52)之间。18.根据上述权利要求4－17任一项所述的压力传感器装置，包括两个并联的压力响应组件(70)，其中，所述两个压力响应组件(70)和所述弹性构件(13)设于同一虚拟平面。19.根据上述权利要求4－17任一项所述的压力传感器装置，包括三个或更多个并联的压力响应组件(70)，其中，所述压力响应组件(70)围绕所述弹性构件(13)布设。20.根据上述权利要求1－17任一项所述的压力传感器装置，其中，所述压力响应组件布置为具有彼此等角间隔的环形结构。21.根据上述权利要求1－20任一项所述的压力传感器装置，其中，在纵向上，每个压力响应组件(70)相对于一虚拟横向平面呈镜面对称。22.根据权利要求21所述的压力传感器装置，其中，每个压力响应组件(70)包括串联于两个传力构件(30)之间的压力响应机构(28)。23.根据权利要求22的所述的压力传感器装置，其中，所述压力响应组件(70)的中心部分相对于所述框架(50)固定。24.根据权利要求21所述的压力传感器装置，其中，每个压力响应组件(70)包括由串联于两个传力构件(30)之间的两个压力响应机构(28)所组成的串联结构。25.根据权利要求24所述的压力传感器装置，其中，所述两个压力响应机构(28)之间的一点相对于所述框架(50)固定。26.根据权利要求21所述的压力传感器装置，其中，每个压力响应组件(70)包括由串联于两个压力响应机构(28)之间的两个传力构件(30)所组成的串联结构。27.根据权利要求26所述的压力传感器装置，其中，每个传力构件(30)包括在填充有流体的缸(36)内往复运动的活塞(35)。28.根据权利要求27所述的压力传感器装置，其中，所述两个传力构件(30)的两个活塞连接在一起。29.根据权利要求27所述的压力传感器装置，其中，所述两个传力构件(30)的两个缸连接在一起。30.根据权利要求21所述的压力传感器装置，包括：－第一传力构件(30)，其包括在第一缸(36)内往复运动的第一活塞(35)，其中，所述第一活塞(35)的第一端与所述两个安装点之一(11)连接，且其中，所述第一活塞(35)的相对的第二端通过第一张力构件(40)与所述框架(50)连接；－第二传力构件(30)，其包括在第二缸(36)内往复运动的第二活塞(35)，其中，所述第二活塞(35)的第一端与所述两个安装点中的另一个(12)连接，且其中，所述第二活塞(35)的相对的第二端通过第二张力构件(340)与所述框架(50)连接；－至少一个具有第一端和第二端的压力响应机构(28)，其中，所述或每一个压力响应机构(28)的第一端与第一缸(36)连接，而所述或每一个压力响应机构(28)的第二端与第二缸(36)连接。31.用于勘探的拖缆段(4110)，包括至少一个如上述权利要求中任一项所述的压力传感器装置(1001；1002；1003；1004；1005)。32.用于勘探的拖缆(4100)，其包括至少一个如上述权利要求中任一项所述的压力传感器装置(1001；1002；1003；1004；1005)。33.拖缆阵列(4001)，其包括两根或更多根如权利要求32所述的拖缆(4100)。34.勘探系...

【专利技术属性】
技术研发人员：W·德容，G·E·诺珀斯，D·M·卡拉巴卡克，B·莫尔布洛克，
申请(专利权)人：辉固技术有限公司，
类型：发明
国别省市：荷兰;NL