一种基于膜片和杠杆结合的光纤光栅温度压力传感器制造技术

一种基于膜片和杠杆结合的光纤光栅温度压力传感器，其中包括壳体、封装外壳、进油孔、膜片、杠杆结构、固定柱、光纤传输孔、温度传感光纤光栅和压力传感光纤光栅。压力传感光纤光栅两端分别粘贴在固定柱和杠杆阻力臂顶端,温度传感光栅粘贴在固定柱上。压力从壳体上的进油孔进入施加给膜片，使膜片形变，膜片形变推动支撑杆使支撑杆向上位移。向上的位移通过一个杠杆结构的放大，使压力传感光纤光栅形变，引起波长的漂移。使用两个光栅用于区分测量温度和压力。本发明专利技术用于解决油气井下温度压力测量难度大，并且较难实现实时测量和多点准分布式测量的问题。式测量的问题。式测量的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于膜片和杠杆结合的光纤光栅温度压力传感器


[0001]本专利技术属于压力传感器领域，涉及一种基于膜片和杠杆结合的光纤光栅温度压力传感器，具体涉及一种基于膜片和杠杆结合的测量油气井下温度压力的光纤光栅传感器。

技术介绍

[0002]随着石油开采程度的不断提高，井下作业需求不断升级，在深层石油开采和井下作业过程中，压力和温度的检测变得十分重要。在传统井下压力测量系统中，用到的传感器主要为机械类和电子类。机械类压力传感器虽然能在井下长期工作，但只能实现单一点的测量，而且难以实现信号的实时传输。电子式压力传感器虽然可以实现井下压力的实时测量，但由于不耐高温，所以无法在高温高压井下环境中工作；除此之外，由于传统井下压力温度检测系统属于有源监测系统，在油气井、油气管等对电磁干扰敏感的环境中易受干扰，在长距离传输过程中容易出现失真现象，因此难以实现在油气井下的长期测量。
[0003]光纤光栅传感器具有体积小，灵敏度高，抗电磁干扰，耐腐蚀，耐高温等特点，相比与电学传感器具有明显的优势。但目前光纤光栅式井下温度压力传感器都存在体积和灵敏度不能兼顾的问题，并且不能实现分布式测量，因此需要设计新型小体积且具有较高灵敏度的温度压力传感器。

技术实现思路

[0004]为了克服上述现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种基于膜片和杠杆结合的光纤光栅温度压力传感器，用于解决油气井下温度压力测量难度大，并且较难实现实时测量和分布式测量的问题。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
>[0006]一种基于膜片和杠杆结合的光纤光栅温度压力传感器，包括壳体(6)，其特征在于，壳体(6)一侧设有贯通的光纤传输孔(10)，上表面向下设有圆柱形镂空，圆柱形镂空设有进油孔(5)；壳体(6)上方由膜片(4)封闭；膜片上设置动力臂支撑柱(2)，壳体上设置支撑柱(3)，动力臂支撑柱(2)和支撑柱(3)上方设置梁(1)构成杠杆结构；杠杆结构与膜片(4)结合，位于膜片的轴线上；杠杆(1)一端连接光纤光栅A(7)一端；光纤光栅A(7)另一端与固定柱(8)粘贴，固定柱(8)位于膜片(4)的光纤传输孔(10)的贯通孔上；固定柱(8)中部粘贴光纤光栅B(9)；封装壳体(11)通过螺纹固定在壳体(6)上。
[0007]所述的光纤光栅A(7)粘贴在固定柱(8)与杠杆(1)上，粘贴距离越短，灵敏度越高。
[0008]所述的杠杆结构中的动力臂设置在靠近杠杆支点位置。
[0009]所述的减小杠杆结构中的杠杆支点的厚度可以显著增加传感器的灵敏度。
[0010]所述的杠杆结构中动力臂和支点的高度增加，传感器的灵敏度提高。
[0011]本专利技术的有益效果是：
[0012]可以实现高温环境中温度压力的准确测量，并且可以在高温高压、有电磁干扰、腐蚀环境下长期工作。可以实现温度压力的实时监测，结构简单。解决了单膜片式压力传感器
灵敏度低，需要在封装时施加较大预应力，并且较难实现分布式测量的问题。本专利技术可以将传感器沿竖直方向串联起来，并且具有较高的灵敏度，可以实现准分布式测量。
附图说明
[0013]图1为本专利技术的结构剖面示意图。
[0014]图2为本专利技术的核心元件示意图。
[0015]图3为简化模型示意图，
[0016]图4为简化模型变形示意图。
[0017]图5为杠杆结构受力示意图。
[0018]图6为传感器实验数据图。
[0019]图7为支撑杆(2)的位置与灵敏度的关系曲线。
[0020]图1和图2中，1为杠杆；2为动力臂支撑柱；3为支撑杆；4为膜片；5为进油孔；6为壳体；7为光纤光栅A；8为固定柱；9为光纤光栅B；10为光纤传输孔；11为封装壳体。
具体实施方式
[0021]以下结合附图及实施例对本专利技术进一步叙述。
[0022]如图1、2所示，一种基于膜片和杠杆结合的光纤光栅温度压力传感器，包括壳体(6)，其特征在于，壳体(6)一侧设有贯通的光纤传输孔(10)，上表面向下设有圆柱形镂空，圆柱形镂空设有进油孔(5)；壳体(6)上方由膜片(4)封闭；膜片上设置动力臂支撑柱(2)，壳体上设置支撑柱(3)，动力臂支撑柱(2)和支撑柱(3)上方设置梁(1)构成杠杆结构；杠杆结构与膜片(4)结合，位于膜片的轴线上；杠杆(1)一端连接光纤光栅A(7)一端；光纤光栅A(7)另一端与固定柱(8)粘贴，固定柱(8)位于膜片(4)的光纤传输孔(10)的贯通孔上；固定柱(8)中部粘贴光纤光栅B(9)；封装壳体(11)通过螺纹固定在壳体(6)上。
[0023]所述的光纤光栅A(7)粘贴在固定柱(8)与杠杆(1)上，粘贴距离越短，灵敏度越高。
[0024]所述的杠杆结构中的动力臂设置在膜片边缘区域靠近杠杆支点位置。
[0025]所述的减小杠杆结构中的杠杆支点的厚度可以显著增加传感器的灵敏度。
[0026]所述的杠杆结构中动力臂和支点的高度增加，传感器的灵敏度提高。
[0027]如图3、4所示：
[0028]对于周边固支圆平厚膜片，在均布压力P的作用下，R为膜片有效半径，E为膜片的杨氏模量，H为膜片厚度，μ为泊松比。A为杆的截面积，I为杆的轴惯性矩。
[0029]点d纵向位移：
[0030]w(r)
‑
Δw＝w
‑
Δl#(1)
[0031]其中w(r)是膜片表面的轴向位移，Δw是杠杆反作用力F1引起的膜片位移。w是“c”点的位移，也是力F1引起的杠杆结构的竖直位移，Δl是“cd”杆的轴向压缩。
[0032]对于周边固支的圆厚膜片，在均布压力P的作用下，R是膜片的有效半径，E1是膜片的杨氏模量，H是膜片的厚度，μ是泊松比。圆形平膜片的轴向位移可表示为：
[0033][0034]支撑杆竖直位移为
[0035][0036]cv1为将ab段刚化，ac段竖直位移，cv2为将ac段刚化，ab段竖直位移和ac段的牵连位移。
[0037]对于厚膜片的不对称问题，需要考虑周向应力的影响，计算比较复杂。本理论计算中忽略了其影响。
[0038]Δw＝0#(4)
[0039]支撑杆压缩量
[0040][0041]将式(2)
‑
(5)代入式(1)可算出F1。
[0042]点“d”的径向位移可表示为：
[0043]u(r)
‑
Δu＝u1#(6)
[0044]圆平厚膜片的径向位移为
[0045][0046]膜片径向位移引起杠杆支撑杆的水平位移
[0047][0048]忽略杠杆支撑杆挤压膜片的水平位移
[0049]Δu＝0#(9)
[0050]将式(7)
‑
(9)代入式(6)可计算出F2；
[0051]如图5所示，F1引起杠杆的竖直位移
[0052][0053]F1引起杠杆的水平位移
[005本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于膜片和杠杆结合的光纤光栅温度压力传感器，包括壳体（6），其特征在于，壳体（6）一侧设有贯通的光纤传输孔（10），上表面向下设有圆柱形镂空，圆柱形镂空设有进油孔（5）；壳体（6）上方由膜片（4）封闭；膜片上设置动力臂支撑柱（2），壳体上设置支撑柱（3），动力臂支撑柱（2）和支撑柱（3）上方设置梁（1）构成杠杆结构；杠杆结构与膜片（4）结合，位于膜片的轴线上；杠杆（1）一端连接光纤光栅A（7）一端；光纤光栅A（7）另一端与固定柱（8）粘贴，固定柱（8）位于膜片（4）的光纤传输孔（10）的贯通孔上；固定柱（8）中部粘贴光纤光栅B（9）；封装壳体（11）通过螺纹固定在壳体（6）上。2.根据权利要求1所述的一种基于膜片和杠杆结合的光纤光栅温度压力传感器，其特征在于，所述的光纤光栅A（7）...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔学光，徐东坡，冯德全，高宏，
申请(专利权)人：西安石油大学，
类型：发明
国别省市：