專利名稱：一種光學(xué)液壓檢測裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及液體壓力的檢測技術(shù)，尤其涉及一種采用全光學(xué)系統(tǒng)的液體壓力檢測裝置及方法。
背景技術(shù)：
壓力是液壓系統(tǒng)的重要參數(shù)之一，與系統(tǒng)的運行狀態(tài)密切相關(guān)。在石油、煤炭等礦產(chǎn)資源開采過程中需要對礦井下的液體壓力、溫度等參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測，了解井下油層的物理狀態(tài)，從而優(yōu)化開釆方案，提高產(chǎn)量和采收率，并且保障礦井開釆的生產(chǎn)安全。
傳統(tǒng)的電類壓力傳感器，由于電信號遠(yuǎn)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(shè)備，傳輸成本高，且可靠性較低。隨著開采深度的不斷增加，井下的溫度、壓力的升高，傳統(tǒng)的電子式壓力傳感器無法在井下，高溫、高壓、腐蝕、地/磁和電干擾等惡劣環(huán)境下長期可靠的工作，難以滿足工程測量和生產(chǎn)的實際需要。光纖傳感器具有抗干擾能力強、可靠性好、耐腐蝕、本質(zhì)安全防爆等優(yōu)點，非常適合在油田測井等惡劣環(huán)境下使用。
鑒于此，為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種在惡劣環(huán)境下采用全光學(xué)系統(tǒng)的液體壓力檢測裝置及方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題在于提供一種光學(xué)液壓檢測裝置及方法。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一種光學(xué)液壓檢測裝置，包括測量腔體、激光器、第一光接收電路、光柵溫度傳感器和數(shù)據(jù)處理模塊；
所述測量腔體頂部設(shè)有入光口和出光口，所述入光口處設(shè)有光纖闊束鏡，所述出光口處設(shè)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(shè)有一面反射4竟；
所述激光器通過第一傳輸光纖與所述光纖闊束鏡相連，將所述激光器發(fā)出的激光發(fā)送至光纖闊束鏡，光纖闊束鏡使激光闊束后發(fā)射至活動板的反射鏡上，反射鏡再將激光^Jt至位于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(shù)據(jù)處理模塊相連，用以將所述光接收器接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并發(fā)送至數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理模塊相連，用于檢測測量腔體反射回來的激光，并將檢測到的帶有溫度信息的電信號發(fā)送至數(shù)據(jù)處理模塊；
所述數(shù)據(jù)處理模塊用于處理接收到的信號。
作為本發(fā)明的優(yōu)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干涉儀和第二光接收電路。
進(jìn)一步地，所述光學(xué)液壓檢測裝置還設(shè)有環(huán)路器，所述激光器發(fā)出的激光經(jīng)經(jīng)由環(huán)路器發(fā)送至第一傳輸光纖；所述FBG光柵設(shè)置于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激光經(jīng)由FBG光柵反射后通過第一傳輸光纖傳輸至環(huán)路器，再由環(huán)路器發(fā)送至M-Z干涉儀。
作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述測量腔體底部的活動板上依次設(shè)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(shè)有第三反射鏡，激光由入光口發(fā)射至活動板的第一反射鏡上，第一反射鏡將激光反射至測量腔體頂部的第三反射鏡上，第三反射鏡將激光反射回活動板的第二反射鏡上，由第二反射鏡再將激光發(fā)射至出光口。
進(jìn)一步地，所述光纖闊束鏡使激光發(fā)射至反射鏡的入射角為20° -70° 。
進(jìn)一步地，所述激光器為1550mn激光器。
進(jìn)一步地，所述數(shù)據(jù)處理模塊為微型計算機。
一種采用上述裝置的光學(xué)液壓檢測方法，包括如下步驟
步驟一，使激光器發(fā)出激光，并將激光發(fā)送至光纖闊束鏡使激光闊束后進(jìn)入測量腔體，激光由測量腔體的入光口發(fā)射至活動板的反射鏡上，激光在測量腔體內(nèi)來回反射，最后再由活動板上的反射鏡將激光反射至出光口，出光口處的光接 收器接收激光，并由第一光接收電路將該激光信號轉(zhuǎn)換成電信號發(fā)送至數(shù)據(jù)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激光，并將得 到的電信號發(fā)送至數(shù)據(jù)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(fā)生變化，其上的反射鏡與入光口、出光口的相對位 置也發(fā)生變化，使出光口處光接收器接收到的激光光強發(fā)生變化；數(shù)據(jù)處理模塊 通過記錄光接收器接收到的激光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后，光柵溫度傳感器探測由測量腔體入光口處 反射回來的激光，并將得到的電信號發(fā)送至數(shù)據(jù)處理模塊；數(shù)據(jù)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(jù)該光柵溫度傳感器的傳感機理可得 到測量腔體內(nèi)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(lǐng)域的公知技術(shù)。
步驟五，數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)公式pr/r-厶測量腔體體積的變化量AV和測
量腔體內(nèi)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(fā)明的光學(xué)液壓檢測裝置及方法相比較于現(xiàn)有技術(shù)，其有益效果在于本 裝置采用全光學(xué)系統(tǒng)，相對于傳統(tǒng)的檢測裝置而言，耐腐蝕性更強，并且還具有 抗干擾能力強、可靠性好、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高等優(yōu)點，更適 合于在油田等惡劣的環(huán)境當(dāng)中長期使用。


圖1為本發(fā)明光學(xué)液壓4企測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖2為實施例一光學(xué)液壓檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖3為實施例二測量腔體內(nèi)通過光學(xué)系統(tǒng)檢測液壓的示意圖；圖4為實施例三測量腔體內(nèi)通過光學(xué)系統(tǒng)卩險測液壓的示意圖； 其中，當(dāng)外界壓力發(fā)生變化時，活動板從位置A移動到位置B，腔體內(nèi)的光 線也隨之改變。
圖中標(biāo)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激光器 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(shù)據(jù)處理才莫塊
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明的具體實施例
請參看圖1， 一種光學(xué)液壓檢測裝置，包括測量腔體1、激光器2、第一 光接收電路3、光柵溫度傳感器4和數(shù)據(jù)處理模塊5;
所述測量腔體1頂部設(shè)有入光口和出光口，所述入光口處設(shè)有光纖闊束鏡 101,所述出光口處設(shè)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(shè)有一面反射鏡1031;
所述激光器2通過第一傳輸光纖與所述光纖闊束鏡101相連，將所述激光器 2發(fā)出的激光發(fā)送至光纖闊束鏡101，光纖闊束鏡101使激光闊束后發(fā)射至活動 板103的反射鏡1031上，反射鏡1031再將激光反射至位于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(shù)據(jù)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(zhuǎn)換為電信號，并發(fā)送至數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理模塊5相連，用于檢測測量腔體1反射回來的 激光，并將檢測到的信號發(fā)送至數(shù)據(jù)處理模塊5;
所述數(shù)據(jù)處理模塊5用于處理接收到的信號。
進(jìn)一步地，所述激光器2為1550咖激光器。
進(jìn)一步地，所述數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)，參看圖2，作為本發(fā)明的優(yōu)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。由于它能將#:感測信息轉(zhuǎn)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(tǒng)損耗的影響。M-Z干涉儀，即馬赫-澤德 (Mach-Zehnder， M-Z )干涉儀，因其具有干涉現(xiàn)象，及體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊， 靈敏度高等特點。
進(jìn)一步地，所述光學(xué)液壓檢測裝置還設(shè)有環(huán)路器404,所述激光器2發(fā)出的 激光經(jīng)由環(huán)路器4(M發(fā)送至第一傳輸光纖；所述FBG光柵401設(shè)置于第一傳輸光 纖與光纖闊束鏡101連接之處，測量腔體1反射回來的激光經(jīng)由FBG光柵401 反射后通過第一傳輸光纖傳輸至環(huán)路器404，再由環(huán)路器404發(fā)送至M-Z干涉儀 術(shù)。
M-Z干涉儀的結(jié)構(gòu)是本領(lǐng)域公知的，本實施例中，所述M-Z干涉儀402包括 兩個2x2耦合器4021， 4022， M-Z干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(fā)明的優(yōu)選方案之一，所述測量腔體1底部的活動板103 上依次設(shè)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(shè)有第三反射鏡1033，激光由入光口發(fā)射至活動板103的第一反射鏡1031上，第一反射鏡1031將激光反射至測量腔體1頂部的第三反射鏡1033 上，第三反射鏡1033將激光反射回活動板103的第二反射鏡1032上，由第二反 射鏡1032再將激光發(fā)射至出光口 。
進(jìn)一步地，所述光纖闊束鏡101使激光發(fā)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(fā)明的另一方案，所述測量腔體1底部的活動板103上僅 設(shè)有第一反射鏡1031，激光由入光口發(fā)射至活動板的第一反射鏡1031上，第一 反射鏡1031將激光反射至出光口。所述光纖闊束鏡101使激光發(fā)射至反射鏡 1031的入射角為20。 -70° 。
采用上述裝置的光學(xué)液壓檢測方法，包括如下步驟
步驟一，使激光器發(fā)出激光，并將激光發(fā)送至光纖闊束鏡使激光闊束后進(jìn)入 測量腔體，激光由測量腔體的入光口發(fā)射至活動板的反射鏡上，激光在測量腔體 內(nèi)來回反射，最后再由活動板上的反射鏡將激光反射至出光口，出光口處的光接 收器接收激光，并由第一光接收電路將該激光信號轉(zhuǎn)換成電信號發(fā)送至數(shù)據(jù)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激光，并將得 到的電信號發(fā)送至數(shù)據(jù)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(fā)生變化時，活動板受到液體壓力，位置發(fā)生變化， 其上的反射鏡與入光口、出光口的相對位置也發(fā)生變化。圖中，當(dāng)外界壓力發(fā)生 變化時，活動板從位置A移動到位置B，腔體內(nèi)的光線也隨之改變，由實線方向 變?yōu)樘摼€方向，出光口處光接收器接收到的激光光強也發(fā)生變化。數(shù)據(jù)處理模塊 通過記錄光接收器接收到的激光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后，光柵溫度傳感器探測由測量腔體入光口處反射回來的激光，并將得到的電信號發(fā)送至數(shù)據(jù)處理模塊；數(shù)據(jù)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(jù)該光柵溫度傳感器的傳感機理可得 到測量腔體內(nèi)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(lǐng)域的公知才支術(shù)。
步驟五，數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)公式戶r/r-丄測量腔體體積的變化量AV和測 量腔體內(nèi)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(tǒng)使用FBG作溫度補償，在傳輸光纖接進(jìn)闊束鏡的位置設(shè)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 感器采用鍺硅光纖布拉格光柵和M-Z干涉儀，可知鍺硅光纖布拉格光柵溫度傳感 規(guī)律為
△;i/;i = 6.67xi(r6Ar (1)
系統(tǒng)通過干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干涉儀當(dāng)中，M-Z干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干涉儀兩臂內(nèi)的光強。
系統(tǒng)通過檢測光強E的變化量，根據(jù)公式(3 )可得到M-Z干涉儀兩臂的相 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(jù)鍺硅光纖布拉格光柵的溫度傳感規(guī)律公式(1)可得到溫度變化量AT。
本發(fā)明的光學(xué)液壓檢測裝置結(jié)合光纖布拉格光柵和M-Z千涉儀，采用了全光 學(xué)系統(tǒng)，相對于傳統(tǒng)的檢測裝置而言，耐腐蝕性更強，并且還具有抗干擾能力強、 可靠性好、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高等優(yōu)點，更適合于在油田等惡 劣的環(huán)境當(dāng)中長期4吏用。
本發(fā)明的描述和應(yīng)用是說明性的，并非想將本發(fā)明的范圍限制在上述實施例中。這里所披露的實施例的變形和改變是可能的，對于那些本領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說實施例的替換和等效的各種部件是公知的。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該清楚的 是，在不脫離本發(fā)明的精神或本質(zhì)特征的情況下，本發(fā)明可以以其他形式來實現(xiàn)。 在不脫離本發(fā)明范圍和精神的情況下，可以對這里所披露的實施例進(jìn)行其他變形 和改變。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)液壓檢測裝置，其特征在于，該結(jié)構(gòu)包括測量腔體(1)、激光器(2)、第一光接收電路(3)、光柵溫度傳感器(4)和數(shù)據(jù)處理模塊(5)；所述測量腔體(1)頂部設(shè)有入光口和出光口，所述入光口處設(shè)有光纖闊束鏡(101)，所述出光口處設(shè)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(shè)有一面反射鏡(1031)；所述激光器(2)通過第一傳輸光纖與所述光纖闊束鏡(101)相連，將所述激光器(2)發(fā)出的激光發(fā)送至光纖闊束鏡(101)，光纖闊束鏡(101)使激光闊束后發(fā)射至反射鏡(1031)上，反射鏡(1031)再將激光反射至位于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(shù)據(jù)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(zhuǎn)換為電信號，并發(fā)送至數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理模塊(5)相連，用于檢測測量腔體(1)反射回來的激光，并將檢測到的信號發(fā)送至數(shù)據(jù)處理模塊(5)，所述數(shù)據(jù)處理模塊(5)用于處理接收到的信號。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光學(xué)液壓檢測裝置，其特征在于所述光柵溫度傳感器(4 )包括依次相連的FBG光柵(401) 、 M-Z干涉儀(402 )和第二光接收電路(403 )。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種光學(xué)液壓檢測裝置，其特征在于所述光學(xué)液壓檢測裝置還設(shè)有環(huán)路器(404 )，所述激光器(2 )發(fā)出的激光經(jīng)由環(huán)路器(404 )發(fā)送至第一傳輸光纖；所述FBG光柵(401)設(shè)置于第一傳輸光纖與光纖闊束鏡(101)連接之處，測量腔體(1)反射回來的激光經(jīng)由FBG光柵(401)反射后通過第一傳輸光纖傳輸至環(huán)路器(404 ),再由環(huán)路器(404 )發(fā)送至M-Z干涉儀(402 )。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光學(xué)液壓檢測裝置，其特征在于所述測量腔體(1) 底部的活動板(103 )上依次設(shè)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(shè)有第三反射鏡(1033 )，激光由入光口發(fā)射至第一反射鏡(1031)上，第一反射鏡(1031)將激光反射至第三反射鏡(1033 )上，第三反射鏡(1033 )將激光反射回第二反射鏡(1032 )上，由第二反射鏡(1032 )再將激光發(fā)射至出光口。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種光學(xué)液壓檢測裝置，其特征在于所述光纖闊束鏡(101)使激光發(fā)射至反射鏡(1031)的入射角為20° -70° 。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光學(xué)液壓才企測裝置，其特征在于所述激光器(2) 為1550nm激光器。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光學(xué)液壓檢測裝置，其特征在于所述數(shù)據(jù)處理模塊(5)為微型計算機。
8. —種采用如權(quán)利要求1-7任一項所述裝置的光學(xué)液壓檢測方法，包括如下步驟步驟一，使激光器發(fā)出激光，并將激光發(fā)送至光纖闊束鏡使激光闊束后進(jìn)入測量腔體，激光由測量腔體的入光口發(fā)射至活動板的反射鏡上，激光在測量腔體內(nèi)來回反射，最后再由活動板上的反射鏡將激光反射至出光口，出光口處的光接收器接收激光，并由第一光接收電路將該激光信號轉(zhuǎn)換成電信號發(fā)送至數(shù)據(jù)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激光，并將得到的電信號發(fā)送至數(shù)據(jù)處理模塊；步驟三，將測量腔體放入液體中進(jìn)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(fā)生變化，其上的反射鏡與入光口、出光口的相對位置也發(fā)生變化，使出光口處光接收器接收到的激光光強發(fā)生變化；數(shù)據(jù)處理模塊通過記錄光接收器接收到的激光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后，數(shù)據(jù)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(jù)該光柵溫度傳感器的傳感機理可得到測量腔體內(nèi)的溫度變化量AT;步驟五，數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)公式尸F(xiàn)/7^」、測量腔體體積的變化量AV和測量腔體內(nèi)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(fā)明公開了一種光學(xué)液壓檢測裝置及方法，該裝置包括測量腔體、激光器、第一光接收電路、光柵溫度傳感器和數(shù)據(jù)處理模塊；所述測量腔體頂部設(shè)有入光口和出光口，入光口處設(shè)有光纖闊束鏡，出光口處設(shè)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(shè)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理模塊相連。本裝置采用全光學(xué)系統(tǒng)，相對于傳統(tǒng)的檢測裝置而言，耐腐蝕性更強，更適合于在油田等惡劣的環(huán)境當(dāng)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(yōu)先權(quán)日2009年9月17日
發(fā)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(shù)有限公司