阅读说明：本技术 一种基于游标效应的压力传感探头和压力传感器 (Pressure sensing probe and pressure sensor based on vernier effect ) 是由 徐刚 李红丽 李子睿 袁静 王俣晗 李玉梅 于 2020-06-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种基于游标效应的压力传感探头和压力传感器,该压力传感探头包括底座、耦合器、光谱仪、激光器、两根单模光纤、两个毛细玻璃管、两个感压膜片和两个反光膜片,底座的一侧间隔设有两个凹槽,两个凹槽的槽底上分别安装有反光膜片,两个感压膜片分别安装在两个凹槽内,且每个凹槽内的感压膜片与反光膜片之间具有间隙并构成密闭的FP腔室,两个FP腔室内填充有两种弹性性能相异的透明材料,两个毛细玻璃管与凹槽贯通,两根单模光纤固定安装在两根毛细玻璃管内,其端面分别与反光膜片接触,两根单模光纤的另一端通过耦合器与光谱仪和激光器连接。本发明利用游标效应提高了本申请所述压力传感探头和压力传感器的灵敏度。(The invention discloses a pressure sensing probe and a pressure sensor based on vernier effect, the pressure sensing probe comprises a base, a coupler, a spectrometer, a laser, two single mode fibers, two capillary glass tubes, two pressure sensing membranes and two reflecting membranes, wherein two grooves are arranged at intervals on one side of the base, the reflecting membranes are respectively arranged on the bottoms of the two grooves, the two pressure sensing membranes are respectively arranged in the two grooves, and a gap is arranged between the pressure sensing diaphragm and the light reflecting diaphragm in each groove to form a closed FP chamber, two FP chambers are filled with two transparent materials with different elastic properties, two capillary glass tubes are communicated with the grooves, two single-mode optical fibers are fixedly arranged in the two capillary glass tubes, the end faces of the two single-mode optical fibers are respectively contacted with the reflective membrane, and the other ends of the two single-mode optical fibers are connected with the spectrometer and the laser through the coupler. The invention utilizes vernier effect to improve the sensitivity of the pressure sensing probe and the pressure sensor.)

一种基于游标效应的压力传感探头和压力传感器

技术领域

本发明涉及光纤传感器技术领域，特别涉及一种基于游标效应的压力传感探头和压力传感器。

背景技术

信息技术的发展带动传感器技术的发展，传感器技术的革新，使得在工作生活中许多物理量的采集变得高效，精准，特别实在光线传感器的创新上尤为突出。光纤传感器使用光纤为通道，光波为载体传达传出数据，测量出来的物理量，比传统传感器更具有精准性。

当前常用的电子压力表和温度计只能在200℃以下的工作环境中操作，并且无法进行长期连续的实时监控，石油公司的蒸汽辅助重力排放(SAGD) 中泄油油井测控技术具有十分重要的意义，深度是油井监控的重要参数，它是通过液压来计算的，而液压是确定油井元素观测水平的重要基础。

由于超高油井的压力几乎达到100MPa，因此对传感器的工作压力范围的要求非常高。电子传感器在实际使用的过程中，石油井下高压环境，长时间导致压敏电阻永久变形，使压力传感器数据产生极大的漂移，不能准确显示物理量，与此同时，石油井下液体干扰传输的线缆导致设备无法正常传达信号过着设备报废，最可怕的是引发石油井下***等一系列灾难；在石油井下环境恶劣，光纤传感器的灵敏度和精度，耐腐蚀性、绝缘性和化学稳定性，抗电磁干扰能力和高保真度使得光纤压力传感器在石油井下高压测量中具有很大的优势，但是，由于光纤光栅的特性，必须将复杂的压敏结构用于感光材料，这会影响传感器的精度和稳定性，所以在光纤光栅传感器应用到石油井下探测时，很多精度要求无法达到。

为了实现对这些蒸汽注入设施的压力变化的实时监控，有必要开发一种适用于高温环境中压力监控系统的压力传感器。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种高精度、电绝缘性、强耐腐蚀性、高灵敏度、并且非常适合在苛刻的环境条件下进行压力测量的压力传感探头、压力传感器和压力测试系统：

一种基于游标效应的压力传感探头，包括底座、耦合器、光谱仪、激光器、两根单模光纤、两个毛细玻璃管、两个感压膜片和两个反光膜片，所述底座的一侧间隔设有两个凹槽，两个凹槽的槽底上分别安装有所述反光膜片，两个所述感压膜片分别安装在两个所述凹槽内，且每个所述凹槽内的所述感压膜片与所述反光膜片之间具有间隙并构成密闭的FP腔室，且两个所述FP腔室内填充有两种弹性性能相异的透明材料，两个所述凹槽的槽底壁上分别设有贯穿所述底座的通槽，两个所述毛细玻璃管安装在两个所述通槽内，且二者的一端分别与两个所述反光膜片固定连接，其另一端分别伸出两个所述通槽，两根所述单模光纤的一端分别固定安装在所述毛细玻璃管内，且二者的端面分别与所述反光膜片接触，两根所述单模光纤的另一端分别所述耦合器的两个输入端连接，所述光谱仪和所述激光器分别与所述耦合器的两个输入端连接。

优选地，所述底座包括基座和支撑体，所述基座上设有两个贯穿其的通孔，两个所述感压膜片固定在所述基座上，并分别封闭在两个所述通孔的同一端，所述支撑体安装在所述基座上设有所述感压膜片的一侧，且所述支撑体靠近所述基座的一侧与两个所述通孔构成所述凹槽，所述反光膜片安装在所述支撑体靠近所述基座的一侧。

优选地，其中一个所述FP腔室内的透明材料为空气，另一个所述FP腔室内的所述透明材料为透明橡胶。

一种压力传感器，包括上述压力传感探头，还包括壳体、密封槽和管套，所述壳体内部中空且其两端敞口，所述基座安装有所述支撑体的一端由所述壳体敞口的一端伸入其内部并与其连接固定，所述密封槽槽口处的槽壁与所述壳体敞口的另一端处连接固定，所述密封槽的槽底壁上设有与所述管套配合的安装孔，所述管套设置在所述密封槽内，且其靠近所述安装孔的一端由安装孔伸出所述密封槽外并与其连接固定，所述耦合器设置在所述壳体内，与所述耦合器输入端连接的光纤由所述管套伸出所述密封槽并与所述激光器和所述光谱仪连接，且所述管套内壁与其内部的所述光纤之间填充有密封胶。

优选地，还包括设置在所述密封槽内的密封柱，所述密封柱靠近所述壳体的一端延伸至其内部并与其连接，所述密封柱的另一端具有呈圆台形的挤压头，所述密封槽内设有多个张合齿，且多个所述张合齿以所述挤压头的轴为中心同圆分布，所述挤压头伸入在多个所述张合齿之间，其用以挤压多个所述张合齿使其产生弹性变形并胀开，所述密封柱上设有与所述安装孔配合且贯穿其的插孔，所述管套远离所述密封槽的一端伸入所述插孔内。

优选地，所述密封柱由橡胶材料制成。

本发明利用游标效应放大了本申请所述压力传感探头和压力传感器的灵敏度，在小直径尺寸下实现高灵敏度大量程压力的测量，使其在具有腐蚀性、高压、空间狭小等恶劣条件的油气井内完成更加精准的监测。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的

具体实施方式

由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述压力传感探头的结构示意图；

图2为本发明实施例所述压力传感器的结构示意图；

图3为本发明实施例所述压力传感器的原理图；

图4为本发明实施例所述压力测试系统的结构示意图；

图4a为本发明实施例所述压力变化前后的传感腔反射光光谱；

图4b为本发明实施例所述压力变化前后的参考腔内的反射光光谱图；

图4c为本发明实施例所述压力变化前后的传感腔和参考腔内发射光的干涉光谱。

附图标记的具体含义为：

1、底座；11、基座；12、支撑体；13、通孔；2、耦合器；3、光谱仪； 4、激光器；5、单模光纤；6、毛细玻璃管；7、感压膜片；71、反光膜；8、反光膜片；9、FP腔室；10、壳体；20、密封槽；30、管套；31、密封胶；32、张合齿；40、密封柱；41、挤压头。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

以下结合附图1-4对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

参照图1-4，提出本发明的的一实施例，本实施例基于游标效应的压力传感探头包括底座1、耦合器2、光谱仪3、激光器4、两根单模光纤5、两个毛细玻璃管6、两个感压膜片7和两个反光膜片8，所述底座1的一侧间隔设有两个凹槽，两个所述凹槽的槽底上分别安装有所述反光膜片8，两个所述感压膜片7分别安装在两个所述凹槽内，且每个所述凹槽内的所述感压膜片7与所述反光膜片8之间具有间隙并构成密闭的FP腔室9，且两个所述FP腔室9内填充有两种弹性性能相异的透明材料，两个所述凹槽的槽底壁上分别设有贯穿所述底座1的通槽，两个所述毛细玻璃管6安装在两个所述通槽内，且二者的一端分别与两个所述反光膜片8固定连接，其另一端分别伸出两个所述通槽，两根所述单模光纤5的一端分别固定安装在所述毛细玻璃管6内，且二者的端面分别与所述反光膜片8接触，两根所述单模光纤5的另一端分别所述耦合器2的两个输入端连接，所述光谱仪3和所述激光器4分别与所述耦合器2的两个输入端连接。

两个凹槽的横截面为圆形，两个所述感压膜片7呈圆形，且感压膜片7 分别焊接在所述凹槽内并与两个所述凹槽同轴分布。

如图1所示，两个所述感压膜片7在压力环境下产生变形后，所述激光器4发出的光通过所述耦合器2分别经过两根所述单模光纤5垂直入射到两个所述反光膜片8上，一部分光线被反射，剩余的光线入射到对应的FP腔室9内，并被感压膜片7上的反光膜71反射后，两个反射光发生干涉并进入所述光谱仪3显示。

因两个所述FP腔室9内材料的弹性性能不同，在受到相同外界压力时，两个所述感压膜片7变形的程度不同，使得进入两个所述FP腔室9内的光线产生光程差，从而使两部分的反射光产生位移差并产生干涉，并利用游标效应细化光学传感的测量灵敏度和分辨率，提高了压力传感器的使用精度。

由于在油井内，压力传感器的安装空间有限，采用感压膜片7的有效直径为3mm，以将传感器的最大外径控制在10mm内；同时考虑到油井内强腐蚀环境，采用镍合金625作为膜片以及其他与油气直接接触结构的材料；由于采油井内温度较高，考虑传感器的可靠性，则选取100℃温度作为屈服极限作为传感器膜片的最大应力值。

如图1所示，优选地，所述底座1包括基座11和支撑体12，所述基座 11上设有两个贯穿其的通孔13，两个所述感压膜片7固定在所述基座11上，并分别封闭在两个所述通孔13的同一端，所述支撑体12安装在所述基座11 上设有所述感压膜片7的一侧，且所述支撑体12靠近所述基座11的一侧与两个所述通孔13构成所述凹槽，所述反光膜片8安装在所述支撑体12靠近所述基座11的一侧。

两个所述基座11和所述支撑体12之间构成所述凹槽，从而在两个所述 FP腔室9内填充弹性性能不同的材料。

优选地，其中一个所述FP腔室9内的透明材料为空气，另一个所述FP 腔室9内的所述透明材料为透明橡胶。

空气来源广泛，易于制作；所述透明橡胶性能稳定，保证所述压力传感探头性能的稳定性。

基于上述压力传感探头，提出一种压力传感器，所述压力传感器还包括壳体10、密封槽20和管套30，所述壳体10内部中空且其两端敞口，所述基座11安装有所述支撑体12的一端由所述壳体10敞口的一端伸入其内部并与其连接固定，所述密封槽20槽口处的槽壁与所述壳体10敞口的另一端处连接固定，所述密封槽20的槽底壁上设有与所述管套30配合的安装孔，所述管套30设置在所述密封槽20内，且其靠近所述安装孔的一端由安装孔伸出所述密封槽20外并与其连接固定，所述耦合器2设置在所述壳体10内，与所述耦合器2输入端连接的光纤由所述管套30伸出所述密封槽20并与所述激光器4和所述光谱仪3连接，且所述管套30内壁与其内部的所述光纤之间填充有密封胶31。

其中，所述基座11的外壁上设有螺纹，且所述基座11外壁的螺纹处套设有密封圈，所述壳体10一端敞口处的内壁设有内螺纹，所述基座11通过螺纹旋合在所述壳体10的一端敞口处，密封圈分布在所述壳体10和所述基座11之间，再将基座11和所述壳体10螺纹连接处的缝隙通过焊接密封，保证所述基座11和所述外壳的密封性，有利于延长所述压力传感器的使用寿命。

优选地，还包括设置在所述密封槽20内的密封柱40，所述密封柱40靠近所述壳体10的一端延伸至其内部并与其连接，所述密封柱40的另一端具有呈圆台形的挤压头41，所述密封槽20内设有多个张合齿32，且多个所述张合齿32以所述挤压头41的轴为中心同圆分布，所述挤压头41伸入在多个所述张合齿32之间，其用以挤压多个所述张合齿32使其产生弹性变形并胀开，所述密封柱40上设有与所述安装孔配合且贯穿其的插孔，所述管套30 远离所述密封槽20的一端伸入所述插孔内。

所述密封槽20槽口处的内槽壁设有内螺纹，所述壳体10敞口的另一端设有螺纹，所述密封槽20通过螺纹旋合在所述壳体10敞口的另一端，在安装所述压力传感器外力拧紧所述密封槽20时，所述挤压头41伸入多个所述张合齿32之间，并挤压多个所述张合齿32使其产生弹性变形并胀开，有利于增加所述密封槽20和所述壳体10之间的密封性；且所述壳体10敞口的另一端与所述密封槽20焊接，所述套管与所述密封槽20焊接，进一步增加所述压力传感器的密封效果。

优选地，所述密封柱40由橡胶材料制成。

在安装所述压力传感器时，外力拧紧所述密封槽20时，多个所述张合齿 32同时挤压所述密封柱40，使得所述密封柱40与多个所述张合齿32紧密接触，获得良好的密封性，且所述密封柱40压紧所述套管，避免所述套管变形。

将填充有空气的FP腔室9定义为传感腔，将填充有橡胶材料的FP腔室 9定义为参考腔，分别获取压力变化前后的传感腔反射光光谱图如图4a所示，压力变化前后的参考腔内的反射光光谱图如图4b所示，压力变化前后的传感腔和参考腔内发射光的干涉光谱如图4c所示，并同时获得压力变化前后的传感腔和参考腔内发射光的干涉光谱的包络谱。

据图4c与图4a、4b的对比可知，压力变化图4c中的光谱位移Δλ比图 4a、4b的光谱位移更大，可知外界压力经过参考腔和传感腔形成游标放大，从而提高了压力传感器的灵敏度。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上所述而顺畅地实施本发明；但是，凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。