(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 109282838 A(43)申请公布日 2019.01.29
(21)申请号 201811311733.1(22)申请日 2018.11.05
(71)申请人 山东省科学院激光研究所
地址 272000 山东省济宁市海川路9号高新
区产学研基地A3号楼B座(72)发明人 姜劭栋 王昌 倪家升 张发祥
赵庆超 张晓磊 吕京生 武延彬 (74)专利代理机构 北京超凡志成知识产权代理
事务所(普通合伙) 11371
代理人 郭新娟(51)Int.Cl.
G01D 5/353(2006.01)G02B 6/255(2006.01)G02B 6/26(2006.01)
权利要求书1页 说明书5页 附图2页
(54)发明名称
光纤探头及制造方法、光纤探针传感器(57)摘要
本发明实施例提供了一种光纤探头及制造方法、光纤探针传感器；涉及光纤传感技术领域，所述光纤探头包括：输入光纤、输出光纤和石英管，所述石英管的一端为锥形。所述输入光纤与
所述输入所述输出光纤均设置于所述石英管内，
光纤、所述输出光纤和所述石英管在所述一端处耦合。由于输入光纤与输出光纤耦合在所述石英管的一端处通过耦合的方式融合在一起，相较于现有技术通过粘接的方式，更加稳固；且石英管的原材料加工容易，进而相对于现有技术的蓝宝石传感器，成本更低，实用性更高。
CN 109282838 ACN 109282838 A
权 利 要 求 书
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1.一种光纤探头，应用于光纤探针传感器，其特征在于，包括：输入光纤、输出光纤和石英管，所述石英管的一端为锥形；
所述输入光纤与所述输出光纤均设置于所述石英管内，所述输入光纤、所述输出光纤和所述石英管在所述一端处耦合。
2.根据权利要求1所述的光纤探头，其特征在于，所述石英管的外壁设置有保护套管。3.根据权利要求1所述的光纤探头，其特征在于，所述石英管的外径为500-800微米，壁厚100-200微米。
4.根据权利要求1所述的光纤探头，其特征在于，所述锥形为呈圆锥形，且所述圆锥形的锥角为20°－40°。
5.根据权利要求1所述的光纤探头，其特征在于，所述输入光纤、所述输出光纤通过粘合剂与所述石英管的另一端固定连接并延伸至所述石英管之外。
6.根据权利要求1所述的光纤探头，其特征在于，所述石英管为耐高温石英管，所述输入光纤和所述输出光纤均为耐高温光纤。
7.一种光纤探针传感器，其特征在于，包括如权利要求1-6任一项所述的光纤探头和处理设备，所述光纤探头与所述处理设备连接。
8.一种光纤探头的制造方法，其特征在于，包括：
将内部设置有输入光纤和输出光纤的石英管外壁的一端固定在可旋转的夹具上；在所述石英管外壁的另一端固定坠重；在旋转所述夹具的同时，利用火焰喷射装置喷射火焰炙烤所述石英管的外壁，使得所述石英管在所述火焰和所述坠重的作用下熔断并在熔断处形成锥形。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在将内部设置有输入光纤和输出光纤的石英管外壁的一端固定在可旋转的夹具上之前，所述方法还包括：
将所述输入光纤、所述输出光纤粘结在石英管内。10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述利用火焰喷射装置喷射火焰炙烤所述石英管的外壁步骤包括：
利用氢氧焰喷射装置喷射氢氧焰炙烤所述石英管的外壁。
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说 明 书
光纤探头及制造方法、光纤探针传感器
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技术领域
[0001]本发明涉及光纤传感技术领域，具体而言，涉及一种光纤探头及制造方法、光纤探针传感器。
背景技术
[0002]在油田开采中，油藏情况不断变化，为了合理可持续性地油田开发，必须通过生产测井对油层工作状况和储量动用程度进行监测。光纤传感技术是目前常用的一种技术。光纤传感技术伴随着光导纤维和光通讯技术的发展而逐步形成的，具有如防爆、抗电磁干扰、电绝缘性好、耐腐蚀、耐高温高压、体积小、重量轻、灵活方便、灵敏度高等优点。目前，蓝宝石探针光纤传感器是对油层监控常用的一种传感器，但一方面由于光纤通过粘接的方式与蓝宝石相结合，容易出现脱落；另一方面，由于蓝宝石加工麻烦且价格昂贵，进而造成实用性不高。
发明内容
[0003]本发明的目的在于提供一种光纤探头及制造方法、光纤探针传感器，其能够解决上述问题；为了实现上述的目的；本发明的采取的技术方案如下：[0004]第一方面，本发明实施例提供了一种光纤探头，应用于光纤探针传感器，包括：输入光纤、输出光纤和石英管，所述石英管的一端为锥形。
[0005]所述输入光纤与所述输出光纤均设置于所述石英管内，所述输入光纤、所述输出光纤和所述石英管在所述一端处耦合。[0006]可选地，所述石英管的外壁设置有保护套管。[0007]可选地，所述石英管的外径为500-800微米，壁厚100-200微米。[0008]可选地，所述锥形为呈圆锥形，且所述圆锥形的锥角为20°－40°。[0009]可选地，所述输入光纤、所述输出光纤通过粘合剂与所述石英管的另一端固定连接并延伸至所述石英管之外。[0010]可选地，所述石英管为耐高温石英管，所述输入光纤和所述输出光纤均为耐高温光纤。
[0011]第二方面，本发明实施例提供了一种光纤探针传感器，包括如上述第一方面所述的光纤探头和处理器，所述光纤探头与所述处理器连接。[0012]第三方面，本发明实施例提供了一种光纤探头的制造方法，包括：
[0013]将内部设置有输入光纤和输出光纤的石英管外壁的一端固定在可旋转的夹具上；[0014]在所述石英管外壁的另一端固定坠重；[0015]在旋转所述夹具的同时，利用火焰喷射装置喷射火焰炙烤所述石英管的外壁，使得所述石英管在所述火焰和所述坠重的作用下熔断并在熔断处形成锥形。[0016]可选地，在将内部设置有输入光纤和输出光纤的石英管外壁的一端固定在可旋转的夹具上之前，所述方法还包括：
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将所述输入光纤、所述输出光纤粘结在石英管内。
[0018]可选地，所述利用火焰喷射装置喷射火焰炙烤所述石英管的外壁步骤包括：[0019]利用氢氧焰喷射装置喷射氢氧焰炙烤所述石英管的外壁。[0020]在本发明实施例提供的光纤探头及制造方法、光纤探针传感器，输入光纤与输出光纤耦合在所述石英管的一端处通过耦合的方式融合在一起，相较于现有技术通过粘接的方式，更加稳固；且石英管的原材料加工容易，进而相对于现有技术的蓝宝石传感器，实用性更高。
[0021]为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举本发明实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。附图说明
[0022]为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0023]图1是本发明实施例提供的光纤探头的结构示意图；
[0024]图2是本发明实施例提供的光纤探针传感器的结构示意图；[0025]图3是本发明实施例提供的光纤探头制造装置的结构示意图；[0026]图4是本发明实施例提供的光纤探头制造方法的流程示意图。[0027]附图标记汇总：[0028]100－光纤探头；110－石英管；120－输入光纤；140－输出光纤；160－粘合剂；200－光纤探针传感器；220－处理器；300－光纤探头制造装置；320－旋转夹具；340－坠重；360－火焰喷射装置。具体实施方式
[0029]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。[0030]因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0031]应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。[0032]在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不
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能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。[0033]此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。[0034]在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。[0035]请参照结合图1和图2，本发明实施例提供了一种光纤探头100，应用于光纤探针传感器200，光纤探头100，包括：输入光纤120、输出光纤140和石英管110，所述石英管110的一端为锥形。
[0036]所述输入光纤120与所述输出光纤140均设置于所述石英管110内，所述输入光纤120、所述输出光纤140和所述石英管110在所述一端处耦合。[0037]在本发明实施例中，输入光纤120与输出光纤140耦合在所述石英管110的一端处通过耦合的方式融合在一起，相较于现有技术通过粘接的方式，更加稳固；且石英管110的原材料加工容易，进而相对于现有技术的蓝宝石传感器，实用性更高。[0038]可选地，所述石英管110的外壁设置有保护套管。[0039]进一步的，在本发明实施例中，所述保护套管包裹所述石英管110，但所述石英管110的一端的锥形处可以不进行包裹，而裸露在外面。所述保护套管的材质可以为不锈钢；不锈钢不仅不易生锈，且有一定的机械强度，可以延长所述石英管110的寿命。当然并不限定所述保护套的材质仅为不锈钢，在具体实施方式中，也可以选用其它硬质材料，例如陶瓷等。
[0040]可选地，所述石英管110的外径为500-800微米，壁厚为100-200微米。[0041]可选地，所述锥形为圆锥形，且所述圆锥形的锥角为20°－40°。当然，在具体实施方式中，所述锥形也可以为三角锥、四角锥等。[0042]进一步的，所述石英管110的外径，壁厚和圆锥形的锥角的角度的设定仅为本发明实施例提供的一种可选取的方式，并不作限定。在具体的实施方式中可以根据实际情况而做所述石英管的具体尺寸选取。[0043]可选地，所述输入光纤120、所述输出光纤140通过粘合剂160与所述石英管110的另一端固定连接并延伸至所述石英管110之外。[0044]进一步的，所述粘合剂160可以是耐高温胶、玻璃焊料、耐高温热缩管等。[0045]可选地，所述石英管110为耐高温石英管，所述输入光纤120和所述输出光纤140均为耐高温光纤。[0046]进一步的，所述耐高温光纤可以为Pi光纤光栅、镀碳光纤光栅、镀铝光纤光栅等。[0047]请参阅图2，本发明实施例提供了一种光纤探针传感器200，包括上述光纤探头100和处理器220，所述光纤探头100与所述处理器220连接。[0048]进一步的，在本发明实施例中，所述光纤探头100可以置于待测环境中，处理器220
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基于所述输入光纤120和所述输出光纤140内的信号光的光强变化将所述光强变化转化为模拟信号，再转换为数字信号。处理器220将所述数字信号发送至终端设备进行观察。所述终端设备可以是电脑。[0049]进一步的，上述的信号光可以是紫外光或者红外光。所述光纤探头可以应用于油田或者油井。例如：将所述光纤探头100的耦合区域与所述油田或油井中的液体相接触；进而使所述输入光纤120传输恒定的红外光或者紫外光，在所述光纤探头100的耦合区由于不同的介质的折射率不同，进而造成所述输出光纤140内的红外光或者紫外光的幅值、频率等发生变化，进而通过对比输入的红外光或者紫外光和输出的红外光或者紫外光进而得出油田或者油井内的油水气三相的含量。当然，这只是本发明实施列举的一种可实施的方式，再具体实施方式中，所述信号光可以为脉冲光等，所述光纤探头的应用环境也不仅仅限于油田或者油井。
[0050]请结合参阅图3和图4，本发明实施例提供了一种光纤探头100的制造方法，应用于制造上述的光纤探头100，可以利用如图3所示的光纤探头制造装置300制造圆形锥角的所述光纤探头，其步骤包括：
[0051]S100:将内部设置有输入光纤和输出光纤的石英管外壁的一端固定在可旋转的夹具上。
[0052]进一步的，在可旋转的夹具320上开设有通孔，所述输入光纤120和所述输出光纤140穿过所述通孔。在通孔处可以设置软硅胶，避免在旋转的过程中或者当所述输入光纤120和所述输出光纤140的穿过所述通孔的过程中，接触到所述通孔的边缘而造成所述输入光纤120或者所述输出光纤140的损坏。
[0053]S200:在所述石英管外壁的另一端固定坠重。[0054]进一步的，所述坠重340可以通过扣合的方式与所述石英管110的外壁连接，同时，在所述坠重340的扣合处也可以设置硅胶，一方面可以增加摩擦力，另一方面可以使所述坠重340与所述石英管110的外壁紧密结合且不会损坏所述石英管110。[0055]进一步的，所述坠重340可以是均匀的材质做成的且与所述石英管110形状相匹配的形状。例如，所述石英管110的形状是圆柱形，则所述坠重340的形状也应该是中心开有圆孔的圆柱体或者中心开有圆孔的正方体。所述通孔的大小应该与所述石英管110的直径相匹配。而所述坠重340的材质可以选用钢，这种材质的密度较大进而体积较小又十分的坚固，不易变性；且耐腐蚀性高，可以避免暴露在空气中被氧化。[0056]S300:在旋转所述夹具的同时，利用火焰喷射装置喷射火焰炙烤所述石英管的外壁，使得所述石英管在所述火焰和所述坠重的作用下熔断并在熔断处形成锥形。[0057]进一步的，在熔断处，输入光纤120和所述输出光纤140分别和石英管融合在一起，形成耦合的连接方式，相较于现有技术中的粘接方式，更加稳固。[0058]进一步的，当所述可旋转的夹具320的转速达到预设转速时，点燃所述火焰喷射装置360，所述预设转速可以为200转/min。当所述火焰喷射装置360靠近所述石英管110时，所述火焰可以设置成与所述石英管110垂直，在所述火焰炙烤所述石英管110管五秒左右，移开所述火焰喷射装置360，进而所述石英管110在所述坠重340的作用下自然拉断进而形成锥角。当然所述可旋转的夹具320夹住所述石英管时，所述石英管应该是竖直，且所述坠重340设置在所述石英管110靠近地面端。
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进一步的，所述火焰喷射装置360的喷射火焰对所述石英管110炙烤的时间长短由
所述火焰的温度决定，当所述火焰的温度较高时，所述炙烤时间可以短一些，当所述火焰的温度较低时，所述炙烤时间可以长一些。[0060]进一步的，所述坠重340质量的改变会引起所述光纤探头100的锥角的角度改变。例如，当坠重340为0.5kg时，锥角约为35°。当需要减小锥角的角度时，可以增加所述坠重340的质量，当需要增加所述锥角的角度时，可以减少所述坠重340的质量。[0061]可选地，所述步骤S100：在将内部设置有输入光纤和输出光纤的石英管外壁的一端固定在可旋转的夹具上之前，所述方法还包括：[0062]将所述输入光纤、所述输出光纤粘结在石英管内。[0063]进一步的，所述输入光纤120和所述输出光纤140均应粘结在所述石英管110熔断处的上方，也就是所述输入光纤120和所述输出光纤140可以靠近所述坠重340与所述石英管110结合的区域。这样当所述石英管110熔断时，所述输入光纤120和所述输出光纤140和所述石英管110的熔断处耦合在一起，进而形成敏感区；也就是上述的圆锥形区域或者所述的耦合区域。
[0064]可选地，步骤S300中：所述利用火焰喷射装置喷射火焰炙烤所述石英管的外壁步骤具体可以是：[0065]利用氢氧焰喷射装置喷射氢氧焰炙烤所述石英管的外壁。[0066]在本发明实施例中，所选取的火焰喷射装置360为氢氧焰喷射装置，因为氢氧焰的温度高，且火苗的稳定性好。当然在具体实施方式中，也可以选取其它方式对所述石英管110进行炙烤。
[0067]本发明实施例提供了一种光纤探头及制造方法、光纤探针传感器；所述光纤探头包括：输入光纤、输出光纤和石英管，所述石英管的一端为锥形。[0068]所述输入光纤与所述输出光纤均设置于所述石英管内，所述输入光纤、所述输出光纤和所述石英管在所述一端处耦合。由于输入光纤与输出光纤耦合在所述石英管的一端处耦合的方式融合在一起，相较于现有技术通过粘接的方式，更加稳固；且石英管的原材料加工容易，进而相对于现有技术的蓝宝石传感器，实用性更高。[0069]以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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说 明 书 附 图
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