CN101655351B - 一种裸f-p光纤传感器毛细管式封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种裸F-P光纤应变传感器毛细管式封装方法，根据F-P光纤应变传感器保护套的外径尺寸和毛细管的外径尺寸确定各型腔的外径尺寸，制作硅胶模具，把F-P光纤应变传感器、毛细管固定在硅胶模具型腔内，利用硅胶模具型腔的同轴性保证F-P光纤应变传感器与毛细管的轴线的对中，将环氧树脂灌封材料浇到硅胶模具的浇道内，然后将其放置在真空箱内抽真空，将流动性的环氧树脂灌封材料吸入到已布置有F-P光纤传感器的毛细管内，固化后制成可重复利用的F-P光纤应变传感器。本发明的F-P光纤传感器封装保护在毛细管的正中间，抽入到毛细管的环氧灌封材料没有气泡，并且本发明专利工艺过程简单，硅胶模具可重复利用，操作简单，成本低廉，对中性好。

Description

一种裸F-P光纤传感器毛细管式封装方法

技术领域：

本发明专利涉及复合材料制造应变检测领域，专门用于纤维增强复合材料应变检测用裸F-P光纤传感器的封装保护。

背景技术：

F-P光纤传感器是一种性能优良的传感元件，技术成熟，适用于复合材料固化过程应变检测控制。F-P光纤传感器体积小、信号衰减小、灵敏度高，结构简单，对光源没有特殊要求，适用于树脂基复合材料固化过程应变监测。但是，由于裸F-P光纤传感器纤细易断，经常只能使用一次，无法重复利用，测量成本高。因此对裸F-P光纤传感器进行封装保护，使其可以重复利用，可以大大降低测量成本。传感器的封装形式有片式封装和管式封装，将F-P光纤传感器封装保护在毛细管中是最常用的封装保护方法。传统的管式封装保护方法大都采用直接注胶的方式进行，很难保证光纤传感器与毛细管的轴线重合，封装材料有气泡，较难保证封装保护后的传感器传感特性的稳定性；目前将光纤光栅封装到毛细管中的专用装置结构复杂，主要依靠手动调节，很难保证封装保护后的F-P光纤传感器与毛细管的对中精度，导致封装成本较高。本发明提出一种操作简单光纤封装方法，可以同时保证封装精度和实现低成本。

发明内容：

本发明专利的目的是：提供一种裸F-P光纤传感器的低成本封装方法，使其在复合材料固化过程应变检测中可以重复使用，以降低测量成本。

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种裸F-P光纤传感器毛细管式封装方法，按照如下步骤：

(1)制备树脂模型：将第一保护套1、第一毛细管17和第二毛细管19依次连接成一端半径大、另一端半径小的杆件，并将杆件的尺寸参数输入计算机内，在计算机内根据杆件的尺寸参数制作成虚拟杆件；在虚拟杆件下方设置虚拟下底板，虚拟杆件与虚拟下底板之间设置虚拟浇道，虚拟杆件半径大的一端固定在虚拟侧壁上，虚拟侧壁与虚拟下底板垂直连接；虚拟杆件、虚拟侧壁、虚拟浇道和虚拟下底板组合成为原型件；利用激光快速成型机将原型件制备成与之完全相同的树脂模型；

所述树脂模型由树脂器壁5、第一型芯6、第二型芯7、第三型芯8、浇道芯模9和树脂下底板10构成；第一型芯6与第一保护套1外径和长度相同，第二型芯7与第一毛细管17外径和长度相同，第三型芯8与第二毛细管19外径和长度相同，第一型芯6、第二型芯7和第三型芯8依次连接成一端半径大、另一端半径小的杆件，杆件半径大的一端固定在树脂器壁5上，杆件侧面通过两个浇道芯模9固定在树脂下底板10上，杆件的长度小于树脂下底板10的长度；

(2)制备硅胶模具：在树脂模型的树脂下底板10两长边和第三型芯8所对的一边分别设置夹板，使树脂器壁5、树脂下底板10和三块夹板组成顶部开口的箱体，将含有固化剂的硅胶液倒入箱体中，

使第一型芯6、第二型芯7、第三型芯8和浇道芯模9浸入硅胶液中并使硅胶液在常温固化完全后成为硅胶模具型芯，大致沿硅胶模具型芯轴线位置将其割开，取出树脂芯模，形成型腔和浇道，获得硅胶模具；

(3)真空浇注固化：把F-P光纤传感器和毛细管固定在硅胶模具型腔内，利用硅胶模具型腔的同轴性保证F-P光纤传感器与毛细管的轴线的对中，将环氧树脂灌封材料浇到硅胶模具的浇道内，然后将其放置在真空箱内抽真空，真空使环氧树脂灌封材料吸入到已设置有F-P光纤传感器的第一毛细管17和第二毛细管19内，待环氧树脂灌封材料在室温固化后制成毛细管式封装的F-P光纤传感器。

所述步骤(2)的制备硅胶模具是将含有固化剂的硅胶液倒入箱体中，使第一型芯6、第二型芯7、第三型芯8和浇道芯模9浸入硅胶液中并使硅胶液在常温固化完全后成为硅胶模具型芯，大致沿硅胶模具型芯轴线位置将其割开，取出第一型芯6、第二型芯7、第三型芯8和浇道芯模9，形成第一型腔16、第二型腔15、第三型腔13和浇道11，获得硅胶模具。

所述步骤(3)的真空浇注固化是，把F-P光纤传感器、第一毛细管17和第二毛细管19分别固定在硅胶模具得第一型腔16、第二型腔15和第三型腔13内，保持F-P光纤传感器与第一毛细管17和第二毛细管19的轴线对中，将环氧树脂灌封材料浇到硅胶模具的浇道内，然后将硅胶模具放置在真空箱内抽真空，真空使环氧树脂灌封材料吸入到已设置有F-P光纤传感器的第一毛细管17和第二毛细管19内，待环氧树脂灌封材料在室温固化后制成毛细管式封装的F-P光纤传感器。

所述大致沿硅胶模具型芯轴线位置将其割开是指割开位置与硅胶模具型芯轴线位置之间的距离小于等于对应位置处第一保护套1、第一毛细管17和第二毛细管19的半径。

本发明专利充分利用激光快速成型机快速、可整体成型的特点，将芯模、浇道与硅胶模容器做成一体，从芯模上保证了将F-P光纤传感器封装保护在毛细管的正中间。本发明专利把固定有F-P光纤传感器的硅胶模具放置到真空箱中，将双组分液体环氧树脂灌封材料抽到毛细管中，真空吸附受力均匀，确保将F-P光纤传感器封装在毛细管的正中间，并且保证了抽入到毛细管的环氧灌封材料没有气泡。本发明专利工艺过程简单，硅胶模具可重复利用，操作简单，成本低廉，对中性好。

附图说明：

图1是本发明快速成型浇道和型芯树脂件示意图；

图2是本发明的硅胶模具主视图；

图3是本发明的硅胶模具侧视图；

图4是本发明裸F-P光纤传感器的结构示意图；

图5是本发明封装保护后的F-P光纤传感器。

其中：1、第一保护套；2、第二保护套；3、光纤；4、F-P光纤传感器探头；5、树脂器壁5；6、第一型芯；7、第二型芯；8、第三型芯；9、浇道芯模；10、下底板10；11、浇道；12、上硅胶膜；13、第三型腔；14、下硅胶模；15、第二型腔；16、第一型腔；17、第一毛细管；18、环氧树脂灌封材料；19、第二毛细管；20、硅胶端面。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1、2、3、4，一种裸F-P光纤传感器毛细管式封装方法，按照如下步骤：

(1)制备树脂模型：将第一保护套1、第一毛细管17和第二毛细管19依次连接成一端半径大、另一端半径小的杆件，并将杆件的尺寸参数输入计算机内，在计算机内根据杆件的尺寸参数制作成虚拟杆件；在虚拟杆件下方设置虚拟下底板，虚拟杆件与虚拟下底板之间设置虚拟浇道，虚拟杆件半径大的一端固定在虚拟侧壁上，虚拟侧壁与虚拟下底板垂直连接；虚拟杆件、虚拟侧壁、虚拟浇道和虚拟下底板组合成为原型件；利用激光快速成型机将原型件制备成与之完全相同的树脂模型；所述原型件是通过PRO/E软件制成，PRO/E软件制成的原型件经过magics软件转换后由激光快速成型机制备树脂模型。

所述树脂模型由树脂器壁5、第一型芯6、第二型芯7、第三型芯8、浇道芯模9和树脂下底板10构成；第一型芯6与第一保护套1外径和长度相同，第二型芯7与第一毛细管17外径和长度相同，第三型芯8与第二毛细管19外径和长度相同，第一型芯6、第二型芯7和第三型芯8依次连接成一端半径大、另一端半径小的杆件，杆件半径大的一端固定在树脂器壁5上，杆件侧面通过两个浇道芯模9固定在下底板10上，杆件的长度小于树脂下底板10的长度；

(2)制备硅胶模具：在树脂模型的树脂下底板10两长边和第三型芯8所对的一边分别设置夹板，使树脂器壁5、树脂下底板10和三块夹板组成顶部开口的箱体，将含有固化剂的硅胶液倒入箱体中，

使第一型芯6、第二型芯7、第三型芯8和浇道芯模9浸入硅胶液中并使硅胶液在常温固化完全后成为硅胶模具型芯，大致沿硅胶模具型芯轴线位置将其割开，取出树脂芯模，形成型腔和浇道，获得硅胶模具；

(3)真空浇注固化：把F-P传感器和毛细管固定在硅胶模具型腔内，利用硅胶模具型腔的同轴性保证F-P光纤传感器与毛细管的轴线的对中，将环氧树脂灌封材料浇到硅胶模具的浇道内，然后将其放置在真空箱内抽真空，真空使环氧树脂灌封材料吸入到已设置有F-P光纤传感器的毛细管内，待环氧树脂灌封材料在室温固化后制成毛细管式封装的F-P光纤传感器。

所述步骤2的制备硅胶模具是将含有固化剂的硅胶液倒入箱体中，使第一型芯6、第二型芯7、第三型芯8和浇道芯模9浸入硅胶液中并使硅胶液在常温固化完全后成为硅胶模具型芯，大致沿硅胶模具型芯轴线位置将其割开，取出第一型芯6、第二型芯7、第三型芯8和浇道芯模9，形成第一型腔16、第二型腔15、第三型腔13和浇道11，获得硅胶模具。

所述步骤3的真空浇注固化是，把F-P传感器、第一毛细管17和第二毛细管19分别固定在硅胶模具得第一型腔16、第二型腔15和第三型腔13内，保持F-P光纤传感器与第一毛细管17和第二毛细管19的轴线对中，将环氧树脂灌封材料浇到硅胶模具的浇道内，然后将硅胶模具放置在真空箱内抽真空，真空使环氧树脂灌封材料吸入到已设置有F-P光纤传感器的第一毛细管17和第二毛细管19内，待环氧树脂灌封材料在室温固化后制成毛细管式封装的F-P光纤传感器。

所述大致沿硅胶模具型芯轴线位置将其割开是指割开位置与硅胶模具型芯轴线位置之间的距离小于等于对应位置处第一保护套1、第一毛细管17和第二毛细管19的半径。

一种毛细管式封装的F-P光纤传感器，包括第二保护套2、光纤3、F-P光纤传感器、第一毛细管17和第二毛细管19，第一保护套1套接在第二保护套2外壁，第二保护套2套接在第一毛细管17外壁，第二保护套2的内径大于第一毛细管17的内径，第一毛细管17套接在第二毛细管19上，第一毛细管17的内径大于第二毛细管19的外径，第二毛细管19套接在光纤3上，F-P光纤传感器的光纤F-P光纤传感器探头4位于第二毛细管19的中间位置，光纤3、光纤F-P光纤传感器探头4、第一毛细管17和第二毛细管19的轴心对中设置。

上述过程中，选择第一毛细管17、第二毛细管19使第一毛细管17内径尺寸大于第二毛细管19的外径尺寸，第一毛细管的外径尺寸小于第一保护套1的内径尺寸，利用激光快速成型机制作树脂原型件，使第一型芯6的外径与第一保护套1的外径相同、第二型芯7的外径与第一毛细管17的外径相同、第三型芯8的外径与第二毛细管19的外径相同，将第一型芯6、第二型芯7、第三型芯8、浇道芯模9与树脂器壁5做成一个整体，下底板10壁厚0.6mm，树脂器壁51.5mm厚，型芯与树脂器壁5垂直，由于第一型芯6、第二型芯7和第三型芯8是整体成型，可保证第一型芯6、第二型芯7和第三型芯8相互之间的同轴度要求；将一定量的固化剂与一定量的硅胶混合，放置在真空注塑机搅拌并抽真空10min左右，取出搅拌均匀的硅胶液，从树脂原型件的一个角倒入由树脂原型件组成的容器中，保证硅胶液将第一型芯6、第二型芯7第三型芯8和浇道11完全覆盖，常温固化完全后，大致沿型芯轴线位置将其割开，取出第一型芯6、第二型芯7、第三型芯8和浇道芯模9，形成具有第一型腔16、第二型腔15、第三型腔13和浇道11的硅胶模具。将第一毛细管17套入到第二保护套2，将第二毛细管19套入到光纤3，并保证尺寸使F-P光纤F-P光纤传感器探头4位于第二毛细管19的中间位置，以保证封装保护后的F-P光纤传感器的传感特性。将第二毛细管19放置在下硅胶模14的第三型腔13中，第一毛细管17放置在下硅胶模14的第二型腔15中，将第一保护套17放置在下硅胶模14的第一型腔16中，盖上上硅胶模12，将硅胶模垂直于硅胶端面20竖直放置，使浇道11口向上，光纤3、光纤F-P光纤传感器探头4与第二毛细管19的轴心自动对中，将环氧树脂灌封材料注入到浇道11中，将其放置到真空箱中抽真空3min，浇道11中的环氧树脂灌封材料会随着第一毛细管17和第二毛细管19中空气的抽走而被注入到第一毛细管17和第二毛细管19中，待环氧树脂灌封材料自然固化后即完成了整个F-P光纤传感器的封装保护工作。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (4)

1.一种裸F-P光纤传感器毛细管式封装方法，其特征在于，按照如下步骤：

(1)制备树脂模型：将第一保护套(1)、第一毛细管(17)和第二毛细管(19)依次连接成一端半径大、另一端半径小的杆件，并将杆件的尺寸参数输入计算机内，在计算机内根据杆件的尺寸参数制作成虚拟杆件；在虚拟杆件下方设置虚拟下底板，虚拟杆件与虚拟下底板之间设置虚拟浇道，虚拟杆件半径大的一端固定在虚拟侧壁上，虚拟侧壁与虚拟下底板垂直连接；虚拟杆件、虚拟侧壁、虚拟浇道和虚拟下底板组合成为原型件；利用激光快速成型机将原型件制备成与之完全相同的树脂模型；

所述树脂模型由树脂器壁(5)、第一型芯(6)、第二型芯(7)、第三型芯(8)、浇道芯模(9)和树脂下底板(10)构成；第一型芯(6)与第一保护套(1)外径和长度相同，第二型芯(7)与第一毛细管(17)外径和长度相同，第三型芯(8)与第二毛细管(19)外径和长度相同，第一型芯(6)、第二型芯(7)和第三型芯(8)依次连接成一端半径大、另一端半径小的杆件，杆件半径大的一端固定在树脂器壁(5)上，杆件侧面通过两个浇道芯模(9)固定在树脂下底板(10)上，杆件的长度小于树脂下底板(10)的长度；

(2)制备硅胶模具：在树脂模型的树脂下底板(10)两长边和第三型芯(8)所对的一边分别设置夹板，使树脂器壁(5)、树脂下底板(10)和三块夹板组成顶部开口的箱体，将含有固化剂的硅胶液倒入箱体中，

使第一型芯(6)、第二型芯(7)、第三型芯(8)和浇道芯模(9)浸入硅胶液中并使硅胶液在常温固化完全后成为硅胶模具型芯，大致沿硅胶模具型芯轴线位置将其割开，取出树脂芯模，形成型腔和浇道，获得硅胶模具；所述树脂芯模是第一型芯(6)、第二型芯(7)、第三型芯(8)和浇道芯模(9)；

(3)真空浇注固化：把F-P光纤传感器和毛细管固定在硅胶模具型腔内，利用硅胶模具型腔的同轴性保证F-P光纤传感器与毛细管的轴线的对中，将环氧树脂灌封材料浇到硅胶模具的浇道内，然后将其放置在真空箱内抽真空，真空使环氧树脂灌封材料吸入到已设置有F-P光纤传感器的第一毛细管(17)和第二毛细管(19)内，待环氧树脂灌封材料在室温固化后制成毛细管式封装的F-P光纤传感器。

2.如权利要求1所述一种裸F-P光纤传感器毛细管式封装方法，其特征在于：所述步骤(2)的制备硅胶模具是将含有固化剂的硅胶液倒入箱体中，使第一型芯(6)、第二型芯(7)、第三型芯(8)和浇道芯模(9)浸入硅胶液中并使硅胶液在常温固化完全后成为硅胶模具型芯，大致沿硅胶模具型芯轴线位置将其割开，取出第一型芯(6)、第二型芯(7)、第三型芯(8)和浇道芯模(9)，形成第一型腔(16)、第二型腔(15)、第三型腔(13)和浇道(11)，获得硅胶模具。

3.如权利要求2所述一种裸F-P光纤传感器毛细管式封装方法，其特征在于：所述步骤(3)的真空浇注固化是，把F-P光纤传感器、第一毛细管(17)和第二毛细管(19)分别固定在硅胶模具的第一型腔(16)、第二型腔(15)和第三型腔(13)内，保持F-P光纤传感器与第一毛细管(17)和第二毛细管(19)的轴线对中，将环氧树脂灌封材料浇到硅胶模具的浇道内，然后将硅胶模具放置在真空箱内抽真空，真空使环氧树脂灌封材料吸入到已设置有F-P光纤传感器的第一毛细管(17)和第二毛细管(19)内，待环氧树脂灌封材料在室温固化后制成毛细管式封装的F-P光纤传感器。

4.如权利要求1所述一种裸F-P光纤传感器毛细管式封装方法，其特征在于：所述大致沿硅胶模具型芯轴线位置将其割开是指割开位置与硅胶模具型芯轴线位置之间的距离小于等于对应位置处第一保护套(1)、第一毛细管(17)和第二毛细管(19)的半径。

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