CN102636290B - 一种fbg高温传感器的低温无胶化封装工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种FBG高温传感器的低温无胶化封装工艺,该工艺采用低熔点的玻璃焊料对耐高温光纤光栅和一个半圆柱不锈钢管进行封接，利用电烙铁进行加热使焊料融化后封接光纤光栅和半圆柱不锈钢管，利用具有聚酰亚胺涂覆层的耐高温光纤布拉格光栅的耐温特性在封接时保护光纤光栅同时保护光纤不被折断，除了包含传统光纤光栅温度传感器的特性以外，提供了一种光纤光栅传感器新的封装技术，无胶化封装几乎不受应力和应变影响，光栅部分完全密闭不受环境湿度影响，不用担心老化问题无需金属化处理，无需激光焊接成本低廉，操作温度低，稳定性好，结构工艺和处理工艺简单。

Description

一种FBG高温传感器的低温无胶化封装工艺

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种适应用于300℃以下环境中温度测量的FBG高温传感器的低温无胶化封装工艺。

背景技术

1978年加拿大通信研究中心的K.O.Hill等人发现了掺锗光纤的光敏特性并制作出世界上第一根光纤光栅，随着后来光栅写入技术的进步和低温高压载氢敏化处理技术的发现，使光纤光栅的批量生产成为可能，光纤光栅开始走向实用化，广泛应用于光纤通信和光纤传感领域。目前光纤光栅已经广泛应用于应变、温度、压力等众多物理参量的静态及动态测量，在传感领域发挥了重要的作用。这些传感器主要包括光纤光栅应变传感器、温度传感器、加速度传感器、位移传感器等。

(1)光纤光栅应变传感器

此种传感器是在工程领域中应用最广泛，技术最成熟的光纤传感器。应变直接影响光纤光栅的波长漂移，在工作环境较好或是待测结构要求精小传感器的情况下，人们将裸光纤光栅作为应变传感器直接粘贴在待测结构的表面或者是埋设在结构的内部。由于光纤光栅比较脆弱，在恶劣工作环境中非常容易破坏，因而需要对其进行封装后才能使用。目前常用的封装方式主要有基片式、管式和基于管式的两端夹持式。

(2)光纤光栅温度传感器

温度也是直接影响光纤光栅波长变化的因素，人们常常直接将裸光纤光栅作为温度传感器直接应用。同光纤光栅应变传感器一样，光纤光栅温度传感器也需要进行封装，封装技术的主要作用是保护和增敏，人们希望光纤光栅能够具有较强的机械强度和较长的寿命，与此同时，还希望能在光纤传感中通过适当的封装技术提高光纤光栅对温度的响应灵敏度。普通的光纤光栅其温度灵敏度只有0.010nm/℃左右，这样对于工作波长在1550nm的光纤光栅来说，测量100℃的温度范围波长变化仅为lnm。应用分辨率为lpm的解码仪进行解调可获得很高的温度分辨率，而如果因为设备的限制，采用分辨率为0.06nm的光谱分析仪进行测量，其分辨率仅为6度，远远不能满足实际测量的需要。目前常用的封装方式有基片式、管式和聚合物封装方式等。

(3)光纤光栅位移传感器

研究人员开展了应用光纤光栅进行位移测量的研究，目前这些研究都是通过测量悬臂梁表面的应变，然后通过计算求得悬臂梁垂直变形，即悬臂梁端部垂直位移。这种“位移传感器”不是真正意思上的位移传感器，目前这种传感器在实际工程已取得了应用，国内亦具有商品化产品。

(4)光纤光栅加速度计:

1996年，美国的Berkoff等人利用光纤光栅的压力效应设计了光纤光栅振动加速度计。转换器由质量板、基板和复合材料组成，质量板和基板都是6mm厚的铝板，基板作为刚性板起支撑作用，中间为8mm厚的复合材料夹在两铝板中间起弹簧的作用。在质量块的惯性力作用下，埋在复合材料中的光纤光栅受到横向力作用产生应变，从而导致光纤光栅的布拉格波长变化。采用非平衡M-Z干涉仪对光纤光栅的应变与加速度间的关系进行解调。1998年，Todd采用双挠性梁作为转换器设计了光栅加速度计。加速度传感器由两个矩形梁和一个质量块组成，质量块通过点接触焊接在两平行梁中间，光纤光栅贴在第二个矩形梁的下表面。在传感器受到振动时，在惯性力的作用下，质量块带动两个矩形梁振动使其产生应变，传递给光纤光栅引起波长移动。这种传感器也在国内已经有了商品化的产品。

在现有的FBG温度传感器封装工艺中，通常采用三种方式：第一种是通过点胶的方式固定光栅，但是胶属于软体物质容易受应力影响，同时受外界影响容易老化变质影响传感器性能，长期温度稳定性差。第二种是通过光纤表面金属镀膜处理，此类技术对工艺要求高，并且成本高，容易影响光纤光栅性能。第三种是激光焊接，焊件位置需非常精确，务必在激光束的聚焦范围内，并且需要使用高反射性及高导热性材料如铝、铜及其合金等，焊接性会受激光所改变，不适合生产线，生产成本高昂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种FBG高温传感器的低温无胶化封装工艺，其具有无需胶封装，无需金属化镀膜处理，可以实现低温下进行封装，工艺简单，可靠性高的特点，以解决现有技术中FBG高温传感器封装工艺存在的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种FBG高温传感器的低温无胶化封装工艺，其包括以下步骤：

1，加热加热装置，使其温度调至350℃～400℃之间，并处于预备状态；

2，将光栅放进中间为完整圆柱部分，两端为半圆柱部分的半圆柱不锈钢管中；

3，在半圆柱不锈钢管左右两侧放置玻璃焊料；

4，将半圆柱不锈钢管两端固定，焊料位置放置到加热装置上加热，玻璃焊料熔化后保证尾纤浸泡在玻璃焊料中；

5，关闭加热装置，让半圆柱不锈钢管冷却到常温，使半圆柱不锈钢管和光栅的尾纤紧密焊接在一起；

6，将半圆柱不锈钢管左右两侧都套进耐温松套管，恰好紧贴玻璃焊料，松套管则卡于槽中，套热缩管加热使其包紧半圆柱不锈钢管热缩保护；

7，把步骤6中的成品放进不锈钢管中，左右套进铠装光缆顶到热缩管。

特别地，所述加热装置为电烙铁。

特别地，所述光栅为具有聚酰亚胺涂覆层的耐高温光纤布拉格光栅，可承受的最高温度为350℃，短期400℃。

特别地，所述半圆柱不锈钢管的规格为：内径1mm，外径2.2mm，长度为70mm，中间完整圆柱部分为30mm，左右两端半圆柱部分切割深度为0.8±0.1mm，长度为20mm。

特别地，所述步骤4中的焊接位置在半圆柱不锈钢管中间完整圆柱部分的两端口处。

特别地，所述步骤6中的热缩管包裹整根半圆柱不锈钢管。

特别地，所述步骤6中的松套管插入半圆柱不锈钢管半圆柱部分的槽内。

特别地，所述步骤7中套进铠装光缆后，用压线钳压缩不锈钢管两端压紧光缆。

本发明的有益效果为，与现有技术相比所述FBG高温传感器的低温无胶化封装工艺具有以下优点：

1)采用无胶化封装，使得传感器不受材料长期应力和应变的影响，

2)操作温度低，加热设备成本低廉，

3)光纤光栅部分完全密闭，不受外界环境湿度影响，

4)光纤表面无需任何镀膜处理，工艺简单，

5)无需激光焊接，操作简单，量产能力强，

6)传感器温度稳定性好，线性度好，可长期工作于350℃以内的高温环境中。

附图说明

图1是采用本发明具体实施方式1提供的低温无胶化封装工艺封装后的FBG高温传感器的剖面图；

图2是本发明具体实施方式1提供的FBG高温传感器的低温无胶化封装工艺的焊接示意图；

图3是采用本发明具体实施方式1提供的低温无胶化封装工艺封装后的FBG高温传感器的升温过程曲线图；

图4是采用本发明具体实施方式1提供的低温无胶化封装工艺封装后的FBG高温传感器的降温过程曲线图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

请参阅图1及图2所示，本实施例中，一种FBG高温传感器的低温无胶化封装工艺，其包括以下步骤：

a，加热电烙铁9，使其温度调至350℃～400℃之间，并将电烙铁9安装在焊接操作台支架10上；

b，将光栅6放进半圆柱不锈钢管4中，所述光栅6为具有聚酰亚胺涂覆层的耐高温光纤布拉格光栅，可承受的最高温度为350℃，短期400℃，所述半圆柱不锈钢管4中间为完整圆柱部分，两端为半圆柱部分；其规格为：内径1mm，外径2.2mm，长度为70mm，中间完整圆柱部分为30mm，左右两端半圆柱部分切割深度为0.8±0.1mm，长度为20mm；

c，在半圆柱不锈钢管4中间完整圆柱部分的两端口处玻璃焊料8；

d，将半圆柱不锈钢管4两端固定在焊接操作台支架10上，放置玻璃焊料8的位置放置到电烙铁9上加热，玻璃焊料8熔化后保证光栅6的尾纤5完全浸泡在玻璃焊料8中；

e，关闭电烙铁9，让半圆柱不锈钢管4冷却到常温，使半圆柱不锈钢管4和光栅6的尾纤5紧密焊接在一起；

f，将半圆柱不锈钢管4左右两侧都套进耐温松套管7，恰好紧贴玻璃焊料8，使松套管7则卡于半圆柱不锈钢管4半圆柱部分的槽内，套热缩管3加热使其包紧整根半圆柱不锈钢管4热缩保护；

g，把步骤f中的成品放进不锈钢管2中，左右套进铠装光缆1，铠装光缆1稍微顶到热缩管3，并用压线钳压缩不锈钢管2的两端压紧光缆。

请参阅图3和图4所示，图3是采用本发明具体实施方式1提供的低温无胶化封装工艺封装后的光纤光栅应变传感器的升温过程曲线图；图4是采用本发明具体实施方式1提供的低温无胶化封装工艺封装后的光纤光栅应变传感器的降温过程曲线图。

图中横坐标表示温度，单位为摄氏度，纵坐标表示光纤光栅的中心波长，单位为纳米，从两图中可以看出，采用本发明提供的低温无胶化封装工艺封装后的光纤光栅应变传感器具有非常好的线性度和灵敏度。

以上实施例只是阐述了本发明的基本原理和特性，本发明不受上述事例限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改变，这些变化和改变都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种FBG高温传感器的低温无胶化封装工艺，其特征在于：包括以下步骤：

1)开启加热装置，将其温度调至350℃～400℃之间，并处于预备状态；

2)将光栅放进中间为完整圆柱部分，两端为半圆柱部分的半圆柱不锈钢管中；

3)在半圆柱不锈钢管左右两侧放置玻璃焊料；

4)将半圆柱不锈钢管两端固定，焊料位置放置到加热装置上加热，玻璃焊料熔化后保证尾纤浸泡在玻璃焊料中；

5)关闭加热装置，让半圆柱不锈钢管冷却到常温，使半圆柱不锈钢管和光栅的尾纤紧密焊接在一起；

6)将半圆柱不锈钢管左右两侧都套进耐温松套管，恰好紧贴玻璃焊料，松套管则卡于槽中，套热缩管加热使其包紧半圆柱不锈钢管热缩保护；

7)把步骤6中的成品放进不锈钢管中，左右套进铠装光缆，铠装光缆顶到热缩管；

所述光栅为具有聚酰亚胺涂覆层的耐高温光纤布拉格光栅，可承受的最高温度为350℃，短期400℃；

所述步骤4中的焊接位置在半圆柱不锈钢管中间完整圆柱部分的两端口处。

2.根据权利要求1所述的FBG高温传感器的低温无胶化封装工艺，其特征在于，所述加热装置为电烙铁。

3.根据权利要求1所述的FBG高温传感器的低温无胶化封装工艺，其特征在于，所述半圆柱不锈钢管的规格为：内径1mm，外径2.2mm，长度为70mm，中间完整圆柱部分为30mm，左右两端半圆柱部分切割深度为0.8±0.1mm，长度为20mm。

4.根据权利要求1所述的FBG高温传感器的低温无胶化封装工艺，其特征在于，所述步骤6中的热缩管包裹整根半圆柱不锈钢管。

5.根据权利要求1所述的FBG高温传感器的低温无胶化封装工艺，其特征在于，所述步骤7中套入铠装光缆后，用压线钳压缩不锈钢管两端压紧光缆。