CN103399087A - 一种可调谐中心波长的光纤光栅声发射传感器封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可调谐中心波长的光纤光栅声发射传感器封装方法，该方法先用胶水将光纤光栅黏贴在铁片中心位置，再将铁片嵌入底部中心位置处开有小槽的有机玻璃片上，涂胶固定；将嵌有铁片的有机玻璃和另外一片相同的没有开槽的有机玻璃固定在有机玻璃基底相对应的两侧；再取两片相同有机玻璃上的相同位置加工出相同的小孔，嵌入螺母，拧入螺丝，将这两片有机玻璃片固定在基底的另外两侧；将机油注入由基底和四块有机玻璃组成的槽中，注满后，在顶部加盖一块与基底同样大小的有机玻璃块，用胶固定。本发明主要用于光纤光栅多通道传感，便于对声发射源的定位，封装后的光纤光栅传感器灵敏度和可靠性好，能够长期稳定的正常工作的优点。

Description

一种可调谐中心波长的光纤光栅声发射传感器封装方法

技术领域

本发明属于传感器封装的技术领域，具体涉及一种可调谐中心波长的光纤光栅声发射传感器封装方法，该方法封装完成的传感器主要用于实现窄带光源声发射系统的多通道检测。

背景技术

光纤光栅传感技术是传感家族中的新成员，它正以传统电传感器无法比拟的独特优势飞速发展，刷新着人们在传感领域的传统观念。光纤光栅抗电磁干扰、耐腐蚀、轻巧、灵敏度高、便于复用和组网等优点使它能代替传统的在强电磁干扰等恶劣环境中，在大型结构多点健康检测等方面得到广泛应用。

目前国际上有采用可调谐窄带光源方案实现光纤光栅声发射信号的单通道检测技术，用该技术检测光纤声发射信号具有信噪比高，灵敏度高，可靠性高等优点，但是其无法实现多通道检测，一次只能检测一个点，这就大大限制了其传感器的分布式检测能力，声发射信号是由机体发生断裂产生的超声波信号，机体内向各个方向传播，在只能检测一个点的情况的下，就无法实现其定位声发射源。可调谐窄带光源的方案不能实现多通道光纤光栅传感的根本原因是，窄带光的中心波长要与光纤光栅反射光的3dB处的波长一致，要实现两通道或者更多通道，就必须取多个反射中心波长完全一致的光纤光栅，波长精度必须到达0.01nm量级，目前制作光栅的工艺条件下，其反射中心波长的精度只能到达0.5-1nm量级，因此几乎无法找到两个发射中心波长完全一致的光纤光栅。本发明为了解决这个难题，提出了一种可调谐光纤光栅的反射中心波长的方案，只要已知一个光栅的反射中心波长，就可以利用这种封装方案，把另外一个光栅的中心波长调节到和已知光栅的中心波长一致，调节精度可以达到0.1nm，这样便可实现多通道传感。

光纤光栅调谐中心波长原理：调节封装好的传感器两个螺丝，同时向相反方向调节，铁片便发生弯曲，封装在铁片上的光纤光栅传感器感受铁片的应变，中心波长发生漂移，用光谱仪观看其频谱，铁片弯曲方向不同，中心波长漂移方向也不同，根据需要可以将光纤光栅的中心波长调谐至合适的位置。

多通道传感的实现：取相近的中心波长传感器若干，按照上述封装方法封装好，以其中一个光栅的中心波长作为基准，将其他传感器的中心波长都调谐至此中心波长处，采用窄带光源方案，将窄带光用耦合器分光，每束光的中心波长都和传感器的中心波长3dB点一致，将各个传感器贴于被测物体表面，就可实现分布式传感；如果被测物体发生裂纹，产生生发射信号，多路传感器的都能检测到此信号，声发射信号经过有机玻璃，机油，传递至铁片，由光栅捕获信号，经过信号解调，便实现了声发射信号的多通道传感。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种可调谐中心波长的光纤光栅声发射传感器封装方法，该方法主要用于光纤光栅多通道传感，便于对声发射源的定位，封装后的光纤光栅传感器灵敏度和可靠性好，能够长期稳定的正常工作的优点。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种可调谐中心波长的光纤光栅声发射传感器封装方法，实现步骤如下：

步骤（1）、将光纤布拉格光栅用胶水黏贴于铁片的中心位置，然后将光纤布拉格光栅的一端与声发射传感系统的输入光纤相熔接，其中铁片的尺寸为5mm×50mm×1mm；

步骤（2）、取两块相同有机玻璃，尺寸为15mm×16mm×2mm，其中一片的16mm边的一侧中心位置开一个1mm×5mm×2mm的槽，将铁片的一端嵌入槽中，光纤信号输入线从槽中引出，再用胶涂覆固定铁片；

步骤（3）、取一块有机玻璃基底，基底的尺寸为20mm×60mm×2mm，将上述两块有机玻璃黏贴在有机玻璃基底20mm边的两对边边缘；

步骤（4）、取两块相同的有机玻璃，其尺寸为15mm×60mm×2mm，在其长边的底部，离一侧边45mm处，加工一个Ф6mm×2mm的通孔，把M2.5的螺母嵌入其中用胶固定，将两块有机玻璃固定在有机玻璃基底长边的边缘，再将M2.5的螺丝拧入，让螺丝底部同时接触到铁片停止；

步骤（5）、将液体超声耦合剂注入由有机玻璃基底和四片有机玻璃组成的槽中，注满后，取一块与基底相同尺寸的有机玻璃加盖在槽上，用胶水固定，形成封闭结构。

优选的，所述液体超声耦合剂为机油。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）、本发明提出的封装方法，可以实现窄带光源光纤光栅声发射方案的多通道传感，封装后的光纤光栅灵敏度和可靠性好，能够长期稳定的正常工作，能够实现对声源的定位。

（2）、本发明选用有机玻璃作为光纤光栅声发射传感器的外封装材料，有别于光纤光栅温度和应力传感器所用的有机高分子材料和金属材料。声发射波能在有机玻璃材料中各向同性地传播，损耗极低，这就优于有机高分子封装材料；它易于加工成各种形状，适合不同的应用场合。

（3）、本发明选用机油作为超声耦合剂，有别于其他耦合剂，机油是液体，可以充满整个封装好的传感器，且超声波在机油中损耗很小，来自各个方向的声发射信号，经过传递有机玻璃和机油的传递，依然没有太大的衰减，信噪比高。

附图说明

图1是光纤布拉格光栅声发射传感器的封装结构示意图。

图中：1、铁片，2、光纤布拉格光栅，3、有机玻璃盖，4、有机玻璃基底，5、带有刻槽的有机玻璃，6、没有刻槽的有机玻璃，7、带有钻孔的有机玻璃，8、带有钻孔的有机玻璃，9、M2.5螺丝，10、M2.5螺丝，11、M2.5螺母，12、M2.5螺母，13、机油。

图2是可调谐窄带光源光纤光栅声发射两通道方案的150KHz连续超声正弦波检测结果示意图。

图3是可调谐窄带光源光纤光栅声发射两通道方案的断铅信号检测结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例进一步说明本发明。

基本实施例：

一种可调谐中心波长的光纤光栅声发射传感器封装方法，实现步骤如下：

步骤（1）、取一块薄铁片其尺寸为5mm×50mm×1mm，将铁片一侧中心位置抛光，用蘸有酒精的棉球反复擦拭，直至表面干净光滑为止，用速干胶水将光纤布拉格光栅一端黏贴于铁片的中心位置，待胶水风干光纤贴紧铁片后，轻轻拉直光纤，在光栅位置涂上一层薄薄的胶水，静止24小时，此种涂胶方式的目的是让光纤光栅均匀地紧贴在铁片上，在光栅感受声发射信号时才不会失真，然后用光纤熔接机将光纤光栅的一端与声发射传感系统的输入光纤相熔接；

步骤（2）、取两块相同有机玻璃，加工成尺寸为15mm×16mm×2mm的有机玻璃块，将其端面抛光，以便于后续步骤的粘贴，在其中一片的16mm边的一侧中心位置开一个1mm×5mm×2mm的槽，将铁片的一端嵌入槽中，光纤信号输入线从槽中引出，再用胶涂覆固定铁片，铁片相当于悬臂梁，可以任意往两个方向弯曲，当铁片往任一方向弯曲时，光纤光栅感受应变，光栅间距发生改变，此时中心波长发生漂移，这样就起到了调谐波长的作用，铁片长度50mm的选择，是为了使其均匀变形，反射波长光谱形状基本不发生变化。有机玻璃一边16mm的选择，是为了让铁片在后面所做成的槽里有足够的弯曲范围，也就是使光栅的波长可以有足够的漂移的范围，中心波长的可调谐量程可以满足实际应用要求；

步骤（3）、取一块有机玻璃基底，基底的尺寸为20mm×60mm×2mm，将边缘抛光，将上述两块有机玻璃黏贴在有机玻璃基底20mm边的两对边边缘，形成凹形结构；

步骤（4）、另取两块相同的有机玻璃，加工其尺寸为15mm×60mm×2mm，在其60mm长边的底部，离一侧边45mm处，加工一个Ф6mm×2mm的通孔，把M2.5的螺母嵌入其中用胶固定，将两块有机玻璃固定在有机玻璃基底长边的边缘，再将M2.5的螺丝拧入，让螺丝底部同时接触到铁片停止，当同时向相反方向旋转两螺丝时，铁片便会向一个方向弯曲，反过来旋转螺丝，铁片向相反方向弯曲，铁片弯曲时就使光纤光栅的栅距发生变化，从而使中心波长发生漂移，达到波长调谐的目的；

步骤（5）、将机油注入由有机玻璃基底和四片有机玻璃组成的槽中，当机油注满后，取一块与基底相同尺寸的有机玻璃加盖在槽上，用胶水固定，形成封闭结构，机油作为超声耦合剂，有别于其他耦合剂，机油是液体，可以充满整个封装好的传感器，且超声波在机油中损耗很小，来自各个方向的声发射信号，经过传递有机玻璃和机油的传递，依然没有太大的衰减，信噪比高；有机玻璃作为光纤光栅声发射传感器的封装材料，有别于光纤光栅温度和应力传感器所用的有机高分子材料和金属材料。声发射波能在有机玻璃材料中各向同性地传播，损耗极低，这就优于有机高分子封装材料；并且它的热膨胀系数小，这就优于金属封装材料。当外界产生声发射信号时，信号首先传递至有机玻璃，有机玻璃再传递给封装在铁片上的光纤光栅传感器，从而接受到声发射信号，由于超声信号在有机玻璃和机油中传输损耗都非常小，所以此传感器具有很高的信噪比，而实验验证也是如此。

具体实施例：

如图1所示，取一块薄铁片1其尺寸为5mm×50mm×1mm，将铁片1的一侧中心位置抛光，用酒精擦拭，用速干胶水将光纤布拉格光栅2黏贴于铁片的中心位置，然后将光纤光栅的一端与声发射传感系统的输入光纤相熔接；取两块相同有机玻璃5，尺寸为15mm×16mm×2mm，其中一片的16mm边的一侧中心位置开一个1mm×5mm×2mm的槽，将铁片的一端嵌入槽中，取一块有机玻璃基底4，基底的尺寸为20mm×60mm×2mm，将上述两块有机玻璃5、6黏贴在有机玻璃基底20mm边的两对边边缘；取两块相同的有机玻璃7、8，其尺寸为15mm×60mm×2mm，在其长边的底部，离一侧边45mm处，加工一个Ф6mm×2mm的通孔，把M2.5的螺母11、12嵌入其中用胶固定，将两块有机玻璃固定在有机玻璃基底长边的边缘，再将M2.5的螺丝9、10拧入，让螺丝底部同时接触到铁片1停止；将机油13注入由有机玻璃基底和四片有机玻璃组成的槽中，当机油注满后，取一块与基底相同尺寸的有机玻璃3盖在槽上，用胶水固定，形成封闭结构。

有机玻璃封装的传感器与被检件之间添加耦合剂，如凡士林，水，黄油等，以填充接触面之间的微小空隙。通过耦合剂的过渡作用，能使传感器与检测表面之间的声阻抗差减小，从而减少能量在此界面的反射损失。另外，耦合剂还起到润滑的作用，减少接触面间的摩擦，减少传感器与试件表面的摩擦以及声波传导过程中的损耗。

本发明实施例中，传感系统的基本原理如下：当金属试件受到拉伸或弯曲时，在受力达到一定程度时，试件会萌生裂纹进而扩展直至断裂，在这整个过程中，会产生声发射信号，此处用短铅信号模拟声发射信号，这些声发射信号以应力波的形式传播开来，FBG传感器受应力波振动影响，光栅的有效折射率发生周期性改变，影响光栅的中心波长发生漂移，从而使反射光强随着应力波的变化频率发生周期性改变。

图2是可调谐窄带光源光纤光栅声发射两通道方案的150KHz连续超声正弦波检测结果，此实验选取了两个中心波长相近的光纤光栅，以一个光栅的中心波长为基准，调节封装好的传感器的螺丝，通过光谱仪观察其中心的变化，直至调到其中心波长和基准的中心波长完全一致，此时便可以用窄带光源方案实现两通道传感。利用超声信号发生器产生150KHz连续正弦波信号，通过压电陶瓷传感器将信号传递到铝板，将一个光纤布拉格光栅传感器贴在铝板上，将封装好的光纤光栅传感器通过凡士林耦合粘贴在铝板上，置于距两个传感器相等的位置，图中通道2和通道3分别表示两个光纤光栅检测到得结果，可以看出两个光纤光栅都检测到了正弦波，证明此种封装可以实现多通道传感。

图3是可调谐窄带光源光纤光栅声发射两通道方案的断铅信号检测结果。选取两个中心波长相近的光纤光栅，以一个光栅的中心波长为基准，通过调节封装好的另一个光栅的中心波长，使两中心波长完全一致，在对其实施短铅实验。如图3所示为两通道光纤布拉格光栅声发射信号传感系统断铅实验效果图。将本实施例中的将一个光纤布拉格光栅传感器贴在铝板上，将封装好的光纤光栅传感器通过凡士林耦合粘贴在铝板上，在铝板上折断铅笔芯，来模拟产生声发射信号。所用铅笔芯直径0.5mm的HB铅芯，长度为2.5cm，与铝板成30°角。图3a，b分别为两个个传感器的断铅实验的“幅值—时间”图，横坐标：时间/秒，纵坐标：幅值/毫伏。从图3a，b可以看出，断铅激励的突发型声发射信号的特征明显，160um内基本得到收敛，相应速度快，与实际相符，检测精度高，噪声干扰小，且两个信号的波形基本一致。由此可以证明在此种方案下，可以实现多通道传感。

本发明未公开的技术内容属于本技术领域的公知技术。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种可调谐中心波长的光纤光栅声发射传感器封装方法，其特征在于实现步骤如下：

步骤（1）、将光纤布拉格光栅用胶水黏贴于铁片的中心位置，然后将光纤布拉格光栅的一端与声发射传感系统的输入光纤相熔接，其中铁片的尺寸为5mm×50mm×1mm；

步骤（2）、取两块相同有机玻璃，尺寸为15mm×16mm×2mm，其中一片的16mm边的一侧中心位置开一个1mm×5mm×2mm的槽，将铁片的一端嵌入槽中，光纤信号输入线从槽中引出，再用胶涂覆固定铁片；

步骤（3）、取一块有机玻璃基底，基底的尺寸为20mm×60mm×2mm，将上述两块有机玻璃黏贴在有机玻璃基底20mm边的两对边边缘；

步骤（4）、取两块相同的有机玻璃，其尺寸为15mm×60mm×2mm，在其长边的底部，离一侧边45mm处，加工一个Ф6mm×2mm的通孔，把M2.5的螺母嵌入其中用胶固定，将两块有机玻璃固定在有机玻璃基底长边的边缘，再将M2.5的螺丝拧入，让螺丝底部同时接触到铁片停止；

步骤（5）、将液体超声耦合剂注入由有机玻璃基底和四片有机玻璃组成的槽中，注满后，取一块与基底相同尺寸的有机玻璃加盖在槽上，用胶水固定，形成封闭结构。

2.根据权利要求1所述的可调谐中心波长的光纤布拉格光栅声发射传感器封装方法，其特征在于：所述液体超声耦合剂为机油。

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