CN104215366A - 一种光纤光栅传感器封装系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤光栅传感器封装系统包括一传感器封装模具、一温度-压力控制模组及两光纤夹具。且本封装系统进一步包括一预拉伸模组，预拉伸模组进一步包括一光源单元用于生成光信号；一预拉伸执行机构；用于对光纤进行预拉伸；一光环形器，用于将光源单元产生的光信号导入光纤光栅传感器中，同时将光纤光栅反射光信号导入到波长测量模块；一波长测量模块，用于实时测量光纤光栅传感器反射的光波长数据并反馈给控制单元；一预拉伸控制单元，用于接收波长测量模块反馈的光波长数据并控制预拉伸执行机构对埋设在传感器封装模具中预封装的光纤光栅传感器进行预拉伸；及一光纤传感器预拉伸模组电源。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤光栅传感器封装系统。
背景技术
光纤布拉格光栅是20世纪70年代以来国际上新兴的一种光纤内无源器件，它通过在光纤轴向上建立周期性的折射率分布来改变或控制光在该区域的传播行为和方式。因其具有抗干扰性强、耐腐蚀、体积小、重量轻、寿命长、插入损耗小、可实现多点分布式测量、使用灵活以及易于与光纤系统集成等优良特性，在传感器领域具有广阔的应用前景。但裸光纤光栅特别脆弱，在恶劣的工作环境中容易损伤，因此需要采用具有一定强度的材料对裸光纤进行保护性封装，以增加其强度，赋予光纤光栅更稳定的性能，延长其寿命，使其易于安装和可操作性。
风力发电机组通常工作在边远地区，工作环境恶劣，维护成本较高。随着风力发电机组叶片尺寸越来越大，所承受的风载荷也更大，及时地了解叶片载荷状况不仅为风力发电机组变桨距控制提供依据，同时也为叶片的健康状况评估提供重要参数。叶片的载荷与叶片根部的弯曲程度成对应关系，通过检测叶片根部的应变量可以计算出叶片所受载荷大小，但目前还很少有专门适合风力发电叶片用的载荷监测传感器，常见的电阻式应变传感器在风力发电的恶劣环境如雷击，盐雾，昼夜高温差等状况下容易失效，同时这类传感器接线复杂，不易于大容量组网测量。光纤传感器具有抗电磁干扰，耐腐蚀，易于复用组网测量等优点，成为风力发电机组叶片载荷监测的首选，光纤传感器封装后通常通过表面粘贴方式安装于叶片测量点，因此，这种传感器封装材料需要与叶片材料特性相同，最大程度上减小应变测量的传递误差，同时增加可靠性和使用寿命。目前大型风力发电机组的叶片材料都采用具有质轻高强度特点的玻璃纤维增强复合材料制成，因此采用玻璃纤维材料封装具有相似力学特性的传感器具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是针对目前风力发电机组叶片的载荷监测缺乏可靠的载荷传感器这一问题，提出了一种表面粘贴式光纤光栅传感器封装技术。
为实现上述目的，本发明一种表面粘贴式光纤光栅传感器封装系统包括一传感器封装模具用于封装光纤光栅传感器、一温度-压力控制模组用于控制光纤光栅传感器封装时传感器封装模具内的温度和压力及两光纤夹具。本封装系统进一步包括一预拉伸模组，预拉伸模组进一步包括一光源单元用于生成光信号；一预拉伸执行机构；用于对光纤进行预拉伸；一光环形器，用于将光源单元产生的光信号导入光纤光栅传感器中，同时将光纤光栅反射光信号导入到波长测量模块；一波长测量模块，用于实时测量光纤光栅传感器反射的光波长数据并反馈给控制单元；一预拉伸控制单元，用于接收波长测量模块反馈的光波长数据并控制预拉伸执行机构对埋设在传感器封装模具中预封装的光纤光栅传感器进行预拉伸；及一光纤传感器预拉伸模组电源，用于向光源单元、波长测量模块及预拉伸控制单元提供工作时的电能。
综上所述，本发明一种光纤光栅传感器封装系统及其封装方法，因增加了对光纤光栅传感器进行预拉伸的相关工艺和进行预拉伸时所需的光纤光栅传感器预拉伸系统，所以不仅可使封装后的光纤光栅传感器具有测量正负应变的能力，而且可有效解决表面粘贴式光纤光栅传感器的应用需求。
附图说明
图1为本发明一种光纤光栅传感器封装系统示意图。
图2为本发明一种光纤光栅传感器封装方法基本控制策略示意图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及效果，以下兹例举实施例并配合附图详予说明。
请参阅图1，本发明一种光纤光栅传感器封装系统包括：一传感器封装模具用于封装光纤光栅传感器、一温度-压力控制模组用于控制光纤光栅传感器封装时传感器封装模具内的温度和压力、两光纤夹具。本发明一种光纤光栅传感器封装系统进一步包括一预拉伸模组。
预拉伸模组进一步包括：
一光源单元用于生成光源信号；
一预拉伸执行机构；用于对光纤进行预拉伸；
一光环形器，用于将光源单元产生的光信号导入光纤光栅传感器中，同时将光纤光栅反射光信号导入到波长测量模块；
一波长测量模块，用于实时测量光纤光栅传感器反射的光波长数据并反馈给控制单元；
一预拉伸控制单元，用于接收波长测量模块反馈的光波长数据并控制预拉伸执行机构对埋设在传感器封装模具中预封装的光纤光栅传感器进行预拉伸；
及一光纤传感器预拉伸模组电源，用于向光源单元、波长测量模块及预拉伸控制单元提供工作时的电能。
具体地，预拉伸执行机构至少包括一步进电机、一弹性连接件。为确保对光纤光栅传感器进行拉伸时拉伸方向与速度的精确性与可控性，该预拉伸执行机构可进一步包括一导向装置，该导向装置在具体实施例中为一丝杆滑块。弹性连接件为弹簧或者柔性铰链中的至少一种或两者的组合，也可是其他现有技术中可代替该两种弹性连接件的弹性机构或器件。
传感器封装模具进一步包括一上模、一下模。合模时，上模和下模之间形成有一呈扁平长方体状的成型腔。裸光纤的一端穿过成型腔连接在其中一光纤夹具上；裸光纤的另一端通过另一光纤夹具进一步连接在光环形器的光信号输入端，且裸光纤由光纤夹具夹持且可活动地被预拉伸执行机构拉伸。
两夹具间的光纤穿过成型腔，且与成型腔保持在同一水平上。
光环形器的光信号输入端连接在光纤光栅传感器的一自由端；光源单元连接在光环形器的光源信号输入端以实现光信号可由光源单元耦合进光纤光栅传感器中；光环形器的光信号输出端连接在波长测量模块上。
波长测量模块与控制单元相互电和信号连接，且控制单元进一步与步进电机相互连接。
在步进电机与其中一光纤夹具之间连接有弹性连接件与丝杆滑块。弹性连接件与丝杆滑块在步进电机与其中一光纤夹具之间的放置关系可任意组配。
控制单元通过控制步进电机移动并带动丝杆滑快及弹性连接件一同移动以达到对光纤光栅进行预拉伸；因光纤光栅受拉伸后反射波长向长波方向偏移，当从波长测量模块读取的波长与设定的预拉伸波长相等时，控制单元控制步进电机停止带动弹性连接件及丝杆滑块移动动作，从而使光纤光栅传感器达到设定的预拉伸状态。
温度-压力控制系统进一步包括：一温度控制单元、一压力控制单元及一压力执行单元；
均匀埋设在上模和下模中的各一加热片组；
埋设在上模和下模中的至少各一温度传感，用于测量光纤光栅传感器在模具封装时的温度，且温度传感器埋设在加热片组旁；
温度-压力外设电源，用于向温度控制单元、加热片组、压力控制单元及压力执行单元提供工作时的电能。
温度-压力外设电源与预拉伸模组电源用同一外设电源代替。
一种光纤光栅传感器的封装方法，包括：
步骤1：将多层封装材料叠加构成光纤传感器封装的机体，光纤光栅传感器埋于封装材料之中并放置于传感器封装模具中，而后将上模和下模进行合模；
步骤2：开启预拉伸模组电源与预拉伸控制单元，设置预拉伸比较参数λ0，其中，λ0为预拉伸控制单元预设的波长，操作预拉伸控制单元控制光源单元发出光信号并通过光环形器的光输入端将光信号导入在传感器封装模具中预封装的光纤光栅传感器中；
步骤3：光纤光栅传感器对光信号进行反射并经过光环形器进入波长测量模块，预拉伸控制单元通过光谱模块读取传感器的波长λ传，并判断λ传是否小于等于λ0，如λ传≤λ0成立，控制单元执行预拉伸程序，控制步进电机带动预拉伸执行机构移对光纤光栅传感器进行预拉伸，当λ传=λ0时，步进电机停止工作从而保持当前预拉伸状态；
步骤4：开启温度-压力外设电源，由温度控制单元按温控程序由加热片组对传感器封装模具加热，即先由加热片组对传感器封装模具由室温加热到温度T1后，保持温度T1时长S1，再由加热片组将传感器封装模具温度T1加热到温度T2后，保持温度T2时长S2，与此同时，温度T1、T2的保持是通过温度控制单元即时读取温度传感器采集到的温度数据，并由温度控制器闭环控制实现；
步骤5：停止对传感器封装模具加热，冷却至T3，打开传感器封装模具取出光纤光栅传感器。
步骤1中光纤光栅传感器封装材料采用的是玻璃纤维预侵料。
为保持合模时给成型腔内的预成型光纤光栅传感器适度的压力，在步骤3和步骤4之前均可利用压力执行单元（图中未示意）对传感器封装模具进行压力保持的操作。
步骤4中温度T1小于温度T2。
步骤4中温度T1控制在80℃。
步骤4中温度T2控制在130℃。
步骤4时长S1小于时长S2，在具体实施例中时长S1控制在30分钟，时长S2为60分钟。
步骤5的温度T3为60℃。
综上所述，本发明一种光纤光栅传感器封装系统，因增加了对光纤光栅传感器进行预拉伸的相关工艺和进行预拉伸时所需的光纤光栅传感器预拉伸系统，所以不仅可使封装后的光纤光栅传感器具有测量正负应变的能力，而且可有效解决表面粘贴式光纤光栅传感器的应用需求。
以上所述的技术方案仅为本发明一种光纤光栅传感器封装系统的较佳实施例，任何在本发明一种光纤光栅传感器封装系统基础上所作的等效变换或替换都包含在本专利的权利要求的范围之内。
Claims (7)
1.一种表面粘贴式光纤光栅传感器封装系统，包括一传感器封装模具用于封装光纤光栅传感器、一温度-压力控制模组用于控制光纤光栅传感器封装时传感器封装模具内的温度和压力、两光纤夹具，其特征在于：本封装系统进一步包括一预拉伸模组
预拉伸模组进一步包括一光源单元用于生成光信号；
一预拉伸执行机构；用于对光纤进行预拉伸；
一光环形器，用于将光源单元产生的光信号导入光纤光栅传感器中，同时将光纤光栅反射光信号导入到波长测量模块；
一波长测量模块，用于实时测量光纤光栅传感器反射的光波长数据并反馈给控制单元；
一预拉伸控制单元，用于接收波长测量模块反馈的光波长数据并控制预拉伸执行机构对埋设在传感器封装模具中预封装的光纤光栅传感器进行预拉伸；
及一光纤传感器预拉伸模组电源，用于向光源单元、波长测量模块及预拉伸控制单元提供工作时的电能。
2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅传感器封装系统，其特征在于：预拉伸执行机构至少包括一步进电机驱动系统及一弹性连接件。
3.根据权利要求2所述的一种光纤光栅传感器封装系统，其特征在于：预拉伸执行机构可进一步包括一导向装置，所述导向装置为一丝杆滑块。
4.根据权利要求2所述的一种光纤光栅传感器封装系统，其特征在于：弹性连接件为弹簧或者柔性铰链中的至少一种或两者的组合。
5.根据权利要求1所述的一种光纤光栅传感器封装系统，其特征在于：光环形器的光信号输入端连接在光纤光栅传感器的一自由端；光源单元连接在光环形器的光源信号输入端以实现光信号可由光源单元耦合进光纤光栅传感器中；光环形器光信号输出端连接在波长测量模块上。
6.根据权利要求1所述的一种光纤光栅传感器封装系统，其特征在于：波长测量模块与控制单元相互连接，且控制单元进一步与步进伺服电机相互信号连接。
7.根据权利要求1所述的一种光纤光栅传感器封装系统，其特征在于：在步进电机与其中一光纤夹具之间连接有弹性连接件与丝杆滑块。弹性连接件与丝杆滑块在步进电机与其中一光纤夹具之间的放置关系可任意组配。
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- 2013-05-30 CN CN201310209257.3A patent/CN104215366A/zh active Pending
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