CN104458055B - 用于表面温度测量的光纤光栅封装结构及其封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于表面温度测量的光纤光栅封装结构，包括一个无底的、非金属材料的封装盒体，封装盒体的顶部设有注入孔和排气孔，封装盒体的侧壁底部设有一个贯穿光纤的缺口，中部为隔热腔；具有光纤光栅的光纤通过封装盒体底部的缺口穿入隔热腔，光纤光栅紧贴待测物体表面，光纤光栅与待测物体表面能够相对活动；隔热腔内充满导热填料；所述的注入孔和排气孔通过封装胶封死。采用本发明结构，待测物体表面的表面温度变化能迅速的传递到光纤光栅，中间温度损失小，测量结果更为准确；具有较大的热阻，能够减小外界环境温度、气流的影响，进一步确保腔内温度的准确性和稳定性，使得光纤光栅温度传感器能够更加准确的反映待测表面真实温度。

Description

用于表面温度测量的光纤光栅封装结构及其封装方法

技术领域

本发明属于光纤传感领域，具体涉及一种用于表面温度测量的光纤光栅封装结构及其封装方法。

背景技术

作为新型的光学传感无源器件，光纤光栅具有普通光纤传感器灵敏度高、体积小、质量轻、易弯曲、不产生电磁干扰、不受电磁干扰、抗腐蚀性好等优点。光纤Bragg光栅中心波长能够直接受温度、应变等因素调制，并有着良好的线性响应，是十分理想的温度、应变测量元件。如今，通过适当的封装设计，光纤Brag光栅温度传感器已被逐步应用到各种实际应用领域中。

现有的光纤温度传感器封装结构主要是针对环境温度测量而设计，一般是在光栅表面包裹一层金属，用来真强传感器的强度，提高耐用性。在设计上考虑了光纤光栅对应变和温度交叉敏感问题，将金属包裹层与光纤光栅分离。中间填注传热材料。该方法使用方便，能够较好的测量环境温度值。但是对于固体表面温度测量，这种封装结构却存在着很大的缺陷。在进行固体表面温度测量时，传感器并不是处于一个均匀的温度场中，发热表面与环境温度之间往往有着巨大差异。温度传感器置于待测表面外的空气中，所感知的温度是介于待测表面与环境温度之间的一个值，而且该值受周围气流和辐照影响严重，并不能真实可靠地反映物体表面温度。传统光纤光栅传感器难以准确测量到固体表面温度，因此迫切需要针对固体表面温度这一特殊测量对象设计出一种光纤光栅表面温度传感器封装结构及相应的封装方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种用于表面温度测量的光纤光栅封装结构及其封装方法，实现对固体表面温度的精确可靠测量。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：用于表面温度测量的光纤光栅封装结构，其特征在于：它包括一个无底的、非金属材料的封装盒体，封装盒体的顶部设有注入孔和排气孔，封装盒体的侧壁底部设有一个贯穿光纤的缺口，中部为隔热腔；具有光纤光栅的光纤通过封装盒体底部的缺口穿入隔热腔，光纤光栅紧贴待测物体表面，光纤光栅与待测物体表面能够相对活动；隔热腔内充满导热填料；所述的注入孔和排气孔通过封装胶封死。

按上述方案，所述的导热填料为导热细颗粒粉末与硅油和氧化铝混合成的胶状或膏状体；所述的导热细颗粒粉末由金属或石墨烯制成。

一种利用上述用于表面温度测量的光纤光栅封装结构实现的封装方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、将具有光纤光栅的光纤平铺于待测物体表面，光纤光栅紧贴待测物体表面；将光纤部分固定在待测物体表面，留出光纤光栅，使光纤光栅能够相对待测物体表面活动；

S2、将封装盒体盖在光纤上，使得光纤光栅位于隔热腔的底部；

S3、将导热材料通过注入孔填充到隔热腔中；

S4、使用封装胶将注入孔和排气孔封死。

本发明的有益效果为：

1、相比于传统整体式封装的光纤光栅温度传感器，无底的封装盒体能够使得光纤光栅紧贴在待测物体表面，待测物体表面的表面温度变化能迅速的传递到光纤光栅，中间温度损失小，测量结果更为准确；封装盒体采用低导热的非金属材料，具有较大的热阻，能够减小外界环境温度、气流的影响，进一步确保腔内温度的准确性和稳定性，使得光纤光栅温度传感器能够更加准确的反映待测表面真实温度。

2、流动的高导热填充材料能减小光纤光栅同待测物体表面的接触热阻，同时能够形成均匀稳定的温度场，为光纤光栅表面温度测量制造了一个稳定而准确的测量环境。

附图说明

图1为本发明一实施例的结构示意图。

图中：1-光纤，2-封装胶，3-光纤光栅，4-隔热腔，5-封装盒体。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明作进一步说明。

本发明提供一种用于表面温度测量的光纤光栅封装结构，如图1所示，包括一个无底的、非金属材料的封装盒体5，封装盒体5的顶部设有注入孔和排气孔，封装盒体5的侧壁底部设有一个贯穿光纤的缺口，中部为隔热腔4；具有光纤光栅3的光纤1通过封装盒体5底部的缺口穿入隔热腔4，光纤1部分固定在待测物体表面，光纤光栅3紧贴在待测物体表面，光纤光栅3与待测物体表面能够相对活动；隔热腔4内充满导热填料；所述的注入孔和排气孔通过封装胶2封死。

本实施例中，所述的导热填料为导热细颗粒粉末与硅油和氧化铝混合成的胶状或膏状体；所述的导热细颗粒粉末由金属或石墨烯（单层石墨稀或多层石墨稀）制成。

一种利用上述用于表面温度测量的光纤光栅封装结构实现的封装方法，包括以下步骤：S1、将具有光纤光栅的光纤平铺于待测物体表面，光纤光栅紧贴待测物体表面；将光纤部分固定在待测物体表面，留出光纤光栅，使光纤光栅能够相对待测物体表面活动；S2、将封装盒体盖在光纤上，使得光纤光栅位于隔热腔的底部；S3、将导热材料通过注入孔填充到隔热腔中；S4、使用封装胶将注入孔和排气孔封死。

由于腔体内部的光纤处于自由伸长状态，所以整个封装结构对应变不敏感。整个封装盒体5选用的材料为非金属材料（如特氟龙、尼龙、聚四氟乙烯、ABS塑料、PLA塑料等）是为了减少固体表面的热量通过腔体壳热传导而流失，使得表面温度场发生改变；之后通过隔热腔顶部小孔向腔内注入具有流动性的导热填料4，所述导热材料可为具有良好导热作用的粉末或膏状体。所述粉末可为由良导体金属(如银，铜等)，非金属(如石墨烯)或石墨稀氧化物制成的细颗粒粉末。所述具有良好导热作用胶状体可为的添加导热质的导热硅胶。为获得较高的导热性能和流动性，可将金属或石墨烯制成的细颗粒粉末与硅油、氧化铝混合成胶状或膏状；在用导热材料完全填充隔热腔之后，使用封装胶2（例如环氧树脂胶）将腔体顶端的注入孔及排气孔封死。

从图中可以看出，相比于传统整体式封装的光纤光栅温度传感器，无底的非金属封装盒体能够使得光纤光栅紧贴在待测物体表面，待测物体表面的表面温度变化能迅速的传递到光纤光栅，流动的高导热填充材料能减小光纤光栅同待测物体表面的接触热阻，同时能够形成均匀稳定的温度场，采用尼龙等低导热材料作为封装盒体的材料，具有较大的热阻，能够减小外界环境温度、气流的影响，进一步确保腔内温度的准确性和稳定性，使得光纤光栅温度传感器能够更加准确的反映待测表面真实温度。该封装结构和方法非常适合于机械结构固体表面高精度温度测量且对被测物应变和环境气流变化不敏感。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.用于表面温度测量的光纤光栅封装结构，其特征在于：它包括一个无底的、非金属材料的封装盒体，封装盒体的顶部设有注入孔和排气孔，封装盒体的侧壁底部设有一个贯穿光纤的缺口，中部为隔热腔；具有光纤光栅的光纤通过封装盒体底部的缺口穿入隔热腔，光纤光栅紧贴在待测物体表面，光纤光栅与待测物体表面能够相对活动；隔热腔内充满导热填料；所述的注入孔和排气孔通过封装胶封死。

2.根据权利要求1所述的用于表面温度测量的光纤光栅封装结构，其特征在于：所述的导热填料为导热细颗粒粉末与硅油和氧化铝混合成的胶状或膏状体；所述的导热细颗粒粉末由金属或石墨烯制成。

3.一种利用权利要求1或2所述的用于表面温度测量的光纤光栅封装结构实现的封装方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、将具有光纤光栅的光纤平铺于待测物体表面，光纤光栅紧贴待测物体表面；将光纤部分固定在待测物体表面，留出光纤光栅，使光纤光栅能够相对待测物体表面活动；

S2、将封装盒体盖在光纤上，使得光纤光栅位于隔热腔的底部；

S3、将导热材料通过注入孔填充到隔热腔中；

S4、使用封装胶将注入孔和排气孔封死。