CN104977031A - 一种光纤光栅传感器的封装结构和封装方法 - Google Patents

Abstract

一种光纤光栅传感器的封装结构和封装方法，该封装结构包括光纤光栅串、封装套管一和封装套管二,封装套管一为贴近光纤光栅串的内部套管，封装套管二设置在封装套管一的外部，封装套管二的外部形状设置成与被测量物体的表面形状相匹配，其封装方法步骤包括首先对封装套管二的两端内壁进行打磨，接着将封装套管一外壁均匀涂上填充膏体，然后将封装套管二套在封装套管一上，再调整封装套管一使封装套管一处于封装套管二的中央，最后把传感器两端尾纤与封装套管二端部固定好，从而完成光纤光栅传感器的封装。本发明的优点是结构简单，安装方便，形状灵活，成活率高，提高了传感器测量的灵敏度及空间分辨率。

Description

一种光纤光栅传感器的封装结构和封装方法

技术领域

本发明涉及一种传感器封装领域，具体涉及一种光纤光栅传感器的封装结构和封装方法。

背景技术

光纤光栅传感器是通过检测波长的变化量检测温度、应变、压力等物理量，在如航空航天航海、建筑交通运输、能源化工环保等领域取得了成功的应用。常规光纤光栅传感器所用光纤与普通通信用光纤结构基本相同，都由纤芯、包层和涂覆层组成，光纤纤芯的主要成分为二氧化硅，其中含有极微量的二氧化锗,用以提高纤芯的折射率，与包层形成全内反射条件将光限制在纤芯中，用于刻写光栅的单模光纤其纤芯直径为9μm，包层主要成分也为二氧化硅，直径为125μm。涂覆层一般为环氧树脂、硅橡胶等高分子材料，外径为250μm，用于增强光纤的柔韧性、机械强度和耐老化特性。

光纤光栅的封装是光纤光栅传感器在实际工程应用中不可或缺的步骤，因为裸光纤光栅的纤芯直径很小(125μm)、特别脆弱、抗剪性能差、存活率低，若将其直接作为传感器将无法胜任在工程上的粗放式施工。现有的封装技术通常采用有机聚合物与金属外套的管状封装，而在实际工程应用中，这种封装形状安装不方便，易脱落，可靠性和实用性很难达到实际的工程要求，由于光栅部分有可能不与被测物体完全接触，容易引起测量误差，使灵敏度可靠性降低。同时由于测量地点比如桥梁、隧道、机翼表面等不同的部位形状不同，传统的光纤光栅传感器封装形式单一，实际测量时布放困难，安装测试点接触不充分或安装不可靠，降低了测量的精度。

发明内容

本发明提出的一种光纤光栅传感器的封装结构和封装方法，可解决上述难题。将光纤光栅传感器的外部封装成与被测物体表面相匹配的形状，使用时按照实际需要测量的物体形状，选择对应形状的光纤光栅传感器，方便安装测量，达到可靠准确测量目的。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种光纤光栅传感器的封装结构，包括光纤光栅串和封装套管一,封装套管一为贴近光纤光栅串的内部套管，其中，该封装结构还包括封装套管二，封装套管二设置在封装套管一的外部，封装套管二的外部形状设置成与被测量物体的表面形状相匹配。

进一步的，封装套管二与封装套管一之间设置填充膏体。

进一步的，封装套管二的外部形状设置成六边形或弯曲状。

进一步的，封装套管二的材质为陶瓷。

由上述技术方案可知，本发明的光纤光栅传感器的封装结构具有以下有益效果：

(1)结构简单，安装方便。本发明的光纤光栅传感器的封装结构不改变传感器内部封装结构，根据内部封装所用材料，选择相应的外部封装套管，改变外部形状，操作容易，结构简单。

(2)提高了灵敏度。本发明的光纤光栅传感器的封装结构改进了原有外部结构单纯为管式、片式或者针式封装，在应用的过程中，可表贴在物体表面，使结合更加紧密，由于形状多变，可在一根传感器上监测多个位置，提高了测量的灵敏度。

(3)提高了空间分辨率。本发明的光纤光栅传感器的封装结构，由于形状可多变，可改变原有的单个光纤光栅为测试管芯，把光纤光栅根据测量的疏密刻制，可在一根传感器上监测多个敏感位置，提高了测量点的空间分辨率。

(4)形状灵活，尺寸多变。形状可以是三角形、五边形、六边形、曲线片形、菱形，半圆形等不同形状，尺寸大小可根据使用选择。

(5)成活率高，传感器外形材料多样，使用可靠。在大型结构监测中，需要测量不同位置的物理量，传统的需要很多根光纤，或者把弯曲折叠光纤，这就会影响光栅的成活率。本发明的光纤光栅传感器的封装结构方便布设，根据测试环境选择外形材料，利于长时间监测，减少光纤光栅传感器的使用数量，安全可靠。

(6)封装套管二与封装套管一之间设置填充膏体，可使封装套管二更好的固定在封装套一外部，而且封装步骤简单易操作；封装套管二的外部形状设置成六边形或弯曲状，适用性较广；封装套管二的材质为陶瓷，绝缘性好，相对更安全。

以上所述光纤光栅传感器的封装结构的封装方法，所述封装步骤具体为：

1)、首先完成封装套管一与光纤光栅串的初始封装，然后对封装套管二的两端内壁进行打磨；

2)、接着将封装套管一外壁均匀涂上填充膏体，然后将封装套管二套在封装套管一上；

3)将封装套管二置于精密光纤调整架的中央平台上，把传感器两端的尾纤在光纤调整架的两端加紧，调整光纤调整架左右高度，使封装套管一处于封装套管二的中央；

4)把传感器两端尾纤通过涂抹填充膏体与封装套管二端部固定好，待填充膏体晾干固化，从而完成光纤光栅传感器的封装。

进一步的，步骤2)之前：用酒精对封装套管一外部和封装套管二进行清洗。

进一步的，步骤4)中传感器两端尾纤选用固定件与封装套管二端部固定。

本发明的光纤光栅传感器的封装结构封装方法的有益效果为：封装步骤简单易操作，特别是其中的打磨和酒精清洗步骤，可使封装结构紧密连接，粘贴效果好，更牢固。

附图说明

图1是本发明一种光纤光栅传感器的封装结构中的封装套管二的外部形状设置成六边形时的纵截面示意图；

图2是本发明一种光纤光栅传感器的封装结构中的封装套管二的外部形状设置成六边形时的横截面示意图；

图3是本发明一种光纤光栅传感器的封装结构中的封装套管二的外部形状设置成弯曲状时的纵截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

实施例一：六边形的光纤光栅传感器的封装结构

当需要表贴桥梁，隧道或者石油管道等物体表面的光纤光栅传感器，由于物体表面比较光滑或者角度问题，如果采用传统管式形状，就存在安装困难，表贴不紧的情况。这时就可以把光纤光栅传感器的外部封装为六边形的外形。

如图1和图2所示，本实施例一所述的光纤光栅传感器的封装结构，包括光纤光栅串1、封装套管一2、所述封装套管一2为贴近光纤光栅串1的内层套管，封装套管一2可以是毛细钢管或者毛细玻璃管，根据具体的使用场合选择，封装套管一2和光纤光缆串1之间可使用胶粘剂固化，也可以使用固定器件固定，光纤光栅串1和封装套管一2共同组成光纤光栅传感器的初始封装；本实施例一所述的光纤光栅传感器的封装结构，还包括封装套管二4，所述封装套管二的形状成六边形，通过涂抹填充膏体3设置在封装套管一2的外部，封装套管二4的主要作用是保护光纤光栅传感器，选择材料的时候可以根据对传感器的要求和内层套管材料的选择，同时还要考虑强度，导热性耐腐蚀性，造价等，在具体的实施方案中可以选择金属的不锈钢套管或者非金属的陶瓷套管，陶瓷由于其绝缘特性，相对更安全；所述填充膏体3也即胶粘剂，填充膏体3的选择也应该从导热性，粘结强度，是否用于高温状态等考虑，目前我国的胶粘剂品牌种类多样，可根据实际需要对胶粘剂进行选择。

本实施例一公开的光纤光栅传感器的封装结构的封装方法及具体实施步骤：首先完成光纤光栅传感器的初始封装，即光纤光栅串1已经和封装套管一2封装完成，在套入外层护套管即封装套管二4之前，确保封装套管二4的两端内壁已经完成打磨，该工艺是为了能将完成初始封装的光纤光栅串1与封装套管二4紧密连接，起到保护传感器的作用；然后用酒精对用于封装套管一2外部和封装套管二4进行清洗，此道工序的目的是去污、除锈，防止封装套管二4的内部有灰尘导致填充膏体3与封装套管二4粘结不好；完成上述工序后，将封装套管一2外壁均匀涂上填充膏体3，然后将封装套管二4套在封装套管一2上，将封装套管二4置于精密光纤调整架的中央平台上，传感器两端的尾纤在光纤调整架的两端加紧，调整光纤调整架左右高度，使封装套管一2处于封装套管二4的中央，传感器两端尾纤通过涂抹填充膏体3与封装套管二4端部固定好，待填充膏体3晾干固化，从而完成光纤光栅传感器的封装，根据实际封装要求，传感器两端尾纤也可以使用固定件与封装套管二4端部固定，选用固定件，受外界影响较小，固定效果更牢固。

实施例二：弯曲式的光纤光栅传感器的封装结构

当需要表贴在桥梁隧道等曲面上光纤光栅传感器，因为桥梁隧道曲面形状的限制，表贴管式或者直式片状光纤光栅传感器都容易造成布设困难，容易脱落，因为接触面是曲面，传统的分布式光栅只能测量同一直线上，或者把传感器多次弯曲，测量不同位置上的应变，这样就容易影响光栅的成活率，这时就可以把光纤光栅传感器的外部封装为弯曲式的外形。

如图3所示，本实施例二和实施例一区别仅在于，所述封装套管二4设置成弯曲状。本实施例二公开的光纤光栅传感器的封装结构的封装方法与实施例一相同。

以上两种封装方式和传统封装的光纤光栅传感器相比有很多优点。在桥梁结构方面，对于桥梁的健康监测或者测量桥面上行驶的车辆的重量、车速以及桥下水流流速时，可以方便的长距离一次性不规则的测量不同位置的应力，能提高测量的准确率，传统的光栅只能测量同一直线上，或者把传感器多次弯曲，测量不同位置上的应变，这样就容易影响光栅的成活率；在高层建筑、海洋等复杂结构的健康监测中，不规则的光纤光栅传感器的封装可以更好的监测结构的完整性和大楼的地震反应；在大坝、隧道监测中，可以监测隧道长期的应变与温度变化，对公路的动态测量更为准确；在航空航天方面，在复合材料中埋入光纤光栅传感器可以监测飞行器的压力、温度、振动、燃料液位、起落架状态、机翼和方向舵的位置等物理量，这就要求传感器要尺寸小、重量轻、灵敏度高，光纤光栅传感器可以根据具体需求改变尺寸，形状，以提高灵敏度；在船舶航运方面，电力工程方面，石油化学和核工业方面等，需要有大量的光纤光栅传感器对信号监测，光纤光栅传感器对常规传感器进行了优化布置，可以减少传感器的数量，以最少的光纤光栅传感器数量来获取尽可能多测试点的信息。

除了上述两种形式，最外层的外部护管即封装套管二4也可以设置成是三角形、菱形、五边形、半圆形等不同形状。在此不一一叙述。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种光纤光栅传感器的封装结构，包括光纤光栅串(1)和封装套管一(2),所述封装套管一(2)为贴近光纤光栅串(1)的内部套管，其特征在于：该封装结构还包括封装套管二(4)，封装套管二(4)设置在封装套管一(2)的外部，所述封装套管二(4)的外部形状设置成与被测量物体的表面形状相匹配。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅传感器的封装结构，其特征在于：所述封装套管二(4)与封装套管一(2)之间设置填充膏体(3)。

3.根据权利要求1或2所述的光纤光栅传感器的封装结构，其特征在于：所述封装套管二(4)的外部形状设置成六边形或弯曲状。

4.根据权利要求3所述的光纤光栅传感器的封装结构，其特征在于：所述封装套管二(4)的材质为陶瓷。

5.一种实现如权利要求1所述的光纤光栅传感器的封装结构的封装方法，其特征在于：所述步骤具体为：

1)、首先完成封装套管一(2)与光纤光栅串(1)的初始封装，然后对封装套管二(4)的两端内壁进行打磨；

2)、接着将封装套管一(2)外壁均匀涂上填充膏体(3)，然后将封装套管二(4)套在封装套管一(2)上；

3)将封装套管二(4)置于精密光纤调整架的中央平台上，把传感器两端的尾纤在光纤调整架的两端加紧，调整光纤调整架左右高度，使封装套管一(2)处于封装套管二(4)的中央；

4)把传感器两端尾纤通过涂抹填充膏体(3)与封装套管二(4)端部固定好，待填充膏体(3)晾干固化，从而完成光纤光栅传感器的封装。

6.根据权利要求5所述的封装方法，其特征在于：所述步骤2)之前，用酒精对封装套管一(2)外部和封装套管二(4)进行清洗。

7.根据权利要求5或6所述的封装方法，其特征在于：所述步骤4)中传感器两端尾纤选用固定件与封装套管二(4)端部固定。