CN105371903A - 一种塑料厚板制品检测用光纤光栅传感器嵌件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种塑料厚板制品检测用光纤光栅传感器嵌件及其制造方法，嵌件包括光纤连接器的内埋接头和封堵头、光纤光栅温度传感器、光纤光栅应变传感器以及光栅封装器，光纤光栅温度传感器、光纤光栅应变传感器并排设置于嵌件内部，所述光纤连接器的内埋接头和封堵头设置于嵌件的端部，所述光纤光栅温度传感器、光纤光栅应变传感器均包括多个光栅单元区和传导光纤，所述光栅封装器对光栅单元区和传导光纤进行封装。本发明解决在塑料制品成型过程中光纤光栅的定位、固定、保护以及从板内部的引出方式、出口保护问题，实现光纤光栅传感器在塑料厚板内部的植入、光纤的引出以及和外接光纤的可靠连接，能够在线监测塑料厚板内部的温度和应变。

Description

一种塑料厚板制品检测用光纤光栅传感器嵌件及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种塑料厚板制品检测用光纤光栅传感器嵌件及其制造方法。

背景技术

在我国现代工业生产尤其是自动化生产过程中，需要用各种传感器在线监测生产过程中的各项参数，保证设备的良好运行以及产品的质量。工业用传感器有热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件等众多种类。“中国制造2025”对我国制造业提出从自动化到智能化的产业技术升级要求，因此要求生产过程的智能监测、智能控制、智能诊断、智能决策、智能维护水平不断提高。传感器对设备或者产品的在线健康监测是实现制造业智能化的关键技术手段之一。

光纤光栅是一种对应变和温度敏感的传感元件，可实现单根光纤对几十个节点的应变和温度的测量。在抗电磁干扰的同时对制品结构性能不产生影响，特别适合智能在线检测。然而光纤光栅作为塑料厚板制品结构内埋用的传感器来检测温度、应变并不多见。其主要原因是光纤光栅极易发生脆断，栅区敏感易受到外力的破坏，塑料厚板制品通常是在模压或者注塑模腔内一次成型，将光纤光栅传感器预先置于模腔后在其和塑料粉料或者熔体一体成型的过程中，光纤光栅易受到高温高压的破坏导致失活。若在塑料制品成型后，光纤光栅就只能粘贴在塑料制品表面作为外置传感器使用，无法对塑料制品内部的温度和应变作真实的响应。因此，在塑料制品中埋入光纤光栅传感器是一项技术挑战。

而将光纤光栅传感器埋植于塑料制品内部，首先需要解决的是光纤光栅从塑料制品内部的引出方式及出口保护，带有光纤连接器的光纤光栅传感器嵌件可以大大提高内埋光纤光栅的成活率，同时方便将光纤引出。采用把光纤的两个端面物理对接起来的光纤连接器不能保证发射光纤的光能量全部耦合到接受光纤中。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种塑料厚板制品检测用光纤光栅传感器嵌件及其制造方法，本发明解决了在塑料制品成型过程中光纤光栅的定位、固定、保护以及从板内部的引出方式、出口保护问题，实现光纤光栅传感器在塑料厚板内部的植入、光纤接头的引出以及和外接光纤的可靠连接，能够在线监测塑料厚板内部的温度和应变。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种塑料厚板制品检测用光纤光栅传感器嵌件，包括光纤连接器的内埋接头和封堵头、光纤光栅温度传感器、光纤光栅应变传感器以及光栅封装器，其中：

所述光纤光栅温度传感器、光纤光栅应变传感器并排设置于嵌件内部，所述光纤连接器的内埋接头和封堵头设置于嵌件的端部，所述光纤光栅温度传感器、光纤光栅应变传感器均包括多个光栅单元区和传导光纤，所述光栅封装器对光栅单元区和传导光纤进行封装。

所述光纤连接器包括内埋接头、封堵头和外接接头，其中，内埋接头和外接接头或封堵头连接，所述内埋接头和外接接头为中空结构，设置有光纤通道，内埋接头内连接光纤光栅温度传感器、光纤光栅应变传感器，外接接头接信号采集和处理设备。

进一步的，所述内埋接头位于光纤光栅传感器嵌件的端部，且位于塑料厚板制品边框内，为两端口直径不等的套筒，中心有光纤通道。

所述内埋接头的细端口处设有凹槽，粗端口的内部设有与封堵头或外接接头相配合的螺纹。

所述封堵头一端设有与内埋接头相配合的螺纹，另一端中部设有装卸孔。

所述外接接头为两端口直径不等的套筒，细端口处设有与内埋接头相配合的螺纹，中心设有光纤通道，形成保护腔对光纤接头进行保护。

所述光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器平行排列，两条平行光纤的法向距离为7～12mm，优选10mm，两者的光栅单元区位置相对应，共同组成一个兼具温度和应变测量功能的光栅对。

所述光纤光栅温度传感器的光栅单元区外套有保护套管，使光栅单元区与外界隔离。

所述光栅单元区中心波长变化仅与温度相关，实现温度测量。

所述光栅封装器包括光栅保护杆和棒状支撑，所述棒状支撑与设置于塑料厚板模具中的工艺孔配合或者直接粘接于模具内腔表面进行定位和固定。

所述光纤光栅温度传感器、光纤光栅应变传感器可以不同时存在。

所述保护套管为毛细管。

基于上述装置的制造方法，包括以下步骤：

(1)选取多条已经刻制光栅的光纤，一部分光纤的光栅单元区外套保护套管，并在管口胶封，形成光纤光栅温度传感器，未套保护套管的光纤光栅为光纤光栅应变传感器；

(2)光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器并排设置于制备光纤光栅传感器嵌件的模具内，光纤的两端穿过安装在模具端部的光纤连接器的内埋接头以及模具的固定机构里的光纤通道后固定，向模具中浇注热塑性塑料熔体，让熔体冷却形成带有光纤连接器内埋接头的光纤光栅传感器嵌件；

(3)将制作好的传感器嵌件固定在制备塑料厚板的模压或注塑模具中，将封堵头与光纤连接器的内埋接头配合连接并置于模具内腔的边缘部位；

(4)采用模压或注塑成型工艺制造塑料厚板，将塑料厚板切削打磨平整后将封堵头取下，取出贮存在内埋接头中的光纤并与外部接头中的光纤热熔接，并将内埋接头和外接接头配合连接。

所述步骤(2)中，对光纤光栅传感器嵌件进行脱模，得到端部带有光纤连接器内埋接头同时又具有温度测量和应变测量功能的光纤光栅对传感器嵌件，将多余的光纤贮存在内埋接头的内腔中，封堵头与内埋接头连接。

本发明的有益效果为：

本发明提供的传感器嵌件在塑料厚板制品模压或注塑成型过程中能被便捷、安全、可靠、精准地埋入塑料制品内部，解决了塑料制品在成型与加工后光纤接头的引出以及和外接光纤的可靠连接问题，能够在线监测塑料厚板内部的温度和应变。

附图说明

图1为本发明的光纤光栅传感器嵌件示意图；

图2为本发明的内埋接头示意图；

图3为本发明的封堵头示意图；

图4为本发明的外接接头示意图；

图5为本发明的使用示意图；

1光纤光栅温度传感器；2光纤光栅应变传感器；3光纤连接器的内埋接头；4光栅封装器；5光纤通道；6凹槽；7内埋接头的内螺纹；8光纤接头的贮存腔；9封堵头的装卸孔；10封堵头的外螺纹；11封堵头；12光纤连接器的外接接头；13热塑性塑料浇注区；14模具内嵌件固定机构；15光纤光栅传感器嵌件封装模具；16外接接头的外螺纹。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，塑料厚板制品在线检测用光纤光栅传感器嵌件包括光纤连接器的内埋接头3、光纤连接器的封堵头11、光纤光栅温度传感器1、光纤光栅应变传感器2、光栅封装器4。光纤连接器内埋接头3和封堵头11位于光纤光栅传感器嵌件的端部，光纤光栅温度传感器1和应变传感器2位于嵌件的中部，由光栅单元区和传导光纤组成，每个传感器有多个光栅单元区，嵌件的光栅封装器对光栅单元区或者包括传导光纤部分在内的整个光纤光栅进行封装。

光纤连接器包括内埋接头3、封堵头11和外接接头12三部分。塑料板较厚能够内埋较大尺寸的光纤连接器接头，方便在接头内腔中留有较大的光纤接头贮存空间8，以便预留的一定长度的光纤和外接接头中的光纤实现热熔连接。内埋接头3和外接接头12设有光纤通道5，内埋接头内连光纤光栅，外接接头接信号采集和处理设备。封堵头11在制品成型前和成型及加工过程中与内埋接头3配合，已成型的制品在后续加工完成后去除封堵头11，将内埋接头内腔的预留光纤接头取出和外接接头中的光纤热熔接，同时外接接头与内埋接头螺纹配合形成光纤接头的保护腔，以使发射光纤输出的光能量最大限度地耦合到接受光纤中去，并使由于光纤连接器介入光链路而对系统造成的影响减到最小，以达到传输的高效可靠。这样，实现了光纤光栅传感器与外部信号采集和处理设备的连接，完成光纤延长，光信号中继。

内埋接头3位于光纤光栅传感器嵌件的端部，且位于塑料厚板制品边框内，为两端口直径不等的金属套筒，中心有光纤通道5，细端处设有凹槽6，粗端处的金属套筒内径较大，能够贮存预留的一定长度的光纤，可以内埋在塑料板尺寸较厚的边缘部位，内设有螺纹7能够与封堵头或者外接接头通过螺纹连接配合。所述的细端处凹槽6增强了金属内埋接头与塑料制品的结合能力。

封堵头11用来和内埋接头的内螺纹7配合形成光纤接头的保护腔，能够在塑料制品的成型以及加工过程中防止光纤接头受到破坏，成型后的塑料制品的边缘经机械加工后，封堵头可以从塑料制品边缘取出以露出内埋接头中的光纤接头，便于和外接接头中的光纤连接。这样，光纤接头在塑料厚板成型以及加工过程中不会受到破坏，也不会给塑料制品的机械加工带来不便。

外接接头12为两端口直径不等的金属套筒，中心有光纤通道5。细端处有外螺纹16可以和内埋接头的内螺7纹配合，形成保护腔对光纤接头进行保护。

光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器平行排列，两条平行光纤的法向距离为7～12mm，优选10mm，两者的光栅单元区位置相对应，共同组成一个兼具温度和应变测量功能的光栅对。

光纤光栅温度传感器的光栅单元区需要外套硬质耐热的毛细管，例如不锈钢毛细管，并胶封，使其光栅单元区与外界材料隔离，栅区中心波长变化仅与温度相关，实现温度测量。

光纤光栅应变传感器用来测量制品内部应变的变化，但需要借助对应的温度光栅消除温度变化对应变光栅测量精度的影响。

光栅封装器4为光纤光栅传感器的定位、固定和保护机构，光栅封装器4由光栅保护杆或串以及棒状支撑组成。若只对栅区封装，则形成带有棒状支撑的串状光纤光栅传感器嵌件；若对包括传导光线区在内的整个光纤光栅传感器封装，则形成带有棒状支撑的杆状光纤光栅传感器嵌件。光栅封装器的棒状支撑可以与模具中定位工艺孔配合或者直接粘接于模具内腔表面以实现光纤光栅传感器嵌件在模具中的定位和固定，使其准确地处于制品内部的目标位置，提高测量数据的可靠性。

光栅封装器4采用热塑性塑料制造，优选与制品同种的材料，以实现光纤光栅传感器嵌件与塑料制品的无缝融合，将传感器对制品性能的影响最大限度地降低，同时更好地保护光纤光栅，提高在塑料制品成型中高温高压环境下的安全性。

在线检测用的光纤光栅传感器嵌件并非必须同时封装温度光栅和应变光栅，可以对温度光栅和应变光栅单独分别封装。

为实现上述目的，本发明提供塑料厚板制品在线检测用光纤光栅传感器嵌件的制造方法，步骤如下：

(1)选取数条已经刻制光栅的光纤，一部分光纤的光栅单元区外套硬质耐热毛细管，并在管口胶封，形成温度光纤光栅传感器，未套毛细管的光纤光栅为应变光纤光栅传感器。

(2)把一条温度光栅传感器和一条应变光栅传感器并列，放入制备光纤光栅传感器嵌件的光纤光栅传感器嵌件封装模具15中。光纤的两端穿过安装在模具端部的光纤连接器的内埋接头3以及光纤光栅传感器嵌件封装模具的嵌件固定机构14里的光纤通道后固定，在光纤光栅传感器嵌件封装模具中的塑料熔体浇注区13浇注热塑性塑料熔体，让熔体冷却形成带有光纤连接器内埋接头的光纤光栅传感器嵌件。

(3)脱模得到端部带有光纤连接器内埋接头同时又具有温度测量和应变测量功能的光纤光栅对传感器嵌件。将多余的光纤贮存在内埋接头的内腔中，封堵头与内埋接头通过螺纹配合。

(4)将制作好的传感器嵌件固定在制备塑料厚板的模压或注塑模具中，封堵头置于模具内腔的边缘部位。

(5)采用模压或注塑成型工艺制造塑料厚板。

(6)塑料厚板在脱模后进行后续的机械加工，切削打磨平整后将封堵头取下，取出贮存在内埋接头中的光纤并与外部接头中的光纤热熔接，并将内埋接头和外接接头通过螺纹配合连接。

(7)完成光纤光栅传感器与外部信号采集设备和解调设备的连接，即可实现对塑料厚板制品的温度和应变的在线检测。

实施例一：

一种压滤机滤板用在线温度和应变监测的光纤光栅传感器嵌件

(1)选取两条已经刻制光栅的光纤，在其中一条的光栅单元区外套不锈钢毛细管，并在管口胶封，形成温度光纤光栅传感器，另一条未套不锈钢毛细管的光纤光栅为应变光纤光栅传感器。

(2)根据滤板的尺寸需要，制造杆状光栅封装器，将光纤连接器的内埋接头通过模具的嵌件固定机构预安装在封装模具的两端。

(3)把一条温度光纤光栅传感器和一条应变光纤光栅传感器并列，放入制备杆状光纤光栅传感器嵌件的封装模具中，光纤的两端穿过安装在模具端部的光纤连接器的内埋接头以及模具的嵌件固定机构里的光纤通道后固定，在模具中的塑料熔体浇注区浇注聚丙烯熔体，让聚丙烯冷却形成端部带有光纤连接器内埋接头的杆状光纤光栅对传感器嵌件。

(4)脱模得到端部带有光纤连接器内埋接头同时又具有温度测量和应变测量功能的杆状光纤光栅对传感器嵌件，将多余的光纤贮存在内埋接头的内腔中，封堵头与内埋接头通过螺纹配合。

(5)根据光纤光栅传感器嵌件的棒状支撑的数量和位置，在滤板模压模具的内腔表面中预设安装孔，将光纤光栅传感器嵌件的棒状支撑与模具上预设的安装孔配合，封堵头位于滤板模具内腔的边缘部位。

(6)采用模压工艺制备滤板，实现滤板和杆状光纤光栅传感器嵌件的一体成型。

(7)在滤板脱模后进行后续的机械加工，切削打磨平整后将封堵头取下，取出贮存在内埋接头中的光纤并与外部接头中的光纤热熔接，并将内埋接头和外接接头通过螺纹配合连接。

(8)完成光纤光栅传感器与外部信号采集设备和解调设备的连接，即可实现对压滤机滤板的温度和应变的在线检测。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种塑料厚板制品检测用光纤光栅传感器嵌件，其特征是：包括光纤连接器的内埋接头和封堵头、光纤光栅温度传感器、光纤光栅应变传感器以及光栅封装器，其中：所述光纤光栅温度传感器、光纤光栅应变传感器并排设置于嵌件内部，所述光纤连接器的内埋接头和封堵头设置于嵌件的端部，所述光纤光栅温度传感器、光纤光栅应变传感器均包括多个光栅单元区和传导光纤，所述光栅封装器对光栅单元区和传导光纤进行封装。

2.如权利要求1所述的一种塑料厚板制品检测用光纤光栅传感器嵌件，其特征是：所述光纤连接器包括内埋接头、封堵头和外接接头，其中，内埋接头和外接接头或封堵头连接，所述内埋接头和外接接头为中空结构，设置有光纤通道，内埋接头内连接光纤光栅温度传感器、光纤光栅应变传感器，外接接头接信号采集和处理设备。

3.如权利要求2所述的一种塑料厚板制品检测用光纤光栅传感器嵌件，其特征是：所述内埋接头位于光纤光栅传感器嵌件的端部，且位于塑料厚板制品边框内，为两端口直径不等的套筒，中心有光纤通道。

4.如权利要求2所述的一种塑料厚板制品检测用光纤光栅传感器嵌件，其特征是：所述内埋接头的细端口处设有凹槽，粗端口的内部设有与封堵头或外接接头相配合的螺纹；所述封堵头一端设有与内埋接头相配合的螺纹，另一端中部设有装卸孔。

5.如权利要求2所述的一种塑料厚板制品检测用光纤光栅传感器嵌件，其特征是：所述外接接头为两端口直径不等的套筒，细端口处设有与内埋接头相配合的螺纹，中心设有光纤通道，形成保护腔对光纤接头进行保护。

6.如权利要求1所述的一种塑料厚板制品检测用光纤光栅传感器嵌件，其特征是：所述光纤光栅温度传感器的光栅单元区外套有保护套管，使光栅单元区与外界隔离；所述光栅单元区中心波长变化仅与温度相关，实现温度测量。

7.如权利要求1所述的一种塑料厚板制品检测用光纤光栅传感器嵌件，其特征是：所述光栅封装器包括光栅保护杆和棒状支撑，所述棒状支撑与设置于塑料厚板制品模具中的工艺孔配合或者直接粘接于模具内腔表面进行定位和固定。

8.如权利要求1所述的一种塑料厚板制品检测用光纤光栅传感器嵌件，其特征是：所述光纤光栅传感器嵌件中的光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器可以不同时存在。

9.基于权利要求1-8中任一项所述的塑料厚板制品检测用光纤光栅传感器嵌件的制造方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)选取多条已经刻制光栅的光纤，一部分光纤的光栅单元区外套保护套管，并在管口胶封，形成光纤光栅温度传感器，未套保护套管的光纤光栅为光纤光栅应变传感器；

(2)光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器并排设置于制备光纤光栅传感器嵌件的模具内，光纤的两端穿过安装在模具端部的光纤连接器的内埋接头以及模具的固定机构里的光纤通道后固定，向模具中浇注热塑性塑料熔体，让熔体冷却形成带有光纤连接器内埋接头的光纤光栅传感器嵌件；

(3)将制作好的光纤光栅传感器嵌件固定在制备塑料厚板的模具中，将封堵头与光纤连接器的内埋接头配合连接并置于模具内腔的边缘部位；

(4)采用模压或注塑成型工艺制造塑料厚板，将塑料厚板切削打磨平整后将封堵头取下，取出贮存在内埋接头中的光纤并与外接接头中的光纤热熔接，并将内埋接头和外接接头配合连接。

10.如权利要求9所述的制造方法，其特征是：所述步骤(2)中，对光纤光栅传感器嵌件进行脱模，得到端部带有光纤连接器内埋接头同时又具有温度测量和应变测量功能的光纤光栅传感器嵌件，将多余的光纤贮存在内埋接头的内腔中，封堵头与内埋接头连接。