CN105628249B - 用于模压制品检测的光纤光栅传感器嵌件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于模压制品检测的光纤光栅传感器嵌件及其制造方法，嵌件包括温度光纤光栅、应变光纤光栅、光栅封装器、保护层和连接器，其中：温度光纤光栅、应变光纤光栅并排设置，均包括若干个间隔设置的传导光纤和光栅单元区，温度光纤光栅、应变光纤光栅上设置有保护光栅单元区的光栅封装器，所述传导光纤外部包裹有保护层，温度光纤光栅、应变光纤光栅的端部设置有连接器。本发明在制品模压成型过程中可以便捷可靠地植入，从而把温度传感器和应变传感器内埋于制品中，并可定位传感器，能够保证传感器在模压成型的高温高压条件下的存活，并且传感器无缝嵌入制品内部，能够显著提高传感器的测量精确度和使用寿命。

Description

用于模压制品检测的光纤光栅传感器嵌件及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种用于模压制品检测的光纤光栅传感器嵌件及其制造方法。

背景技术

制造业是国民经济的主体，是立国之本、兴国之器、强国之基，实现“中国制造2025”对制造业智能化提出了更高的要求，因此生产过程的智能检测、智能控制、智能诊断、智能决策、智能维护的需求不断提高。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监测和控制生产过程中的各个参数，维持设备最好的状态，力求产品质量好、生产成本低。工业用传感器是实现制造业智能化的关键技术手段之一。工业传感器有热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件等众多种类。然而适用于固体内部温度和应变检测的传感器种类并不多，其主要原因是将传感器植入固体结构件内部比较困难。如果在制品液态成型前植入传感器，制品液态成型以及液固转变过程中的高温高压环境极易导致植入的传感器失效；如果在制品成型后植入传感器则需要额外打孔，容易破坏结构件且会产生较大的测量误差。

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，以激光为检测信号，抗电磁干扰，纤芯直径小，对结构件性能几乎不产生影响，特别适合智能在线检测。

光纤光栅传感器的核心元件是光纤：一条纤细的玻璃纤维。光纤刻制光栅后可用于温度、应变的在线检测，然而光纤柔软，在制品模压成型时易受到高温高压环境的破坏。因此，在模压制品中植入光纤光栅传感器是一项技术挑战。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种用于模压制品检测的光纤光栅传感器嵌件及其制造方法，本发明在制品模压成型过程中可以便捷可靠地植入，从而把温度传感器和应变传感器内埋于制品中，并可定位传感器，能够保证传感器在模压成型的高温高压条件下的存活。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于模压制品检测的光纤光栅传感器嵌件，包括温度光纤光栅、应变光纤光栅、光栅封装器、保护层和连接器，其中：温度光纤光栅、应变光纤光栅并排设置，均包括若干个间隔设置的传导光纤和光栅单元区，温度光纤光栅、应变光纤光栅上设置有保护光栅单元区的光栅封装器，所述传导光纤外部包裹有保护层，温度光纤光栅、应变光纤光栅的端部设置有连接器。

所述光栅封装器包括光栅保护台和光栅定位架，光栅保护台将温度光纤光栅、应变光纤光栅按照一定的间距平行包埋于其中，传导光纤从光栅保护台截面出穿过，光栅定位架固定于光栅保护台下端，用以支撑光栅保护台并定位光栅在制品中的位置。

所述光栅定位架固定于模具中定位工艺孔中或者粘贴于模具内表面，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。

所述光栅保护台内的温度光纤光栅、应变光纤光栅平行设置，平行间距为7-15mm，优选10mm。

所述温度光纤光栅、应变光纤光栅平行排列，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。

所述温度光纤光栅、应变光纤光栅之间的法向距离为7-15mm，优选10mm。

所述温度光纤光栅、应变光纤光栅上均有多个光栅单元区，每个光栅单元区都是一个独立的传感器，且具有不同的中心波长，中心波长从光纤光栅传感器的一端依次递增。

所述递增量大于3nm。

所述光栅单元区的间距根据实际情况而定，但要保证同一光栅对的温度光栅和应变光栅间距一致。

所述光栅单元区长度为5-20mm，优选10mm。

所述温度光纤光栅的光栅单元区外部套有保护管，并在管口胶封，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。

所述保护管为毛细管。

所述连接器包括内埋接头和外接插头，内埋接头内连光纤光栅，外接插头外接信号采集设备，所述内埋接头在温度光纤光栅、应变光纤光栅的端部，位于模压制品边缘部位，内埋接头隐藏于制品内部，方便制品成型和后续加工。制品后续加工完成后，将外接插头插入内埋接头中，使制品内外光纤精密对接起来，实现内埋于制品的光纤光栅传感器与外部信号处理设备的连接，完成光纤延长、光信号中继。所述连接器能实现光纤光栅从制品内部的引出及出口保护，提高了内埋光纤光栅的成活率和可操作性，降低光栅传感器的安装成本。

所述光纤保护层和光栅封装器均为热塑性塑料，优选与制品同种的材料，以实现光栅嵌件与模压制品的无缝融合，将传感器对制品性能的影响最大限度地降低，同时更好的保护光纤和光栅在高温高压环境下的安全性。

所述温度光纤光栅、应变光纤光栅并非必须同时封装，若不需要测量温度时，就仅仅保留应变光纤光栅，不再有温度光纤光栅；若仅仅需要测量温度时，仅仅保留温度光纤光栅，不再有应变光纤光栅。

一种基于上述传感器嵌件的制造方法，包括以下步骤：

(1)选择掺入光敏性材料的光纤，通过热挤出、注塑、涂覆和缠绕成型工艺，使光纤外周形成一定厚度的保护层；

(2)截取设定长度的具有保护层的光纤，根据检测要求按照设定的间距，剥去设定数量、设定长度的光纤外层塑料保护层，并在裸纤上刻制光栅，形成若干个光栅单元区，分别在每个光栅单元区的中心刻制不同中心波长的光栅，形成若干个光纤光栅传感器单元；

(3)在光栅单元区外套保护管，保护管管口和光纤之间的间隙胶封，形成温度光纤光栅，选取未外套保护管的光纤光栅作为应变光纤光栅；

(4)根据制品尺寸，制作光栅封装器模具，将温度光纤光栅、应变光纤光栅按照一定间距平行并列，放入同一光栅封装器模具中，使光栅单元区位于光栅封装器内部，在模具中浇注热塑性塑料熔体，熔体冷却后即完成光栅封装；

(5)把光栅封装器脱模，分别在温度光纤光栅和应变光纤光栅的端部接上连接器的内埋接头。

所述步骤(4)中，光栅封装器模具型腔的长度大于光栅单元区的长度。

本发明的有益效果为：

(1)提供一种光纤光栅传感器嵌件，该传感器嵌件在制品模压成型过程中可以便捷可靠地植入，从而把温度传感器和应变传感器内埋于制品中，并可定位传感器，能够保证传感器在模压成型的高温高压条件下的存活，并且传感器无缝嵌入制品内部，能够显著提高传感器的测量精确度和使用寿命；

(2)提供该传感器嵌件的制造方法，该方法易操作，制造的传感器嵌件在被内埋于模压制品后能使模压制品具有在线温度检测、应变检测或同时具有在线温度和应变检测的功能。

附图说明

图1为一种模压制品在线检测用的光纤光栅传感器嵌件示意图；

图2为光栅封装器示意图；

其中，1光纤光栅温度传感器；2光纤光栅应变传感器；3光纤塑料保护层；4光栅封装器；5光纤微型连接器；6硬质耐热毛细管；7温度光栅单元；8应变光栅单元；9光栅保护台；10光栅定位架；11第一光栅对传感器；12第二光栅对传感器；13第三光栅对传感器。

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，一种模压成型制品的在线检测用的传感器嵌件主要包括光纤光栅温度传感器1、光纤光栅应变传感器2、光纤塑料保护层3、光栅封装器4、光纤微型连接器5等部分。

该嵌件主要是方便光纤光栅温度传感器和应变传感器植入模压制品内部，保证传感器在模压工艺的巨大压力和高温下的存活率，并且保证传感器安置在制品中的目标位置，同时方便制品内部的传感器与外界的信号采集和处理设备连接。

传感器嵌件的传感元件为光纤光栅温度传感器1和光纤光栅应变传感器2，光纤光栅温度传感器1和光纤光栅应变传感器2由传导光纤和光栅单元区组成，两传感器的光纤表层均包裹塑料保护层3，光栅单元区外有光栅封装器4保护，光纤微型连接器5在光纤传感器的端部，光栅单元区在光纤光栅传感器的中部，每个传感器有多个光栅单元区，用于多点测量。

光纤光栅温度传感器1和光纤光栅应变传感器2平行排列，法向间距7-15mm，优选10mm，光栅单元区位置相对应，组成一个光栅对。

光纤光栅温度传感器1和光纤光栅应变传感器2上均有多个光栅单元区，每个光栅单元区的光栅中心波长不同，从光纤传感器的某一端依次递增，增量大于3nm，光栅栅区长度优选10mm，栅区间距根据实际情况而定，但要保证同一光栅对的温度光栅和应变光栅间距一致。

光纤光栅温度传感器1的温度光栅单元7外套硬质耐热毛细管6，并在管口胶封，温度光栅单元7用来测量制品内部温度的变化，同时作为温补光栅，辅助应变光栅单元8消除由温度引起的应变测量误差。

光纤光栅应变传感器2依靠应变光栅单元8，用来测量制品内部应变的变化，但应该借助对应的温度光栅单元7排除温度对应变光栅的影响。

光纤塑料保护层3的材料为热塑性塑料，优选与制品同种的材料，以保证传感器材料和制品无缝熔接，同时最大限度地降低传感器对产品性能的影响。所述光纤塑料保护层采用挤出、注塑、涂覆、缠绕等成型工艺包覆在裸纤表面，包覆厚度优选0.25-2.0mm，主要用来保护光纤在植入塑料模压制品过程中不被破坏。

光栅封装器4为光栅传感器的保护和定位机构，光栅封装器4由光栅保护台9和光栅定位架10组成，温度光栅单元7和应变光栅单元8按照一定的间距被平行包埋于光栅保护台9中，光纤从光栅保护台9的截面中穿过，温度光栅单元7和应变光栅单元8的平行间距7-15mm，优选10mm，光栅定位架10为柱状或者翼状定位结构，用来支撑光栅保护台9并定位光栅在制品中的位置。

光栅封装器4为热塑性塑料，优选与制品材料相同的材料。所述光栅封装器4起着保护和定位两种作用，光栅保护台9具有高的机械强度和模量，可以保护内埋于模压粉料中的光栅传感器在巨大模压力下的安全性；光栅定位架10可以固定于模具中的定位工艺孔中或者粘贴于模具内表面，使其准确处于制品内部的目标位置，提高测量数据的可靠性。

光纤微型连接器5包括内埋接头和外接插头两部分，内埋接头内连光纤光栅，外接插头外接信号采集设备。所述内埋接头在光栅传感器的端部，位于模压制品边缘部位，内埋接头形成沉孔，方便制品成型和后续加工。制品后续加工完成后，将外接插头插入内埋接头中，使制品内外光纤精密对接起来，实现内埋于制品的光纤光栅传感器与外部信号处理设备的连接，完成光纤延长、光信号中继。

光纤保护层3和光栅封装器4均为热塑性塑料，优选与制品同种的材料，保证在模压高温下熔化后与制品材料熔合，实现光栅嵌件与模压制品的无缝融合，并可以保护光纤和光栅在模压过程的高温高压环境下的安全性和使用过程中测量的准确性。

光纤光栅传感器嵌件适用于在模压成型制品中快捷植入传感器，也适用于其他类似成型工艺中在制品中快捷植入传感器。

一种模压工艺制品在线检测用的传感器嵌件的制造方法和步骤如下：

(1)选择掺入光敏性材料的光纤，通过热挤出、注塑、涂覆、缠绕等成型工艺，使光纤外周形成一定厚度的保护层，保护层为热塑性塑料，优选与制品同种的材料。

(2)截取设定长度的具有保护层的光纤，根据需要按照一定的间距，剥去一定数量、一定长度的光纤外层塑料保护层，形成多个光纤裸露区，分别在每个光纤裸露区的中心刻制不同中心波长的光栅，形成多个光纤光栅传感器单元。

(3)选取数条已经刻制光栅的光纤，在其光栅单元区外套硬质耐热的毛细管，例如不锈钢毛细管，管口和光纤之间的间隙胶封，形成光纤光栅温度传感器，选取数条未外套毛细管的光纤光栅作为光纤光栅应变传感器。

(4)根据制品尺寸的需要，制作光栅定位保护架模具，模具长度大于光纤裸露区。

(5)把一条光纤光栅温度传感器和一条光纤光栅应变传感器按照一定间距平行并列，放入同一光栅封装器模具中，并尽量使光栅区在模具中心，在模具中浇注热塑性塑料熔体，熔体冷却后完成光栅封装。

(6)光栅封装器脱模，分别在光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器的端部接上光纤微型连接器的内埋接头，即制造了同时具有温度测量和应变测量功能的光纤光栅传感器嵌件。

应当指出，所述模压制品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，在不需要测量温度时，就仅仅保留应变光纤光栅，不再有温度光纤光栅；在仅仅需要测量温度时，仅仅保留温度光纤光栅，不再有应变光纤光栅。

实施例一：

一种模压工艺成型的压滤机滤板用的在线检测光纤光栅传感器嵌件

如图1所示，该嵌件由一条温度测量光纤光栅和一条应变测量光纤光栅组成，每条光纤上刻制六个光栅单元(示意图1中只画出三个)，每个光栅单元为一个独立的传感器，光栅单元中心波长分别为1512nm、1516nm、1520nm、1524nm、1528nm、1532nm。光纤保护层和光栅封装器材料和压滤机滤板材料一致，均为聚丙烯。光栅保护层聚丙烯厚度为1mm，光栅单元被光栅封装器保护，每条光纤有六个光栅封装器，在每条光纤的一端安装一个硬质耐温的光纤连接器的内埋接头。

具体制造方式如下：

选取两段长2米的掺锗光纤，放在电缆押出机上，用聚丙烯粉料在光纤表面形成1mm厚的聚丙烯保护层。每根光纤上每隔100mm剥去25mm长的聚丙烯保护层，一共剥去六段，在裸纤中部刻制中心波长分别为1512nm、1516nm、1520nm、1524nm、1528nm、1532nm的光纤光栅，光栅单元区长度为10mm，将刻制好的光栅放入长30mm的模具中，温度光栅和应变光栅法向间距为10mm，浇注聚丙烯熔体，熔体冷却后脱模。然后在光纤前端安装光纤连接器5的内埋接头。

安装过程如下：

把光纤光栅传感器嵌件安放在模具型腔内的目标位置，为提高牢固性可把定位架底部粘接在模具内壁上，或者把定位架的棒状底部与模具上预设的安装孔相配合，把光纤连接器的内埋接头用耐热耐压材料封口，并放在模具的边缘且可靠定位，在用来制造压滤机滤板的粉料进入模具型腔后，闭合模具，加热加压使滤板成型。

滤板成型后进行后续加工，装配在压滤机上之后，找到光纤光栅传感器嵌件的光纤连接器的内埋接头，去除内埋接头里的封口材料，插入光纤连接器的外接插头，完成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 (9)

1.一种用于模压制品检测的光纤光栅传感器嵌件，其特征是：包括温度光纤光栅、应变光纤光栅、光栅封装器、保护层和连接器，其中：温度光纤光栅、应变光纤光栅并排设置，均包括若干个间隔设置的传导光纤和光栅单元区，温度光纤光栅、应变光纤光栅上设置有保护光栅单元区的光栅封装器，所述传导光纤外部包裹有保护层，温度光纤光栅、应变光纤光栅的端部设置有连接器；

所述光栅封装器包括光栅保护台和光栅定位架，光栅保护台将温度光纤光栅、应变光纤光栅按照一定的间距平行包埋于其中，传导光纤从光栅保护台截面中穿过，光栅定位架固定于光栅保护台下端，用以支撑光栅保护台并定位光栅在制品中的位置；所述光栅定位架固定于模具的定位工艺孔中或者粘贴于模具内表面。

2.如权利要求1所述的一种用于模压制品检测的光纤光栅传感器嵌件，其特征是：所述温度光纤光栅、应变光纤光栅平行排列，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。

3.如权利要求1所述的一种用于模压制品检测的光纤光栅传感器嵌件，其特征是：所述温度光纤、应变光纤上均有多个光栅单元区，每个光栅单元区都是一个独立的传感器。

4.如权利要求3所述的一种用于模压制品检测的光纤光栅传感器嵌件，其特征是：所述光栅单元区长度为5-20mm，且具有不同的中心波长，中心波长从光纤传感器一端依次递增，增量大于3nm。

5.如权利要求1所述的一种用于模压制品检测的光纤光栅传感器嵌件，其特征是：所述温度光纤光栅的光栅单元区外部套有保护管，并在管口胶封，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。

6.如权利要求1所述的一种用于模压制品检测的光纤光栅传感器嵌件，其特征是：所述连接器包括内埋接头和外接插头，内埋接头内连光纤光栅，外接插头外接信号采集设备，所述内埋接头在温度光纤光栅、应变光纤光栅的端部，位于模压制品边缘部位，内埋接头隐藏于模压制品内部。

7.如权利要求1所述的一种用于模压制品检测的光纤光栅传感器嵌件，其特征是：所述温度光纤光栅、应变光纤光栅既可以同时封装组成光栅对，也可以单独封装温度光纤光栅或应变光纤光栅的其中之一。

8.一种基于如权利要求1-7中任一项所述的传感器嵌件的制造方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)选择掺入光敏性材料的光纤，通过热挤出、注塑、涂覆和缠绕成型工艺，使光纤外周形成一定厚度的保护层；

(2)截取设定长度的具有保护层的光纤，根据检测要求按照设定的间距，剥去设定数量、设定长度的光纤外层塑料保护层，形成若干个光栅单元区，分别在每个光栅单元区的中心刻制不同中心波长的光栅，形成若干个光纤光栅传感器单元；

(3)在光栅单元区外套保护管，保护管管口和光纤之间的间隙胶封，形成温度光纤光栅，选取未外套保护管的光纤光栅作为应变光纤光栅；

(4)根据制品尺寸，制作光栅封装器模具，将温度光纤光栅、应变光纤光栅按照一定间距平行排列，放入同一光栅封装器模具中，使光栅单元区位于光栅封装器内部，在模具中浇注热塑性塑料熔体，熔体冷却后即完成光栅封装；

(5)把光栅封装器脱模，分别在温度光纤光栅和应变光纤光栅的端部接上连接器的内埋接头。

9.如权利要求8所述的制造方法，其特征是：所述步骤(4)中，光栅封装器模具型腔的长度大于光栅单元区的长度。